里下河腹部区河道水源地水质生态净化效果评估

杭庆丰，夏 霆，武钦凯，何 涛

(1. 江苏省水文水资源勘测局 盐城分局，江苏 盐城 224002； 2. 南京工业大学 城建学院，江苏 南京 211816)

0 引 言

江苏省里下河腹部区河网交织，水资源丰富，河道型饮用水源地比例大，河网水文条件及生态水文过程受人为干扰影响剧烈。近年来因社会经济高速发展及城市化水平的大幅提高，入河污染物排放量增多，使得饮用水源地状况不容乐观，水质问题日益突出。为改善原水水质，降低供水风险，2012年，在蟒蛇河南岸建设了首个平原水网区饮用水源地生态净化工程“盐龙湖”，该工程对促进水源地水质达标、保障区域供水安全发挥了重要作用。但由于河网区水系连通等水文特征及污染影响因素复杂，导致工程进水不稳定，同时水力停留时间以及污染物积累等也影响长效出水效果。笔者基于盐龙湖周边地区长期的河道水源地水质监测数据，分析了区域水源地水质变化特征，并基于对盐龙湖工程不同净化区的水质监测数据，分析了盐龙湖工程水质净化效果以及存在的问题。研究可为保障盐龙湖及其他类似工程稳定运行提供参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

里下河腹部区是江苏省淮河片4级水资源分区。盐龙湖工程位于苏北里下河腹部区盐城市盐都区龙冈镇境内，蟒蛇河南岸，总占地面积222.8 ha。工程主要功能是生态净化蟒蛇河龙冈饮用水源地原水，使水源地主要水质指标稳定在III类标准，满足市区每天60万 m3的供水规模。在里下河腹部区，除蟒蛇河龙冈水源地外，与盐龙湖工程临近的另有古殿堡(朱沥沟)、大纵湖(蟒蛇河)、大冈(勾冈河)和盐城新(新阳港)等4个饮用水源地。

盐龙湖工程按水流方向依次由预处理区(Ⅰ)、湿地生态净化区(Ⅱ，包括挺水植物区和沉水植物区) 以及深度净化区(Ⅲ)组成(图1)，整体工艺具有沉降泥沙、生态净化水中污染物等功能。

1.2 研究方法

考虑到平原河网区水系连通性，笔者采用大纵湖、古殿堡、大冈、龙冈和盐城新等5个饮用水源地2009—2016年间水功能区站点逐月水质监测数据，从整体上分析了里下河腹部区水源地水质变化特征。根据左倬等[1]、陈煜权[2]的相关研究与监测结果，该河道水源地水质关键因子为溶解氧及有机污染物，结合水源地生态工程水质净化特征，笔者在评估时选择溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)和总磷(TP)等4项主要水质因子来分析区域水源地不同水期水质变化特征。

为了分析盐龙湖工程净化效果，采用2013年8月—2014年7月工程运行期间预处理区、挺水植物湿地净化区、沉水植物湿地净化区和深度净化区的出水水质指标，对照蟒蛇河进水口水质指标，来分析各工艺单元的净化效果。各单元的监测频率为每月6次。同时分析了深度净化区(湖体)富营养化和藻类状况指标及其相关影响因子。

水质监测方法依据国家环境保护总局编写的《水和废水监测分析方法》[3]，按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》进行水质评价，采用加权综合营养状态指数法[4]，考虑TN、TP、CODMn、叶绿素a(Chl-a)和透明度(SD)等5项水质因子进行富营养化评估。由盐城市水环境监测中心完成水质采样与监测，用SPSS19.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 水源地水质变化规律

2.1.1 水源地水质年际变化

2009—2016年间，5个水源地DO、CODMn、NH3-N和TP 等4项主要污染指标浓度变化趋势见图2。

图2 各水源地主要水质指标变化趋势Fig. 2 Variation trend of main water quality indexes in each water source area

以Ⅲ类水为基准，2009—2016年不同水期水质因子超标情况统计结果见表1，其中超标率以超标测次占总测次的比例统计。

由图2及表1可见：

1)各水源地DO浓度指标变化趋势呈明显的一致性。年内均呈波动变化，不同水期浓度差异较大，丰水期浓度低，枯水期浓度较高。除了大冈站枯水期2010年11—12月DO浓度值超标外，其余4个水源地枯水期DO浓度均未超标，主要超标时段在夏季丰水期以及秋季平水期。丰水期大纵湖、古殿堡、大冈、龙冈和盐城新超标率分别为50.00%、77.27%、72.72%、75.00%和10.17%；2014年后，DO浓度波动趋势有所减缓，且丰水期浓度有升高趋势。

2)各水源地CODMn浓度指标变化趋势呈明显的一致性，年内波动差异较大，主要超标时段也在丰水期。丰水期大纵湖、古殿堡、大冈、龙冈和盐城新超标率分别为25.00%、18.18%、40.90%、62.50%和39.98%。

3)各水源地NH3-N浓度指标呈波动变化，主要超标时段也在丰水期，但超标率均较低，除大冈站丰水期超标率为13.63%外，其余水源地超标率均低于10%；但个别水源地峰值浓度较高，如2011年7月大冈和龙冈NH3-N浓度值分别达到1.86和1.53 mg/L，已为地表水Ⅴ类。

4)TP浓度指标总体呈明显的波动变化，但各水源地之间差异较大。其中位于蟒蛇河的大纵湖站各水期TP均未超Ⅲ类标准，这与其位于大纵湖的出水口P已受湖内削减有关；古殿堡枯水期超标率为18.18%，但丰、平水期均未超Ⅲ类标准；大冈、龙冈和盐城新3个邻近的水源地超标时段均在丰、平水期，主要受汛期污染源入河影响。其中大冈丰水期超标率为40.90%，且4项因子超标率均最高，这应与冈沟河上游汛期承纳了更多的农业与生活污染有关。

2.1.2 龙冈水源地水质月际变化

龙冈盐龙湖工程的水源地，图3反映了2006—2016年间龙冈水源地4项水质因子月均浓度值及其变化幅度。

图3 蟒蛇河龙冈水源地主要水质因子浓度月均变化Fig. 3 Monthly variation of main water quality factors in Longgang water source area of Mangshe River

由图3可见，4项水质因子浓度月均呈波动变化，总体上丰水期内7、8月水质最差。水质超标时间段主要为6—11月。

1)6—10月，DO浓度低于Ⅲ类标准，8月最低为3.0 mg/L，该月最小值和最大值分别为1.1 mg/L(2009年)和5.4 mg/L(2016年)，浓度值均较低。

2)7—8月，CODMn浓度超Ⅲ类标准，7月达到峰值7.4 mg/L，实测最大值为8.9 mg/L(2015年9月)。

3)NH3-N浓度月均未超Ⅲ类标准，7月达到峰值0.76 mg/L，但实测最大值为1.53 mg/L(2011年7月)。

4)TP浓度均未超Ⅲ类标准，7月达到峰值0.18 mg/L，但实测最大值为0.34 mg/L(2016年9月)。

可见，DO和CODMn是龙冈水源地主要超标因子，在丰水期和平水期的6—10月份均超标严重，枯水期部分时段也有超标现象；NH3-N和TP浓度月均值虽均未超标，但个别年份也存在超标现象，且在丰水期浓度值明显偏高。

2.2 盐龙湖工程净化效果

2.2.1 盐龙湖工程整体净化效果

对比盐龙湖工程各月进水(预处理进水渠道内)、出水(取水泵站平台外侧表层)DO、CODMn、NH3-N和TP 等4项水质指标月均浓度值及变化幅度(图4)，可知监测期间丰水期蟒蛇河进水4项指标均有超Ⅲ类标准现象，CODMn浓度在平水期的3月和9月均有超标；但出水指标月均浓度值及变化幅度均在Ⅲ类水质标准以内，表明盐龙湖工程对4项因子的净化均有明显效果。

2.2.2 盐龙湖工程分区净化效果

为了解盐龙湖工程各功能区的净化效果，依水流方向对预处理区、挺水植物湿地净化区、沉水植物湿地净化区和深度净化区出水指标，统计出主要污染物累积削减率(图5)。

图4 盐龙湖工程进、出水月均水质比较Fig. 4 Monthly average water quality comparison between inlet and outlet of the Yanlong Lake project

图5 盐龙湖工程各净化功能区累积削减率变化Fig. 5 Cumulative reduction rate variation of each purification functional area in the Yanlong Lake project

1)按全年统计，DO、CODMn、NH3-N和TP 等4项主要污染物浓度总削减率分别为133.05%(浓度增大率)、8.52%、73.05%和67.91%，针对CODMn的削减率相对偏低。

2)对不同水期的浓度削减率进行比较，枯水期进水水质较好，工程对DO、CODMn、NH3-N和TP 等4项因子的浓度总削减率依然分别有29.3%、6.89%、47.84%和18.67%，其中对TP浓度的削减主要为预处理区(混凝沉淀)和挺水植物区，沉水植物区和深度净化区TP浓度有升高现象，此2个区域应存在P释放现象。

3)丰水期对4项因子浓度的总削减率分别为184.09%、12.87%、86.23%和106.26%；各功能区对不同水质因子的净化效果差异较大，DO的改善主要为预处理区和沉水植物区，挺水植物区对CODMn、NH3-N和TP的去除贡献均较小；对CODMn的去除主要在于沉水植物和深度净化区，且对CODMn浓度的削减率均较低。

4)平水期对4项因子浓度的总削减率分别为62.02%、6.17%、68.23%和53.31%；各功能区对不同水质因子的净化效果也差异较大，对DO的改善主要为预处理区和沉水植物区，对NH3-N浓度的削减主要为预处理区和沉水植物区，对CODMn的去除主要在于预处理区和深度净化区；对TP浓度的削减各区均有效果。不同水期净化效果比较，丰水期最优，平水期次之，枯水期效果相对最低。

由以上分析可知，监测期内蟒蛇河水源地水体经盐龙湖工程净化后，4项水质因子均能达到Ⅲ类水，但不同水质因子净化效果差异较大，对CODMn削减率偏低，因CODMn是本地区关键的超标水质因子，且波动较大，因此生态工程对于稳定性控制CODMn的目标依然存在风险。

2.3 盐龙湖深度净化区富营养化与主导因素分析

2.3.1 深度净化区富营养化状态

盐龙湖工程削减了蟒蛇河水源地水体大量污染物，极易在湖内产生营养物的累积而富营养化[5]。依据综合营养状态指数法，2013年8月—2014年7月间盐龙湖深度处理区TLI(∑)月均值变化如图6，TLI(∑)值在53.37～62.88范围内呈波动变化，且在3—8月间波动较大，5月为最大值处于中度富营养状态，其余各月均为轻度富营养，其中4、7月TLI(∑)值也均较大，表明盐龙湖深度处理区富营养化现象已较为严重。

图6 深度处理区富营养状况变化Fig. 6 Changes of eutrophication status in deep treatment area

2.3.2 富营养化主导因素分析

Chl-a作为湖泊富营养化的关键性响应指标，直接反映了藻类的现存量，因此，一般在水体富营养化评估中被视为具有更重要的地位[6,7]。对比盐龙湖工程进水(预处理前进水渠道内)和出水口(经深度处理区后取水泵站外表层)水体Chl-a月均浓度的变化见图7。

图7 盐龙湖工程进、出水Chl-a浓度比较Fig. 7 Comparison of Chl-a concentrations in inlet and outlet of the Yanlong Lake project

由图7可见，在藻类易大量生长的4—7月，除6月外，出水Chl-a浓度值均明显高于进水，7月均值为74.9 μg/L(最大值为98.2 μg/L)，表明深度处理区湖体内藻类已大量爆发。4、5、7月深度处理区TLI(∑)值偏大，可知其主要原因为Chl-a浓度较大所影响。尽管其余月份进、出水Chl-a浓度值相近，但以上结果已充分表明，在藻类易大量生长的春、夏季，经盐龙湖工程后水体Chl-a浓度有明显增大现象，深度处理区湖体内存在藻类爆发风险。

表2为对深度处理区表层水体Chl-a浓度值与各项环境因子进行的Pearson相关分析。

表2 盐龙湖Chl-a与环境因子的相关系数(n=72)Table 2 Correlation coefficients between Chl-a and environmental factors in the Yanlong Lake(n=72)

注：**P<0.01,*P<0.05(双侧检验)。

综上，深度处理区N、P源充足，具备了藻类大规模生长的条件，对藻类生长限制性影响不明显，但总体上相比于N，P对藻类生长的限制性影响程度更大。

3 讨 论

3.1 水源地水质变化对生态工程净化效果的影响

近年来，里下河腹部区5个水源地DO、CODMn、NH3-N和TP 等4项关键水质因子，除DO浓度总体略有增大外，其余均无好转趋势。年内各因子总体呈波动变化，枯、平、丰水期水质依序变差，丰水期水质超标率高。盐龙湖工程主要处理单元净化效果表明，监测期内工程对龙岗水源地水质净化后不同水期出水水质均能满足Ⅲ类标准，表明工程对水源地水质的净化效果显著。且湿地工程因夏季生物活性更优[10]，使得在丰水期净化效果相对更优，故能适应水源地丰水期水质更差的特征。

生态工程对不同水质因子的净化效果存在较大差异。对于水源地DO和CODMn这2项关键水质超标因子，工程对DO的改善效果明显，但对CODMn的削减率偏低。盐龙湖工程整体工艺对CODMn的年均总削减率仅有8.52%，丰水期最大削减率也仅为12.87%；各工艺单元对CODMn的削减率均偏低，除了预处理系统去除部分有机物外，因湿地型式主要为表流湿地及生态塘系统，滤料系统的吸附过滤及植物的根系微生物影响作用小，故使得对有机物的去除率较低[11-13]。由于近年来水源地CODMn浓度持续超标，且波动较大，因此为保障水质达标目标，除结合生态工程运行外，依然须严格加强水源地原水水质保护与污染防控工作。

3.2 生态工程运行的营养累积与藻类爆发风险

盐龙湖工程日处理水量大，工程因削减大量的污染物而显著提高了水源地水质，但大量淤泥及N、P营养盐也拦截在湿地系统中[5,10-14]，会对湖体(深度处理区，有效水深4.7m)富营养化状态及长效出水水质保障产生影响。由于湖体N、P等营养盐浓度足以满足藻类大量生长条件，因此在合适的季节条件下，易产生藻类爆发风险。监测期，盐龙湖湖体已呈轻-中度富营养化，且在春、夏季Chl-a浓度高，实际上已发生了藻类大规模生长情况。N、P等营养盐累积是影响湖体富营养化的关键问题，尽管在湖体深度净化区前端已相应设置了前处理系统、挺水和沉水植物区的表流湿地系统净化水质，但依然有大量营养物质随水流进入湖体，因水体库容较大，水流速度缓，营养盐物质易累积在湖体内，在湖体生态系统功能未能得到良好发挥情况下，营养物质难以被分解、转化，并且在一定条件下，易对上覆水体释放，加剧湖体富营养化程度[15,16]。因此，及时清理淤泥、促进湖内水生植物恢复、做好收割等水生植物管养等工作强化湖泊生态系统功能是控制湖体富营养化的重要措施。

N、P营养盐充足条件下水流变缓是影响湖体藻类生长的关键条件[17]，盐龙湖工程运行中分别考虑了进水口门调控设计、溢流口调节设置、不同水层循环增氧以及生物操纵的方法以抑制藻类爆发，但实际运行看，进水口门调控、溢流口调节依然受进水水量的限制而难以促进湖体具备有效的流动条件(抑制藻类爆发)，生物操纵措施因养殖大量草食性鱼类反而破坏了水生植物，湖内出现了水质下降、水生植物腐烂和高温季节死鱼等现象[5]。基于现实运行条件和情况，除了进一步优化进水口门调控、溢流口调节、调整鱼类结构等生物操控手段外，通过促流措施改善水体循环、强化湖内流动状况应是抑制湖体藻类问题的可行手段。

4 结 论

1)里下河腹部区大纵湖、古殿堡、大冈、龙冈和盐城新5个河道型饮用水源地2009—2016年间丰、平、枯不同水期水质差异较大，以地表水Ⅲ类为评估目标，丰、平水期水质超标率明显高于枯水期，尤以丰水期超标率偏高，DO及CODMn浓度超标严重。

2)2013年8月—2014年7月盐龙湖工程运行期间水质监测数据表明，工程对蟒蛇河水源地水质总体有良好的净化效果，但工程不同功能区在不同水期对不同水质因子的净化效果存在较大差异，且对CODMn的削减率偏低。故后续该区域内其他水源地生态工程须着重考虑对有机物的削减率而优化工艺设计，同时，为保障供水安全，除结合生态工程运行外，须持续加强水源地水质保护与污染防控工作。

3)由于里下河腹部区水源地水体N、P浓度偏高，盐龙湖工程生态净化过程中易导致工程内淤泥及N、P营养盐累积，使得湖体富营养化趋势偏重，春、夏季Chl-a浓度偏高，藻类爆发风险大。为缓解盐龙湖富营养化风险，须综合采取及时清除湖内沉积物、加强水体流动调控与水生植物管养、调整鱼类结构等系统手段恢复水体生态系统健康，促进水生态系统功能的良好发挥。