生态浮床在东南沿海水源地水库中的应用

张荣臻，张 斌，周慧慧

（1.温州市珊溪水利枢纽管理局，浙江 温州 325000；2.乐清市水利局，浙江 乐清 325600）

1 问题的提出

东南丘陵山区是我国水库最为集中的区域，其中浙江省水库总库容最大[1]，承担着洪汛调度、供水灌溉等功能，其地理位置和功能作用的特殊性，形成了和其他城市河道不同的特殊气候、水文、生态系统等特征。水库水体的理化指标和径流来水水量水质随着季节变化而变化，有明显的季节性，特别是夏季，水面受阳光直晒，热分层效应明显，水温、流态、pH、DO、Eh等理化因子发生变化，造成水库中外源性和内源性污染物发生迁移变化，且机理复杂，容易造成富营养化污染，甚至沉积物中Fe、Mn元素的释放。根据2015年浙江省环境状况公报显示，浙江省水源地水库水质总体良好，主要为II类，虽能够达到水功能区的要求，但绝大多数水库的营养化水平较高，若将富营养化指标纳入水质等级评价体系，水体水质要下降1 ～ 2个等级[2]。

生态浮床作为一种原位水体修复技术，有着不占耕地、景观效果好、经济价值高和修复作用持久，不添加其他药剂等优点[3]，对脱氮除磷有着很好的效果，已广泛应用于城市河道生态修复。近些年生态浮床也应用于湖泊（水库）饮用水水源地，如杨浦水库[4]、淀山湖[5]等水源地，将其设置在支流入库口库湾处，对水质改善有明显的作用。

由于东南沿海水库容易受台风的影响，风力等级高，短时降雨量大，造成库面风浪极大和水位多变，生态浮床设置困难，本文通过生态浮床在珊溪水库主要支流 — 黄坦坑入库口处的应用，来探讨浮床植物的筛选和浮床工艺的优化。

2 珊溪水库应用

2.1 项目区概况

2.1.1 气候与水文

珊溪水库位于浙江省南部沿海，总库容18亿m3，河流型水库。流域位于洞宫山与雁荡山之间，气候受地形影响显著，气候温暖，雨量充沛，阳光充足，四季分明，属副热带季风气候区，初春绵绵小雨，春末夏初“梅雨”持续，夏季副高天气闷热，多雷雨和台风，冬季晴冷为主，微量雨雪。多年平均气温19.6 ℃，月平均气温最高29.5 ℃（7月份），极端最高温度为43.4 ℃（1956年7月10日）；月平均气温最低9.5 ℃（1月份），极端最低温度为- 1.0 ℃（1955年1月22日）。多年平均日照1 887 h。多年平均水温19.6 ℃，月平均水温最高32.7 ℃，最低7.8 ℃。台风频繁，常有强台风超强台风在附近沿海登陆，历年平均风速1.8 m/s，实测最大风速26.5 m/s。多年平均降雨量1 876.9 mm，4 — 9月雨量集中，占全年74.7%，多年平均降水日149 d，最多184 d，最少80 d。

2.1.2 污染状况

黄坦坑是珊溪水库14条主要入库支流中污染最严重的支流，属于劣V类，2010 — 2011年入库口处叶绿素a最高值达85 mg/m3，pH值最高值达到9以上，浮游植物高达78.11×105个/L，其中绿藻、硅藻、蓝藻、隐藻为主，6月整个水域出现绿色漂浮带，水质呈富营养化污染。主要污染源为畜禽养殖行业，黄坦坑流域是文成县主要畜禽养殖基地，并且果园茶园过度开发，垂钓捕鱼盛行，污水处理设施落后。

温州市委、市政府为保护温州市500万人民的大水缸，以铁的手腕进行珊溪水源保护五大工程建设（生活污水治理、生活垃圾治理、畜禽养殖行业取缔、生态河道修复、水质在线监测与预警系统），特别是对于畜禽养殖行业取缔，大大削减了污染物含量，表1为黄坦坑入库口2010年（治理前）和近3 a（治理后）的年平均水质数据。

表1 黄坦坑入库口水质情况表 mg/L

2.2 设计方案

珊溪水库黄坦坑入库口生态浮床系统由浮盘（床体）、PVC框架、陶粒基质、绳索锚固装置，以及浮床植物组成，同时周边布置太阳能自动曝气装置。浮床植物采用了美人蕉 + 再力花 + 黄菖蒲的植物组合。浮床单体面积达10 000 m2，设置于珊溪水库主要支流黄坦坑入库口位置。

2.2.1 植物筛选

生态浮床植物筛选原则一般从植物生长习性、去污能力、管理维护3个方面考虑。浮床植物应具备：①能够在水面长期生长，适应湿生或者水生环境；②根系发达、具有较高的干生物累积量以及较强的抗污能力，能够及时去除水中的营养盐，保证水质；③具备较强的抗病虫能力，能够自然过冬，最好是多年生植物，方便管理。

针对沿海大型水库因台风天气、风浪、水深，交通不便等特殊的气候和水文特质，浮床植物还需要具备以下条件[4-6]：①沉水植物不宜考虑，一般选择挺水植物；②浮床植物高度不宜过高，具备较强的抗风浪能力，且不宜考虑漂浮植物，在风浪较大情况下极易逃逸；③生长速率不宜过快，收割频次过高，维护成本较大，若未能及时收割植物腐烂容易造成二次污染；④库区一般处于生态敏感区，一般不引入外来物种，以防破坏现有的生态平衡。

有研究表明有240种植物可以用于生态浮床[7]，在东南沿海地区，气候温和，雨量充沛，一般水生植物都能适应。本方案采用了较为常见的3种浮床植物，分别为美人蕉、再力花、黄菖蒲，其生长习性、去污净水能力、运行管理等特点如下：

（1）生长习性。美人蕉、再力花、黄菖蒲均属于多年生挺水植物，环境适应力强。有研究表明植物体内过氧化物酶活性高低是植物适应环境能力强弱的生理指标之一，美人蕉和再力花的过氧化物酶较其他植物要高，表现出了环境的强适应力[8]。但是美人蕉、再力花耐寒性不强，在冬季霜期来临时，难以越冬，美人蕉在5 ℃的水面出现生长不佳，黄菖蒲在南方可以自然过冬，可作为美人蕉和再力花在冬季的补充。华东、华南沿海等地气候温暖，雨量充沛，一般水生植物均能很好的生长，主要是冬季，植物要能够自然过冬，能够抵御寒冷和霜期，可以选取一些性喜寒冷的植物，如黄菖蒲（黄花鸢尾）、西伯利亚鸢尾[9]等耐寒性植物作为补充。

（2）去污净水能力。水质净化主要由植物吸收、根系过滤、植物与微生物的协同作用3部分组成。植物通过根系从水体中吸收氮、磷等营养盐，然后通过收割将营养盐从水体中去除，植物吸收营养物的强弱可能和根系附近的基质脲酶和基质磷酸酶活性有关，美人蕉和再力花有着较高的基质脲酶和基质磷酸酶活性[8]。有研究表明浮床植物根系分泌物有利于微生物生长，植物通过光合作用，将氧气传送至根系，形成好氧 — 缺氧 — 厌氧微环境，相当于无数个微小的A2O工艺串联并联[10]，对根系以及基质吸附富集的营养盐进行脱氮除磷和降解。美人蕉、再力花有着很强的根系输氧能力[11]，黄菖蒲有着发达的根系和丰富的根系微生物且种植密度高[12]，都是去除氮、磷的优良植物。同时，浮床植物增加了水体物种的多样性，抑制藻类生长。其抑藻原理[5，13]，主要有：①浮床植物和浮游植物（藻类）对营养盐的竞争；②浮床植物化感物质的分泌；③浮床为滤食性浮游动物提供避难所，浮游植物被捕食。

有研究表明，黄菖蒲、美人蕉有一定的Mn富集能力[14-15]，以预防水库锰超标的风险，Mn作为地表第二大金属元素，一旦水库出现季节性缺氧和藻类增殖超过水库生态负荷，藻类大量死亡下沉，使水体氧化还原电位发生改变，内源性Mn从氧化态转变为还原态，颗粒态转变为可溶态[17]；加上水土流失现象严重，台风暴雨等天气，大量土壤通过径流进入水库，农药化肥中成分复杂，大量有机质进入水库，使原土壤以及水库中的内源性Mn溶解，造成Mn含量超标。

水生植物在不同的环境中表现出不同的去污能力，因为不同环境有不同的气候条件、水力条件、风浪等级，以及自然水体理化因子，如不同氮、磷比，会影响浮床植物生长，如磷为再力花的限制因子，氮为美人蕉和黄菖蒲的限制因子[5]。生态浮床的去污能力还和植物品种、生长速率、种植密度有关，不能仅看单株植物的氮、磷累积量或者单位干物质的氮、磷含量，并且对于浮床的日常运行管理也十分重要。

（3）运行管理。应用于水库的生态浮床植物一定要便于管理，如漂浮植物因风浪大极易逃逸，沉水植物受水深影响，一般不采用，且不宜采用生长过快的植物。本工程试运行时采用空心菜，其生长十分迅速，去污能力很强，但是需频繁收割，运行费用过高，因此生长速度过快的植物也不利于在水库中的应用；并且由于其匍匐生长，受到水库中鱼类攻击，大量植株被拖入水体，漂浮物捕捞不及时造成二次污染。从其他水库生态浮床经验来看，鱼类攻击浮床植物也是管理中的常见问题[6]，鱼类资源丰富的水库尽量少选择匍匐生长植物。

从以上分析和工程实践看来，本方案的植物配置较为合理，美人蕉、再力花的强适应能力和去污能力，能够基本保证水质，黄菖蒲的耐寒性可作为美人蕉和再力花在冬季的补充，并且黄菖蒲、美人蕉有一定的锰富集能力，可预防水库锰超标的风险。

2.2.2 浮床工艺

生态浮床作为一个系统，浮床植物仅仅是其中一个环节，净水能力还与受试水体、栽培季节、浮床工艺等影响[14]，因此还需注重浮床工艺的优化创新，如采用组合式浮床工艺提升去污效果，选择优良性能的基质、填料强化去污功能，优化浮床结构增加抗风浪能力等。

2.2.2.1 组合式浮床工艺

组合式工艺指的就是将传统的植物浮床和生物膜处理技术相结合，根系微生物脱氮除磷在生态浮床的去污作用占了很大的比重，但由于水源地水体营养物低，根系微生物不够丰富，一般通过添加基质或者填料，基质（填料）利用高比表面积吸附富集营养物，同时作为微生物生长载体，形成生物膜，利用根系、基质（填料）和微生物的耦合、协同机制去除水体中营养物，本方案采用了陶粒这种常见的无机基质，它具有稳定、无害、高比表面积的特点。

对于组合式浮床工艺，最关键的是基质（填料）的选择，一般采用比表面积大，生物亲和性强，表现出良好的污染物富集能力和生物载体的优良品种。除了和本方案一样的陶粒无机基质，还有球型填充型[18]或者仿水草悬挂型[19]的高分子有机合成填料。学者们也在尝试一些天然材料作为基质，如天然纤维素物质[20-21]，其天然亲水性和生物亲和性，能很好地完成挂膜，并且水源地水体中可能碳源不足，C/N较低，天然纤维素还可以按照微生物需求生物释碳，提供碳源；生物炭[22]的易塑特性可以用于固定植物，在具备强大的吸附能力的同时，含有天然微量元素，可以提供植物生长。近些年也有浮床植物 + 笼养滤食性水生生物 + 悬挂填料的立体式浮床工艺[23]，增加了物种的多样性，为水体提供一个更加稳定的生态圈。

2.2.2.2 浮床材质与结构

对于应用于水源地水库的浮床而言，其材质的安全性和结构稳定性十分重要，床体、框架的材质必须无毒、稳定。本方案采用了UPVC管框架和食品级的床体（浮盘），以保障水质安全。结构框架要有足够的浮力和强度，金属强度虽高但浮力小，竹排浮力小但容易腐烂，因此一般采用PVC，成本低、管理方便。也有不采用框架的，如采用椰丝纤维缝合而成的床体形成无框型浮岛[24]，在景观上则显得更为自然，但是在强度及使用时间上不及有框式的。

水库中的浮床还需加强锚固和配备消浪装置，如采用PVC材质的浮球连接作为防浪墙[25]，浮床外围布置竹排作为消浪排[7]，缓解水流。本方案绳索抗拉力达240 kN，可以抵抗大风而不至于飘走，并以PVC浮球作为防浪墙。

2.3 浮床运行效果

入库口浮床上游与浮床处水质变化见表2，生态浮床对水质净化起到了不错的效果。

表2 入库湾水质变化情况表 mg/L

3 结论与展望

（1）以配置美人蕉、再力花、黄菖蒲，并以陶瓷为基质的生态浮床，运行管理便利。鉴于生态浮床在黄坦坑入库口的成功运行，珊溪水库另外一条主要支流 — 莒江溪入库口处拟建设生态浮床，规模为30 000 m2。

（2）在东南沿海水库生态浮床的应用中，植物筛选应注意耐寒性，浮床工艺上应注意抗风浪性，运行管理时收割植物的及时性。

（3）生态浮床工艺作为一种兼具去污和景观功能的水体修复技术，有着很大的应用前景。今后的研究趋势应注重生态浮床新工艺的探索，研发优良生物载体的基质（填料），优化组合式浮床工艺，以及开发新型抗风浪装置。

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