燕岭湿地出水排渠水生态系统构建研究
2019-11-22毛雪慧林静李赫龙
毛雪慧 林静 李赫龙
摘要：针对东莞市燕岭人工湿地出水排渠生态系统不完善、水体自净能力差的问题，在对湿地出水排渠的水质及水生态系统调查的基础上，结合现场实际情况，提出了技术方案：通过设置拦水坝，抽水降低河道水位，控鱼除螺工程，沉水植物种植工程来构建人工湿地出水排渠的水生态系统。控鱼除螺工程采取了人工捕捞、设置渔网、茶铂清塘、生物操纵等技术，各有优缺点。沉水植物采用三种种植方式，分别为种植盘、种植袋、插秧式种植，其中插秧法和种植槽法的水草长势均很好。经过半年的生长，湿地水渠水质得到明显改善，沉水植被基本建立，狐尾藻成片布满河道，苦草生根发芽蔓延开来，水体清澈透底。该工程实施后，河道水体透明度明显增大，水生生物多样性及丰度增加明显。研究结果可为类似河道的生态治理工作提供借鉴。
关键词：水生态构建;河流;人工湿地;生物操纵;沉水植物恢复
中图分类号：$522文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0120-06
1引言
水环境污染依然是最严重的全球性问题之一。在我国许多河道、湖泊水体富营养化现象依然普遍，严重影响了人们的生活与生产。因此，就如何消减河道湖泊的富营养化水平，恢复健康的水生态系统已成为亟待解决的重要课题。富营养化水域生态修复工程技术近年来发展很快，其主要工程技术主要有曝气增氧一微生物修复技术、人工浮岛技术、人工湿地、沉水植被生态修复技术等等。生态技术以生态学理论为基础，改善水生生物的生存环境，优化水生生物群落，提高水生态系统的自净能力，维持水生态系统的稳定健康发展是治理富营养化景观水体的有效途径。但是针对人工湿地出水排渠的水生态修复的工程实践类研究较少，且燕岭湿地排渠是一个相对开放的水体，与外围水系连通，所以相对于封闭的湖泊水体来说，生态修复难度更大一些。因其独特的环境特征，因此有必要总结湿地出水排渠水生态构建相关工程经验，为类似河道的生态治理工作提供借鉴。
2项目概况
2.1项目背景
东莞生态园燕岭湿地建设工程于2010年竣工完成，现由公司进行后期运营及维护工作，包括垂直流人工湿地的进出水水质的常规监测、湿地植物的收割、湿地工艺的加药及湿地处理水质突发情况的应急处理。2018年该项目运行管理增加了垂直流人工湿地的生态景观排渠的生态修复与管养。
目前，生态景观排渠的水质较为稳定，平时维持Ⅳ类标准，流动性差，呈轻度至中度富营养化状态，主要污染物来自雨期泥沙扰动导致水体透明度差。为了提高燕岭湿地公园生态景观排渠的景观水体质量，项目通过水体动植物生态群落构建工程，使生态景观排渠水体形成具有自净能力的水生态系统，改善水体水环境。因此，本项目需对生态景观排渠进行生态修复工程处理。
2.2工艺流程
东莞生态园燕岭湿地建设工程总占地面积62.7万m2，包括垂直流人工湿地区域和自然湿地，其中垂直流人工湿地出水排渠水域面积为6000m2，平均水深约为1.5m。
南畲朗污水处理厂尾水经泵站提升至椭圆形的反硝化池，经两岸的垂直流人工湿地处理，流人生态景观排渠的水质可达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类标准，后流入自然湿地一、二区，最终补人生态园中央水系和南畲朗排渠。工艺流程及总平面布置见图1和图2。
燕岭湿地排渠是一个相对开放的水体，与外围水系连通，所以相对于封闭的湖泊水体来说，生态修复难度更大一些。
3排渠水生态现状
3.1采样点设置
为了更好地了解排渠水生态现状，2018年6月12日项目组对燕岭湿地出水排渠周边的生态环境展开调研，综合考虑其水质状况、植被情况、水文情况、生物情况、建设条件等因素，选取其中4个样点分别对湿地出水排渠的水生态情况进行生态调查（图3）。
3.2出水口水质
通过采用单因子指数法分析湿地出水排渠的主要超标因子，再通过综合指数法评价各个的总体污染程度。湿地出水排渠的水质监测评价结果见表1。从表可以看出，1#和3#号采样点，由于近期降雨，使底泥扰动，导致水体中悬浮物增加，COD～，和TN超标，而2#采样点位于湿地出水口，水体透明度较大，仅TN超标。4#点位于管理房前，水面较大，水体停留时间较长，TP超标严重，分析原因可能是因为降雨引起的底泥TP释放。
3.3排渠水生生物及底泥现状
排渠水浮游植物总丰度比较见图4，捕获的鱼见图5。
（1）浮游植物：发现浮游植物的优势种为蓝藻、绿藻和硅藻，离出水口20m远的1#点和离出水口400m远的3#点浮游植物密度较高，初步分析由于降水和鱼类游动，使底泥中营养盐释放进人水体，导致藻类快速繁殖。
（2）浮游动物：以耐污的轮虫为主，且出现较多的草履虫，可能由于湿地植物适合草履虫的生长。1#的总丰度为1.5个/L级别，没有出现富营养化。出现枝角类2种，轮虫6种，原生动物2种，其中草履虫的个体密度较高，可能由于濕地中植物较多，适合草履虫的生长环境。2#丰度为0.1个/L，没有出现富营养化，仅发现桡足类1种。
（3）底栖动物：发现了寡毛类、摇蚊类和软体动物，其中福寿螺密度较大。1#发现底柄动物寡毛类1种，摇蚊幼虫2种，软体动物4种，底栖动物的种类多样性较高。2#发现底栖动物摇蚊幼虫4种，软体动物4种，底栖动物的种类多样性较高。
（4）鱼类：发现罗非鱼、餐属鱼（即白条鱼）、草鱼、黑鱼等，其中大多数罗非鱼（体长8.5cm）和白条鱼（体长14cm），鱼类的密度较大，为4条/m2。
（5）底泥现状：厚度为100～300mm;底泥颜色为土黄色;底泥成分为泥少，砂多，满足沉水植物种植要求（图4、5）。
4生态构建措施
4.1生态构建目标
针对该项目生态湿地出水排渠水体富营养化现象，透明度差等一系列问题，制定以下生态修復技术目标：①恢复沉水植物覆盖率（沉水植物种植面积与水面面积的比值）大于等于30%;②优化动物群落结构，控制杂鱼种类和数量（白条鱼和罗非鱼），增加食肉类鱼类（黑鱼）等;③控制人侵螺的数量（福寿螺）100m2/1个;④控制水体透明度，大于等于1.5m;⑤控制叶绿素a的含量，测量值小于等于10ug/L。
4.2存在的问题
（1）杂鱼数量较多。鱼类的游动扰动底泥，使悬浮物释放至水体，导致透明度下降。鱼类的摄食使底栖动物数量少，也使水生植物数量少。同时，湿地在该排渠存在4个出水口，分别向排渠的两端排水，因此，排渠与上下游水系均连通，鱼类可随时通过排水口游入河道，因此，鱼类控制较困难。
（2）福寿螺泛滥。大量福寿螺的卵附着在挺水植物的根茎处;水中大量福寿螺啃食沉水植物，致使底质光秃。
（3）水位变化大。随着湿地出水水量的变化，水位会随之变化;东莞暴雨洪水期使，水位变化大，导致水质浑浊。
（4）透明度差。湿地出水口延程20m，水体清澈透明，随之，水体透明度逐渐下降，到河道两端透明度仅为10cm，不利于沉水植物生长。
4.3生态构建措施
众所周知，罗非鱼和福寿螺是外来物种，近些年特别是沿海地方，由于缺水天敌导致大量繁殖，对渔业和生态系统有很大影响，因此，如何有效控制罗非鱼和福寿螺成为当前研究热点和生态构建工程的难点。
4.3.1水位控制——筑坝
湿地正常为全年运行，且排渠水深维持在1～1.5m左右，为了种植沉水植物及控制鱼、螺的数量，前期施工期及维护期需降低水位，因此需控制排渠的水位深度。降水位更有利于我们实施，因为排渠不能砌筑实体坝，所以我们用沙袋做了临时拦水坝（图6）。
油布竹子筑坝的优点为价格便宜，方便施工，施工速度快，但仅适合上下游水位差在30cm之内，一旦水位高差过大，水会从油布顶端溢流，且易造成竹竿倾斜，油布坍塌。沙袋直立坝的优点为施工速度快，沙取自河道内，施工材料易取得，适合适合上下游水位差在50cm之内，缺点因其直立结构特点，坝体较单薄，部分沙袋未压实的空隙易漏水，且一旦暴雨时期，水位高差猛增，水会从空隙处漏水，且缝隙越来越大，随之坝垮。沙袋梯形坝的优点为结构稳定，防水性好，施工材料易取得，但施工速度相对慢，需配合上游泵，边抽水泵边筑坝。
4.3.2鱼类的控制措施
采取如下几种方式控制鱼类，分别是人工捕捞、设置渔网、茶铂清塘、采取生物操纵方式控制（图7、8）。
4.3.2.1人工捕捞
先在河道两端用沙袋筑坝，坝长10m，坝下底宽5m，坝上底宽2m，坝高出水面深度0.5m，梯形坝的斜面坡度1：1，同时在沙袋坝的外围包裹放水土工布。然后在河道两端各设一台抽水泵抽水，约抽水24h后，可将1m深的水降至20cm深，最后派5位工人，下河用抄网捞鱼。
4.3.2.2防鱼网设置
因其分段种植沉水植物，所以需要在桥下设置拦鱼网，避免两端的大小鱼游进来，规格和家里的纱窗一样。防鱼网主要用于阻止外围水系中的牧草鱼类进入生态水系，以防止鱼类对植物的啃食。鱼类对水草特别是幼苗的啄食，对水生植物的恢复威胁很大。本项目设计在水生植物种植初期设置6道“二指”孔径的聚乙烯有节围网拦截鲤鲫鱼、餐条鱼和其他一些野杂鱼对水生植物的破坏，促进沉水植物的繁殖生长。防鱼网长期设置，并定期观察和控制鱼类繁殖情况。防渔网的具体设计如下：采用8寸毛竹、聚乙烯绳索固定网具，防鱼拦网下端连接（I）8cm石龙，埋人底泥中，网高2.1m。固定拦渔网的毛竹间距离为10m，拦鱼网上端用12股聚乙烯绳作为纲绳，固定（吊系）在毛竹上。拦渔网布置与安装如图7所示。
4.3.2.3茶铂清塘
茶籽饼（茶粕）是野山茶油果实榨油后剩下的渣，渣中含有12%～18%的茶皂素。茶皂素是一种溶血性毒素，茶籽饼中的茶皂素通过鳃进入鱼的血液造成鱼溶血死亡。人正常食用如果胃肠道没有溃疡或穿孔的话，茶皂素不会进入血液。故茶粕广泛应用于鱼塘清塘、和稻田及高档草坪杀虫，蚯蚓、地老虎、和其它害虫。茶粕作为一种绿色药物，它能自行分解，无毒性残存，对人体无影响，使用安全。二是不杀死水草，对水草还有促长效果。三是对虾、蟹幼体无副作用，在繁育虾苗和培育幼蟹的出塘率。
茶粕清塘，用量为25～40kg/亩。茶粕清塘的方法：先用水浸泡发酵48h，浸泡的同时，每100kg茶粕添加2kg食盐和0.1kg碳酸钠，取浸泡液加水稀释后全塘泼洒。
4.3.2.4生物操纵方式控制
经典生物操纵技术，即通过改变鱼类的种类组成或多度来操纵植食性的浮游动物群落的结构，促进滤食效率高的植食性大型浮游动物，特别是枝角类种群的发展，进而降低藻类生物量，可提高水的透明度，改善水质。
（1）投放鱼食性鱼类间接控藻。通常是通过放养食鱼性鱼类来控制浮游动物食性鱼类，通过改变浮游动物食性鱼类的种类组成来操纵藻食性的浮游动物群落的结构，借此发展壮大滤食效率高的藻食性大型浮游动物（特别是枝角类）的种群，通过浮游动物种群的壮大来遏制浮游植物的发展，从而降低藻类生物量，提高水的透明度，最后达到改善水质的目的。另外底层鱼类的活动有促进底泥中氮，磷向水体释放的作用，因此对其也应限制。
（2）人工去除浮游动物食性鱼类以间接控藻。这种类型的生物操纵技术是先用网具捕捞、化学方法（如鱼藤酮毒杀）去除、电捕、放干水体清除等方法将水体中的鱼类全部去除掉，然后再重新投放以鱼食性为主的鱼类。以此来促进大型浮游动物和底栖无脊椎动物（可摄食底栖、附生和浮游藻类）的发展，从而降低水体藻类的生物量。这种生物操纵的结果是重构了水体生态系统和生物组成，使之朝着人们所期望的生态系统自净功能强化的方向发展。
4.3.3螺类的控制措施
分别采取4种方式控制螺的数量，分别是人工捕捞、摘取螺卵、生物操纵、茶粕。主要控制福壽螺的数量。
4.3.3.1人工捕捞
先在河道两端用沙袋筑坝，坝长10m，坝下底宽5m，坝上底宽2m，坝高出水面深度0.5m，梯形坝的斜面坡度1：1，同时在沙袋坝的外围包裹防水土工布。然后在河道两端各设一台抽水泵抽水，约抽水24h后，可将1m深的水降至20cm深，最后派5位工人，下河人工捡拾福寿螺。
4.3.3.2摘取螺卵
河道两岸种植了挺水植物、有美人蕉、再力花，挺水植物据地面10～20cm处有很多福寿螺卵，派4名工人，先用收割机沿挺水植物根茎离地面20cm处，进行收割，收割后人工摘取粉红色的福寿螺串卵。
4.3.3.3生物操纵
为了更有效的控鱼和螺，在玻璃装置中进行1个月试验，研究螺和鱼的食性，发现他们优先吃苦草，然后是黑藻，最后才吃狐尾藻，因为狐尾藻叶子针状，跟松针一样硬，不利消化。
通过生物操纵方法来控制福寿螺的数量，为更直观地观察生物操纵的效果，进行了水箱实验（图9所示），从市场上购买10条12cm长的青鱼放入水箱中，左图是放鱼前的状态，右图是放鱼3d后的状态，通过两图对比可以看到，黑点代表的福寿螺明显减少，说明青鱼控螺效果显著。
4.3.3.4茶粕清塘
方法同鱼类茶粕清塘一样。
4.3.4植物选择及种植方式
根据现场调查，生态湿地出水排渠大部分水体都表现为不同程度的绿色，水体透明度1～0.2m之间，表明该水体为藻型富营养水体。虽然沟边已在浅水区沿河人工种植了一定数量的挺水植物，如美人蕉、鸢尾、再力花、紫莎草等，但湿地排渠区域其他包括沉水植物等水生植物的生物量较低。
现拟定方案对东莞燕岭湿地生态湿地出水排渠的水体进行水体生态修复，于池底种植沉水植物品种改良矮型苦草等水下草皮，构建新的生态系统。
4.3.4.1沉水植物配置方法
根据草状水底地被植物、季相性植物搭配、耐污受力品种，优选以下5种沉水植物作为东莞湿地排渠的植物品种，分别为苦草、黑藻、眼子菜、金鱼藻、狐尾藻。四季常绿水下草坪为自然界优选改良种，名为改良四季常绿矮型苦草，其优点是：低矮、不易长出水面、不易蔓延、后期维护简单;该品种不仅具有较强耐污、净化功能，具备纤维含量少、叶面脆嫩的优点，也是一种观赏水草，而且是各种水生动物最好的植物性饵料，是沉水植被修复的优选种。水域边缘与中部之间区域种植了一定数量的季节性水草，水下森林主要为：黑藻、龙须眼子菜。优选具有强耐受力并喜营养品种，强化对富营养物质的吸收，并增加景观效果，主要为金鱼藻。
4.3.4.2种植密度
本次工程共种植3119m2的沉水植物，种植宽度10m，种植长度约300m，为了避免优势种扩张及丰富水草丰富度，采取间隔种植水草的方式。其中矮型苦草、刺苦草40～60株/m2，种植面积1371m2;眼子菜30～50株/m2，种植面积798m2;黑藻10～15芽/丛，9～12丛/m2，种植面积274m2;狐尾藻5—6芽/丛，9丛/m2，种植面积262m2;金鱼藻5～6芽/丛，9丛/m2，种植面积414m2。
4.3.4.3种植方式
根据排渠底泥厚度，排渠水深、排渠流速等特征，选取了3种种植方式（图10）。
图10a为种植盘，穴盘为pvc材质，韧性好，透气性好，添加防老化剂，经久耐用大大延长使用寿命，内壁部有引水槽使水份更好的到达底部，四角圆周型，方便提苗不伤根，底部有孔，可透水。种植盘长53.5cm，宽28.5cm，高6.5cm，孔径9.4cm*8.2cm。将沉水植物分株放入穴盘内，用细沙覆盖，并填满穴坑，然后人工将种植盘沉入水底，按照顺序一平米河底放4个装满沉水植物的种植盘。优缺点：选取了种植槽中放沙种水草，这种方法施工速度快、即使叶子被生物啃食，根还保存子凹槽的种植盘中，利于后期生长，但不利于生物蔓延生长，适用于底质硬化的水域。
图10b为种植袋，种植袋长宽7cm，长9cm，上端设置有细绳可抽拉封口，材料为透气透水无纺布，pet无纺布化学成分是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），俗称pet纤维，属聚酯家族，原材料一次成型，环保新型材料。用可降解无纺布包裹种植土及沉水植物，然后投入沟中种植。优缺点：这种方法施工速度慢，适用于水深较深不便插秧的水域。
图10c为插秧式种植。直接将沉水植物分株，采取插秧式，直接插入河底底泥中10cm深。苦草2株一窝，金鱼藻、狐尾藻、黑藻8株一窝，眼子菜2株一窝，其中眼子菜是将叶子分叉处按压入土。优缺点：这种方法施工速度快，适用于水深交浅且底质松软的水域，且底泥厚度不小于30cm的水域。
经过3个月的生长证明，插秧法和种植槽法的水草长势均很好，在泥质比较厚的地方采取插秧法种水草效果好，在很多大石头的地方采用种植槽种水草效果好。
5结论
（1）生态调查结果显示，湿地出水排渠水质污染程度为中污染一污染，主要污染物质为CODcr和TN;浮游植物丰度显示水体呈中度富营养化，底栖动物主要种类为福寿螺和环棱螺，鱼类主要有罗非鱼和白条鱼，其中福寿螺和罗非鱼的密度较大。
（2）湿地出水排渠主要水生态构建技术有，设置拦水坝，抽水降水位，控鱼除螺工程，沉水植物种植工程。
（3）控鱼除螺工程采取了人工捕捞、设置渔网、茶铂清塘、生物操纵等技术，各有优缺点。
（4）沉水植物采用3种种植方式，分别为种植盘、种植袋、插秧式种植，其中插秧法和种植槽法的水草长势均很好。
（5）经过半年的生长，湿地水渠水质得到明显改善，沉水植被基本建立，狐尾藻成片布满河道，苦草生根发芽蔓延开来，水体清澈透底。但是仍然要经常的抓鱼除螺，维持生态系统的稳定。
