湖(库)滨带生态构建设计——以简阳三岔湖为例

欧阳莉莉, 贾滨洋, 李 晶

(成都市环境保护科学研究院, 成都 610031)

1 引 言

湖滨带是指与湖泊、湿地相邻的水陆生态交错带的一种类型[1]，是人类活动最集中的场所[2]，也是地球上最脆弱的湿地生态系统之一[3]。湖滨带具有保持物种多样性、调节物流和能流、稳定相邻生态系统和净化水体、减少污染等重要的生态功能、环境功能、美学价值及经济价值等[4]，近年来引起越来越多的关注和重视。该缓冲区域若因过度开发利用而萎缩，湖泊的生态环境就会变得极其脆弱而易发生变化[5]。因此对滨湖带生态构建工程进行深入研究，设计复杂的生境、多样的动植物群落，使其净化湖泊水质、发挥最大的生态效益，将会为富营养化湖泊的治理提供新的生态工程技术手段。

本研究以成都“东进”战略中天府空港新城生态景观带的重要组成部分——三岔湖景区起步区“天权景区”的西南侧新民乡湖滨带为例，设计建设生态工程，以实现三岔湖水生、陆生生态系统的建设、构建生境的多样性、改善水质等主要目标，为西南地区具有富营养化趋势的水体及湖滨带生态构建工作提供参考。如何结合“东进”天府国际空港新城的发展目标与三岔湖的生态环境现状，进行三岔湖环境保护管理工作，也是三岔湖未来的重要发展方向。

2 湖滨带修复的研究进展

国外开展湖泊恢复的研究工作开始比较早，自20世纪70年代开始，西方发达国家就开展了相关的研究和实践，以保护自然湿地并回复退化的湖滨、河岸带[6]。1975年，美国政府连续拨款支持湖泊恢复的研究和技术发展，华盛顿湖在富营养化水质控制与改善方面取得了明显的效果，被视为湖泊生态恢复的范例[7～9]。加拿大安大略湖地区的8个州和安大略省开展了对安大略湖修复实施计划[10]。1993年丹麦计划在近几年内分别降低湖泊氮和磷50%和80%[11]；瑞典的Trummen湖通过生态工程的综合治理，水质得到很大改善[12]。

我国虽然起步晚一些，但发展很快，目前湖滨带生态恢复研究已受到广泛重视，并从实验阶段向实际应用阶段转变。章申等[13]提出了白洋淀区域水域生态系统修复的综合技术方案；许朋柱等[14]提出了太湖湖滨带生态系统退化恢复的设想；颜昌亩等[4]在云南滇池和洱海开展了湖滨带生态恢复工程；金丹越等[15]提出了洱海东区湖滨带生态修复方案；叶春等[16]将洱海退化湖滨带的生态修复与农村面源污染控制相结合；叶春等[17]探讨了洱海湖滨带生态修复的原则和设计方法。

在生态恢复技术方面，杨龙元等[18]发现群落结构的恢复应优先选用适应环境条件、净化和抗干扰能力强的土著种；群落空间配置要根据湖滨带形态、底质、气候等因素，合理配置不同生活型植物[19]；同时应结合优势种的季节变动性，保证水生植物具有周年连续性[5, 20]。杨清心、王海珍等[21-22]通过配置不同食性鱼类，使得围隔内浮游植物及水生微管束植物的种类组成和群落结构发生了显著变化，生态系统的功能得以恢复。

3 研究区域概况

三岔湖是四川省第二大水库，位于东经104°11′16″至104°17′16″、北纬30°13′8″至30°19′56″，1977年在绛溪河上筑坝成湖，为丘陵湖泊型水库。三岔湖湖区面积27km2，湖岸曲折，形态复杂，湖周长240km，南北长18km，东西宽7km[23]。本课题示范工程区域位于三岔湖景区起步区“天权景区”西南侧新民乡的湖滨带，该景区总体定位为以观光、游憩、集散和服务为主。工程建设前，土地利用现状以耕地和林地为主，由于受内源污染影响，工程建设前湖水状况为劣V类水质，主要污染物为氮磷营养盐。湖滨带监测点位见图1。

图1 三岔湖西南侧滨湖带监测点位示意图(SC-1代表湖滨带监测点位)Fig.1 Sampling sites of the lakeside zone, southwest of Sancha Lake(SC-1 represent the sampling site)

三岔湖具有连续多年(1989～2009年)的高密度箱网养鱼历史，所投放的饲料残余物及鱼类排泄物，主要以底泥的形式沉积于湖泊底部，其作为湖泊外源污染物控制后的主要污染来源，对湖泊水质的污染贡献极大。而位于湖泊中较封闭弯道及水体流动较小或几乎不动的湖滨带，其水质成为全湖水质治理的难点之一。湖滨带的主要环境问题可概括为：氮磷营养盐浓度超标、内源污染负荷较大、浅水区水体流动性小、水体富营养化。

4 三岔湖湖滨带生态构建工程的规划与设计

4.1 三岔湖湖滨带生态恢复模式建议

根据三岔湖湖滨带现状调查结果，总结出三岔湖湖滨带类型包括农田型、农田植被型、岩石裸地型、鱼塘型、休闲渡假村型以及河口型(图2)。结合湖滨带修复思路与技术体系，初步提出适于三岔湖不同类型湖滨带生态恢复模式建议[24-25]。具体如下。

图2 三岔湖湖滨带类型Fig.2 Types of the lakesides of Sancha lake

农田型湖滨带：在三岔湖各个区域均有分布，湖滨带为农田，直接与水面接触。建议结合少废农田模式[26]和面源污染控制模式进行修复，调整湖滨带上农田的格局，采用农田少废管理技术，减少化肥施用量，改善肥料结构，增加有机肥和生态肥料，以减少化肥和农药的流失。面源污染控制包括在农田与水面交界处设植被缓冲带，以控制农田的面源污染，植物可选择净化效果好、耐污能力强的芦苇、风车草、花叶芦荻、香根草等；条件允许的情况下，可对湖滨带基底进行改造，如清除淤泥等。

农田植被型湖滨带：此类型湖滨带的农田与水面间有植被隔离，同样可采用少废农田模式和面源污染控制模式，在选择植物时，优先考虑已有的植被，调整植被的面积、分布等，其他措施与农田型湖滨带的修复模式相似。

岩石裸地型湖滨带：此类型湖滨带为裸露的岩石或质地坚硬的土壤，没有或仅有少量植被。岩石裸地型湖滨带的结构被严重破坏，参考王洪铸等(2012)巢湖湖滨带的修复方法，应先恢复基底，使其适于植被生长，然后合理种植植被[24]。

鱼塘型湖滨带：此类湖滨带设有鱼塘，鱼类饲料和排泄物等会污染水体。参考丹江口水库湖滨带的修复方法，建议采用生态过滤净化库模式，可在现有鱼塘的基础上进行改造，主要是在鱼塘的外边界处设置生态过滤坝，沉降和滞留入库悬浮颗粒物，削减入库营养负荷，同时，过滤坝还可拦截来自陆地农田面源的化肥、农药入库，在靠近岸边的浅水区种植挺水植物，对入库污染物进行初步的拦截和过滤，在鱼塘水面适当种植浮水植物，可给鱼类提供食物的同时，进行水质净化[27]。

休闲渡假村型湖滨带：此类湖滨带有农家或渡假村等人类居住区。建议采用湖滨生态景区模式，在湖滨带现有自然景观的基础上进行必要的设计和管理，不仅能保证湖滨带的主要生态环境功能，还能为公众提供休闲娱乐、教育科研的场所。本次示范工程即采用的这种模式。

河口型湖滨带：指三岔湖入水口和出水口的湖滨带。参考王洪铸等(2012)巢湖湖滨带生态修复方法，建议采用生态河口模式，包括河流生态廊道和河口湿地。可构建水网体系及河口景观，加强保护植被和水鸟。目的是截留颗粒污染物、农业面源污染，优化河口湖滨带生态环境[24]。

4.2 工程规划设计

4.2.1 内湾湖水循环净化设计

本研究中的“天权景区”滨湖带，开发面积37.3万m2，水面面积6万m2，其中示范工程总用地面积124 179 m2，工程规划设计及工程建设从2012年开始，至2017结束，历时5年。

湖滨带是一个特殊而又复杂的生态系统，既包含了生态内涵、环境理念，也带有水文特性，其生态建设与保护必须以健康湖泊为指导，因湖制宜。充分发挥湖滨带功能，其生态建设与保护应综合考虑水文、水资源、水环境、水生态、水景观、水文化及水旅游等因素。本次研究中的湖滨带属于休闲渡假村型，结合其地形条件、水质要求、景观要求等因素，规划其生态构建示范工程主要内容包括：内湾湖水循环净化、水体生态修复、景观设计。其中内湾湖水循环净化设计是本次工程设计的核心内容。主要是利用垂直流人工湿地技术对内湾湖水进行循环净化处理，三岔湖作为大湖区，由三岔湖向湖滨带补水，不断改善湖水水质。工艺流程如图3。

图3 垂直流人工湿地湖水循环净化工艺流程Fig.3 Process flow diagram of vertical flow wetland

将湖滨带设计为垂直流人工湿地，三岔湖作为大湖区，由三岔湖向湖滨带补水。 作为垂直流人工湿地的湖滨带由填料、植物和微生物组成。

(1)湿地填料由砂石级配填料和活性生物填料构成。

(2)植物选择净化效果好、耐污能力强、景观效果优的水生植物，如芦苇、风车草、花叶芦荻、香根草等。

(3)微生物菌种采用高效微生物菌种驯化，提高微生物量与生物活性。

垂直流人工湿地底质的设计和施工应注意以下问题：一是要考虑植物品种能否在湿地底质上固着，如果固着不牢靠，需要考虑其他辅助措施进行栽植；二是不同植物对底质养分的耐受程度有差别，在设计和施工时可以提前做试验，以选择适宜的植物品种。

4.2.2 水生植物选种

对于本区域内湖体要逐步恢复水生植被，包括部分挺水植物、浮水植物和沉水植物，利用湖库沿岸浅水区域的植物和微生物的作用，结合鱼类及浮游动物对藻类的摄食及水生生物种群和群落结构的重要调节作用，形成自然净化生态系统；通过滞留和根际系统的净化，提高湖库水体的生态环境质量；同时可以在削减内源负荷，改善水质的同时丰富水体景观，美化湖泊环境。本次设计水生植物选种如表1所示。

4.2.3 鱼类放养

通过调整水体食物链结构，在水中通过适当养殖一定比例的生产者(水生植物)、各级消费者(草食性、滤食性、肉食性)促进水生生态系统的正向演替，达到促进水体自净的目的。即控制草食性鱼类，发展滤食性、杂食性鱼类群体，进行多种鱼类、多种规格的混养。以鲢、鳙鱼为主，配养青鱼、鲫鱼等鱼类，鲢、鳙为滤食性鱼类，以浮游生物为食，可降低水体中浮游植物和浮游动物的密度，并通过其代谢过程加速了系统中营养物的再生，而减少了营养物的沉积量；鲫鱼为杂食性鱼类，除摄食底栖动物外，尚能部分去除水中悬浮颗粒。以鲢、鳙鱼为主，配养鲫鱼，目的在于充分利用水体中的浮游生物，悬浮有机碎屑，同时有效地去除水底沉积物，减缓水体富营养化程度。

表1 示范工程所选植物名录Tab.1 Plant list of demonstration projects

4.2.4 生物浮岛

结合内湾湖岸线形式及景观效果设置生物浮岛，以增加湖水中微生物的附着量，提高湖水自净能力。通过不同形态、面积的生物浮岛的构建，在滨湖空间湖面上形成优美的生态景观效果。布设生物浮岛时应注意，如果水面风浪大，需要采取针对性的消浪措施。

4.2.5 景观设计

在满足湖区水利基本功能及水质净化功能的基础上进行一定的景观设计，将湿地系统与湖泊两岸的水质净化系统及绿地相互协调、融为一体，具有观赏、亲水及公共休闲活动为一体的生态功能区，在提高景观湖自净能力的同时为人们提供滨水休闲空间。滨湖空间湖体景观处理包括水上喷泉、观景木栈道、跌水瀑布、凉亭、廊桥等。工程设计总平面图如图4。

图4 工程设计总平面图Fig.4 General plan Figure of engineering design

4.3 三岔湖湖滨带示范工程补水点位模拟

基于示范工程所在湖滨带污染源现状、水质现状、纳污特征等，采用零维模型模拟了不同的污染物浓度及补水方式下三岔湖的水质变化，预测水质的变化规律及特征。以期为湖滨带补水方式提供参考。

当以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，往往可以把湖泊看作一个完全混合反应器，基本方程为：

式中：V——湖泊中水的体积(m3)；

Q——平衡时流入与流出湖泊的流量(m3/a)；

CE——流入湖泊的水量中水质组分浓度(g/m3)；

C——湖泊中水质组分浓度(g/m3)；

Sc——如非点源一类的外部源和汇(m3)；

r(c)——水质组分在湖泊中的反应速率。

本次模拟假设将示范工程所在湖滨带看作一个完整的地表水体系，湖中的污染物在湖滨带中均匀的分布，其浓度为已监测的本地浓度。且从保守预测的角度出发，不考虑污染物的降解机制，仅考虑其混合作用。

根据湖滨带区域规划条件，要求补水后十天达到地表水Ⅲ类水质标准。根据湖滨带的规划，湖滨带接受补水的来源主要有城市污水、雨水、景区生活污水，以及自三岔湖引水补给到湖滨带，见图5。

图5 湖滨带排水点、补水点以及水流方向示意图Fig.5 Drain point, filling point, water flow direction of the lakeside zone

模拟结果显示：

(1)氨氮、总氮、总磷、化学需氧量四种污染物浓度最大点均出现在滨湖空间区域西北侧污水排泄点位置。东侧2号补水点位置的污染物浓度略高于其余西侧及南侧位置。

(2)生活污水和补水都经处理后达到地表水水质Ⅲ类标准入湖，可以使得湖滨带中的湖水整体达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类标准，此种补水方式为最佳模式；

(3)补水采用三岔湖主湖区湖水进行补水，可以使得已经污染的湖水污染程度降低，超标面积减小，总体水质情况转好，该种补水方式为仅次于上一条补水方式。

5 试验区的修复工程效果评价

5.1 水质的变化

为评价示范工程的效果，我们在工程建成前后分别对该湖滨带区域点位进行采样监测(图1)。2016年与2015年水质监测结果比较，湖滨带的氨氮浓度、总氮浓度、总磷浓度明显下降。可见示范工程对于湖滨带水质改善起到一定的作用(图6)。

图6 示范工程湖滨带主要污染物浓度变化图Fig.6 Changes of pollutant concentration in lakeside zone

5.2 浮游生物的多样性变化

(1)种类组成

浮游生物监测结果显示，2016年较2015年，三岔湖湖滨带浮游生物的种类数大幅度增加。浮游植物仍以绿藻种类数最多，浮游动物仍以轮虫种类数最多(图7)。

图7 2015年与2016年三岔湖湖滨 带浮游生物群落组成变化图Fig.7 Community composition change of plankton in Sancha lakeside zone, 2015 and 2016

(2)物种多样性

综合三种指标的评价结果(见表2)，2016年三岔湖湖滨带处于清洁～轻污状况。与2015年相比，两处样点的多样性指数、丰富度指数均变大，均匀度指数变化不大，在一定范围内，多样性指数、丰富度指数和均匀度指数值越大，其指示的环境状况越好。

表2 2015年与2016年三岔湖湖滨带浮游生物多样性指数及其水质评价Tab.2 Diversity index of plankton and water quality evaluation in Sancha lakeside, 2015 and 2016

5.3 植物调查结果

2012年课题组对还未建成的三岔湖湖滨带进行了植被现状调查，共发现乔木18种，灌木3种，草本9种。2017年课题组对工程建成后的三岔湖湖滨带植被种类调查，共发现乔木30种，灌木25种，草本51种。可见，示范工程建成后，湖滨带乔木、灌木和草本层植物种类都大大增加，同时植被覆盖率也增加。

6 小 结

三岔湖湖滨带示范工程建成后，湖滨带的氨氮浓度、总氮浓度、总磷浓度明显下降。浮游植物和浮游动物的种类明显增多，物种多样性增加，对应的多样性指数、丰富度指数均变大，均匀度指数变化不大，说明从浮游生物的指示意义来看，示范工程建成后，湖滨带的水环境状况好于示范工程修建之前。湖滨带植被种类、覆盖率也都有所增加。

湖滨带生态构建示范工程的建设思路主要就是通过调查湖滨带的现状特征，分析湖滨带生态环境受到破坏的主要原因，因地制宜的设计建设修复工程，通过调节生物、生境及它们之间的相互关系来改善湖滨带生态环境状况。因此，湖滨带生态构建示范工程的一般建设流程可概括为：

湖滨带环境现状调查→确定湖滨带类型→分析湖滨带生态环境受损的原因→因地制宜选择生态构建模式并集成相关技术。

另外，生态工程的效果往往不是短时间能够体现的，应该充分重视生态工程管理工作，例如工程植被的管理等，才能使工程长久而有效的发挥作用。