再生水补给型湖泊水质改善研究

张 婷

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

引言

再生水作为水量稳定的水资源，不仅可促进水资源的可持续利用，缓解城市缺水问题，也是保护生态环境，实现社会水循环与自然水循环有机融合的有效途径[1][2]。基于生态系统特点和污水再生处理生态工程技术，污水经过合理的工程措施处理成为再生水，进入具有人工强化调控性的生态系统，如人工湿地、河湖景观水体等，经过自然存储和深度净化后再循环利用于生产生活生态用水[3]。鸭子池作为再生水补给型湖泊，其水源主要来自于城东污水处理厂出水。近年来，由于城东污水处理厂出水水质不稳定，鸭子池自身水体流动性差、较为封闭等多因素影响，导致鸭子池水质恶化、水生态系统受到破坏。该研究通过对鸭子池水质恶化原因的研判，建立了适宜的水质改善方案，以期为再生水健康高效利用和城市河湖水系生态修复研究提供科学有效的参考。

1 概况

运城因“盐运之城”得名，运城盐池是我国开发最早的产盐地。鸭子池位于运城市盐湖区东南部，与盐池通过堤埝相隔。本次研究范围为鸭子池水利管理范围，面积约4.8km2，其中水域面积2.6km2，水深约2～3m。海拔在325.0m～330.0m 之间，与紧邻其东的汤里滩处于同一流域，流域面积为171km2。

2 主要环境问题诊断

2.1 湖泊较为封闭，水体自净能力不足

鸭子池为封闭湖体，常年无天然水体汇入和出流，仅在湖泊水位过高存在溃坝风险或者盐池有补水需求时，会适度向盐池放水。随着城镇化进程的推进，区域水文气象条件发生较大转变，自1958 年特大洪灾以来，由于气候因素及阻水工程的建设，汇入鸭子池的地表径流大幅减少。而鸭子池年蒸发量和下渗量较大，其水量维持主要依靠城东污水处理厂出水。

2.2 全过程水污染控制与治理不足，水环境质量恶化

经监测，鸭子池现状水质为劣Ⅴ类，达不到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中Ⅴ类水质要求。主要超标因子为COD、氨氮、总磷，超标倍数分别为1.4 倍、0.7 倍和1.2 倍。城东污水处理厂出水执行 《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级A 标准，并存在污水直接排入水体的情况。长期以来，鸭子池水体及周边形成了渔业养殖、耕地开垦等人为活动模式，农业面源污染加剧水质恶化。

3 水质改善方案

3.1 方案研究思路

通过资料分析和现场调研，对鸭子池环境现状进行分析，辨识环境问题以及成因，综合分析主要污染源；其次，根据水质目标要求，结合鸭子池自身环境条件和污染特征，形成“生态补水、源头控制、生态修复、活水复氧”的水质改善方案。

（1）城东污水处理厂出水在排入鸭子池之前，通过人工湿地进一步处理，达到鸭子池水质要求，并严格监管，杜绝污水直排。

（2）清退管理范围内现状渔业养殖用地、耕地，削减面源污染负荷，改善水环境质量，为植被自然演替和生态恢复提供场所。

（3）鸭子池较为封闭、水体流动性差，设计通过水体复氧措施，创造维持水体水质良好状态所必需的水动力条件；辅助植物修复，充分利用水体空间生态位和营养生态位，建立高效人工生态系统，进一步削减水体污染。

3.2 人工湿地

鸭子池在2011 年之前基本处于干涸状态，有关水文资料相当匮乏。因此，方案遵循生态需水量的计算原则，基于水量平衡法[4]，计算鸭子池生态需水量，以此确定人工湿地处理规模。根据湖泊水量平衡原理，鸭子池生态需水量应等于其水量消耗[5]。鸭子池补给量包括降雨补给和地下水补给。其中地下水补给可忽略，因盐池水位常年低于鸭子池水位，地下水主要向盐池补给。鸭子池消耗水量包括蒸发渗漏量以及每年向盐池补水量。鸭子池多年平均水量动态分析详见表1。

表1 鸭子池多年平均水量动态分析（单位：万m3）

从水量数据分析可见，鸭子池所需生态补水量为629.84～1129.84 万m3，折合成日补水量为1.7～3.1 万m3/d。因此，人工湿地的设计规模取3.1 万m3/d。

研究表明，人工湿地类型中垂直潜流湿地适宜作为污水处理厂的深度处理单元，对污水中氮、磷有很好的去除效果[6][7]。且潜流湿地与外界有覆盖层隔断，在北方冬季低温条件下，能够对床体起到保温作用，保证一定的去除效率[8][9]。因此，选择垂直潜流湿地处理城东污水处理厂出水，湿地设计按照《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ 2005—2010）要求，并综合场地条件、进水水质、出水水质等因素开展，设计总面积约为22.6 万m2，其中垂直潜流人工湿地面积约为8.6 万m2，表流景观水体面积约14万m2。表流景观水体有助于去除垂直潜流湿地出水中残留污染物，通过一定景观设计手段丰富鸭子池湿地风貌，有助于提升景观多样性和生物多样性。

湿地植物的选择主要考虑以下原则：

（1）耐盐碱；（2）具有一定去污能力；（3）本土物种优先；（4）观赏性等。基于对运城市湿地植物的调查，植物配置以芦苇、水葱、美人蕉、千屈菜、川蔓藻等。

3.3 原位修复

（1）人工增氧

鸭子池较封闭，水体流速迟缓，水中溶解氧不足，湖泊自净能力下降。多年来城东污水处理厂出水所含污染物不断沉积于底泥中，成为二次污染源，因蓄水时间不长，底泥淤积较少，相比开展清淤工程，采用原位处理更具经济性。厌氧条件会促使底泥中氮、磷的释放，进入上覆水[10]。借助曝气措施，促进水中铵态氮转化为气态氮去除，并可抑制磷的释放[11]。曝气措施不仅提升水体氧含量，也有助于改善水动力条件。设计布置8 套喷泉曝气设备和6 套太阳能曝气设备。太阳能曝气设备布控于接电难度较大区域，对于景观要求高的区域采用喷泉曝气设备。

（2）生态浮岛

生态浮岛技术是融合无土栽培技术和生物动力学，将高等水生植物或陆生植物，以高分子材料等作为载体，种植到受污染水体中。浮岛植物通过吸收和吸附自身生长所需的氮、磷等营养盐，达到改善水质的效果。由于植物能将氧气输送至根系区，植物根区还原态介质变成了氧化态，为好氧、兼厌、厌氧微生物提供了适宜的生存环境。设计总面积约11000m2。选择湖心区、深水区、浅水区、湖岸亲水区等10 个原位处理节点布置原位处理设施，以改善水循环、增强水体自净能力、恢复水生态系统，稳定鸭子池水体水质在Ⅴ类水标准。

3.4 生态修复

为实现鸭子池水质长期稳定达标和恢复生态景观功能，清退现状渔业养殖用地，取缔网箱养殖，还原原生状态。结合周边产业发展规划，引导渔民产业转型，逐步向乡村旅游观光方向发展。另外对受损的生态系统进行生态修复，恢复自然型生态驳岸，与鸭子池整体景观风貌相统一。

从保护和改善鸭子池生态环境出发，将管理范围内耕地有计划停止耕种，本着宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草、宜湿则湿的原则，因地制宜造林种草，恢复林草植被。整体植被空间配置和景观设计以原生态为主。

结语

为破解鸭子池水资源短缺、水环境污染和水生态破坏之间的矛盾，本研究从流域系统修复的整体性和长效性出发，制定水质改善方案，并与景观提升相结合，为更好的发挥生态修复工程效益提供有力保障。

（1）通过人工湿地等工程措施，将再生水转化为具有自然属性的第二水源，补充鸭子池维持正常生态功能所需水量，提高水资源的可持续利用。

（2）鸭子池水环境提升不仅注重水质改善，与相关规划相衔接，在湿地生态恢复和景观品质提升方面与盐池形成区域联动，建成城区南部集湿地保护、文化传承、观光休闲于一体的湿地生态景观区。