美国南佛罗里达州雨洪治理区研究介绍

关 雪,尹明玉,陈浩生

(水利部松辽水利委员会,吉林 长春 130021)

美国南佛罗里达州雨洪治理区研究介绍

关 雪,尹明玉,陈浩生

(水利部松辽水利委员会,吉林 长春 130021)

作为美国本土最大的亚热带湿地,南佛罗里达州的大沼泽地(Everglades)对当地的生态健康具有重要的作用.近年,由于大规模的农业和城市开发,特别是大沼泽地北部农业区的地表径流中磷负荷量超标,导致大沼泽地水质不断恶化,整个湿地系统的生物完整性面临着严重威胁.为此,南佛罗里达州水务局自1994年以来,相继建造了5个大规模人工淡水湿地,即雨洪治理区.用于处理农业非点源污染,特别是磷的污染,目前已有效控制了排入大沼泽地地表径流中总磷的含量.文中分析介绍了雨洪治理区的工程概况、除磷机理、净化效果以及运行监测与维护情况.

人工淡水湿地,雨洪治理区,沼泽地恢复,水质,磷

美国南佛罗里达州的大沼泽地(Everglades),总面积约9 000 km2,是美国本土最大的亚热带湿地.该区域是一个复杂且相互依存的湿地生态系统,长期以来主要依靠自身良性水文循环,维持水分的平衡,是南佛罗里达州重要的淡水及生态资源.现为修复佛罗里达州的生态环境,特别是大沼泽地的生态环境,1991年佛罗里达州立法局通过了"沼泽地保护法(EPA)".1992年的联邦诉讼法律协议中确定了一个长期的水质限制标准,即"要求水资源保护区和大沼泽地的水样本总磷含量达到10ug/L的长期几何平均标准(LTGM)".根据EPA法案、联邦诉讼法律协议以及1994年修订的"沼泽地永久法(EFA)"的水质要求,南佛罗里达州水务局制定了沼泽地地表水改善和管理的规划以及雨洪治理区(STAs)设计方案.

1 工程概况

1994年以来,南佛罗里达州水务局在水资源保护区、大沼泽湿地国家公园北部以及大沼泽农业基地南部之间,相继建造了5个总面积为680 km2(包含有效治理面积570 km2和基础设施部件占地面积110 km2)的人工淡水湿地,即雨洪治理区(Stormwa⁃ter Treatment Areas简称"STAs"),用于处理农业非点源污染,尤其是磷的污染,以有效改善进入大沼泽地地表径流的水质,保护大沼泽湿地生态系统及南佛罗里达州水资源.项目总投资约73亿元(包括占地、设计和施工建设),年运行成本约1.7亿元.5个雨洪治理区分别是STA-1E,STA-1W,STA-2,STA-3/4和STA-5/6,有效治理面积依次是50 km2,65 km2,155 km2,163 km2,137 km2.作为当地洪水控制系统的组成部分,5个雨洪治理区均由南佛罗里达州水务局运行、维护和管理.2016年,为了进一步达到水质改善目标,南佛罗里达州水务局建设完成了A-1流量调节池(FEB),通过该池的调蓄能力,可以将水流以较为稳定的流速引到雨洪治理区,从而优化雨洪治理区STA-3/4和STA-2的除磷效果.目前,用于改善STA-1E和STA-1W除磷效果的流量调节池L-8正在建设之中.

2 除磷机理

大沼泽地湿地中的营养物质浓度,特别是磷的浓度在自然情况下是极低的,原生植物已经适应了低磷的生存环境.然而当该生态系统中磷的含量过剩时,则会导致不良植被大量生长,排挤和妨碍原生植物的生长,导致水生昆虫、甲壳虫以及其它无脊椎动物缺乏食物和赖以生存的氧气,从而影响鱼类和涉水鸟类的生存,使大沼泽地生态系统遭到破坏.

大沼泽地雨洪治理区使用"绿色"技术来截留水中的磷,除磷机制主要包括植物和微生物摄取、颗粒沉降以及化学吸附等多重过程.每个雨洪治理区,均由内部堤防划分成大小、配置和运行时期不同的治理单元,从而形成不同的水流路径,并通过泵站、闸门或涵洞等水工建筑物来控制不同水流路径的水量分布.治理单元中的水生植物群落,根据其生长习性主要可以划分为挺水植物(EAV)、沉水植物(SAV)和浮水植物(FAV)三类.其中挺水植物主要包括香蒲、芦苇、鳄鱼旗等,通常密集的分布于水流路径的前端,通过阻力来促进磷的沉降过程;沉水植物主要包括软水草、水池草等;浮水植物主要包括水浮莲、睡莲、水葫芦等.这些水生植物可以通过生长一直到凋落整个生命周期来去除水中富含的营养物,例如香蒲降解的叶片可以继续除磷,并且沉淀在沼泽地底部成为湿地沉积物,沉积物下方的石灰岩层可以吸收其中的磷并且储存几十年.此外,散布在这些植被中的附着生物对提高除磷效果也是有利的.这些附着生物主要是水藻、微型无脊椎动物、碎屑的复杂组合,可以吸附在植物、土壤表面或者自由漂浮.

3 净化效果评价

根据历史监测资料,1995年以来,大沼泽地雨洪治理区总计处理了约215亿m3的径流量,去磷总量达2 220 t.表1列出了各个雨洪治理区处理径流总量以及进水和出水多年总磷浓度对比.可以看出,出水总磷浓度比进水减少了69%～85%,说明雨洪治理区截留磷的效果显著;而各个雨洪治理区的除磷效果也存在一定的差异,其中STA-3/4和STA-2除磷效果最好,有效降低总磷浓度分别达到85%和77%.

4 运行监测与维护

作为人工淡水湿地,大沼泽地雨洪治理区的运行受天气(降雨、干旱、飓风等)、植被生长率、野生动植物以及有害植物入侵等自然条件的影响.此外,前期土地利用情况、土壤类型、治理单元地形、地貌、养分和水力负荷等也会影响该工程的除磷效果.作为目前世界规模最大的人工淡水湿地,其运行和管理方式也是一个不断研究和改善的过程.为了最大限度提高除磷效果,南佛罗里达州水务局基于每周采集的检测水位和出水总磷浓度、水力负荷和总磷负荷、植被条件以及野生动物限制问题等数据和信息,采用适应管理的方式来运行该工程,即优化各个雨洪治理区中不同水流路径的水量分布,并不断调整和改善运行条件.

表1 雨洪治理区除磷效果成果表(1995-2016年)

水量和水质监测是雨洪治理区运行的关键组成部分,定期监测每个治理单元是判断其除磷效果的重要依据.该工程中近30个泵站、350个水工控制结构、约1 000 km左右的堤防和渠道的机械维修、预防性维护、侵蚀控制和碎片清理同样至关重要.

极端天气是该工程运行和管理中面临的极大挑战,南佛罗里达州水务局已经在新的设计方案中考虑了大风和降雨的影响,并通过调整运行方式如增加泵站抽水来应对可能出现的持续干旱.

5 结语

南佛罗里达州实施雨洪治理区工程已有20余年,对地表径流中的磷具有较好的净化作用,使大沼泽湿地生态系统得到了有效的恢复和极好的保护,同时还为各种生物提供了良好的栖息地.为进一步改善水质,2012年佛罗里达州和美国环境保护署达成共识,对大沼泽地雨洪治理区进行扩建,还将进一步开展科学研究特别是加强水质的监测监控,使其在保护大沼泽地及南佛罗里达州水资源和生态系统中,继续发挥重要的作用.

TV87 < class="emphasis_bold">[文献标识码]C

C

1002-0624(2017)11-0069-02

2017-09-20