陈煜权

(上海勘测设计研究院,上海 200434)

1 问题的提出

饮用水源地水质保障是一项全球性的技术难题。目前,全球有一半以上饮用水水源不合格,我国饮用水水质现状也令人担忧,源水污染日益严重地威胁着人类的健康[1]。2006年,我国对GB 5749—1985《生活饮用水卫生标准》进行了重新修订,标准中对水质有机物、微生物等提出了更高的要求。仅依靠水厂的物理吸附过滤、化学氧化及生物接触氧化等传统工艺,代价高,且治标不治本。因此,开展水源地水质的保障工作,对于提升我国饮用水安全保障能力、促进社会经济和谐与可持续发展具有重要的现实意义。

水体生态净化技术具有安全高效、成本低廉等特点,近年来在我国江浙等经济发达地区率先应用于微污染水体的净化、水源地水质的保障工作[2-3]。河道型水源地是一种充分利用原有河流水文、河道地形及区域自然地理条件,在新开或拓浚原河道后直接作为饮用水源地进行引水的形式。本文介绍了我国北部城市的河道型水源地—小沿河的原位生态净化工程,同时结合该工程在野外条件下对微污染源水的实际净化效果,以及工程运行过程中关键问题的探讨,为今后类似工程的开展与有关技术的研发提供借鉴。

2 工程技术方案

2.1 工程背景

小沿河现为某市市区主要地表水饮用水源地。河道总长15.5 km,河宽约30～80m,水深约4～5 m。其中,取水口至上游1.6 km处为一级保护区,1.6 km处至上游3.1 km处为二级保护区。小沿河规划过流量(取水量)近期为12万m3/d,远期为20万m3/d,折合平均流量为1.4,2.4 m3/d。小沿河夏季正常水位为32.5～32.6 m(黄海高程,下同),冬季水位31.9～32.0m,极端最低水位约为30.9m。工程施工前期小沿河水质情况见表1。

表1 工程前期小沿河水质情况表 mg/L

从表1可以看出,小沿河饮用水源水质主要超标因子为CODMn,其余水质指标相对较好。由于小沿河为敞开式河道型水源地,在引水过程中,除了上游来水存在水质恶化风险外,取水口处的水质可能还会受到农田面源污染、周边畜禽养殖污染、支流汇水污染、大气干湿沉降污染等方面因素的影响。

2.2 工程方案设计

根据小沿河水文特征和当地气候条件,运用生态系统理论和接触生物氧化理论,采用湿生植物、挺水植物与沉水植物相结合的全系列植物滨岸带,同时结合生态悬床工艺,进一步提高水质净化效果,保证水生植物正常生长兼顾水源地生态景观需求。小沿河平面布置见图1。

图1 工程平面布置示意图

2.2.1 全系列植物滨岸带

小沿河工程河段设计全长约4.2 km,在全线两岸高程30.5～32.8 m区域设置湿生—挺水—沉水植物滨岸带。其中沉水植物带位于河道两侧高程30.5～31.2 m的水域,挺水植物带位于河道两侧高程31.2～32.3 m的水陆交错带区域,湿生植物带位于河道两侧高程32.3～32.8 m的区域,共布置全系列植物滨岸带约8.7万m2。

植物配置:湿生植物主要种植梭鱼草+西伯利亚鸢尾+黄菖蒲+千屈菜;挺水植物主要种植再力花+水葱+茭草+黑三棱;沉水植物主要种植依次配置伊乐藻+刺苦草+龙须眼子菜+水毛茛+轮叶黑藻+狐尾藻。

2.2.2 生态悬床

生态悬床是一项新兴的水体原位修复和控制技术,目前在工程中大规模运用的案例较少,尚停留在试验阶段。该技术主要应用在水体较深或不适应沉水植物在基底生长的区域,将沉水植物种植在人工载体上,整体悬浮于水体中。由于主体位于水面以下,可避免紫外线直接照射以及低温季节水面冰冻对床体及植物造成的伤害。小沿河工程生态悬床布设在二级保护区河道中心处,目前共设置600 m2,沉水植物主要选择伊乐藻+刺苦草。

3 水质净化效果分析

3.1 净化机理

小沿河工程主要采取构建滨岸带及生态悬床技术。河流滨岸带是指河水—陆地交界处,直至河水影响消失为止的地带[4],能够通过根系拦截、植物吸收、微生物转化等一系列机械、物理、化学和生物过程达到对上游与下游、陆地与水体间传输的物质的缓冲作用[5]。小沿河工程在河道全线布设了一定宽度植物滨岸带,有效地控制了地表径流,起到水土保持、净化水质、削减面源污染、改善生物栖息地、提高景观多样性等多方面效果。

在滨岸带及生态悬床中充分利用沉水植物是小沿河工程的一大特色。近年来,沉水植物在微污染水体修复中的重要性越来越得到人们的认可[3]。大型沉水植物可通过养分竞争、克生物质释放以及提供植食性浮游动物庇护所等多种机制影响水生态系统[6];沉水植物的茎、叶和表皮都与根一样具有吸收作用,且皮层细胞含有叶绿素,具有进行光合作用的功能。这种结构对水体中不同污染物,尤其是氮、磷等具有良好的吸收作用[7]。

3.2 净化效果

自2010年小沿河水源地水体生态净化工程实施以来,小沿河水质有了明显好转。据2010年、2011年全年水质监测资料计算,小沿河一级保护区和二级保护区2个断面的水质情况见表2。可以看出,目前小沿河取水口处水质已基本稳定并能达到地表III类水质标准。

表2 工程运行期间小沿河水质情况表mg/L

4 工程关键问题探讨

4.1 物种配置

水生植物是生态净化技术的核心与特色所在,不同水生植物的生活型、生长周期、生长条件不同,由其构成的净化系统对水质的改善特征也不同。小沿河工程在物种配置上遵循了4个方面的要求:①功能性:所选植物能耐受贪营养水体,在这种环境下能生长良好,有为微生物提供附着界面的庞大根系,有较强的输氧能力;②多样性:不同水生植物对不同污染因子的净化能力并不相同,本研究选取了不同生活型多种水生植物,所组成的植物群落具有更高的稳定性,易于建立完整稳定的生态系统[8];③长期性:不同水生植物有着不同的生活史,为保证生态净化系统的长期稳定,在物种配置上应注意其生长周期的交替更新。以沉水植物为例,小沿河工程配置的伊乐藻、水毛茛在冬春季生长旺盛,轮叶黑藻、狐尾藻、刺苦草、龙须眼子菜的则在夏秋季生长旺盛,生长周期的更替能确保生态系统的活力,维持系统的净水稳定性;④地域性:小沿河工程选取的物种大多数为土著种,所构成的植物群落能更好地适应当地气候环境、对病虫害有较强的抵抗力、人工管理较为容易。

4.2 生态系统的调控及维护

在水生植物种植完毕后,应当对初步建立的水生生态系统进行及时维护和调控,根据实际情况有针对性地对生态净化系统进行优化,通过人为引导、营造适宜条件以激发生态系统自身的活力。小沿河工程在运行过程中,重点进行了以下工作:①观察水生植物的存活情况,必要时进行补种及物种更替;②对生长过于旺盛或处于衰败期的水生植物进行人工控制或打捞。植物残体若不能及时人工移出,经过植物富集的污染物质会随着植物细胞的分解重新回到水体中形成二次污染。此外,在生态净化系统构建的前期或应对突发性污染事件时,以及需要进行植物病虫害防治、外来物种防治时,适当的辅助措施也必不可少。

4.3 水体青苔的防治

水体青苔是丝状藻等低等水生植物的俗称,主要附着在水草叶片及石头上,以绿色品种居多,外形多半为棉花状、线状、网状或刷状。水体青苔可从水体理化性质、沉水植物、水生动物等多种途径影响水生态系统[9],进而影响水质生态净化效果,目前国内对该问题的研究几乎空白。在农业及水产领域,青苔主要依靠施用化学药剂控制[10],而小沿河作为特殊的敏感水体,常规化学方法不适用。为找到适用于水源地的青苔防治方法,小沿河工程尝试采用了:①合理提高挺水、湿生植物种植密度以阻碍青苔的光合作用;②定期收割生长过于旺盛的沉水植物以减少青苔的附着基质;③在早春及晚秋青苔易发期提前进行打捞,防止青苔蔓延。上述方法有效地控制了水体青苔的爆发。

5 结 语

一切水质问题都是不健全、不完整的水生生态系统的表现。若辅以适当的人工措施,促使当地水生生态系统得以恢复,水质也将会逐渐改善。小沿河工程是以自然河道生态系统为模板,先通过人工引种营造合理生境等工程措施,恢复河道水生植物系统,然后采用生态系统调控手段,使小沿河内部逐渐形成良性演替、动态平衡的水生生态系统。这样能产生水质净化的即时效果,更能增强当地水体生态系统的稳定性,从而抵御、降低外来突发风险,保障饮用水体的安全。

水源地水体的生态净化工程目前在国内尚处在起步阶段,许多问题尚在探索过程中。在今后水源地保护工作中,采取更为生态的工程方法,帮助当地水生生态系统恢复初始、自然的状态,从根源上解决水质安全问题。

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