沙漠公園弱鹽堿化水體治理工程設計與實踐

馮 喻，張文磊，許玉鳳，張華俊*

(1.黔南民族師范學院旅游與資源環境學院,貴州 都勻 558000;2.廣東諾爾檢測技術有限公司,廣東 廣州 510000)

城市公園湖泊水體富營養化已成為中國普遍的環境問題。富營養化能導致水生態系統結構和功能發生退化，如藻類惡性增長、沉水植物消亡、水生生物多樣性降低或喪失和水質降低等[1]。水體從清水草型生態系統轉變為濁水藻型生態系統[1-2]，將會嚴重影響湖泊生態、景觀功能，降低人居環境質量。目前國內湖泊富營養化治理以生態學為理論基礎[3-4]，采用生態工程的技術來恢復退化的水生態系統，迄今為止已取得了大量理論成果和工程實踐，如杭州西湖、惠州西湖的富營養化治理都取得了較好的生態效果[5-6]，但在高原鹽堿化水體中的應用由于特殊的環境特點其應用幾乎空白。本工程采用上述生態學理念，在內蒙古高原鹽堿化公園湖泊富營養化治理中優化后應用，對比治理前后湖泊生態環境特征變化，分析了水生態修復在高原鹽堿化湖泊治理中的作用與效果，可為同類型水體富營養化治理提供技術設計指導和工程案例。

1 工程概況

1.1 湖體現狀

工程湖泊位于內蒙古沙漠公園內(圖1)，為地下水形成的天然湖泊。由于周邊酒店污水簡單處理后直排加上部分區域畜牧養殖，導致湖體水質受到污染，富營養化加速，水體渾濁，部分水質指標為劣V類。隨著湖體水量的增減鹽度在1.5‰～2.3‰，水體呈現一定鹽堿化，除沿岸蘆葦、香蒲外(示范湖體兩側沿岸95%以蘆葦為主且生物量較高，5%香蒲點綴其中)，大型水生植物缺失，尤其是沉水植物。選取示范區常水面面積約5 000 m2(枯水期水面面積為3 500～4 000 m2)，隨著水量的增減水深在0.3～1.2 m變化，高低水位差50 cm，湖體為沙子底質，為恢復湖體健康水生態系統，增強湖泊綜合服務功能和價值，于2019年6月開始對湖體示范區實施水體治理工程。在示范湖中心平行選擇2個采樣點進行水質檢測，檢測結果見表1。

圖1 湖體位置

表1 湖體主要水質指標

1.2 工程設計理論及實施流程

示范區水體圍隔切斷了工程水體與外部水體的交換，由于該區域流域面積很小且降雨極少，面源污染很少能進入水體故可忽略。示范區水體污染源主要是沙子底泥的污染物釋放，但結合水質數據和工程經驗分析這部分污染源對于水生態修復措施來說是可以消納的。本工程充分利用生態學原理，恢復和重建水體系統食物網鏈，強化水體污染物的分解和氮、磷等營養鹽的去除，最大限度提升水體抗外界干擾和自凈能力，使水體持續清澈透明。其中沉水植物起到非常重要的作用，因為沉水植物能吸收水中營養物，通過光合作用產生大量氧氣使水體有機懸浮物被氧化分解成礦物質，同時產生氫離子與二氧化碳結合，使CO2轉變成葡萄糖。其也能與微生物通過硝化與反硝化作用去除氮鹽。高覆蓋率的沉水植物也能有效阻止底泥懸浮防止底泥中的磷釋放。此外，沉水植物產生大量溶解氧氧化表層底泥，使底泥氧化還原電位升高，固定營養鹽的同時促進底棲生物及微生物的繁衍及有機質礦化分解。

作為淺水湖泊治理的理論基礎表明隨著環境污染的加重健康的草型清水態水體會向藻型濁水態變化(圖2)，反之受污染的水體通過人為改善環境條件，藻型濁水態也將會向健康的草型清水態轉變[3]。前期利用微生物初步改善水體環境；后期按一定比例種植水生植物、投放水生生物來豐富水體生態系統組成，構建健康的水生態系統，使水中的物質和能量有循環出路，實現水生態的自我循環、自我凈化，實現濁水穩態向清水穩態的轉化，能夠自我維持、自我演替的良性循環(圖3)。

圖2 清水穩態與濁水穩態的轉化關系

圖3 水生態修復流程

1.3 抗鹽堿水生植物篩選

由于該湖泊位于沙漠地區，降雨量與蒸發量相差較大(年蒸發量1 500 mm，降雨量小于120 mm)導致水體呈一定鹽堿化，淡水修復工程常用水生植物不一定適應該水體，故在施工開始前進行水生植物篩選實驗，將廣布種苦草、輪葉黑藻、菹草、穿葉眼子菜、金魚藻、篦齒眼子菜、穗花狐尾藻、龍須眼子菜、荷花及睡蓮等水生植物種植在目標水體中(各植物種植面積0.2～0.5 m2)，通過1個月不間斷觀察水生植物生長情況，初步篩選出耐受并適應該水體堿度的水生植物。通過本實驗結果及野外調研最終確定本地穗花狐尾藻、龍須眼子菜及睡蓮為本工程的主體水生植物品種，其余品種由于不耐受該水體堿度均出現死亡現象，國內也有類似相關研究成果與應用[7]。

1.4 工程介紹

項目包括4個主體工程:基底挖深、圍隔安裝工程及改良工程、水生態系統構建工程及維護工程。

a)圍隔安裝。在湖泊中選擇面積5 000 m2區域作為水生態修復示范區進行施工，為防止外界水體干擾采用不透水圍隔與外湖隔開，先采用直徑5 cm鋼管每隔5 m進行打樁，再在鋼管上固定不透水圍隔，湖體右側位置為防止風浪沖擊采用雙層圍隔布置。左側圍隔60 m長，右側圍隔100 m長。

b)基底挖深及改良工程。由于該湖泊所處位置夏季蒸發量大，而地下水補水不足，導致湖體水位波動較大，最大水位差有50 cm，水體透明度15～20 cm，沿岸較淺水深20 cm左右，夏季湖面面積會由于蒸發而大大減小。因此采用挖掘機對沿岸較淺區域進行挖深處理，使沿岸往湖中20 m范圍內春季水深最大時為1.0～1.5 m，夏季最小水深0.5～1.0 m，保證湖體在較低水位時仍能保障沉水植物生長的合適水深約50 cm以上。全示范區湖底挖深后采用生石灰和硝酸鈣等弱氧化劑帶水作業對局部沙子底泥表層中的有機殘留物進行氧化分解及殺菌處理(用量60 kg/畝，1畝約666.67 m2)，同時固定底質中的營養鹽，為后期沉水植物的存活創造條件。

c)水生態系統構建工程。包括前期準備、水生植物群落構建、初期沉水植物養護、水生動物群落構建及微生物群落構建。①前期準備主要為移除雜魚、酸堿調節等，采用漁網將湖體內大型雜食性魚類如鯉魚、鯽魚等大量捕撈降低其生物量，防止后期對沉水植物的牧食。采用醋酸對水體進行酸堿調節，降低至8.75以下，每次用量約1 kg/畝，每周3次。②水生植物群落構建：本工程選用經篩選的穗花狐尾藻和龍須眼子菜作為主要沉水植物品種，兩者密度比例3∶1，種植密度3～4叢/m2，5～8棵/叢，主要采用種植土包根拋種法，沿岸點綴盆栽種植睡蓮500棵，密度6～8棵/叢。③水生動物群落構建：在目標水體投放黑魚10尾，規格20 cm及環棱螺60 kg，100個/kg，結合水體內剩余的小型魚類共同構建水生動物群落。④微生物群落構建：采用芽孢桿菌、EM菌構建水體微生物群落，提高水體凈化能力，采用菌劑活化后全湖潑灑，密度5 g/m3，投放頻率每周2次。

d)水生態系統維護工程。種植初期需對水生植物進行精心養護，過程中持續關注水質、附著藻、雜魚、酸堿度等影響因素，尤其需要注意水混、青苔、水綿爆發情況。如遇突發性雨水涌入或長期陰雨天氣導致水質較差時，都需進行應急處理，快速提高水體透明度，促進沉水植物光合作用，以保證水生態系統的穩定運行。當溫度大幅降低水體全部冰凍前，及時打撈死亡植株以防止其腐爛后污染水體，到第二年溫度升高后及時補種沉水植物，以保證水生態系統的恢復。

2 結果與討論

2.1 初期水環境條件改善

構建與恢復水生植物群落，必須與水環境改善相結合，否則水生植物很難恢復成功，難以抵抗外部脅迫[4-8]。底泥營養鹽可在一定條件下向上覆水體釋放[9-10]，如當水體中藍藻暴發時，由于藍藻光合作用使水體pH升高，底泥營養鹽釋放增加[11]。初期僅靠沉水植物難以抑制藻類過量生長，必須先原位削減內源營養負荷[12]，改善前期水環境條件，原位處理指原地對底泥進行處理，減少底泥污染物含量或降低污染物溶解度、毒性或遷移性，并通過一系列方法阻止污染物向上覆水釋放[10]，本工程主要采用生石灰及過氧化鈣對污染嚴重的表層黑臭底泥進行處理，殺菌消毒的同時起到抑制污染物釋放的作用。此外鹽堿化水體不適合水生植物生長，由于該水體pH呈堿性(pH=9.08～9.09)，故初期定期通過醋酸調節水體酸堿度，使其降低至7.52～8.75，降低對水生植物生長的抑制。上述措施保障了沉水植物的成活，為后續治理活動開展改善條件。

2.2 治理前后水質變化

表2 湖體主要水質指標對比

2.3 治理前后水生生物組成變化

治理前該湖泊中鯉魚(10～25 cm)、鯽魚(5～10 cm)等雜魚生物量較高，占70%以上，導致作為食物的沉水植物、浮游動物生物量較低。工程實施后，由于魚類的轉移等措施，降低了水生植物牧食壓力和浮游動物的捕食壓力，浮游動物生物量顯著提升。生物操縱在湖泊治理中具有重要作用[1,3]，非經典的生物操縱理論主要是通過調控食物鏈，即增加肉食性魚類減少濾食性魚類來調節浮游動物的結構和種群數量來實現，強調用浮游動物對藻類牧食來控制水體藻含量，從而改善水質[1-2,11]。本工程中由于轉移了大部分魚類，導致浮游動物生物量大幅增加，從而加重浮游藻類牧食，有效控制了藻類生物量。

通過水生態修復工程實施，構建成以蘆葦為主的挺水植物群落、以穗花狐尾藻和龍須眼子菜為主的沉水植物群落及以睡蓮為主的浮葉植物群落，這些水生植物的莖葉表面吸收水體營養鹽，根從底泥中獲取營養鹽，其光合作用可不斷向水體釋放氧氣，促進污染物的氧化分解，使底泥表層成為氧化抑制內負荷釋放，改善水體理化環境，有利于水生態系統恢復[14-15]。后期由于水質的改善沉水植物群落生物量及種類均有增加的趨勢。通過表3可知，工程實施后沉水植物生物量逐漸增加，隨著氣候的變冷沉水植物逐漸衰亡故生物量有下降的趨勢，施工時沉水植物覆蓋率達40%～50%，到沉水植物成活擴散后覆蓋率可達60%～70%，由于沙子底質的原因覆蓋率較難增加，后期由于天氣的原因生物量逐漸降低，到冬季冰封期間沉水植物植物體水中部分全部死亡，僅留底泥中少量根系，待第二年溫度起來后植物根系又重新發芽生長，逐漸形成新的群落。

表3 沉水植物定性分析

2.4 水生系統運維重要性

生態治理工程實施后魚類結構失衡、青苔滋生等均會對草型系統穩定性產生沖擊，突出了系統維護調控的重要性。研究表明草型和藻型都是湖泊生態系統的穩定狀態，當外部環境變化時，將對湖泊生態系統產生脅迫，系統雖具有一定自我恢復的能力，但當污染負荷過大，超過草型生態系統承受極限，此時草型生態系統崩潰，浮游植物生態系統取而代之[13]。對于湖泊治理，首先需要掌握水生植物生長所需環境條件和維持一個草型生態系統所需要的外部條件，主要因素包括物理環境(如風浪、光照和透明度、懸浮物等)、化學環境(如氨氮濃度、根部還原環境強弱等)及生物環境(如魚類牧食、浮游植物濃度等)[4,13]。在治理后期維護過程中要不斷改善水環境條件，創造適合植物存活持續發揮作用的環境才能保證草型生態系統穩定。同時該地區極端惡劣的天氣及底質條件為沉水植物的穩定擴繁帶來極大影響，都是后期運維中需要注意的問題。水生態系統維護結構調節內容見圖4。

圖4 水生態系統維護結構調節內容

2.5 生態環境效應評價

該水體治理示范工程生態環境效果顯著，水體富營養化得到遏制，水質指標消減達到初期目標，得到有關部門及游客的肯定。完整水生態系統的構建，形成良性循環大大提高水體活力，為水生植物和動物的生長、代謝及污染物降解、水體透明度提升創造條件[14,16]。通過生態治理工程的實施水體生境條件改善，通過幾個月的運行，水生植物及動物種類及生物量大大提高，吸引了野鴨等水禽的棲息(10～20只)，高等動物的進入證明了該示范水體生態環境的實質性改善，能體現較好的水質與較豐富的食物來源。清澈水體、水生植物、水生動物加上水面景觀共同豐富提升了公園水體景觀質量。

3 結論

a)工程實踐證明水生態構建技術有效改善高原弱鹽堿化富營養化湖泊水質，實現水體營養物質間的有效轉移，達到水質凈化目的；湖體生態修復工程實施后，湖體DO含量顯著增加，TP、CODCr濃度明顯下降，依GB 3838—2002《地表水環境質量標準》主要指標基本達到III類標準，實現了水質改善目標。

b)要保持水生態系統的持續穩定，施工后期的運維尤其重要，水生植物有一定生命周期，應適時適度收割調控，將一些營養元素輸出的同時，也減少由植物自然凋落腐爛分解而引起的二次污染，須時刻改善影響沉水植物健康生存的各類不利條件。