再生水补给的城市景观水体富营养化和生态防治

刘韵琴

（1.湖南大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙 410082； 2.湖南商务职业技术学院，湖南 长沙 410205）

再生水补给的城市景观水体富营养化和生态防治

刘韵琴

（1.湖南大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙 410082； 2.湖南商务职业技术学院，湖南 长沙 410205）

采用卫星定位方式，在S湖面选取五个观测点，对再生水补给的城市景观水体富营养化状况进行研究。结果显示，湖水中主要指标营养源CODcr.、TP、TN含量由原来的天然河水补给时9月份的峰值220、2.6、2.19（mg·L-1）分别下降到 180、2.1、1.83（mg·L-1），NH3-N 含量由 5月的峰值 1.92（mg·L-1）下降到 1.68（mg·L-1）；叶绿素和水体的PH也基本成良性发展态势，水体的富营养化得到一定的缓解。同时使用生态漂移岛为主的立体生态学复技术，对再生水补给的城市景观水体富营养化生态防治效果进行研究。研究结果表明，所选择的修复植物对水体中的富营养化指标物蓝藻和各种营养源的去除和控制率达到97%以上，实验点水质有较大改观，基本可避免城市景观水体因再生水补给带来的二次深度污染。

城市景观水体；再生水；富营养化；生态修复；效果

景观水体的富营养化就是景观水体生态失衡，藻类或其他水生浮游植物过度生长，导致水体中碳的同化固定量增加,其本质就是一种污染。城市景观水体由于面积窄、水量少、补充水源单一或匮乏，水体中TN、TP等植物主要营养元素相对浓度较高，水体中藻类过度繁殖，至使其他水生物缺氧窒息死亡、腐烂发臭，使水体变色变质[1],严重影响了水体景观的环境美[2]再生水是城市污水经适度处理后，达到一定定水质指标，满足某种使用标准，可以进行有效回收使用的次质水，具有成本低、回收易、处理难度小的优点，虽经处理，但化学成分如N、P等含量仍很高。进入城市景观水体循环引发的水体富营养化实质上是再生水的二次污染。事实证明，再生水补给引起的景观水体的富营养化爆发具有规模大、爆发力强、对环境破坏力顽固、持久的特点。因此，研究控制和修复再生水补给的景观水体富营养化，成为国际国内该领域的新热点。

全球富营养化的景观水体多分布在中低纬度地带。我国主要集中在长江中下游、云贵高原、华北平原、东北部分相对温暖的山地和平原区。据统计，集城市景观和生产功能于一体的我国著名城市景观湖泊如武汉东湖，南京玄武湖、长沙严家湖以及云南滇池等，相当一部分采用了再生水或者混合水源补给（再生水和地表径流），水体中的营养盐都已超过氮磷富营养化标准浓度。以严家湖为例，近年来，由于补给河流严重污染和过度开发，河水补给量渐少，逐步采用再生水补给，一定程度的控制住了大规模的水华现象，但是再生水中的营养源比例结构失衡问题仍然很突出，水华也时有出现。数据显示，太湖水体富营养盐总含量平均超过国家标准的10倍；南水北调东线工程水力枢纽山东的南四湖，其点、面污染源的COD负荷比例为85∶15，氮、磷负荷比为51∶49，几乎是1∶1；一些大型城市景观湖泊水体及这些区域内内水网湖泊的总磷都超过了1 mg/L，水华频发，严重破坏景观水体的水生态环境、旅游观赏价值和经济效益。

一、方法与材料

（一）基础数据

水体的营养程度取决于景观水体中各种生物营养动力源的作用程度。理论上，水体中每生成lg藻，需要供给0.009 9 g磷和0.063 9 g氮。藻类生长的典型的元素比关系为：C106H263O110Nl6P[3]。磷被认为是湖泊富营养化的首要贡献源，氮则是控制景观湖泊富营养化的必然要素。事实上，再生水中的氮和磷含量都偏高，用其做补给水，一旦外部环境条件具备，水体中的藻类就可充分繁殖，导致水体富营养化形成。因此，依据TN 、TP、叶绿素及SS的量形成的透明度，景观水体的富营养状态可分为五个等级[4]，即极贫营养、贫营养、中营养、富营养和极富营养（表1）。在调研和实验基础上，笔者初步推断城市景观水体富营养化程度与城市景观水体中营养源的生产变量关系如下（图1）

表1 城市景观水体的富营养化程度与N、P之间的生产变量关系

图1 城市景观水体富营养化的动力源结构体系

为确保景观水体的安全，规范再生水的回收和使用，中华人民共和国颁布了《城市污水再利用.景观环境用水水质标准》[5]（GB/T18921-2000），对引起各种景观水体富营化的营养综合指标作出了严格的限制（见表2）。

表2 GB/T18921-2000对N、P指标的确定

由于景观水体大都地处城市的中心地段，被街区包围，除了少数城市的景观水体能够引流入内，绝大多数是全封闭或半封闭状态，水体流动性差。一般认为，水体单位体积中TN大于0.2 mg/L，TP大于0.01mg/L，COD大于10 mg/L，叶绿素大于10 ug/L，MPN每毫升达到104个，透明度小于0.6米，水体就富营养化了。

我国再生水排放的基础标准是：TN＞0.2 mg/L,TP＞0.01。由表1与表2可知，再生水作为回收利用的二次水，水体中各种营养源如T N、T P与景观水体富营养化之间变量动力关系密切（f i g1），是景观水体中富营养化最主要的动力源，因此可以推断，城市景观水体富营养化的概率与营养源的含量、时间、温度以及水量基本成正比关系。

表3 我国城市景观水体富营养化的标准指标

（二）材料与方法

（1）采用卫星遥控技术，在景观湖泊S湖面不同区域采样设点。通过实验和水质监测仪，研究不同时间、季节、不同水源补给时，湖水富营养化主要动力源含量变化值域。

（2）实验选取凤眼莲（Eichhornia crassipes Solms）、喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides(Mart.) Griseb）、 菹 草（Potamogeton crispus Linn）、菖蒲（Acorus calamus）、睡莲（Nymphaea alba）、水芹菜(Apium gravedem)、水蕹菜(Pomoea aquatia forest)和水浮莲(Pistia stratiotes)植株，选取直径25厘米中空大口径泡塑管以及网格状悬浮塑料架，搭建长10 m，宽度分别为2 m，3 m，4 m和5 m的水上悬浮床，并将实验无土培养的上述植株植入浮床，进行实验观测。在样湖建设立体生态修复实验隔离区，构建生态浮床和改造生态湿地，进行一年三个实验周期现场观测和实验，对再生水补给的景观水体富营养化的生态修复进行过程性研究。

（3）通过立体生态修复技术对再生水补给的景观湖泊富营养化的过程实验和观测研究，实证立体生态修复对城市景观水体的富营养化的生态修复效果。

二、结果与讨论

（一）再生水补给的景观水体S湖富营养化水体采样与实验观测点设定

S湖，位于C市东北部，现有湖水面积约700多亩，平均水深2 m～3.2 m，是C市最大的景观湖泊。上个世纪80年代以来，由于天然补给水源L河进行梯级开发，下游河段枯水季节断流现象严重，加上部分河段被重度污染，湖泊的水源补给严重不足、补给成本剧增。为了保持S湖景观水体的形态美、生态美以及节约水资源，当地政府决定自2008年起，逐步使用再生水为主、河水补给为辅水源补充方式，以缓解湖水补给紧张和抑制水体大规模水华爆发。

由于湖水无水平温度差异，笔者根据S湖旅游功能分区，以湖中心堤桥为界限，在湖东垂钓、赏游区，湖西的水上运动区，湖南面的功能码头，北面小部分莲塘式人工湿地，确定对应观测、实验研究目标。在湖泊的四个功能区和湖心分别选取检测点①、②、③、④、⑤（图2），并取观测点垂线上0.8米处的水作为研究样水：①水上运动区观测点；②赏玩区观测点；③码头区观测点；④莲塘区观测点；⑤ 湖心观测点（图2）。

图2 S湖空间平面及观测点分布

（二）S湖水质取样研究

1.再生水补给的S湖的水质检测

对再生水补给的S湖水质的研究分现场观测和实验室两步。现场检测是使用便携检测仪器检测湖水的温度、PH值以及溶解氧量。而污染物和N、P等营养物质的检测将在实验室进行。笔者将从S湖五个检测点取回的样水，对湖水中有机污染物指标、TN、TP等无机化合指标经过反复的实验测试，所得检测平均结果如下（表4）(mg·L-1)。

表4 S湖五个取样点主要营养成分实验测试的平均含量以及与标准值对照

由实验所测得的数据和V类水质标准的对比值可看出，再生水补给的景观湖S水体水质较原有的地表径流补给虽然有所改善，但每项测试指标都是超标的，水质属于五类偏劣水质，水体富营养化的趋势明显。

2.S湖水体营养源含量值域变化的对比研究

S湖是L河在众多洪水期截弯取直而成的牛轭湖，传统补给水源就是L河。上个世纪70年代以前，L河水丰盈清澈，水质属于Ⅱ类，可以直接做生活用水。由于70年代以后无序梯级开发和直排，河水流量兑减。外部环境的突变，导致河水污染严重[6]，在不到10年间L河的水质由自然Ⅱ类水变成了劣Ⅴ类，水质退化明显。正常年份，S湖每年大约进行6～10次换注水，每次至少注水30～40万立方米，由于污染和相对密闭的湖泊环境，很快会出现水华，引入次数越多，水华爆发越频繁。2008年8月，S湖终于爆发了有史以来最大规模的以蓝藻为主的水华，湖内水生经济及观赏动植物死亡过半，湖水成酱绿色，腐臭难闻，直接经济损失近3000万元。2008年启动再生水补与L河水分季节和时段分别进行混合水源补给。据调查，S现至今每年利用河水补给次数约为2～3次，再生水补约6～8次，每次供水35万立方米，已最大范围的缓解了S湖水华频爆的状况。然而，由于再生水本身的N、P类营养元素高含量，在高温高热季节或干旱少雨年份，一旦外部条件缺乏恒定性，湖泊水体富营养化会卷土重来，甚至会比以前更加严重。通过水样研究，S湖再生水补给时水体内外营养源在不同年份、季节含量变化规律，不同水源补给时湖水中CODcr. 、NH3-N、TP、TN等主要营养源关键指标变化值域分别如下（图3、图4、图5）。

图3 L河水补给时段的CODcr.、TP、TN、NH3-N平均浓度变化图

图4 再生水为主要补给时的CODcr.、TP、TN、NH3-N的平均值变化图

（三）再生水补给的S湖水体富营养化的研究结果

在相对封闭环境中，水体富营养化发生的条件有三个：充足的TN、TP等营养盐，缓慢或静止的水速和适宜的温度。通用景观水体富营养化测量指标是：①水体中含氮量超过0. 2～0.3 mg/L，含磷量超过0.02 mg/L；②BOD5超过10 mg/L；③在淡水中细菌总数超过10万个/mgL;④标志藻类生长的叶绿素a超过10 ug/L[7]。2008年前，S湖基本是从L河直接引流。为保持S湖景观水体形态、色彩以及质地美，在丰水年份大约要补水8次，在欠水年份补水次数最高达10次左右，补水成本较高。而且由于每次补水时换排出的湖水水质不能达到基本工农业用水标准就直接排入河道，浪费水资源的同时对L河水进形成了二次污染。实验显示，湖水中的主要营养源指标元素CODcr、TP、TN、NH3-N随季节和水量变化明显，如1月、3月、11月（图3），S湖所在的地区处于枯水季节，CODcr.、TP、指标在新的河水注入情况下变化幅度不大，而TN、NH3-N的变化幅度较大。在高热丰水季节的5月、7月和9月，由于受气温、植被、水量、蒸发等综合原因的影响，在河水补给过程中，湖水中的CODcr.、TP、TN会分别达到最高或者次高点，并在九月的雨旱两季过渡月份分别达到220、2.6、2.19（mg·L-1）的最高点，湖水便呈富营养化状态，常常引发每年较大规模的水华。庆幸的是，由于湖泊地处亚热带季风性湿润气候，物候对水体质量影响明显，湖水中的NH3-N至高点1.92（mg·L-1）出现在5月，到7月，并呈现出一个至低点，是因7月是该地区植被生长最为茂盛的季节，补给河流和湖中丰茂的水草和有益浮游植物对NH3-N等具有强大的吸纳储存作用，直接降低了湖水中的NH3-N浓度，避免了更严重富营养化状况。采用再生水进行补给之后，湖水的富营养化得到一定程度的控制，四大主要富营养指标元素CODcr.、TP、TN、NH3-N度基本达到景观用水标准，虽然每种元素的浓度最高点分别还是出现在与河水补给时期的相应的月份，但CODcr.、TP、TN分别已经降 至 180、2.1、1.83（mg·L-1），NH3-N 则为1.68（mg·L-1），降幅较大，基本属于水体富营养化可控制标准范围内，叶绿素a和湖水PH值初步呈现良性变化态势。资料显示，如果把湖泊所在城市每年30%的废水进行三级处理后作为中水再利用，一年至少节水资源1.2亿立方米，相当于多了一座日产水量36万立方米的自来水厂，当地居民用水节约量也可达30%，可基本解决该城市大部分景观用水和一部分非饮用生活水，较大程度上体现了再生水补给的优越性。但是，由于再生水本身具有高氮高磷特点，在一定的外部变量条件下，湖水富营养化的隐患依然存在。

图5 河水和中水补给时S湖的CHL-a平均变化值域图

三、以S湖为例的城市景观水体富营养化生态治理效果

笔者认为，解决环境问题，最根本方法还是利用自然环境本身。目前国际上流行的环境生态治理修复方法主要有植物修复法[8]、微生物治理法、人工湿地、生物浮床以及水动力循环技术等。要解决类似S湖以再生水为补给的景观水体的富营养化问题，单一的修复法是不够的。笔者在研究S湖控制解决富营养化的问题上，确立了以人工水动力循环（一维）+人工湿地（二维）+生物漂移浮床（三维）相结合的多维生态修复模型，用以彻底防治修复再生水补给所引发景观水体出现二次深度污染。

（一）研究方法

以5～6月、7～8月和9～10月6个月为研究时间，每次研究周期为2个月。在S湖观测点①和⑤之间隔离出六个独立水面A，B，C，D，E，F。如（图2），其中A区大约125 m2，位于人工莲塘、水上运动休闲区和自由游览赏玩区的三角地带，主要是混合植物人工湿地。同时，还分别建有5个面积20 m2，30 m2，50 m2的单一种类植被生态飘移浮床。

表5 采样实验分区、对象和内容

在一个研究周期满后，从S湖内更换研究样本水，并分别置换另一种植被的生态漂移床，设置观测功能表，实验观测不同面积、不同修复植被、不同抑制修复对象修复效果，反复轮换三个周期（表5）。

（二）实验材料

①大功率7.3kw汽油发动机的水动力循环机5组；②特制塑料隔水围屏，软木、中空大口径密闭泡塑管、塑料网格架；③各种对藻类、悬浮水生植物、水体中悬浮颗粒和微粒具有去除和吸纳功能的水生植物：凤眼莲（Eichhornia crassipes Solms）、喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides ( Mart. )Griseb）、 菹 草（Potamogeton crispus Linn）、 菖蒲（Acorus calamus）、 睡 莲（Nymphaea alba）、水芹菜(Apium gravedem)、水蕹菜(Pomoea aquatia forest)和水浮莲(Pistia stratiotes)等若干。

（三）实验过程

在B、C、D、E、F五个试验区安装5组（图2）水动力循环机组，加大水体内部的循环力度，这样可以部分破坏藻类营养链的稳定性，将植入壮年期单一植被生态浮飘移床放入隔离区；在A区直接植入较大面积的混合植被群，并对各隔离实验区水体中的四大营养源以及单位水面积蓝藻繁殖数量进行为期一个月为一周期3次实验取样检测。结果表明由于固定水面内安置了以菖蒲（Acorus calamus）、睡莲（Nymphaea alba)、水芹菜(Apium gravedem)、水蕹菜(Pomoea aquatia forest)和水浮莲(Pistia stratiotes)等为主的水生大根系或漂浮植物为主的单一生物浮岛或混合植物人工湿地中，水体中藻类等浮游植物营养源受到干扰，持续三个周期的水质指标发生了变化（表6）。

表6 S湖生态湿地及浮岛生态修复技术植物对四大富营养元素的实验去除率和蓝藻的抑制率（植物覆盖率10%）

（四）实验结果

在为期三周期的实验观测之后，笔者发现，S湖水体自净能力在逐渐加强、不同时间的水体取样试验也表明水质呈逐渐好转状况，对各种营养源的抑致作用明显[9]。水质在三个月内有了大的改变，对四大指标营养源养都有不同程度的去除和吸纳作用，个别隔离区的水体质量几乎接近自然V类水质。事实上，早在1995年日本学者在进行浮床技术隔离水域试验时就获悉，如果景观水体水面的浮床覆盖面达到25%，就可以削减94%的植物性浮游生物[10]。而S湖通过三个月单一植被生物浮床隔离区试验得出，A区对蓝藻和各种指标营养源的抑制率为98.1%，B区的凤眼莲对蓝藻的抑制率达94.3%，C区水蕹菜为91.5%，D区为94.9%，E区为93.2%，F区为90.1% 。按比例推算，S湖人工湿地和浮床技术对TP、TN、CODcr. /NH3-H综合去除率远远高于日本研究者的数据，达到97.2%。值得关注的是，混合植被所在的A区，综合抑制和去除功能是最强的，所选中的凤眼莲、菖蒲、水浮莲等植被除了因在湿热的S湖的自然环境中繁殖较快，这些大根系水生植被本身所具有的植物精气对蓝藻等藻类繁殖的抑制力原因之外，生物小群落的综合净化功能也不可小觑。三个周期的各种修复观测平均数如表7所示。

表7 不同隔离区三个周期不同面积、不同生态浮床对蓝藻的平均抑制率

四、结论

①城市景观水体富营养化的概率与营养源的含量、时间、温度以及水量基本成正比关系。

②采用中水补给的城市景观水体，水体的富营养化可以得到一定程度的缓解和控制。

③四大主要富营养指标元素CODcr.、TP、TN、NH3-N度基本达到景观用水标准，其中CODcr.、TP、TN在干湿季节过度的9月峰值分别已经降至180、2.1、1.83（mgL-1），NH3-N则为168（mgL-1），降幅较大。水体叶绿素a和湖水PH值可以通过生态技术得以控制，基本呈现良性变化态势。

④单位面积的生太人工湿地和生物浮床，对再生水为补给的景观水体中的四大致营养化元素CODcr.、TN、TP、NH3—H 以及叶绿素、水体的PH都有很大的吸纳分化作用平均达到80.76%、 76% 、82.95%、 79.6% ，对蓝藻生长繁殖的抑制率达平均达到到97.2%。

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Eutrophication and Ecological Restoration of Urban Landscape Water Supplemented by Reclaimed Water

LIU Yun-qin
(College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China; Hunan Vocational College of Commerce ,Changsha 410205 , Hunan, China)

Taking Lake S as the research subject, using the GIS to fix 6 points in the lake to study the eutrophication and ecological restoration effect of the urban landscape water. The result exposes that the top highest record of the indices nutrient sources such as CODcr., TP and TN falls from 220, 2.6 and 2.19 (mg·L-1) to 180, 2.1, and 1.83 (mg·L-1) separately in September,and the content of NH3-N descents from 1.92 (mg·L-1) to 1.68 (mg·L-1); and the Chlorophyll and the PH of the water present the normal trend after supplemented by the reclaimed water, namely, the eutrophication states of the lake can be relieved temporarily. But in order to eliminate high TP, TN in the lake from the reclaimed water ,the author tried to apply the ecological floating artificial island technology to treat the eutrophication nutrition and the index blue green algae, the controlled and restricted rate of the chosen plants in the artif i cial island is about 97%, the quality in the experimental area meets the urban life water standard gradually, that is to say. It is possible to control and eliminate the eutrophication nutrient sources from the supplemented reclaimed water in the urban landscape water by the ecological technology and escaping the second further water environment pollution.

urban landscape water; reclaimed water; eutrophication; ecological restoration; effect

F299.24；X52

A

1673-9272(2013)03-0030-06

2013-04-07

国家自然科学基金“精胺、低分子量有机酸、硒和金属螯合剂对提高苎麻修复镉污染能力的作用和机理研究”（编号：41271332）；湖南社科基金“两型社会建设实践中低碳旅游经济发展模式的探索及实证研究——以长株潭城市群为例”（编号：2010YBB186）。

刘韵琴（1970-），女，湖南永州人，湖南商务职业技术学院副教授，副研究员，湖南大学博士研究生，研究方向：生态旅游环境，景观资源。

[本文编校：徐保风]