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摘要：城市水源污染已成为全球范围的重大问题和人类社会共同关注的焦点，地表饮用水源的保护已越来越受到人们的重视。在深入论述水源湖生态系统过程与功能的基础上，系统地阐述了水生态修复的技术措施。探讨了水源湖水质净化与生态修复技术的选择原则与集成化策略,在分析某水源湖的物理结构与生态特点的基础上,提出了以水生态技术为核心的技术方案。论述了适用于水源湖的生态修复技术，并对各种技术的特点及其对不同类型河流的适用性进行了剖析，并阐述了如何选用和集成适宜的生态修复技术，以期为实施城市水源湖的水质净化与生态修复参考。
关键词：城市水源湖；水生态；修复技术；适用性；研究
1前言
水源湖是一种作为城市中重要水体的人工湖泊，一般是区域内用水的来源，所以有一定的水质要求。水源湖一般在湖泊的周边划定过渡区，以保证湖泊水体的质量。此类湖泊一般不允许进行任何性质的开放和建设活动，属于保护性城市湖泊。
图1 湖泊水质修复技术汇总示意图
城市水资源短缺和地表饮用水源污染，已成为全球范围的重大问题和人类社会共同关注的焦点，且水源水体所面临的水质安全风险还在不断加剧，一般来说，城市水源湖的水质质量会受到来自面源与生活生产两个方面的污染影响。一方面，人工湖泊，尤其是靠近农作物耕作生产的人工湖泊，农药化肥中的各种有机物质在未被农作物吸收的条件下会流入地表，进而在土壤侵蚀作用下影响人工湖泊的水质；另一方面，现代城市在不断建设发展中所产生的各类工业、生活污水最终都会流入湖区，这种有机污染会较为明显的改变人工湖泊水体内Do含量，各种N、P元素也会给各种微生物、有机物的形成提供温床，严重威胁水源湖的水质质量。为此，本文应用水生态修复理论，提出水生态修复技术，以期为城市水源湖建设提供参考。
2水生态修复理论与应用
最近十多年来，由于我国城镇水源地藻类水华、氨氮及有机物超标等污染现象的日益严峻，“针对水源水体开展水质修复与保护工程，抑制水源水体藻类生物异常增殖，改善水源水质，为后续水厂提供优质原水”已成为技术研究和工程实践的热点，同时也是各大城市水务管理部门亟待解决的重大民生问题。在国内，以东江为主要来水水源的深圳水库、以京杭运河支流为主要来水水源的嘉兴石臼漾水源地、以太湖为主要来水水源的无锡梅梁湾等已率先开展了水质修复与保护工程。从全球范围来看，水源水体所面临的水质安全风险如蓝藻水华、有机污染等并不是我国所独有的现象；欧美、日本等发达国家在工业化的早期就已经出现，至今尚有许多水源地处于水污染威胁之中，发达国家开展的许多针对水源水体的水质修复与保护工程也非常值得亟待开展此类工作的某市借鉴。总结已有湖泊水体修复技术，主要有物理类、化学类、生物-生态类和微生物类，详见图1。
目前，水源水质修复与保护工程，所采用的关键技术主要有前置库技术、生态修复与调控技术、水体人工造流混合技术、人工湿地技术、生物强化净化技术等，在实践中也可以采取多种技术组合以达到水质修复与保护目标。
3水生态修复技术
3.1生态前置库技术
生态前置库技术的原理为利用水源地原位或周边可利用的区域构建前置库，将上游来水滞留在库区内，通过减缓入库水流速度使来水中的泥沙及营养物质沉淀，同时通过人工引种、自然演替形成以水生植物为主体的生态净化系统，吸收去除污染物，净化出水排入水源水体。前置库工作原理如图2所示。
前置库主要由3个部分组成, 即沉降带、强化净化系统、导流与回用系统。强化净化系统又分为浅水生态净化区、深水强化净化区。
图2 前置库工作原理
（1）沉降带
沉降带利用现有的沟渠, 加以适当改造, 并种植芦苇等大型水生植物, 对引入处理系统的地表径流中的颗粒物、泥沙等进行拦截、沉淀处理。
(2) 强化净化系统
浅水生态净化区：此区域类似于人工湿地生态处理系统。首先沉降带出水以潜流方式进入砾石和植物根系组成的具有渗水能力的基质层，污染物质在过滤、沉淀、吸附等物理作用、微生物的生物降解作用、硝化反硝化作用以及植物吸收等多种形式的净化作用下被高效降解；再进入挺水植物区域，进一步吸收氮磷等营养物质，对入库径流进行深度处理。
深水强化净化区：利用具有高效净化作用的沉水植物、具有固定化脱氮除磷微生物的漂浮床、以及其他高效人工强化净化技术进一步去除N、P、有机污染物等。
(3) 导流与回用系统
在降暴雨时, 为防止前置库系统暴溢, 把初期雨水引入前置库后, 后期雨水通过导流系统流出，处理出水根据需要, 经回用系统进行综合利用。
前置库的研究结果表明，在水深和光照相互作用下，前置库在滞水时间为2~12d 的情况下, 对正磷酸盐的去除率可达34%~61%，对总P的去除率可达22%~64%。前置库的设计、建造和运行是影响P去除率的关键因素。在设计过程中要考虑光照、温度、水力参数、水深、滞水时间、前置库库容、存贮能力、污染负荷大小等因子。对N 的去除率是滞水时间和N、P 比的函数, 一般N、P 比越小，去除率越大。
3.2人工湿地技术
基质、植物、微生物与多湿的环境共同构成了人工湿地的基本要素，形成了湿地特有的生态系统。基质为微生物的生长提供稳定的附着表面，为湿地植物提供载体和营养物质；湿地植物除直接吸收营养物质、富集污染物外，还为根区微生物的生长、繁殖和降解污染物提供氧气，植物根系维持湿地水力传输；附着在基质和植物根系的微生物降解污染物，并为植物提供养分；如图3所示。
图3 湿地生态系统原理示意图
湿地按水流形态可分为表面流人工湿地、潜流人工湿地和复合流人工湿地等3种，如图4所示。
图4 人工湿地3种类型
与传统的城市二级污水处理厂相比，人工湿地具有较强的脱氮除磷效果。一般人工湿地对BOD、TN和TP的去除率可分别达到80%、85%和85%左右。人工湿地具有显著的生态环境效益和很强的观赏性，能够与风景林建设和生态农业建设等相结合，产生直接或间接的经济效益。
图5 人工造流混合技术工作原理
在水质得到改善的同时，表面流人工湿地的生态效应也逐渐发挥出来，逐渐演替形成了杞柳（水边林）-芦苇、荻、蓑衣草（高滩挺水植物）-茭白、宽叶香蒲（中低滩挺水植物）-荇菜、菱（浮叶植物）的植物分布格局，生物多样性逐渐升高，出现了绿头鸭、针尾鸭等禽类及芦燕、白头鹞和鸢等鸟类；优美的湿地环境还将吸引大量的游客，并成为对少年儿童进行环保及爱水教育的重要场所。
3.3水体人工造流混合技术
该技术源于北欧诸国的海港防冻技术，80年代中期开始，日本大规模引入饮用水源水库的富营养化防治，全国90％以上水库共设置了数百个成套装置，从此饮用水源水库根绝了有毒蓝绿藻之害。其工作原理在通过造流混合设备带动水流循环，形成库区表层水体与底层水体的剧烈交换，破坏夏季水华高发期在水库表层形成的温度跃层，使得积聚于该层的藻类被驱赶至水库底层，由于光照极低以及温度骤降等原因，藻类失去活性而逐渐消亡；同时因为水体交换而带来的“均一效应”可使得原本在底层浓度较高的铁、锰得到稀释，沿水深方向上浓度逐渐趋于一致，并由于造流扬水所带来的复氧效应使污染物浓度得到进一步降低。人工造流混合技术工作原理，如图5所示。
3.4生物操纵技术
生物操纵的概念，最先是由捷克水生生物学家Shapiro等提出的，指利用调整生物群落结构的方法来控制水质，我国于20世纪80年代引入了生物操纵的理念后，许多学者从不同角度对生物操纵治理水体富营养化进行了思考，有学者提出通过放养滤食性鱼类，如常见的鲢鱼和鳙鱼，来直接滤食浮游植物（蓝藻）的生物操纵概念，并称之为非经典生物操纵，而将北美和欧洲广泛采用的通过放养凶猛鱼类来间接遏制藻类的生物操纵称为经典生物操纵。以生物操纵技术应用的关键操纵要素为特征，将生物操纵技术的类型划分如表1。
生物操纵技术主要基于Carpenter等人提出的营养级联学说，该学说认为生态系统的不同营养级生物之间存在着联动作用，消费者的逐级捕食作用，会自上而下地对藻类生物量、藻类种群结构和初级生产力产生重要影响。具体来说，位于营养级顶层的凶猛鱼类以捕食无脊椎动物和食浮游动物鱼类为生；当调控水体中存在大量食浮游动物鱼类时，凶猛鱼类将优先选择食浮游动物鱼类为主要食物；随着食浮游动物鱼类数量的下降，它们对下一个营养级-大型浮游动物的捕食压力降低，这时大型浮游动物的数量将很快增加；进一步地，由于大型浮游动物的滤食作用增强，水体中藻类生物量和初级生产力都会显著下降，同时那些个体尺寸较大的藻类被优先利用，藻类种群趋于微型化。生物操纵技术原理见图6。
图6 生物操纵技术原理
3.5生物强化净化技术
生物净化技术的原理主要基于生物膜技术，是指用天然材料或合成材料为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用，具有处理效率高，有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资等优势。其基本工艺流程如图7所示。
4 适用性分析
4.1目标水体分析
水源湖水体预期用途是城市原水供应，分析来水水质问题及相关水质参数，是确定需要控制的水质参数及采取有效控制措施的基础。一般而言，水源湖水体主要污染问题、受影响的用途和相关的水质参数如表3。
图7 生物净化流程示意图
由表3可见，水供应需控制的水质参数有大肠菌群量、病毒菌量、氮、磷、浮游植物以及金属、放射性物质等。
4.2工程适用工艺实例分析
工程适用工艺，应根据不同地点不同要求选择，以某市金泽水源湖为例，根据相关部门提供的资料和前期调研结果，太浦河来水的主要水质特征如下：
1）水质指标年平均值均处于III类水平（按河流型水源地评价），其中氨氮、CODMn时有超标；
2）由于受太湖藻类污染影响，夏季藻类增殖期来水中叶绿素a偏高，最高可达18µg/L；
3）来水透明度不高，在20~70cm之间变化，平均值为50cm左右。另一方面，考虑到周边可利用土地、建设成本等实际情况，金泽湖水力停留时间不超过5d，预计可用于水质净化的停留时间约为2~3d，因此以上述水质特征及水力停留时间为前提条件，设计水质净化系统，其基本工艺原理如下：
针对太浦河来水的水质特点分析，可以采用以削减氨氮、有机物等水质污染物，抑制库内藻类增殖为主要目标，利用2~3d左右的水力停留时间，在湖中原位开展水质修复与保护工程的工艺。考虑到水面（土地）的限制和各种工艺功能的互补，主要采取生态修复与调控技术为主，人工造流混合技术、生物强化处理技术为辅的基本技术思路，首先通过生态沉淀区的预处理作用去除大颗粒悬浮物质和部分藻类，改善水体透明度，为后续沉水植物修复创造基本条件；生态沉淀区出水通过引水渠进入生态前置库，在生态廊道上下折流流动，不断与由沉水植物叶片及根系、微生物、底泥-水界面所构成的生态净化体系相接触，从而吸收氮、磷等营养物质，削减氨氮和有机物，并抑制藻类增殖；生态前置库出水经过人工整流后汇入生态调控区，在此区域内引入通过滤食性贝类、凶猛鱼类等调控水生态系统关键物种组成，并结合人工造流混合技术控制并削减藻类生物量，同时补充水体溶解氧；针对生态调控区出水，利用生物接触氧化技术或人工湿地技术进一步去除氨氮和有机物，降低后续供水厂的污染负荷；出水经过清水涵养区短时间停留之后通过输水泵站进入管网输送系统。这套工艺对湖区水面有限水体可停留时间较短的情况，水体净化效率较高。
5 结语
a.水源湖库区宜分为生态沉淀区、生态前置库、生态调控区、生物净化区和清水涵养区。主要工艺可采用生态沉淀区通过生态沉淀区的预处理作用去除大颗粒悬浮物质和部分藻类，改善水体透明度；生态前置库放置的生态挡墙和生态隔板使水体在生态廊道上下折流流动，不断与由沉水植物叶片及根系、微生物、底泥~水界面所构成的生态净化体系相接触，从而吸收氮、磷等营养物质，削减氨氮和有机物，并抑制藻类增殖；生态调控区内通过引入贝类、凶猛鱼类等调控水生态系统关键物种组成，并结合定向推流混合器的水力调控作用控制并削减藻类生物量，同时补充水体溶解氧；在生物净化区布置透水坝、人工介质和浮式曝气筒等装置，利用生物接触氧化技术进一步去除氨氮和有机物；在清水涵养区设置周边水生植物带、滤食性鱼类和导流墙，使水体均匀、平顺地通过输水泵站进入管网输送系统。
b.城市在发展的过程中，必须重视人工湖泊绿化与其城市发展保持一致，可以在人工湖泊附近进行绿化建设，改善人工湖泊周围的生态环境，同时还可以美化城市，真正意义上将绿化环境与城市发展相结合，突出城市发展的地域特色以及季节观赏性。
c.水生生物的发展建设在一定程度上可以保护人工湖泊的生态平衡，为其湖泊创造良好的生存空间。所以相关部门以及有关人员必须加强鱼类资源的保护，进行人工鱼苗的养殖，形成多样性的湖泊生态湖，同时还要加强对捕鱼行为的监督控制，解决人工湖泊因鱼类资源短缺而造成的生态失衡现象。
d.控制城市污染的排放，及时处理并加以控制。面源污染与生活污染作为影响湖区水质条件的最基本污染来源，需要从源头上对其加以治理与控制。我们不仅要严格控制湖区上游沿岸农作物在耕作过程中各种农药化肥的使用，还应当在湖区与河流之间设置相应的截水排水管网，最大限度避免湖区遭受地表侵蚀污染水体的危害。
参考文献：
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[4]董哲仁. 河流生态修复[M]. 北京：水利水电出版社，2013.11.
论文作者:繆毅
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/11
标签：水体论文; 生态论文; 水质论文; 水源论文; 技术论文; 藻类论文; 湿地论文; 《基层建设》2016年6期论文;