北京市陶然亭公园湖水水质评价与分析

王 萌，李宏权，王浩楠

(1.北京市陶然亭公园管理处，北京 100050；2.北京北排科技有限公司，北京100044)

1 引言

陶然亭公园是以北京城南的燕京名胜陶然亭为中心规划设计修建的一座城市园林，其湖区水生态景观治理是北京市西城区水生态治理的重要组成部分[1]。自2006年以来，由于南护城河补水水源变为再生水水源[2]，陶然亭湖时常发生水体富营养化、藻类滋生等现象,严重影响了公园的景观质量[3,4]，降低了游客的游园品质。公园为此采取了多项治理措施，北京市水利建设管理中心于2010年完成了陶然亭湖水质改善工程的建设，包括水循环过滤装置、生物滤池设施，以及水生植物种植等，陶然亭湖水生态环境得到明显改善。但受到运行管理经费不足和南护城河补水水质变差的影响，从2015年开始，陶然亭湖水水质情况呈现逐年下降的趋势，局部区域出现水华、底泥上浮等现象。曲疆奇等[5]认为陶然亭湖自净能力较弱，以及人为因素是水质恶化的关键。陶然亭湖水体较浅，易受外界干扰，水生态景观与周边居民游客的生活环境息息相关[6]。目前，公园每年需要申请固定经费进行处理设备运营维护，并人工喷洒生物制剂抑制有机污染物积累，维持景观湖水水质不再恶化。但该措施人工成本高，药剂投入量大，缺乏长效治理机制。

本文通过对湖水水质与底泥检测的数据进行分析与研究，利用综合营养状态指数评价水质状况，深度探究陶然亭湖水水体现状及影响因素，并针对性提出具体的水质改善技术实施方案，以期进一步改善陶然亭公园水环境，增加湖区生物多样性，完善湖区生态系统自我净化功能，并达到陶然亭湖整体水环境长效治理的目的。

2 陶然亭湖水域现状

2.1 陶然亭湖基本情况

陶然亭公园内湖区水域包括主湖(东湖、西湖、南湖)和荷花池，所有水域面积约16.15×104m2，平均水深在1.2～1.8 m，蓄水量为24×104m3。陶然亭湖水体封闭，其主要补水水源为再生水及南护城河补水。根据2021年补水水量统计，再生水补水量为20×104m3/a，南护城河补水量为20×104m3/a，总补水量为40×104m3/a，园区内降雨径流雨水也直接汇入湖中。

陶然亭湖水水质环境直接受到南护城河补水源的影响，其水体主要为再生水和少量自然水体，再生水补水为高碑店再生水，均属于地表准Ⅳ类水质。

2.2 陶然亭湖现有水处理措施

公园内现有两套水处理装置，分别位于公园西南和东南区域。其中曝气生物滤池(5000 m3/d)主要利用生物方法进行氮磷等污染物去除，一体化水处理装置(20000 m3/d)主要进行藻类和磷污染物去除。

3 陶然亭湖水质分析方法

3.1 水质采样检测分析

为客观、全面地评价陶然亭湖水质现状，及补水源对陶然亭湖水质的影响，分别于2019年、2020年、2021年的6～9月中旬进行水质采样监测，采样点位于主湖(东湖、西湖、南湖)的中心位置。另于2021年3月、5月、7月、9月中旬各采样一次，除主湖的3个水域以外，同时增加水处理装置进水口与出水口、南护城河补水口(简称南补水口)3个采样点(图1)。每次每个采样点取3个平行样本，检测结果取平均值。

图1 陶然亭湖水质与底泥采样点示意

水质检测指标包括:总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、溶解氧、叶绿素a(Chla)、5日生化需氧量(BOD5)、pH值、色度等8项水质指标，检测方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》。其中TN、TP、NH3-N 、COD、BOD5、pH值分类标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，叶绿素a分级参照中国湖泊富营养化分级标准[7]。

3.2 底泥采样分析方法

湖水底泥是影响水质的重要因素之一，本研究于2021年1月份在陶然亭湖区6个不同位置采取底泥样品进行分析，具体采样点见图1，备注说明见表1。底泥全氮检测方法为凯氏定氮法(参考标准：LY/T 1228-2015)，全磷检测方法为碱熔-钼锑抗分光光度法(参考标准：HJ 632-2011)。

表1 湖区底泥取样点说明

4 结果与讨论

4.1 陶然亭湖水质现状

夏季为湖水的丰水期，本文对陶然亭湖6～9月份的水质指标进行检测分析，可避免平水期和枯水期水质数据引起的偏差[8]。同时，该时期公园内游客量较多，且湖中生物量增加，均对湖水水质有较大的影响[5]，夏季丰水期的水质指标更能体现陶然亭湖水水质现状和水生态系统的自净能力。

由表2可以看出，陶然亭主湖水体的pH值、溶解氧等常规水质指标基本符合《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，5日生化需氧量(BOD5)整体上处于地表水Ⅲ类标准，但在2020～2021年有明显增加，尤其是2020年6月份及2021年8～9月份达到Ⅳ类标准，表明湖水中有机污染物呈累积趋势[9]。此外，主湖水体的色度逐年略有上升，其中2021年7月份南湖水体色度达30度，表明湖水透明度呈下降趋势。2019年和2020年湖水NH3-N浓度整体上符合Ⅳ类标准，2021年东湖水体NH3-N浓度在6、7月份超过1.5 mg/L，达到Ⅴ类标准。

表2 陶然亭主湖水质3年内水质指标

在富营养化指标中，2019年湖水TN水平在8月份达到较高水平，平均超过4 mg/L；2020年湖水TN水平均处于较高状态，其中南湖水体TN浓度在6月份达到5.02 mg/L,超出Ⅴ类标准范围(≥2 mg/L)；2021年TN水平有所下降，多数处于Ⅳ类标准范围(1～2 mg/L)。主湖水体近3年的TP浓度均处于较低水平，达到Ⅲ类标准。2019～2020年，陶然亭公园主湖的叶绿素a含量基本处于30 mg/m3以下，为轻度或中度富营养化；在2021年6月份，3个湖区的叶绿素a含量均有所上升，其中东湖的叶绿素a浓度达到35.08 mg/m3，水体呈中营养化趋势，在7～9月份降回往年的平均水平。

由检测结果可以看出，陶然亭湖近3年水质整体上达到地表水质Ⅳ类或准Ⅳ类标准，基本满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T18921-2019)标准规定的娱乐性景观环境用水。但TN、NH3-N、叶绿素a等水质指标波动幅度较大，部分数据超出正常浓度范围；不同时期、不同湖区之间的水质测定结果相差较大，表明陶然亭湖水质状态不稳定。2021年6月份湖中叶绿素a含量较高，7月份又下降至平均水平，可能是公园通过人工喷洒生物制剂维持水质的结果。这表明陶然亭湖水生态系统稳定性较差，受环境影响较大，如果不进行改进和完善，有潜在水华暴发的风险[10]。

4.2 现有水处理措施的净水效果

4.2.1 补水源对水质的影响

陶然亭湖的水质状况除水体自身净化能力外，直接受到补水源和水处理装置的影响。本文分别对2021年陶然亭湖中常驻水、水处理装置的进出水，以及南护城河补水的水质指标进行对比，由图2可知，3月份、5月份、9月份各采样水体的TN浓度相差较小，变化趋势保持一致。7月份南湖与南补水口的TN浓度在3.5 mg/L左右，其他采样水体TN浓度则低于2 mg/L。

图2 陶然亭湖各采样水体不同月份的总氮浓度

如图3所示，各采样水体的COD浓度在3月份和5月份均处于20 mg/L左右，符合地表水体Ⅲ类标准。在7月份和9月份，主湖水体的COD骤然上升，均已超过40 mg/L,达到地表水体V类标准，其中7月份南湖和9月份东湖的COD浓度较为突出，远超同月份其它采样水体的COD。叶绿素a的变化整体呈先急剧降低后缓慢上升的趋势，如图4所示，2021年3月份各采样水体的叶绿素a浓度整体偏高，其中东湖和水处理装置进水叶绿素a的水平相对较高；经过人工喷洒药剂治理，5月份各采样水体的叶绿素a水平整体降到10 mg/m3以下，随后又在7月份和9月份呈上升趋势。

图3 陶然亭湖各采样水体不同月份的COD浓度

图4 陶然亭湖各采样水体不同月份的叶绿素a浓度

陶然亭湖为封闭水体，且补水量小，仅能维持蒸发和渗漏的水量，易造成湖水中有机物和污染物积累[11]。根据蓄水量和年补水量可知，陶然亭湖每年换水频率约为2次。现有水循环装置每天处理水体积2×104m3，一次循环周期需要12 d，未达到国家再生水用于景观水体每5 d换水1次的要求。这表明陶然亭湖水循环动力不足，导致湖区存在局部水域不流通现象，同时湖区内水质蒸发、渗透、浓缩等使得水中营养物质浓度升高，导致藻类滋生，影响景观效果。此外，南护城河补水水源主体也是再生水，虽然整体上水质符合《北京市地表水功能区划》Ⅳ类标准，但单一再生水为水源构建的水生态环境具有一定的生态敏感性和脆弱性[12]。

4.2.2 水处理装置的净水效果

选取2021年9月份水处理装置进出水的水质进行分析对比，按去除率=(进水数值-出水数值)/进水数值×100%公式，计算出陶然亭湖水处理装置的净化效果。

如表3所示，2021年9月份陶然亭湖水处理装置对TN、TP、NH3-N、COD、叶绿素a的去除率分别为12%、35.3%、25.3%、6.7%和10.0%，整体去除效果欠佳，并且进水水质类别未能得到改善。作为陶然亭湖水体主要水质治理措施，现有水处理装置无法满足水质处理需求，难以对湖水进行有效治理。

表3 陶然亭湖水处理装置进出水水质指标及去除率

4.3 底泥数据分析

依据《再生水环境底泥/沉积物污染风险评估技术指南》，数据检测结果如图5所示。结合《北京市土壤类型及养分含量分布情况》推断，南湖区域底泥营养盐污染可能与再生水养分沉积络合有关；华夏名亭园在2017年新建湖道时未铺设底泥，现有的底泥多来自岸边绿化冲击的土壤及凋谢、腐烂的植物等物质，引发内源污染，导致有机质含量偏高[13]。自2010年水质改善建设工程后，陶然亭湖底未进行过清淤，本次调研数据也表明，陶然亭湖的底泥由于长期未得到清理，氮磷营养盐的污染已达到中度或重度标准。底泥是水体二次污染的重要来源[14]，陶然亭湖水质时常出现波动，很可能与底泥污染物的不断释放有关。

图5 底泥污染物评价

5 水质改善技术措施

经过研究数据分析，陶然亭湖水生态环境主要存在水生态、底泥、水质处理3个方面问题：湖区整体水生态不完整，部分季节藻类繁殖严重，水体色度高，透明度低，严重影响景观效果；水环境容量较低，补水源水量较少，导致水质自净能力差；底泥污染程度高，部分区域底泥状态达到重度污染以上，严重影响水质；公园现有处理装置鉴于原功能设计所限和设施老化，水质、水量处理能力已不能满足现有湖水处理的需求。

为针对性解决陶然亭湖水质问题，本文筛选论证出的技术措施包括增设水处理循环装置、水体生态构建、水力流态优化、原位强化污染物控制、智慧监测预警等多维度处理技术，以期实现公园水生态环境的长效治理。

5.1 水处理循环装置增设

通过评估东线处理设施状况对现有管线、水泵等设备进行利旧，同时根据现场实施条件在适宜位置新增水处理设备。该技术措施是通过人工强化净化水质，对湖水进行旁路循环处理，能有效去除水中磷及单细胞藻类，降低水体富营养水平，抑制藻类的滋生。

5.2 水生态系统构建

根据陶然亭湖现场情况选择适宜本地生长的功能性水生植物，在西湖邻岸可构建区域水体内立体种植水生植物，以沉水植物为主，形成“水下森林”；将邻岸水域改造为潜流湿地，利用配套设施循环净化湖水[15]。同时在水体内投放水生动物和微生物菌剂，科学精准构建景观湖水生态系统，实现水体的长效自我净化，维持系统的良好稳定运行[16]。水生态构建不仅加强水体自净能力，同时还可以提升水体景观效果，而且不影响公园游船等设施的正常运行。

5.3 水力流态优化

西湖码头区域现有结构及植物布置造成水体无法与湖区水体进行有效的循环，导致水质变差，水面漂浮物及藻类的滋生造成水体感观较差。通过增设水面曝气及水体推流装置，提高水体流动性并增加水体溶解氧水平，同时优化区域内水生植物布置，加强水体的循环置换，保证该区域水体感观良好。

5.4 底泥治理

通过底泥质量评估体系，底泥是成为水质恶化的主要内源污染物之一，其释放的溶解性氮、磷成为藻类生长提供营养源[17]。采用底泥营养盐释放抑制剂对底泥进行原位修复，底泥营养盐释放抑制剂是一种绿色、环保、无污染的修复制剂，主要组成物质是氨基多糖螯合盐，其不含任何重金属物质，其具有化学与生物双重作用，不会对底泥和水质产生污染。该抑制剂可以降低底泥中的有机污染物释放速率，阻断底泥中氮、磷元素的释放，还可有效地缓解底泥的黑臭现象。

5.5 智慧监测预警

通过智能浮岛对湖区全范围自主巡航，并且对全湖区水质和水生态系统进行实时监测、全面分析，对湖区时间维度和空间维度水质变化情况进行跟踪及预测，实时反馈至控制系统，对水处理设施的水量进行智能调控，降低运行成本。高效的智慧运维系统结合科学的运维管理方案(包含日常及应急情况)，总体可以实现湖水水质的稳定控制，维持西湖的良好水质和生态。