滇池草海湖内前置库构建技术对湖泊水质改善效果的研究

赵祥华，葛 锐，杭利民，侯 娟，聂 云

(1.云南省环境科学研究院，昆明 650034；2.昆明滇池湖泊治理开发有限公司，昆明 650228)

1 引 言

滇池位于云贵高原中部，湖容量12.9亿m3，是云南省最大的淡水湖。草海是滇池流域的重要组成部分，位于滇池流域北部，其湖域深入昆明市城区，是重要的城市湖泊。草海流域是滇池流域中受人为干扰最为严重的水域，水面面积占滇池水面面积2.5%，接纳滇池流域约29.16%的污水，水质现状为劣V类。

根据相关的研究，滇池草海2002～2014年的年均值水质监测数据，草海流域中的第二类污染物是主要污染物，其水质波动的主要因素是富营养类污染物，特征污染物是总磷和总氮，说明氮磷是流域污染控制重点[1]。滇池草海水体在高氮磷比的时间段，绿藻生长占优势，滇池水体中绿藻比蓝藻更适合高氮磷比的环境，说明滇池水体中营养盐对浮游藻类结构的影响较大[2]。草海湖体TN、TP收支平衡结果表明，经出湖口排出和水体库存的TN量占入湖TN量比例较小，凤眼莲的吸收及发达根部形成的生物膜降解作用是入湖TN量去除的重要途径之一，说明凤眼莲对总氮具有良好的削减作用[3]。

东风坝与滇池草海水体相对分割，形成半封闭内湖，东风坝和草海流域的环境容量均为零。新运粮河、老运粮河水量较大，是草海的入湖河流，也是草海污染物的主要输送通道。经研究分析，可利用东风坝水域构建湖内前置库，通过导流将两条河流水体导进前置库净化，减少负荷，改善草海湖泊水质。

2 研究方法

2.1 实验地点和布局

本实验布设于于草海东风坝水域。该水域一方面有半封闭东风坝水库，另一方面接受新运粮河、老运粮河的微污染水，微污染水以活水的形式持续排入草海。草海、东风坝、新老运粮河口位置关系，见图1。

图1 草海、东风坝、新老运粮河位置关系Fig.1 Location relationship between Caohai, dongfeng dam, old and new grain transportation river

2.2 湖内前置库构建

湖内前置库。东风坝历史上是围草海造出来的大鱼塘，后实行退塘还湖后，除有两个破口与草海联通外，基本无进出水，是一相对半封闭的水域，处于闲置状态。本实验将将东风坝考虑成前置库具有创新的想法，根据新运粮河及老运粮河入湖河口、东风坝的位置相互关系，将新运粮河及老运粮河微污染水导流至东风坝内，东风坝南岸设置出口及溢流闸，实现对来水的调控及净化，湖内前置库分布见图2。该系统充分利用闲置的东风坝水域(面积2.68km2)，配置挺水植物、漂浮植物、沉水植物水生生物系统，构建草海湖内前置库。工艺流程见图3。

图2 湖内前置库分布图Fig.2 Distribution of the inner pre-reservoir

图3 工艺流程示意图Fig.3 Process diagram

湖内前置库构建。分别由河口导流围堰工程[4](湖内导流围堰设计图见图4)、东风坝开口及堵口工程、东风坝出口及溢流闸门、东风坝水域水生植物种植及修复工程等4个部分组成，前置库工艺构建见图5。

图4 湖内导流围堰设计图Fig.4 Layout of the inner pre-reservoir cofferdam

图5 湖内前置库构建图Fig.5 Construction of the inner pre-reservoir

2.3 湖内前置库植物搭配

根据研究凤眼莲可实现草海水质中氮的大规模去除[5]，不同生活型水生植物(漂浮植物凤眼莲、浮叶植物睡莲和菱角、沉水植物黑藻)对调节水体理化环境因素的能力有所差异，这会间接导致其调节水体氮生物转化过程的程度差异[6]。本实验水生植物物种搭配，主要以凤眼莲为主，挺水植物芦苇、水葱种植在前置库边上浅水区，浮叶植物睡莲、莕菜做点缀。水生植物植物及修复工程总面积为1 301.7亩，其中凤眼莲种植区面积1 022.6亩，芦苇51.7亩，莕菜133.9亩，水葱52.8亩，睡莲40.7亩。芦苇、水葱主要布置在靠岸一侧浅水区，深度不超过0.5m，由于东风坝水下地形较为平坦，水深平均在2.5m左右，因此结合滇池圈养凤眼莲经验[7]，种植大面积的凤眼莲，凤眼莲采用圈养形式。

2.4 来水量及停留时间

水量。两条河旱季进入草海的水量为31万m3/d，其中新运粮河10万m3/d(昆明市第九污水处理厂尾水)、老运粮河21万m3/d(第三污水处理厂尾水)，这些微污染水占草海流域年供水量的50%。

流速。入湖河口水文数据显示，新运粮河2a洪峰流量29.1m3/s，流速0.85m/s。老运粮河2a洪峰流量14.1m3/s，流速0.57m/s。

停留时间。前置库停留时间为20天。

2.5 TN、TP收支平衡计算

湖库TN、TP收支平衡，是指单位时间内TN、TP输入量、输出量间的关系[8]。进入前置库的TN、TP 一部分在前置库积累，通过水体物理、化学和生物的净化过程，均匀地分布在水体或者沉积至湖底淤泥和吸收至生物体内，少量通过出湖水量和蒸发量带走。本实验的湖内前置库TN、TP削减量为新运粮河、老运粮河入库污染负荷量，与湖内前置库出库TN、TP量为东风坝出口污染负荷量的差值，在此过程中水量基本不变，其中雨水TN、TP 量和蒸发量基本被忽略。由于前置库微生物硝化反硝化作用、沉积等其他途径削减的水体TN、TP 量难以估算，故用出入库TN、TP量削减量与凤眼莲吸收量差值表示。具体计算公式如下：

W=Q×(Cl-C2)×10-6

(1)

式中，W是前置库TN或TP削减量，t；Q是前置库来水水量，m3；Cl是来水TN或TP浓度，mg/L，C2是出库水体TN或TP浓度，mg/L。

M1=A×m(100-Hw) ×w×10-2

(2)

式中M1是凤眼莲吸收TN、TP量，t；A为凤眼莲覆盖面积，m2; m是单位面积生物量，kg/m2; Hw是含水率，%；w是植株干物质TN、TP质量分数，g/kg[9]。

M2=W-M1

(3)

式中，M2是其他途径削减水体的TN、TP量，t。

3 结果与分析

3.1 湖内前置库对水体pH值的影响

通过滇池水务水质监测中心提供的逐月检测数据(见表1)，东风坝进水水质呈现一定的弱碱性，pH在7.5～8.5之间浮动。经前置库水生植物水质净化后，东风坝出口水质pH相对稳定，仍停留在7.65～8.97之间。表明凤眼莲能有效降低水体pH，使之逐渐接近中性，有助于浮游动物、底栖动物的繁殖与生长[10～12]。将pH控制在偏中性范围内，有利于总氮、总磷的去除[13]。

3.2 湖内前置库对水体溶解氧的影响

从图6可以看出，东风坝出口的溶解氧浓度均大于东风坝进口的溶解氧浓度，说明湖内前置库可充分利用微污染活水和前置库生态系统，增加半封闭水体内的溶解氧。

表1 湖内前置库对水体pH的影响Tab.1 The influence of inner pre-reservoir on pH

图6 湖内前置库对溶解氧的影响图Fig.6 The influence of inner pre-reservoir on dissolved oxygen

前置库出口水体溶解氧基本维持在7.0mg/L，说明前置库相对完整的水生生态系统，对前置库内的溶解氧具有良好的调节作用。实践证明，当凤眼莲覆盖度不超过50%时，凤眼莲对湖泊水体复氧和浮游动物的生长无明显不利影响，且凤眼莲的根系发达，可为底栖动物提供栖息场所，提高水生生物多样性，有效改善水体底栖生态环境[12]。

3.3 湖内前置库对TP、TN、NH3-N的影响

根据图7，自2016年7月至2017年8月，湖内前置库构建对TP、TN、NH3-N均有明显的削减效果明显，年均削减率分别为38.0%、51.9%、65.7%。说明湖内前置库已建成完善水生生态系统，水生植物通过生态吸附、吸收、降解等过程，可有效削减TP、TN、NH3-N等有机污染负荷。因为凤眼莲根际微生物群落参与滇池水体的碳、氮和硫循环[14]，且规模化控养凤眼莲可削减水体大量的氮、磷，且对全湖水质改善具有一定效果[15]。

图7 湖内前置库对TP、TN、NH3-N的影响Fig.7 The influence of inner pre-reservoir on TP, TN, NH3-N

根据污染物削减率，可以看出湖内前置库对有机污染负荷的削减能力为TP

湖内前置库构建对TP的影响。自2016年7月至2017年2月，历时8个月，TP月均削减率呈现居高稳定的状态，与凤眼莲出苗期至生长旺盛期对TP的削减规律一致[18]。

湖内前置库构建对TN和NH3-N的影响。湖内前置库对TN和NH3-N的月均削减率波动较大，规律不是十分明显。但从东风坝出口数据可以看出，东风坝出口TN和NH3-N浓度数据相对稳定，其中TN维持在3.3～8.4mg/ L之间，均值为5.6mg/L；NH3-N维持在0.2～1.3mg/ L之间(去除异常值2.3mg/L)，均值为0.7mg/L。说明前置库内已形成完善的水生生态系统，水生植物、微生物和藻类等对TN、NH3-N的负荷冲击有强大的调节能力。

湖内前置库内的水生植物将营养物质储存在植物体内。根据各月湖内前置库的进出水质，计算污染负荷年削减量，得到湖内前置库年削减TN855.33 t/a、TP11.18 t/a、NH3-N245.54 t/a，削减量分别占年排放量50.40%、19.76%、36.17%。考虑凤眼莲在不同生长时期对水质的影响不同，在生长盛期对水质有一定的净化作用，在生长后期和枯死期又会引起水质恶化[17]。为防止水生植物在冬季枯萎死亡，植物残体遗留至湖泊，加速湖泊沼泽化进程。根据草海水生植物生长特点，对水生植物进行定期收割打捞，收割打捞时间定为每年12月～次年2月，防止植物腐烂后沉入湖底。这部分削减污染物经收集打捞后，送至明波处置基地进行处理，最后运输至安宁神瑞有机肥厂制作有机肥。

3.4 湖内前置库对COD的影响

根据图8，自2016年7月-2017年8月，湖内前置库构建出库COD一定程度增加，特别在6月份雨季时最明显。经分析，与东风坝的演变过程有关，东风坝水域曾作为鱼塘满足生产生活需要，但一直没有开展相关内源清淤工作，底泥厚度在0.5～0.8m，本次大流量的水进入后，对底泥进行了扰动，因底泥中有机质成分较多，COD含量较高，导致出水比进水浓度高。

3.5 湖内前置库TN、TP收支平衡分析

根据各月湖内前置库的进出水质，计算污染负荷年削减量，得到湖内前置库年削减量TN855.33 t/a、TP11.18 t/a(见表2)。

表2 湖内前置TN、TP年削减量Tab.2 TN and TP reductions in inner pre-reservoir

根据2016年12月～2017年2月凤眼莲的实际生长和收割打捞数据，分析凤眼莲对TN、TP的吸收量如表3所示。考虑水质净化和良性水生生态系统建设需要，2016年在前置库内进行凤眼莲种植，种植面积0.68km2(1 022.6亩)，收割1次，凤眼莲生长量为3.48万t/a，凤眼莲TN、TP的吸收量分别达90.75t、6.44 t。

表3 凤眼莲覆盖面积、产量及其吸收的TN、TP 量Tab.3 Covered area, biomass and amounts of TN and TP assimilated by Eichhornia crassipes

表4 湖内前置库TN、TP收支平衡状况Tab.4 Balances of TN and TP loads in inner pre-reservoir

由表4可以看出，湖内前置库中凤眼莲负荷的削减比例为TN10.61%，TP 57.60%，而前置库内微生物硝化反硝化作用、沉积等其他途径的削减比例为TN89.39%，TP42.40%。由此可初步分析，湖内前置库对TN、TP等营养物质削减作用，与凤眼莲生长消耗有一定关系，但更重要的影响因素是健康的水生生态系统。因微污染活水的引入，改善了东风坝半封闭水域内水生生态系统，加快系统内生物硝化反硝化过程、植物吸收过程的反应进程，使湖内前置库内形成了健康的、有活力的水生生态系统。

4 结 论

该实验方法和技术能有效利用半封闭水域、微污染活水的现状特点，实现健康水循环和污染负荷削减。湖内前置库负荷削减能力强，通过水生植物的生态吸附、降解、吸收等过程，明显改善水体pH、溶解氧，为生物生长提供良好的自然环境，有效削减TP、TN、NH3-N等有机污染负荷，年均削减率分别达到38.0%、51.9%、65.7%。同时通过恢复水生生态系统，净化微污染水和形成清水通道，全面改善草海中部、东部水体水质，促进水生植物生长，为鱼类、鸟类的栖息、繁殖创造生境条件，从而形成具有健康气息和活力的水生生态系统。

另外，本次研究发现利用鱼塘改造成前置库时必须先进行环保清淤，减少内源污染的释放。