入湖口湿地在高原湖泊水环境治理中的应用研究

梁永哲 单承康 刘永涛 王 猛

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

云贵湖区主要问题是湖泊流域连通性差，换水周期长，生态脆弱，易发生水体富营养化，遭受破坏后恢复和治理难度大［1］。云南省某高原湖泊位于云南省东南部。根据《云南省地表水水环境功能区划》，全湖属景观用水、一般鱼类保护及农业用水，水质目标为Ⅲ类。随着湖泊流域范围内集镇及农村经济社会的快速发展，人口聚集、产业发展、城镇化水平提高，但环保基础设施相对滞后，流域内大量生活污水、农业废水溢流直接排入入湖河道及湖泊，致使湖泊现状水质多为Ⅳ类或Ⅴ类。考虑到湖泊水质对下游南盘江的影响，以及国家、云南省对水体治理的高度重视，实施的水环境综合治理十分必要且迫切。

根据不同类型的湿地植物恢复所需立地条件、满足湿地水质自然净化对底质、水力负荷、污染负荷、水力停留时间和湖滨景观美学的标准和原则，结合国内生态修复技术研究成果，对入湖口生态湿地进行总体研究，目的是使湿地最终实现水质净化、生物多样性保护、生态景观营造的总体目标。

1 湿地工艺研究

1.1 进水水量与进水水质

通过考虑湿地的入流量、直接降雨量、蒸发蒸腾损失水量、渗漏损失水量，对河口湿地进行水量平衡计算。依据水量论证，采用上游水库平均流量的10%作为设计流量，入湿地水量主要为上游水库溢流水量和沿途直排生活污水，除去沿途蒸发渗透。湿地区域直接降雨量、蒸发蒸腾损失水量、渗漏损失水量，工程区域年损失水量仅占湿地入流量的2.47%，不会对湿地水量处理规模造成明显的不利影响。由于入湖口河道流量季节性较强，在入湖口建一座泵站应急使用，将湖水提升至入湖河道通过湿地净化后再流入湖泊，一方面可以将河道里的生活污水及时携带进入湿地处理，避免枯期水量较小，污水中的污染物都沉淀在河底，另一方面还可以对湖泊的水体进行循环净化处理，提高湖泊的水动力及水质，此外，可以兼顾灌溉使用。

流域内的点源污染有所控制，但非点源污染问题却十分突出。暴雨产生的径流对地表有强烈的冲刷作用，加之农药化肥的使用量和土地耕作强度的逐年加大，大量污染物在暴雨径流的冲刷下从地表向湖区迁移。研究结果表明，暴雨径流已成为湖泊水体富营养化的重要营养物质来源［2］。另据现场调查，入湖河道沿岸的部分农村生活污染未经处理排入河道，进而流入湖泊。该工程的主要处理对象是以初期雨水为主的地表径流及农业面源。根据现场调查和水质检测及考虑远期沿河村庄开展两污治理，进水水质和出水水质如表1、表2所示。

表1 进水水质

表2 出水水质

1.2 防渗与防洪

为防止污染扩散，保障湿地的运行水位，湿地建设根据需要采取一定的防渗措施。人工湿地在底部和侧面进行防渗处理，防渗层的渗透系数不大于10-8m/s，对于渗透系数小于10-8m/s 且厚度大于60 cm 的土壤，可直接作为湿地防渗层，不需采取其他措施进行防渗处理。当防渗要求较低，且条件许可时，选用天然黏土或改良土夯实；当防渗要求较高时（靠近村庄、管道等），选用塑料薄膜，如聚乙烯膜、聚合物水泥等建筑防水材料、水泥或合成材料隔板、黏土［3］。由于本工程遵循生态优先的原则，整体工艺流程均采用绿色生态化处理设施，为与周边生态环境进行充分的物质及能量交换，措施采取原土夯实+表土覆盖的防渗措施。

湿地位于入湖口，采用翻板坝及泵站提水的进水方式，保留原主河道并进行疏浚形成行洪通道，湿地布置于行洪通道两侧，主河道河水对湿地影响较小。洪水较大时，洪水主要通过行洪河道下泄进入湖区，同时通过管道阀门开闭调节进水水量，减少外围洪水对湿地的影响。湿地在不影响湖区蓄水库容的前提下，充分考虑现状地形、保证湿地内部土方平衡后湿地围堤堤顶，保证湖泊洪水位对湿地无影响。

1.3 湿地系统构建

1.3.1 总体工艺。根据进出水水质及现状场地条件，采用复合型人工湿地，具体工艺流程如下：河道来水→前置沉淀生态塘→表流湿地→水生植物氧化塘→湖体。

前置沉淀生态塘起沉淀、水解、配水三个作用，入湖河道水体通过自流进入前置沉淀生态塘，受阻后流速降低有效沉淀河道中的悬浮物及降低河水中的含砂量，底层水体呈现的厌氧状态，可通过水解酸化作用将COD 转化成BOD，增加水体可生化性，同时可以将少量的有机氮转化为氨氮。为方便后期清淤，该功能区块种植浮叶植物和挺水植物为主，通过植物吸收、吸附等作用，提高处理能力，达到强化的目的。表流湿地分为一级表流湿地、二级表流湿地、三级表流湿地串联处理床体单元，表流湿地中主要利用水生植物和好养微生物共同作用净化污水，通过过滤、吸附、降解的协同作用净化水质，主要去除氨氮、总氮、总磷等。水生植物塘位于净化湿地区末端，根据水质净化和湿地生态恢复需求，结合现有地形高程，综合考虑鸟类、鱼类栖息需求的情况下，结合现场的地势条件并对现有地形进行一定的改造设置沉水植物区、浮叶植物区及荷塘区湿地区域，对表流湿地出水进一步进行深度处理，在动植物、微生物共同作用下去除氨氮、总磷、有机物、抑制藻类等［4］，为水质达标提供保障。

工程竖向布置充分考虑项目区现状地形，基于工程区东高西低的整体格局进行布置，有效减少土方工程。项目采用自流进水、自流出水的方式。跌水坝前进水经管道通入前置沉淀生态塘，其中生态塘水深2.5～3.0 m，好氧塘水深1.0～2.0 m；后经配水渠配水进入表流配水支渠，通过湿地内部配水系统进入三级表流湿地，表流湿地水头损失0.6 m；水生植物塘根据需要，水深为0.4～2.5 m 不等。前置沉淀生态塘、表流湿地、水生植物塘及湖区三级竖向高差分别为20 cm、30 cm及50 cm，通过汀步跌水流入下一级，在提高亲水性的同时起到曝气增氧作用。

1.3.2 前置沉淀生态塘。前置沉淀生态塘由生态塘和好氧塘组成，生态塘约占水面面积的30%，好氧塘约占70%。生态塘作为水质净化工程单元，主要起到悬浮物沉淀、水解酸化、补充碳源等功能。塘底设置人工水草，附着水解酸化相关功能菌；设置生态鸟岛，通过物种间共生关系和空间生态位、营养生态位建立高效的人工生态系统对污染物进行削减；生态塘水深2.5～3.0 m，超高0.3 m，驳岸坡比为1:3缓坡，为水生植物恢复提供较宽生长带。

好氧塘水深1.0～2.0 m，超高0.3 m，驳岸坡比为1∶3 缓坡。好氧塘主要功能为水体增氧，同时去除部分CODCr和NH3-N 等污染物。为提升好氧塘增氧效率，塘底布置沉水植物组合，好氧塘单元设置2 套微泡式太阳能曝气机，采用底部曝气方式增氧。好氧塘出水口各设置一道渗滤堰（块石结构），防止悬浮物及植物残肢进入表流湿地。

1.3.3 表流湿地。表流湿地为湿地水质深度净化区。湿地表层水面及水生植物根部为好氧区，通过硝化及反硝化作用以去除污水中的氨氮和总氮。除此之外，植物的吸收与微生物同化作用可去除水中的氮磷及有机物。表流湿地主体结构以近自然结构为主，底部采用30 mm 厚黏土防渗。周边采用自然放坡，坡度1:3～1:10，采用挺水植物护坡。

1.3.4 水生植物塘。水生植物塘位于净化湿地区末端，根据水质净化和湿地生态恢复需求，结合现有地形高程，综合考虑鸟类、鱼类栖息需求的情况下，结合现场的地势条件并对现有地形进行一定的改造，设置沉水植物区、浮叶植物区及荷塘湿地区域，对表流湿地出水进一步进行深度处理，为水质达标提供保障。此外，水生植物塘中通过不同种类植物（挺水植物、浮叶植物、沉水植物）搭配、增加水生植物数量和在塘中增殖放流鱼类、贝类等水生态强化措施，构建一个种类多样、食物链复杂的水生态系统。系统中包括菌类、藻类、水生植物、浮游动物、鱼、水禽等多种生物，组成了多条食物链共存的生态系统，在强化水质处理效果的同时，可使塘内新增污泥量得到部分平衡，同时增强系统承受冲积负荷的能力。

水生植物塘中水生植物密度和数量较大，主要利用水生植物和好养微生物共同作用净化污水，有效地去除水中的营养物质、酚、微量金属、无机盐等，同时可为微生物的生存提供条件。

2 生物多样性保护

2.1 鱼类保护

在湿地内构筑人工鱼巢，为鱼类及水生生物栖息、繁殖提供生存空间，同时为自然湿地引鸟区的鸟类提供了丰富的食物资源。由于水流带起的泥沙等物遇到石块减速后，在重力作用下会沉积在鱼巢内，沉积物能够给水生植物提供营养来源，形成植物、鱼和各种水生生物共存的空间。洪水季节，有效地抵御外界流速的变化对鱼类等水生生物造成的危害，提供安全的避难场所。抛石鱼巢所选石料表面凹凸不平，石块之间紧凑摆放组成鱼巢造型。根据对沉水植物区内生态岛的标高设计，通过地形设计营造出一系列深浅不一的深潭和浅滩，浅滩和深潭交替存在可形成水体中不同流速和生境［5］，丰富水生生物多样性；辅以湿生植物、草甸植物的栽植，形成对水体具有过滤、吸附、沉淀、净化及蓄积功能的小型生态系统。湿地生态系统中，植物配置恢复完成后，投放适量鱼苗作为健康水生态系统的启动因子。根据能量塔原理和食物链食物网的物质流动原理，进一步在区内大水域中配置不同品种的土著鱼类（包括滤食性鱼类、杂食性鱼类、肉食性鱼类）及其他水生动物。通过在水体中配置不同鱼类、底栖动物等，逐步修复水生态环境，激活水生生物食物网（链），促进湖泊区域其他鱼类繁殖。结合食物链结构调整，将水体中营养物质移除，实现水质净化效果。

2.2 鸟类栖息地设计

通过构建不同形态的水系来丰富湿地生境，结合不同区域湿地鸟类栖息地营造需求，为不同类型湿地水鸟提供其适宜的生境条件，丰富水鸟的种类［6］。草滩以草本植物为主，包括莎草沼泽、禾草沼泽和杂类草沼泽，植物盖度≥30%。该生境主要为鹭类、鹤类和小型鱼类及两爬类提供适合生境。季节性滩涂地在夏天淹没，秋天水位下降，露出底泥，迅速长满苔草的草滩或者是只有沉水植物冬芽的泥滩。该生境主要为湿地水禽以及小型鱼类、草食性鱼类提供食物和栖息空间。生态岛生境恢复在湿地设计中规划多个大小不一供鸟类栖息的生态安全岛，主要建设于沉水植物区内，岛链设计标高高出水面1～3 m，留有裸露泥涂，植物种植以耐水淹的垂柳为主，配植特色地被、芦苇等植物，为鹭类及鹳类提供营巢场所。

生态岛周边为浅水区，通过种植挺水植物、沉水植物群落营造浅水觅食区，同时在水上设置一定数量的木桩，以供水鸟短暂停息。

2.3 植物种植

根据高原湖泊湖滨湿地历史上植物种子库分布特点，结合湖滨带湿地植物及陆生植物自然演替状况作为筛选的依据，应尽可能选用当地的本土植物物种，可更好地适宜于立地环境，而且避免生物入侵的生态安全问题。在水平布局上要有花植物与无花植物的搭配，在空间配置上要有植物高矮之间的搭配，季节配置上要考虑水生植物多物种、多季相的景观生态环境。植物群落配置是通过人为设计，重建和恢复水生植物群落，根据环境条件和群落特性按一定的比例在空间分布、时间分布方面进行安排，高效运行，达到恢复目标，即净化水质，形成稳定可持续利用的生态系统。考虑植物冬季水质净化问题。低温条件下人工湿地应选择耐寒、生长周期相对长的植物，黄菖蒲、灯芯草等可作为冬季人工湿地选择植物，低浓度氮磷水环境中，水葱脱氮除磷能力较强，利用菹草、水鳖、矮生耐寒苦草和西伯利亚鸢尾组合的搭配在冬季也能保持良好净化效果。选用乡土植物，增强生态系统的稳定性和景观的地域性特征，避免外来物种的入侵导致本地植物丧失在生态系统中的主导地位［7］。

由于生境及其植被都有着自然演替的过程，在湿地恢复不同阶段，其植物的数量和种类都会产生较大变化，在后期还需进行长期监测和控制，不断调整植物群落的物种和组成。

3 结论

①根据生态湿地各项措施工程量，并结合以往工程监测所得不同类型措施的净化能力，计算得出入湖口湿地对污染物COD 净化潜力为21.3 t/a，总磷净化潜力为0.33 t/a，总氮净化潜力为7.07 t/a，氨氮净化潜力为1.31 t/a。生态湿地工程构建完成后，水生态系统自净能力随着水生生物群落的稳定与发展逐步提升并达到上述净化潜力。

②通过在入湖口合理布设复合型湿地，对鸟类和鱼类进行保护，植物恢复设计，实现水质净化、生物多样性保护和生态景观营造三大功能。

③本次入湖口湿地在高原湖泊水环境治理中的应用研究，可为其他类似湖泊的生态治理提供有价值的参考。