水生态修复技术在徐州小沿河水源地保护中的应用

王小赞 尚化庄 李玉前

摘要 [目的]探讨水生态修复技术在徐州小沿河水源地保护中的应用效果。[方法]根据2012年监测资料，对徐州市小沿河水源地水生态修复工程措施的修复能力及效果进行分析评价。[结果]如果用去除率表示，修复工程对高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH4-N）和总磷（TP）的修复能力分别大于等于41.57%、79.49%和71.18%。修复工程实施后，综合水质类别由原来的Ⅳ类提升为Ⅲ类。[结论]水生态修复工程对水源地水质具有明显的提升作用。

关键词 水生态修复；水源地；去除量；去除率；修复能力

中图分类号 S181文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）16-0185-04

Abstract [Objective] The aim was to explore the application of water ecological restoration technology in protection of Xiaoyanhe water source in Xuzhou. [Method] On the basis of the monitoring data of 2012， the restoration capacity and restoration effect of water ecological restoration system of Xiaoyanhe water source in Xuzhou were evaluated. [Result] If represented using decreasing rate， the restoration capacity to CODMn， NH4N and TP was greater than or equal to 41.57%， 79.49% and 71.18%， respectively. Water quality was improved from level Ⅳ to level Ⅲ. [Conclusion] The application of water ecological restoration system can significantly improve water quality.

Key words Water ecological restoration system；Water source；Decreasing volume；Decreasing rate；Restoration capacity

水生態修复是利用生态系统原理，按照自然界的自身规律使水体恢复自我修复功能，采取各种工程、生物和生态措施，修复或恢复受损伤的水体生态系统的生物群体及结构，增强水体的自净能力，重建健康的水生态系统[ 1]。目前，水生态修复技术主要有3种，即物理修复技术（外源控制、底泥疏浚、水动力循环治理）、化学修复技术（化学除藻、沉淀净化）和生物修复技术（生物过滤技术、微生物技术）。物理修复技术中的水动力循环治理和生物修复技术是目前水源地保护区采用的主要途径之一[2]。现有的水动力循环治理技术主要是太阳能水生态修复系统，生物修复技术主要是植物措施[3-9]。植物措施具体包括植被缓冲带、沉水植物和植物浮床[10-12]。植被缓冲带可以控制地表径流，削减面源污染，沉水植物和植物浮床可以利用植物的茎和根部吸附吸收水体中的氮、磷等营养元素以及有机污染物，消减水体中的污染物。Koichi 等[13]、刘足根等[14]研究表明，水生植物的根部能吸收底质中的氮、磷，植物体能吸收水中的氮、磷，所以在沉水植物分布的区域，总磷、氨氮都低于无沉水植物分布的区域。刘足根等[14]研究表明，不同生活型的水生植物物种的合理镶嵌组合所形成的水生植物群落比单一生活型水生植物氮磷去除率更高，且净化效果更稳定，这在实际修复工程中也有部分佐证[15]。

小沿河水源地是徐州市目前唯一的地表水集中饮用水源地，承担着徐州市北区100万人口的饮用水供水任务。由于水源地为开放式河道型水源地，水质易受外部突发性污染事故的影响，抗风险能力较低。为使小沿河水源地水质稳定达标，徐州市水务局从2010年起，在保护区内采用了太阳能、水生植物及种植生态悬床等多种形式相结合的水生态修复系统，改善提升水源地水质。笔者对小沿河水源地这些水生态修复措施的修复能力及修复效果进行了分析。

1 小沿河水源地保护区概况

小沿河饮用水源地位于江苏省徐州市铜山区柳新镇境内，上至微山湖深湖区，下至微山湖湖西航道，属于河道型地表水水源地。取水口位于柳新镇北部的小沿河上，通过小沿河与微山湖湖区大水面连通（图1）。

小沿河河道总长15.5 km，河宽50～80 m，水深4～5 m。取水口至上游1.6 km处为一级保护区，1.6 km处至上游3.1 km 处为二级保护区，上游3.1 km处到微山湖入湖口为准保护区。

水源内的污染物主要来自微山湖集水区域内的工业污水和农业面源污染以及小沿河沿线周边的农田退水、工业废水、村庄污水。

2 生态修复工程建设

2.1 太阳能生态修复工程

太阳能水生态修复系统的主要功能是在水体中提供好氧和纵向循环环境，为好氧微生物的生长创造有利条件，加速好氧微生物对有机污染物的分解、吸收和转化，降低水体有机污染负荷和氮、磷养分。

作为一种有效控藻、复氧、节能、低成本的环保工程措施，在小沿河工程中，太阳能水生态修复系统主要应用在一级保护区。2010—2011年，每年安装2台太阳能生态修复系统，每台水循环量为10万t/d，2012年增设为8台。

2.2 水生植物工程

水生植物在水生态系统中的修复过程主要是通过枝叶和根系形成天然的过滤层，对水中污染物吸附、分解或转化，促进水体中的养分平衡，同时，水生植物释放的氧气可以增加水体中的溶解氧，抑制有害菌的生长。

水生植物工程主要采取了在二级保护区构建滨岸带（植被缓冲带）及生态悬床相结合的技术。小沿河工程河段设计全长约4.2 km，全线两岸高程30.5～32.8 m，2011年设置湿生—挺水—沉水植物滨岸带，其中沉水植物（包括伊乐藻、刺苦草、龙须眼子菜、水毛茛、轮叶黑藻、狐尾藻）带位于河道两侧高程30.5～31.2 m的水域；挺水植物（包括再力花、水葱、茭草和黑三棱）带位于河道两侧高程31.2～32.3 m的水陆交错带；湿生植物（梭鱼草、西伯利亚鸢尾、黄菖蒲和千屈菜）带位于河道两侧高程32.3～32.8 m的区域，共布置植物滨岸带约10万m2。2012年在河道中心处布设生态悬床6 000 m2，所用植物主要为伊乐藻和刺苦草。

3 成效分析

3.1 资料选取及处理

江苏省水环境监测中心徐州分中心对小沿河取水口至微山湖湖区大水面沿线布设了8个断面进行日常监测，其中一级保护区、二级保护区和准保护区均布设1个监测断面，监测频次为每月3次，上、中、下旬各1次，特殊情况进行加测。该研究采用2011—2012年监测资料，对入湖口断面（上级湖来水）和经过生态修复工程修复过的取水口断面（一级保护区）水质进行对比分析，分析项目包括溶解氧、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH4-N）、总磷（TP）。采用去除率表示修复工程的实际修复效果，式（1）为去除率的计算公式。所用监测资料及相关计算结果见表1和表2。

3.2 高錳酸盐指数、氨氮、总磷去除效果分析

3.2.1 去除效果年际分析。

入湖口断面处的水体在准水源保护区上游须经过准保护区、二级保护区、一级保护区及各区内水生态修复工程修复后才能到达取水口处。2011、2012年监测资料分析结果表明，修复工程启用后，CODMn、氨氮、总磷含量都有明显的去除效果。CODMn的平均去除率由7.39%增大到24.39%，最大去除率由20.29%增大到41.57%；氨氮的平均去除率由36.14%增大到67.89%，最大去除率由66.67%增大到79.49%；总磷含量平均去除率由21.85%增大到47.05%，最大去除率由48.48%增大到71.18%。

3.2.2 去除效果年内变化。

3.2.2.1 CODMn。由表2可知，2012年CODMn去除率最大值为41.57%，最小值为0，年内变幅较大，去除率的变化与入湖口CODMn年内变化趋势一致（图2、3）。

分析认为，实际去除率的大小并非仅与季节气候条件直接相关，还与入湖口水体的污染物浓度相关，入湖口水体污染物浓度越大，去除效果越明显。若用去除率来表示修复效果，则小沿河水生态修复工程对CODMn的修复能力≥41.57%。

3.2.2.2 氨氮。

由表2可知，2012年氨氮去除率的最大值为79.49%，最小值为50.00%，氨氮的去除率与入湖口氨氮浓度有很好的相关关系，含量越高，去除率越大（图4）。

3.2.2.3 总磷。

由表2可知，2012年总磷去除率的最大值为71.18%，最小值为13.46%，去除率与入湖口总磷年内变化趋势一致，含量越高去除率越大（图5）。若用去除率来表示，则小沿河水生态修复工程对总磷的修复能力≥71.18%。

马井泉等[16]研究表明，在监测的30 d内，梭鱼草、茭草、香蒲和苦草湿地内氨氮的净化效率分别达88.0%、87.4%、92.2%和97.0%。挺水植物湿地和沉水植物湿地对磷的净化效果均非常显著。梭鱼草、茭草、香蒲和苦草湿地内总磷的净化效率分别为90.0%、97.0%、90.0%和98.0%。小沿河保护区内所布设的水生植物都包含有梭鱼草、茭草、香蒲和苦草，同时与其他植物物种合理镶嵌组合有着更明显的效果。

3.3 溶解氧变化分析

选用取水口断面2012年5—9月资料与2011年同期资料进行对比分析。由图6可知，由于水生植物可以释放氧气，增加水中的的溶氧量，所以溶解氧含量有明显增加，平均增长率为18.48%。因为植物光合作用与气温、日照强度、日照时数等有关，所以夏季7—9月增幅明显大于5—6月。但溶解氧同时受到大气复氧等气候条件影响，导致其变化规律不特别明显。

3.4 水质分析评价

参照我国地表水环境质量标准，依据表2中的监测结果对入湖口和取水口水质进行对比分析评价，根据各水质指标的水质类别对比见表3。从CODMn、氨氮、总磷含量3个方面进行分析。

3.4.1 CODMn。

在13个监测时间点，入湖口的Ⅲ类占15.38%，Ⅳ类占84.62%，取水口均为Ⅲ类。可以看出，仅据CODMn来看，水生态修复工程运行后，84.62%的时间点水质级别由Ⅳ类提升为Ⅲ类。

3.4.2 氨氮。

在13个监测时间点，入湖口的Ⅲ类占15.38%，Ⅱ类占76.92%，Ⅰ类占7.69%，取水口均为Ⅰ类。可以看出，仅据氨氮来看，水生态修复工程运行后，76.92%的时间点，水质级别由Ⅱ类提升为Ⅰ类，15.38%的时间点水质级别由Ⅲ类提升为Ⅰ类。

3.4.3 总磷。

在13个监测时间点，入湖口的Ⅱ类占92.31%，Ⅲ类占7.69%：取水口均为Ⅱ类。仅据总磷来看，尽管92.31%的时间点水质级别没有提升，但从总磷含量可以看出水质本身还是有明显的改善。

3 结论

自2010年5月，小沿河水源地陆续建设了太阳能以及水生植物等水生态修复工程，根据入湖口和取水口的水质监测资料，对水生态修复工程的修复能力及修复效果进行分析研究，得出以下结论：

（1）小沿河水生态修复工程对污染物指标去除效果明显。根据对2012年监测资料分析计算，若用去除量来表示，小沿河水生态修复工程对CODMn的修复能力≥3.7 mg/L；对氨氮的修复能力≥0.36 mg/L；对总磷的修复能力≥0.121 mg/L。如用去除率来表示，则小沿河水生态修复工程对CODMn的修复能力≥41.57%；对氨氮的修复能力≥79.49%；对总磷的修复能力≥71.18%。

（2）小沿河水生态修复工程对水质有显著提升作用。根据对2012年入湖口和取水口水质监测资料对比分析可以发现，单项指标CODMn的水质类别可由原来的Ⅳ类提升为Ⅲ类；单项指标氨氮的水质级别可由原来的Ⅲ类提升为Ⅰ类；单项指标总磷的水质级别可由原来的Ⅲ类提升为Ⅱ类；综合水质类别由原来的Ⅳ类提升为Ⅲ类。

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