以调蓄功能为主导的草型湖泊生态系统的构建——以广州市增城区新塘镇永和河调蓄区建设工程为例

岳明彦

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300000)

广州市增城区新塘镇永和河调蓄区建设工程是为解决新塘地区内涝问题，通过人工建设调蓄湖暂存及处理城市内涝废水，缓解新塘地区城市内涝压力，同时对永和河河段、官湖支涌河段以及石下左支涌河段进行疏浚拓宽，缓解行洪压力。广州市增城区新塘镇永和河调蓄区建设工程建成后将形成两个浅水型人工湖泊。浅水型湖泊是一种比较脆弱的生态系统，湖水与湖底底泥物质交换强烈，污染物沉积过程较为缓慢，其污染负荷能力较低[1]，对污染物响应很敏感，属于极易发生富营养化的水体之一。富营养水质的浅水型湖泊生态系统中可能出现两种相对稳定的状态，一种是清澈见底且拥有大量沉水植物的草型清水状态—“草型湖泊”[2]；另一种则是水体高度浑浊且富含高浓度悬浮泥沙颗粒和浮游植物的藻型浊水状态—“藻型湖泊”[3]。这两种相对状态下湖泊的主要初级生产者为藻类和水生植物，但二者对所在生态系统状态的稳定机理是完全不同的[4]。广州市增城区新塘镇永和河调蓄区建设工程下游临近东江北干流饮用源二级保护区和准保护区，下游水环境极其敏感，南北调蓄湖水体富营养化防控极为重要。因此，将广州市增城区新塘镇永和河调蓄区建设工程建成后形成的两个浅水型人工湖泊，打造成“草型湖泊”尤为重要。为此，广州市增城区新塘镇永和河调蓄区建设工程水生态工程探索构建南北调蓄湖水下森林，构建拥有丰富沉水植物的草型清水状态——“草型湖泊”，同时在南北调蓄湖面构建满足白鹭、游禽等陆生动物生态栖息的复合型净水湿地，提升和改善调蓄区整体水生态环境。

1 调蓄区外来污染源

非汛期(正常工况下)时段本项目调蓄区外来污染源为永和污水处理厂尾水，永和污水处理厂为生活废水处理厂(生活废水处理厂不同于工业废水处理厂，一般情况下不存在重金属等第一类污染物)，其主要污染物为化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)。污染物类型均属于第二类污染物，主要为非持久性有机污染物以及TN(表现为氨氮、硝态氮、亚硝态氮、有机氮)、TP(磷酸盐类)等富营养元素。

汛期(非正常工况下)时段，本项目调蓄区外来污染源为广州市新塘镇地区城市内涝水(即暴雨期间河道中洪水)。一般情况下，暴雨期间，初期雨水(暴雨刚刚开始30 min，含有城市径流污染物)水质最差，根据官湖支涌及石下左支涌30或50年一遇设计洪水过程线可知，暴雨前期河道中水流量变化不大，河道在连续暴雨11～14 h期间流量出现急速抬升，具体如图1～图2所示，因此通过合理的水利调洪调度可以避免城市初期雨水进入南北调蓄区。汛期时段，本项目南北调蓄区承接城市内涝废水最主要的污染物为SS以及漂浮垃圾，同时承接内涝水后的南北调蓄区水体中TN、TP、BOD5和COD可能有所升高。

图1 官湖支涌设计洪水过程线图

图2 石下左支涌设计洪水过程线图

2 调蓄区水质目标

南北调蓄区补水来源于永和污水处理厂二厂尾水，污水处理厂外排尾水中DO、COD、NH3-N、TP执行准Ⅳ类水质标准，其余指标(SS、动植物油、石油类、总氮等)执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级A标准。本次水生态工程主要是将永和污水处理厂的DO、COD、NH3-N、TP水质因子由Ⅳ类提升至Ⅲ类，同时改善和提升调蓄区水生态环境，建立草型湖泊，杜绝蓝绿藻的爆发。

1) 近期目标(2022—2024年，生态系统建立初期)

调蓄区建立完整的水生生态系统，沉水植物覆盖率达到60%，沉水植物选用四季常绿苦草为主，搭配眼子菜和穗花狐尾藻，水体透明度≥1.0 m，在非汛期时段南北调蓄区出水主要水质因子(表1)整体优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅳ类水体标准。

2) 远期目标(2025年后，生态系统稳定)

调蓄区的水生植物、水生动物、浮游动物、微生物等群落已形成平衡的生态链，可持续稳定维持水环境的平衡，调蓄区水体透明度≥1.5 m或清澈见底，在非汛期时段南北调蓄区出水口主要水质因子(表2)基本达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类水体标准。

表2 南北调蓄区生态治理远期目标(2025年后)

3 调蓄区污染物削减过程分析

永和污水处理厂来水进入调蓄区后，在目前2.0×104m3/d连续补水的工况下，调蓄区容积约3.2×105m3，水力停留时间约16 d，调蓄区补水口附近水体由于永和污水处理厂来水与调蓄区水质的浓度差以及本身的水动力因素，污染物进入调蓄区水体后(具体调蓄区剖面见图3)顺着浓度梯度以及水动力方向进行了混合，形成混合过程段直至完全混合，然后污染物继续顺着水流方向形成混合衰减区域(具体衰减过程见图4)。根据《环境影响评价技术方法》(生态环境保护部环境工程评估中心编制)以及《环境影响评价技术导则地表水环境》(HJ 2.3—2018)中湖泊(水库)水环境影响预测方法中湖泊、水库水质箱体模型，非持久性污染物在湖库水体内反应符合一级反应动力学，其污染物在水体中浓度变化与湖泊中的生化反应速率和水力停留时间有关。因此，随着水力停留时间增加，主要水质污染因子也逐渐衰减，在水力停留时间固定情况下，污染物在水体中浓度变化主要受湖泊中的生化反应速率影响，而生化反应速率主要与水的生态环境(微生物、水生动物、水生植物等)有关。

图3 调蓄区湖体剖面示意图

图4 永和污水处理厂尾水进入调蓄区后水质演替过程

4 调蓄区水生态构建的工程措施

生态系统建立初期工程措施要求及目的：草型湖泊建立初期，来水中COD、BOD5、NH3-N、TP水质因子为准Ⅳ类，主要通过科学合理分布实施构建水下森林体系，确保水生植物成活率，定期补苗，调理水质(确保水体的C∶N∶P维持在比较合理的范围内)，通过培养激活当地土生微生物菌群，夜间或者水体氧气不足时辅助以人工曝气，水体投放一定量的固态生物净水剂(提升水体自净能力)，合理依次投放适量比例的水生动物、浮游动物，逐步建立完整的水生态链，使得水生植物、水生动物等适应当地环境适应生长，确保水质稳定，定期监测调蓄区各个部位水体水质情况，避免爆发蓝绿藻情况。

生态系统稳定后工程措施要求及目的：草型湖泊生态系统稳定后，水生动植物均适应了当地环境，建立起完整的生态链，此时永和污水处理厂富营养水质为调蓄区水生动植物生长提供了各种营养元素，调蓄区水体中的生化反应速率得到进一步提高，水体自净能力得到提升。通过一定的水力停留时间，调蓄区水中的COD、BOD5、NH3-N、TP得到进一步削减，因此可以实现南北调蓄区在非汛期时段主要水质指标(DO、COD、NH3-N、TP)在出水口基本实现Ⅳ类水体到Ⅲ类水体的提升，但后期为了维持整个调蓄区生态系统的平衡稳定，定期进行湖面垃圾清洗、水质维护、水草收割、水生动物动态平衡调整是必需的。

4.1 底质改良及活化

工程范围内各底泥存在大量内源性污染物质，它将长期不断释放出污染物质，对后期维持水生态环境稳定造成一定的环境风险。必须先通过复合微生物菌剂，加速底泥中污染物分解、矿化，该过程在刚开始阶段可能会造成部分水体中部分水质因子指标升高，但最终能够减少底泥的厚度同时加速底泥矿化。然后，再往底泥中均匀投入另外一种微生物菌剂，激活底泥中原有的土著微生物，并在调蓄区泥水相邻界面形成一层薄薄的生物膜，能够有效地阻止底泥中的污染物继续往水体中释放，使底泥污染物处在一个封闭的环境中并逐渐矿化[5]。

4.2 沉水植物群落构建

沉水植物选择改良型的四季常绿枯草为主，搭配马来眼子菜、穗花狐尾藻的水生植物群落。

4.3 水生动物群落构建

水生动物群落的构建原则上遵循从低等向高等的进化方向去配置，避免水生态系统出现不稳定。当调蓄区水体沉水植物达到一定修复效果后，再开展调蓄区水体水生动物物种分点投放，首先选择螺类、贝类、虾类、小型杂食性蟹类和小型滤食性鱼类；待整个水生态群落系统稳定后，再引入本地肉食性的凶猛鱼类，以控制鱼类的动态平衡。水生动物的放养应充分考虑水生动物物种的配置比例结构，科学合理地设计水生动物的放养比例及时期。水生动物包括鱼类(构建食物链)、底栖生物、虾贝类及滤食性浮游生物。通过滤食浮游藻类，实现控制蓝藻水华；N和P营养元素可以通过藻类营养级转化，从而达到净化水质的目的。

4.4 生态净水鸟类游禽水上栖息复合型湿地构建

生态净水鸟类游禽水上栖息复合型湿地能够有效去除水体中有机物、氮、磷等多种污染物质，有效控藻，改善水质，修复水生态环境[6]。在生态净水鸟类游禽水上栖息复合型湿地下部悬挂固态生物净水剂，刺激水中土著细菌大量繁殖(固态生物净水剂本身不含有细菌)相当于多孔载体+营养基的结合体，刺激微生物大量繁殖(拓培容剂)。通过在调蓄区水面构建生态净水鸟类游禽水上栖息复合型湿地，一方面为鸟类、游禽构建水面着陆生态栖息地，另一方面通过人工构建的自然湿地净化南北调蓄区水质，同时通过不同植物的搭配构建改善调蓄区生态环境。

4.5 鱼虾贝生态栖息地构建

为了防止肉食性鱼类肆意扩张，保持调蓄区食物链稳定平衡，在南北调蓄区底筑建滤食性鱼类及软体动物的生态栖息地、产卵地、避难地。

5 水生态修复预期效果分析

5.1 南北调蓄区补水水质水量情况

南北调蓄区补水来源于永和污水处理厂二厂，污水处理厂外排废水中4项水质因子COD、BOD5、NH3-N、TP执行准Ⅳ类水质标准。根据2020年8—11月永和污水处理厂二厂出水统计数据情况，其水质COD、BOD5、NH3-N、TP均达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅳ类水质标准要求，具体见表3。

表3 永和污水处理厂二厂尾水出水水质标准

设计考虑将永和污水处理厂二厂尾水通过补水叠瀑补至南北调蓄区，总补水量为2.0×104m3/d，其中北调蓄区补水量为0.7×104m3/d，南调蓄区补水量为1.3×104m3/d，具体见表4。

表4 永和污水处理厂二厂尾水进入南北调蓄区最大污染物量

5.2 南北调蓄区水质净化过程及效果

由于本调蓄区整体属于一个动态生态净水系统，其水质净化过程属于一个动态的过程，譬如春夏季节，气候调节适宜，植物生长迅速，植物生物量增长较快，鱼、虾、贝类均较为活跃，水体中营养物质能快速被消纳掉，此时水质净化效果较好，水体透明度较高，调蓄区部分水域部分水质指标甚至能够达到Ⅱ类水质要求。但到冬季，植物生长较为缓慢，部分植物出现枯枝落叶，影响水体水质，鱼、虾、贝等水生动物活跃度降低，此时整个水体的自净能力将降低。

本次分析调蓄区水质净化效果及可达性参照5种沉水植物氮磷吸收和水质净化能力比较，选用轮叶黑藻、苦草、金鱼藻、穗花狐尾藻、眼子菜，在室内静水条件下研究其对氮磷的吸收和水质净化能力比较[7]，得出不同沉水植物处理水质TN、TP效率范围分别为63.8%～83.1%，49.2%～70.8%[7]。考虑到本项目调蓄区冬季部分植物会枯萎，水质净化效果将降低，本次整体NH3-N、TP去除率分别按60%，50%计算。

由于本项目调蓄区净化水质是一个综合过程，当调蓄湖水体中水草生长茂盛，水生动物密度过高或过低时，就会对生长过于茂盛的水草进行人工收割，对过密鱼类会进行人工打捞，对过于稀少的鱼虾类会进行人工放养。从物质守恒角度说，这样相当于转移了进入水体中营养物质量，调蓄区水力停留时间达16 d，远超过表面流人工湿地4～8 d水力停留时间要求，较长的水力停留时间，能够确保生化净化效果。《国家环保部人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005—2010)中表面流人工湿地中COD、BOD5去除效率可达到50%～60%和40%～70%。考虑到本项目调蓄区冬季水生动植物代谢较为缓慢，此时段运行效果较差，整体COD和BOD5去除率分别按50%和40%进行计算，具体污染物削减情况见表5。

表5 永和污水处理厂二厂尾水通过南北调蓄区水下森林污染物削减、排放情况表 单位:t/a

5.3 调蓄区生态净化后水质浓度预测分析

根据《环境影响评价技术方法》(生态环境保护部环境工程评估中心编制)以及《环境影响评价技术导则地表水环境》(HJ 2.3—2018)中湖泊(水库)水环境影响预测方法中湖泊、水库水质箱体模型，本次研究调蓄区的富营养化过程中，可以将调蓄区模拟成一个完全混合反应箱体，其水质基本方程为

(1)

式(1)中:V为正常工况下调蓄区中水的体积，取3.2×105m3；Q为平衡时流入与流出调蓄区的流量，取2.0×104m3/d；CE为流入调蓄区的水量中水质组分质量浓度，这里取永和污水处理厂出水中污染物质量浓度，g/m3；C为调蓄区中水质组分质量浓度，g/m3；SC为如非点源一类的外部源或汇，m3；r(C)为水质组分在湖泊中的生化反应速率，kg/(m3·d)。

在无外部污染源或汇(SC=0)的情况下，则公式变为

(2)

当所考虑水质组分在调蓄区内反应符合一级反应动力学，而且是衰减反应时，则

r(C)=-KC

(3)

式(3)中：K为调蓄区中一级反应常数，1/t，则式(2)为

(4)

当调蓄区整个处于dc/dt=0的稳定状态时，公式为

(5)

为了实现从来水Ⅳ类水体达到Ⅲ类水质标准的要求，至少需要的时间为

6 结 语

综上所述，生态系统建立初期，通过合理科学的施工以及人工维护管理，可以避免水质恶化及蓝绿藻爆发，建立稳定的水生态系统，实现水质沉水植物覆盖率达到60%，水体透明度≥1.0 m，南北调蓄区主要水质指标(DO、COD、NH3-N、TP)整体优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅳ类水体标准。水体系统稳定后期，建立起来完整稳定的水生生态链，提升了水体自净能力及污染物在水体中的生化反应速率，通过一定的水力停留时间，可以实现调蓄区出水水质主要水质指标(DO、COD、NH3-N、TP)由Ⅳ类提升至Ⅲ类。