基于生态理念的人工湖水质保障措施探讨

2017-09-14温黎明张湘隆

水电站设计 2017年3期

关键词：人工湖水生湖泊

刘杰，温黎明，王颖，张湘隆，郞建，吴迪

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

基于生态理念的人工湖水质保障措施探讨

刘杰，温黎明，王颖，张湘隆，郞建，吴迪

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

在湖泊生态系统理论的基础上，提出了一套着重提升人工湖水体净化能力的水生态系统构建思路和方法。措施体系主要包括湖区良好水体生境营造、水生态系统构建和生态辅助强化措施等，并选取了各体系典型措施进行探讨。本研究成果对构建健康、稳定的人工湖水生生态系统具有指导意义。

人工湖；水生态系统构建；水质保障

0 前言

湖泊是陆地水圈的重要组成部分，与生物圈、大气圈、岩石圈等关系密切，具有调节区域气候、维持区域生态系统平衡和繁衍生物多样性等特殊功能。随着社会的发展和人们生活水平的提高，我国人工湖(如湖泊型湿地公园、景观湖、水库等)的建设逐年增多。但在人工湖泊设计和建设过程中，往往过多地注重于景观设计和雕琢，反而忽略了湖泊最本质的内涵因素——水质和水生态，导致建成后的人工湖外景虽美，内在水生态系统却很脆弱，水体自净能力差，水质严重恶化，水生动植物死亡，影响周边环境。如北京陶然亭公园、武汉莲花湖公园、上海豫园等人工湖的水体富营养化，藻类爆发时有发生，重景观轻生态的设计理念正是造成这种后果的重要原因[1]。

因此，本文在湖泊生态系统理论的基础上，着重探讨和总结人工湖水生态系统构建和水质保障措施体系，这无论对新建人工湖泊的健康水生态系统构建，还是生态退化的湖泊水生态修复，都具有指导意义。

1 人工湖水生态系统构建技术路线

人工湖的水生态构建和水质保障是一项复杂的、系统性的工程，本文在生态学、水生生物学、环境工程学、景观生态学等理论基础上，综合国内外相关工程的设计及实施经验，提出了一套着重提升人工湖水体自净能力的水生态系统构建技术路线，如图1所示。

图1 人工湖水生态系统构建技术路线

2 目标确定和区域现状调查

前期调查分析工作对人工湖水生态设计尤为重要。首先，需根据区域生态环境相关规划和建设单位要求明确人工湖水生态构建目标，如：湖区水质目标、水体透明度目标、生态构建目标、景观目标等，作为后续设计工作的依据。其次，需开展详细的区域生态环境现状调查，主要内容包括湖区地理位置、地貌、地形、水文、气候、地质、水质、生态环境及周边区域(流域)相关环境特征，并根据调查结果分析人工湖的水源状况、潜在污染源和污染特性等，为后续设计提供基础资料。

3 措施体系设计

3.1 湖区良好水体生境营造

大量天然湖泊的生态修复工程经验表明，水生态系统恢复必须与湖泊内、外部环境的改善结合起来，否则水生动植物种群很难恢复。因此，在人工湖水生态系统构建前也需要首先营造良好的水体生境，主要包括外源污染控制措施和基底环境改造工程。

3.1.1 外源污染控制措施

众所周知，对外源污染物的控制与削减是湖泊生态系统恢复的基础和必要条件，最大限度地降低污染物的输入负荷才能从根本上实现修复。人工湖最常见面源污染是地表径流，点源污染通常来自于补水水源。能用于湖泊外源污染控制的措施很多，本文选取了人工湿地和湖滨生态缓冲带这两种使用最广泛、效果较好的措施来探讨。

(1)人工湿地。人工湿地处理技术就是近年来发展迅速的污染水体生物—生态修复技术之一。通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地形，根据需要人为设计与建造湿地，利用物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现污水的净化，具有投资少、运行费用低、处理效果好的特点。

根据污水在湿地中流动方式不同可分为表面流人工湿地、潜流人工湿地、垂直流人工湿地，不同类型人工湿地的特性，如表1所示。每种类型的人工湿地各具特色，在工程设计中根据实际情况选择两种或几种工艺组合，充分利用各自优点实现工程效益最优。

表1 不同类型人工湿地之间的差异

人工湿地已广泛运用于污染河流、富营养化湖泊的治理及面源污染的控制。目前，许多人工湖由于水源限制常采用微污染河水或污水处理厂出水作为补水水源。在人工湖补水入湖口位置布设人工湿地净化区，对补水水源进行预处理，可有效解决入湖水质问题。比如，郑州CBD中心湖采用东周水厂原水作为补水水源，原水为微污染水体，总磷浓度已超过地表水水质V类标准。采用植物碎石床人工湿地进行处理后，出水可达地表水Ⅱ类水质标准，满足人工湖水质要求[2]。

(2)湖滨生态缓冲带。湖滨生态缓冲带位于湖滨水—陆交错区域，是陆生生态系统与水生生态系统间的过渡带，同时也是湖泊的“天然生态屏障”，其水—土壤(沉积物)—植物系统的过滤、渗透、吸收、滞留、沉积等物理、化学和生物作用，具有控制、减少来自湖泊流域地表径流中的污染物的功能，在湖泊面源污染控制方面发挥了重要作用。同时，湖滨带也可以通过营养竞争、化感作用等抑制湖泊水华藻类，改善湖体水质。

湖滨生态缓冲带应根据湖泊现有岸坡条件、地势、高程进行设计，尽可能对径流拦截净化，避免大量径流绕过缓冲带直接进入湖泊；合理的植被配置是实现缓冲带有效控制径流和控制污染的关键，应根据区域植被历史演变特征和相近健康湖滨带的群落结构作为参考，尽量选取根系发达、净水效果好的本土植物，同时兼顾景观效果和经济性；缓冲带设计应采用近自然的方式配置多种、多层、高效、稳定的植物群落，一般情况下，由沿岸向湖心方向依次配置由乔灌草、挺水植物、浮叶植物和沉水植物所组成的植物系列(见图2)；不同植物种群应考虑节律匹配，以可证植物群落生态环境功能具有较强的周年连续性。

图2 滩地型湖滨缓冲带构建示意[3]

3.1.2 基底环境改造工程

湖泊基底环境是水生植物的立地条件，也是水生动物的栖息场所，基底的土壤结构对湖泊水生态系统构建起到至关重要的作用。对于新建人工湖而言，区域原有土地类型可能为农田、居住设施、池塘、河流等，湖区建成蓄水后，原陆地生态系统的土壤将变成水生生态系统底泥，其物理、化学、生物特性不一定适合水生动植物生长、生活，需采取一定的技术措施改善基底形状，以促进水生动植物的生长。

(1)基底形态改造。基底形态改造需根据水生生物生存要求因地制宜地对地形进行整理，包括不合理的沟谷、凸脊、坑塘等平整和改造，植被重建区地表植物、构筑物等的清理。湖泊基底改造，尤其是湖滨带基底应避免平整的“锅底式”的单一水下空间，应该构建丰富多样的水下地形，提高湖泊水生态系统的空间异质性，这样更有利于水生植物的生长和水生动物的栖息地构筑。

(2)基底底质调整。人工湖基底改造时需对地表植物、构筑物、淤泥、污染源等进行全面清理，最大限度降低湖区的内源污染。湖底成形后重新覆盖种植土(30 cm以上为宜)，并进行机械耕耘、翻晒，从而有利于高等植物根部扩张，减少高等植物根部疾病。同时，对湖底土壤和周边环境施用具有针对性的植物病原体消杀剂，消灭蛰伏的导致高等植物发生褐斑病、叶锈病、秆锈病、黑粉病等的细菌性病原体和霉菌，以提高高等植物成活率。

如果回填的种植土微量元素含量不合理，还需合理配比微量元素和多种营养成分含量。合理的微量元素配比,一方面为植物的根系发育提供有利条件，增强植物对环境的抗逆性；另一方面提高沉水植物对底泥、水体中以氮、磷为主营养盐的吸收利用率。这一点对人工湖沉水植物群落构建尤为重要。

3.2 湖泊水生态系统构建

3.2.1 水生植物群落构建

水生植物群落在水生生态系统中处于初级生产者的地位,能够发挥多种生态功能。水生植物能持续吸收水中的N、P、重金属等污染物质，且能通过人工收获等方式将其固定的污染物质带出水体，这也是水生植物污水处理，特别是针对湖泊营养化治理的理论基础[4]。水生植物可以固定水底沉积物，减少沉积物再悬浮而造成污染，同时水生植物通过根系向水下输送氧气，改善水底沉积物的氧化还原条件，减少内源污染的释放。此外，水生植物群落与其他生物的生长密切相关，比如它为微生物提供了良好的根区环境，增强了微生物的活性和生物量，同时还能抑制低等藻类的生长，大大降低了水体藻类爆发的风险[5]。

水生植物构建的一般流程如图3所示。

图3 人工湖水生植物构建一般流程

(1)物种选择。湖区水生植物种类一般分为挺水植物、浮叶植物和沉水植物3类。物种选择前需对区域及周边生物群落结构进行调查，结合各种植物种类的污染物去除能力，进行物种比选，选种需遵循以下原则:

①适应性原则：自然界植被具有明显的地带性，本土植被一般抗逆性和抗污染能力强、自成群落、易于粗放管理，在条件较差的生境中也能生长。因此，所选物种应适应区域的现状条件，应优先选择土著种。

②针对性原则：耐污染能力是水生植物配置的重要衡量因素，不同植物耐污能力差异较大。因此，应根据湖区水质条件有针对性地选择植物物种，对于水源水质较差的人工湖需多选取耐污能力较强的物种。常用的耐污植物有凤眼莲、水浮莲、满江红等，因此这些物种也常作为水生植物的先锋种。

③多样性或协调性原则：应考虑湖泊生态系统的生物多样性和系统稳定性要求，选择相互协调的物种。

④经济性原则：应考虑经济性较高的物种，尤其是栽植成活率高，造价低廉，常规养护管理费用低的物种，以降低后期维护管理的费用。

(2)空间布置。由于不同水生植物的适宜生境不同，因此水生植物构建应遵循物种的生物学特性和其在自然湖泊中的分布规律。总体来说，上层布置浮叶植物，下层布置沉水植物，湖滨和其他浅水区域布置挺水植物。在具体配置时，应根据湖底形态和水深划分多个区域，再对各个区域进行种群构建。在区域群落构建时，还应针对区域特殊条件进行特殊配置，如迎风岸以及进出水口河道区域，应布置抗御风浪能力较强的沉水植物，而在水质较差的环境敏感区域应尽量选择耐污能力较强的物种，以保证植物的正常生长，而且有利于提高水体自净能力。

(3)种植时序。水生植物构建初期，首先种植具有较大生态耐受范围及较宽生态位的先锋植物种类，以适应初期的生境环境，初步构建水生植物序列，凤眼莲、水浮莲、满江红等沉水植物是常用的先锋种；构建中期，湖区水生植物物种多样性不高，植物配置以填补空白生态位为主，对群落结构进行优化，使原有群落逐渐稳定；后期则是进一步完善水生生态系统的种群构成，最终与湖区环境协同作用后趋于健康、稳定。

(4)去污量核算。水生植物配置后，需对配置方案的N、P等去除效果进行核算，分析水生植物对湖区水质的维持作用。计算公式如下：

R=C×B×D

式中R——为污染物去除量,g;

C——为植物的污染物去除能力,g/g·d；

B——为植物总生物量,g；

D——为种植时间,d。

3.2.2 水生动物群落构建

健康的湖泊水生生态系统是以完整的食物链、网为基础的，即:从初级生产者到水体最高消费者，充分利用食物链摄取原理和生物间相生相克关系，从而维持生态系统平衡，使水体水质长久维持较好的状态。

(1)物种选择。Shapiro等人[6]提出的“经典生物操纵理论”是目前使用最为广泛的生物控制理论学说(见图4)，其核心理念是通过改变捕食者(鱼类)的种类组成和数量来操纵植食性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，提高水体的透明度，改善水质。

根据经典生物操纵理论，人工湖鱼类种群构建应通过投放肉食性鱼类来调控滤食性鱼类数量，以保护浮游动物种群，最终达到减少浮游植物数量的目的；控制水体透明度及底质再悬浮，以促进沉水植物在吸收营养盐方面能竞争过藻类，严格控制杂食性鱼类、草食性鱼类及底栖食性鱼类。

图4 经典生物操纵理论

在人工湖水生态构建初期，在适当水体中投放人工培养的浮游动物，以在短时间内增加水体中浮游动物的数量，实现快速有效地控制浮游植物的种群数量。底栖动物是湖泊生态系统的重要组成部分，它能加速水底碎屑的分解、调节泥水界面的物质交换和促进水体的自净，还是水生态系统食物链的重要环节，可在水生动物构建初期投放适当数量的底栖动物。跟水生植物选种一样，水生动物构建时应尽量选择本地物种。

(2)投放数量和时序。由于不同湖泊的营养结构都是在与其环境协同作用后所形成的特有的结构，故不同食性鱼类放养比例无法形成统一标准，应分析不同食性鱼类对湖泊生态系统的影响，控制其放养比例，并在此基础上借鉴同区域条件相似、鱼类结构相对合理的湖泊，适当进行调整。在水生态系统建成后，应对系统进行监测，追踪其发育情况，并根据具体情况做相应调整[7]。

由于底栖动物净化水质能力较强且不会影响水生植物的生长，为营造良好的生态环境，在水生植物群落构建完成后，先构建底栖动物群落以辅助水质净化[8]，后期待水生植物生长稳定后再构建鱼类群落。

3.3 生态辅助强化措施

由于湖泊水流流态比较单一，尤其是对于某些外源污染较严重、营养化程度较高的区域，水生态系统脆弱，水质难以有效改善。通过生态辅助强化措施，可以有效地缓解这些问题，提高湖泊水质净化效率。本文选用最常用的生态浮床和曝气增氧措施进行探讨。

3.3.1 生态浮床

生态浮岛原理是运用无土栽培技术，以竹子、高分子材料等为载体，在人工构建的浮床中种植栽培多种观赏型水生植物，利用植物根系直接吸收和植物根系附着微生物的降解作用有效净化水质, 是一种水体原位生态修复技术。

生态浮岛形状变化多样，不受水位限制，可充分利用广阔的水域面积，将景观设计与水体修复相结合，且不会造成湖泊淤积，因此应用十分广泛。目前，常用的浮床植物有美人蕉、芦苇、荻、香根草、香蒲、菖蒲、水浮莲、凤眼莲、水芹菜、血草、银纹金线、水雍菜等。广州市以生态浮床为主要生态修复措施对亚运城周边裕丰涌、南派涌、官涌等河涌进行整治，提高了水体透明度，有效地控制了水体富营养化，并获得良好的景观和生态效果[9]。上海白莲泾世博园区段的水质改善工程中，在河段内构建了由鲢鳙鱼、三角帆蚌和植物组合的生态浮岛，运行9个月后，河段综合水质由劣Ⅴ类～Ⅴ类转化为Ⅱ类～Ⅲ类，菖蒲、血草、银纹金线蒲浮岛区水质都达Ⅲ类标准，有效地改善了河道水质[10]。

3.3.2 曝气增氧措施

水体中溶解氧含量是水生态系统的关键参数，与水生动植物的生活、营养物质的生物降解等都息息相关。湖泊中溶解氧的主要来源为大气表面复氧、挺水植物根系氧传输和进水溶氧。研究显示，大气表面复氧强度在0.5～1 g/(m2·d)范围，植物根系氧传输强度在0～3 g/(m2·d)范围[11]，相对于营养化程度较高水体的需氧量来说明显不足。人工湖建成初期，新构建的水生态系统尚未充分发挥作用，局部水体容易出现营养化程度较高的情况，因此，需要适当采取曝气增氧措施，以满足营养物质生物降解的需要。

常用的曝气增氧技术分为自然曝气复氧和人工曝气复氧两大类。湖泊自然曝气复氧可以因地制宜地构建喷泉、瀑布、假山等设施来实现跌水充氧；人工曝气复氧是指利用曝气设备向处于缺氧(或厌氧)状态的水域充氧。曝气增氧措施具有设备简单、机动灵活、安全可靠、见效快、操作便利、适应性广、对水生生态不产生任何危害等优点，非常适合于人工湖水生态系统的构建初期以及营养化程度较高的水域。

4 管理维护

人工湖建成后，其水生态系统从脆弱状态逐渐过渡到健康、稳定状态，期间要经历较长时间的系统优化调整和管理过程。即使人工湖过渡到自净稳态系统，也需要保持良好的日常维护管理，以保证水生态系统长期、稳定的良性循环。管理维护措施包括：开展湖区水色、鱼类活动、底栖动物栖息、植物生长等情况的观察与反馈，定期进行水质监测和生态监控，并制定相关应急管理制度;定期清理水面、水底的垃圾杂物；适时对水生植物进行收割、调整等管理;规范湖区游客行为，防止偷捕、私自放生等破坏行为。

5 结论

(1)本文从生态理念出发，提出了一套着重提升人工湖水体自净能力的水生态系统构建思路和方法，包括构建目标确定、区域现状调查、措施体系设计、管理维护等。措施体系设计主要分为湖区良好水体生境营造、水生态系统构建和生态辅助强化措施三个方面，其中，水生生态系统构建是整个措施体系的关键部分，通过水生动植物的合理选种、配置，建立合理、良性的食物网，在其他措施体系的辅助下最终逐步形成自净、健康、稳定的人工湖水生生态系统。

(2)本文为人工湖的水生态构建和水质保障提供了较为系统的思路和方法，具有一定借鉴意义。

(3)但该构建思路只是基于生态理念提出的水质保障措施，未完全考虑物理、化学和工程等非生态措施的协同作用，仍存在一定的局限性。

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