孙 超，刘 瑞，赵宇航

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

西安市兴庆湖是典型的城市景观水体,是1958 年在唐代兴庆宫“龙池”遗址上挖掘的人工湖,具有游览、观光、防洪、涵养地下水源、改造城市生态环境,美化市容市貌的功能。然而,兴庆湖在西安城区长期快速发展中积累的环境问题不断地凸显,水体受到了不同程度的污染,并不时出现富营养化现象。本文通过对兴庆湖湖体水系概况、现状水质分析评价、水量平衡分析及入河污染物初步估算,诊断与识别兴庆湖水体水环境问题,并针对性地进行水质提升及生态修复设计,旨在为同类城市景观水体水质提升及生态修复提供借鉴与参考。

1 兴庆湖概况

1.1 湖体概况

兴庆湖是兴庆宫公园中主要景点之一。水面面积10 hm2,约占整个公园面积的20%,由大湖（0.47 hm2）、东湖（2.07 hm2）、西湖（1.00 hm2）、北湖（0.93 hm2）、南湖及环湖沟道（1.33 hm2）,入湖沉淀池组成。水深0.6 m～2.5 m。日常蓄水水量20 万m3,调蓄库容27 万m3。兴庆湖概况见图1。

图1 兴庆湖概况示意图

1.2 供水水源概况

西安市兴庆湖现状供水水源有两处,分别是大峪水库水源和黑河退水水源,经明渠、管道、暗涵由公园东北角流入。

1.3 现状水质评价分析

本文采用2018 年1 月～2020 年9 月水质月度监测报告,采用单因子评价法对兴庆湖主要水质参数（化学需氧量、氨氮、总磷及溶解氧）进行分析,同时采用综合营养状态指数法[2]对水体富营养化进行分析,结果如下：

兴庆湖除沉淀池入水口水质在个别月份变化波动较大外,其他监测点位均表现出了相似的变化趋势,基本呈现为：枯水期12 月～2 月水质不佳,4、5 月份水质较好,6 月～8 月份因汛期汇流,湖体水质存在波动。湖体主要超标指标为氨氮、化学需氧量及总磷,溶解氧符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅳ类标准限值。

兴庆湖各监测点位综合营养状态指数值表现出了大致相同的变化趋势,主要集中轻度富营养化状态～中度富营养化状态。每年的12 月～2 月和6 月～8 月多表现为中度富营养状态,仁厚庄北路东口、沉淀池及东湖三处上游点位在径流汇入的个别月份甚至出现重度富营养化状态。

1.4 入湖污染物分析

依据水量平衡分析结果,参照分类水质指标,初步核算兴庆湖入湖污染物负荷占比见图2。

图2 入湖污染物分析图

通过上述入湖污染量计算结果可知,每年由地表径流带入兴庆湖的化学需氧量年负荷达5.04 t,其中园区内地表径流与园区内地表径流贡献分别达到90.48%、9.52%,氨氮年污染负荷总量为0.91 t,地表径流带入约占72.57%,其中园区外地表径流带入占比81.82%；总氮年污染负荷为2.00 t,地表径流、进水水源及底泥分别占比38.36%、30.75%及22.11%,其中园区外地表径流与进水水源污染占比较大；总磷年污染负荷总量为0.72 t,底泥释放约占85.22%,底泥释放是兴庆湖局部总磷超标的最主要因素。

2 水环境问题诊断与识别

2.1 生态需水保障不足

兴庆湖生态环境需水主要受两类因素影响,一是湖泊生态系统的功能特征,另一是外界影响因素,如气候、气温、降雨、蒸发及排污等。目前兴庆湖主要定位为受纳汇流、景观及娱乐等功能[1]。采用各类生态需水量的外包值作为兴庆湖生态需水量,应为858.22 万m3/a,即2.35 万m3/d,根据兴庆湖签订供水协议,现状供水水源全负荷补水每天可达到0.55 万m3/d,生态需水缺口量为1.80 万m3/d。

2.2 雨污入湖存在风险

通过对径流污染检测结果的评价分析,结合入湖污染量年度核算,入湖雨污所带入的径流污染仍是限制本次水体达标的主要污染源,径流雨污的间歇式汇入会造成兴庆湖水体水质污染风险随之升高。兴庆湖现状水源管线因与市政雨污水管道合用,沿途用户及道路的径流污染,经常随地表径流入湖,导致水体富营养化,水质恶化。

2.3 不利的水动力条件

兴庆湖在实行了入湖雨水管线的全面整治措施后,仅存在东北角一处进水口与西南角一处出水口,单一的进出水模式、不规则的湖体形状以及保证率不足的供水水源都造成了兴庆湖局部形成缓流区甚至死水区,也是造成了湖体富营养化的主要原因。

2.4 生态自净功能缺失

兴庆湖现状水生态系统以大型观赏植物（荷花）、杂食性观赏鱼类（锦鲤）为主,缺乏滨湖生态缓冲带,缺乏沉水植被自净系统,缺乏水禽、肉食性鱼类、滤食性鱼类、底栖动物及微生物的相互作用,造成水生态自净系统的部分功能缺失。

2.5 底泥原位污染释放

兴庆湖水体底泥功能微生物含量较低,厌氧水解微生物含量较高,这些微生物利用有机质繁殖会导致水体局部环境厌氧,氧化还原电位降低从而导致磷释放,加之微生物凋亡氮磷元素原位释放,水体生态系统恶性循环,丧失水环境自身修复功能。

3 提升修复方案与实施

3.1 水质改善目标

根据兴庆湖的日常功能需求及水源条件,并结合区域水功能区水质目标要求,最终确定主控水质提升指标执行《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类标准,并应新增两项视觉感官指标：（透明度［SD］）≥0.7 m；叶绿素a［chl-a］≤10 mg/m3）。

3.2 提升修复方案设计

本次水质提升实施方案采用“疏浚—补水—修复—自净”为核心的技术思路,控制内外源与生态修复相结合,以疏浚及水下微地形改造为基础,结合运行期底泥消解处理,通过生态修复构建完整的自净系统等多项生态工程[3],形成兴庆湖水质改善与生态修复的完整体系。具体设计包括疏浚及沉淀池改造、三污再生水入湖配套工程、局部水动力提升系统、生态净化湿地系统、多级生态净化堰、滨湖生态驳岸以及水生态修复系统等具体内容。技术思路与措施设计示意见图3。

图3 兴庆湖水质提升与生态修复方案示意图

4 水质目标可达性分析

4.1 消减量分析

（1）富营养化控制指标

本次水质可达性分析将以湖（库）富营养化模型为评价基础,湖体总磷、总氮达标分析采用沃伦维德模型预测湖（库）后,水体中总氮、总磷年均浓度,预测公式如下所示：

式中：C 为湖（库）中氮（磷）的年平均浓度,mg/L；Ci为流入湖（库）按流量加权平均的氮（磷）浓度,mg/L；H 为湖（库）平均水深,m；qs为湖（库）单位面积平均水量负荷,m3/（m2·a）,qs=Q/A,Q 为年入湖（库）水量,m3/a；A 为湖（库）面积,（m3）。

经计算,在不采取各项水质提升措施及不存在暴雨溢流入湖的条件下,湖体的总氮、总磷浓度达到1.56 mg/L、0.11 mg/L,尚不能达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中Ⅲ类水质目标要求（TN ≤1.0 mg/L,湖库TP ≤0.05 mg/L）。

（2）污染总量控制指标

根据生态环境部下达河湖污染物总量控制指标（化学需氧量与氨氮）的要求,本次达标考虑兴庆湖的最不利水质条件下的化学需氧量及氨氮指标值（COD=34.5 mg/L,NH3-N=4.55 mg/L）作为本次达标分析的初始条件。

4.2 消减模型

经前文需消减量计算分析,得出兴庆湖地表水污染指标（化学需氧量、氨氮、总氮及总磷）的浓度负荷如下：COD=34.5 mg/L,NH3-N=4.55 mg/L,TN=1.56 mg/L,TP=0.11 mg/L。

兴庆湖水体达标方案各项措施落地后,兴庆湖可作为表流型人工湿地计算各项污染消减量。计算公式如下所示：

式中：NA为污染物面积负荷,g/（m2·d）,以化学需氧量、总氮、氨氮、总磷计,并取其最小值；Q 为表流型人工湿地（兴庆湖）设计流量,m3/d；S0为进水污染物浓度,g/m3；S1为出水污染物浓度,g/m3；A 为表流人工湿地（兴庆湖）面积,m3。

代入同等气候条件下的污染指标最小表面负荷（COD=2.0 g/（m2·d）,NH3-N=1.5 g/（m2·d）,TN=1.5 g/（m2·d）,TP=0.1 g/（m2·d））进行计算,可得兴庆湖水质可稳定达到目标要求。

4.3 水生态自净分析

水生植物的氮、磷消减量可以分为两部分,植物快速生长阶段,经常性收割可以带走一部分氮、磷。未修剪部分也起到固定氮、磷的作用,可以去除水体中的氮磷含量[4]。

（1）沉水植物

根据水生植物单位面积单位时间去除水体氮、磷含量,可定量计算兴庆湖水体氮磷的总削减量。沉水植物对氮磷的贡献计算公式如下：

式中：P 为氮或磷的消减量,kg；S 为沉水植物总种植面积,m3；Wg为沉水植物的含水量,%；W为单位面积的沉水植物鲜重,g；ε为沉水植物单位质量干重对污染物的去除,mg/g；t 为生长周期,月。

通过公式可得,氮的年消减量为628.58 kg,磷的年消减量为194.34 kg。生长期内沉水植物生长迅速,5 月～10 月中旬经常性收割,一个生长期内收割6 次左右,30 天生长约20 cm,每次收割15 cm～25 cm,每次收割的挺水植物干重约10.05 g/m3,合计达5.30 t（干重）。氮的消减量为105.32 kg,磷的消减量为32.51 kg。

综上,沉水植物氮的年消减量为733.90 kg,磷的年消减量为226.85 kg。

（2）挺水植物

挺水植物对氮磷的贡献计算公式如下：

式中：P 为氮或磷的消减量,kg；K 为挺水植物种植面积,m3；W 为单位面积内挺水植物的鲜重,g；γ为挺水植物的含水量,%；为挺水植物单位质量干重对污染物的去除,mg/g；t为生长周期,月。

通过公式可得,氮的年消减量为117.94 kg,磷的年消减量为27.52 kg。综上计算结果,在水生态自净系统后,通过植物消减量计算,综合氮磷消减量考虑表流型湿地消减作用,在无暴雨溢流入湖的情况下,湖体的总氮、总磷浓度分别降至0.54 mg/L、0.015 mg/L,可稳定达到水质目标要求。

4.4 目标可达性分析

针对水体中污染总量控制指标（化学需氧量与氨氮）,通过计算分析可得,在发生雨污溢流的情况下,通过本项目的各项措施,可有效保障出流水质达标。随后通过达标水源入流补给,可进一步使得湖体全域水质达标。针对水体富营养化控制指标（总氮、总磷、透明度及叶绿素a）,通过加大生态需水保障、植物生长收割及表流湿地消减,可有效保障达到水质目标要求,透明度与叶绿素a 两项新增指标也可通过水生态系统高等植物对藻类的化感竞争作用,达到新增水质目标要求。

综上所述,通过水体达标方案的各项消减措施,兴庆湖水体主控指标：化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、透明度及叶绿素a,均可达到设计水质目标要求。

5 结语

兴庆湖作为典型的城市景观水体,在提供景观游览服务功能的同时,还兼具受纳城市雨污的作用,若运行不当,势必引起水质恶化与富营养化等问题。本次提升修复方案根据兴庆湖不同水环境问题,针对性进行了不同措施的深化设计,通过项目的落地实施,全面提升水质,形成完整自净功能,达到设计水质目标要求。