兴隆湖水生态修复工程对水质影响的研究

王 朝，柴 夏，万陆军，周 超，赵 兵，杨 坤

(南京中科水治理股份有限公司，南京 210018)

前 言

城市湖泊是指位于大中城市城区或近郊的中小型湖泊[1]，具有旅游娱乐、洪涝调蓄、调节气候、改善生态环境等多种功能，城市湖泊经常被比喻为城市的一颗明珠，如杭州西湖等城市湖泊已经成为了当地旅游业发展的重要支撑[2]。然而随着经济社会的快速发展，大量氮、磷等营养物质随着人类活动进入到城市湖泊中，使得水体的富营养化程度不断升高，水生态系统功能减弱[3]。由于城市湖泊本身常存在流动性差、自净功能较弱等问题，城市湖泊水质控制逐渐成为一大难题，有些污染严重的区域还会出现水华现象，极大的削弱了城市湖泊原有的景观娱乐功能[4-5]。

随着国家社会对生态环境的保护意识和重视程度不断提高，越来越多的地区开始对城市景观水体开展水污染治理和水生态修复行动。多数湖泊通过控制外源营养盐负荷尤其是削减总磷含量，可以有效降低水体中叶绿素浓度和浮游植物生物量[6]。Peng等也发现，我国湖泊的富营养化类型大多属于P限制型[7]。但是对于长时间、大范围受到污染的水体，由于内源污染严重，仅靠减少外源营养盐的输入是无法有效控制湖泊富营养化和水质恶化的[8]。目前城市湖泊治理常用的方法涵盖了物理(如底泥清淤)、化学(如投撒药剂)、生物(如沉水植物群落、鱼类群落构建)等多个层面。其中，化学方法因投撒剂量难以掌握、易产生二次污染且可能还会引发一些其他问题对水生态系统造成破坏而受到使用限制。物理方法如清淤等，主要是用过工程措施直接去除污染物或改变水动力条件以提高水质，虽然见效快，但大多耗时、成本高，且并未从根本上解决问题[9]。相比之下生物方法则具有操作简单、治理效果好、成本低等优点，据相关数据表明，生物方法较传统的物理方法可节省80%的治理费用[10-11]，对环境影响小，基本不会存在二次污染的情况，能够科学地构建一个健康且能建立自我良性循环的水生态系统[12]，真正意义上做到原位生态修复。以生物方法为核心、物理化学方法为辅助的水生态修复技术已经越来越多的被应用到城市湖泊治理工作之中，例如杭州西湖[13]、武汉东湖[14]、成都麓湖[15]等近年来在局部或全湖范围内都开展了水生态系统修复工程，并取得了一定的效果。

兴隆湖位于天府新区成都直管区中，水域面积约2.8km2，是天府新区重要的生态涵养和水利调蓄节点。作为“公园城市”的首提地，兴隆湖的关注度极高，2020年天府新区开展了兴隆湖水生态提升工程以改善湖区水环境质量。然而不同于传统天然的城市湖泊，成都兴隆湖属于新开挖的人工湖，是在鹿溪河原有河道改造的基础上，利用低洼地形，壅水成湖。针对兴隆湖如此大面积的人工湖开展全湖水生态系统修复工程，在国内外也属少见。本文对兴隆湖水生态综合提升工程实施前后的水质监测数据进行了统计分析，通过梳理兴隆湖治理前后水质变化特征，分析判断本次工程对兴隆湖水质的提升效果，以期为类似城市湖泊尤其是新建人工湖的整体治理提供参考于参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

1.1.1 区域概况

作为天府新区特别是鹿溪河流域重要生态涵养和水利调蓄节点，兴隆湖于2013年11月开工建设，充分利用低洼地形，壅水成湖。兴隆湖设计水位为464.0m，水域面积约2.8km2，平均水深为2.5m，湖岸线长约11.7km。兴隆湖于2014年10月开始蓄水，补水水源为鹿溪河，水质标准为劣V类，湖区水质不容乐观。建成后湖区水质常处于V类和劣V类标准，其中TP、TN、NH3-N多处于劣V类标准，COD和CODMn多处于V类标准。为持续提高水环境质量，天府新区先后启动实施鹿溪河沿线截污管网、乡镇污水厂提标改造等措施，不断完善流域污水收集处理体系，兴隆湖水质较此前得到明显改善。2020年8月，天府新区决定开展兴隆湖水生态综合提升工程，将湖区内水质提升至地表水Ⅲ类标准，打造“水清岸绿”的生态景观，以满足周边老百姓日益高涨的环境需求。

1.1.2 兴隆湖水生态综合提升工程

兴隆湖水生态综合提升工程从湖区基底改良、湖底地形重塑、水生植物群落构建、鱼类群落构建、大型底栖动物构建、水体透明度提升等方面进行了全方位的水生态系统治理。其中，基地改良工程和湖底地形重塑工程主要是为水生动植物群落营造出适宜的生长生境，减少湖泊治理前存在的内源污染，是兴隆湖水生态修复工程的前处理。水生植物群落构建工程可在很大程度上提升水生态系统的自净能力，并改善湖泊水体景观效果，是兴隆湖水生态修复工程的主体内容。鱼类、大型底栖动物群落构建工程可有效提升水体生物多样性，使治理后的水生态系统能够成为一个健康且具有自我良性循环功能的水生态系统，也是兴隆湖水生态修复工程的主体内容。水体透明度提升工程则是兴隆湖水生态修复工程的保障工程。

1.2 水质测定评价方法

1.2.1 水质监测方案

本文对兴隆湖自水生态综合提升工程启动以来的定期水质监测数据收集后，共挑选了3个点位的完整数据进行了统计分析(图1)，3个点位的具体位置信息见表1。各项指标现场水样采集均采用500mL的透明硬质玻璃瓶进行，并且均在现场添加硫酸酸化以延长水样保存时间，采集后的水样基本于采样当天在实验室中完成了水质测定。具体水质样品保存方法依据《水质 样品的保存和管理技术规定》(HJ493-2009)。

表1 兴隆湖采样点地理位置Tab.1 Geographical location of Xinglong Lake sampling points

图1 兴隆湖水质采样点分布图Fig.1 Sampling sites of Xinglong Lake

1.2.2 水质测定方法

水质指标包含总磷、总氮、氨氮、COD、CODMn。各项水质指标测定均依据相关国家标准(表2)。

表2 水质测定方法Tab.2 Water quality determination method

1.2.3 水质评价方法

参考《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)对主要水质指标进行评价。

1.2.4 富营养化评价方法

在监测指标数据的基础上采用富营养化状态指数法对兴隆湖3个点位的富营养化状态进行评价，方法如下：

(1)确定各水质参数的营养状态指数[16]

TLI(Chl.a)=10*(2.5+1.086*ln Chl.a)

(1)

TLI(TP)=10*(9.436+1.624*ln TP)

(2)

TLI(TN)=10*(5.453+1.694*ln TN)

(3)

TLI(SD)=10*(5.118-1.94*ln SD)

(4)

TLI(CODMn)=10*(0.109+2.661*ln CODMn)

(5)

(2)相关加权综合营养状态指数

(6)

式中：Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(∑)为综合营养状态指数；TLI(j)为第j种参数营养状态指数。

(3)富营养等级划分

根据Carlson理论，判断出相应的富营养化等级。TLI(∑)<30为贫营养；30≤TLI(∑)≤50为中营养；TLI(∑)>50为富营养；5070为重度富营养。

1.3 数据处理方法

数据分析采用EXCEL 2006、IBM SPSS Statistics 25进行，作图采用SigmaPlot 12.5进行，地图绘制采用ArcGIS 10.2进行。

2 结果与讨论

2.1 治理前后水质指标变化情况

本次研究结果表明，治理前三个采样点位的总磷、氨氮、COD浓度值均处于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅱ类标准(图2)，这主要是因为兴隆湖的补水水源为东风渠，水源水质较好。据相关部门了解，东风渠于2021年对兴隆湖共进行了5次引水，3月份引水量为75.39万m3，4月份引水量为107.03万m3，5月份引水量为27.77万m3，9月份引水量为119万m3，12月份引水量为0.03万m3，2021年总引水量为329.22 m3，占比湖体正常蓄水容积的49.14%。

图2 兴隆湖主要水质指标治理前后变化情况Fig.2 Changes of main water quality indicators of Xinglong Lake before and after treatment

而在兴隆湖水生态综合提升工程改造完成后，1号点和3号点均降至Ⅰ类标准，治理效果显著(FTP=11.84P<0.01)(图3，表3)。同时，1号点和3号点的氨氮、COD浓度值在治理后也降至Ⅰ类标准，总氮浓度值从Ⅲ类标准降至Ⅱ类，(图2)，治理效果同样显著(FCOD=24.01P<0.01；FNH3-N=4.16P<0.05)(图3)。2号点各项水质指标浓度值在治理前后虽处于同一标准，但各项水质指标浓度值明显降低。(图2)。这主要是因为在水生态实际修复过程中，各点位均进行了较高生物量且不同品种的沉水植物群落构建，通过构建沉水植物群落可以有效对水体中的总磷、总氮、氨氮、COD等营养盐进行有效去除[17～22]，苏州潜龙渠[23]和长沙松雅湖[24]等的研究均证实了这一点。同时，兴隆湖水质综合提升工程还投放了大量的大型底栖动物包括螺类、贝类，能有效去除水体悬浮物，改善水质，并能控制浮游植物生长，在水质净化方面起着重要的作用[19]。有研究证明，1个成年美洲贝类(C.virginica)滤水速度为9.5L/h，可将水体中75%的叶绿素a滤食掉[25]。

表3 3个点位定期水质监测数据Tab.3 Regular water quality monitoring data of three sites (mg/L)

图3 兴隆湖主要水质指标治理前后箱型图Fig.3 Box plots of main water quality indicators of Xinglong Lake before and after treatment

2.2 营养化状态评价

按照综合营养状态指数法，计算出三个点位治理前后的综合营养状态指数(表4)。三个点位治理前的营养化指数值分别为39.67、37.33、38.15，营养化等级均为“中营养”水平。治理后三个点位的营养化指数值分别为33.46、32.65、31.66，营养化等级仍处于“中营养”水平，营养指数变化率分别为15.65%、12.53%、17.01%。

表4 兴隆湖三个点位治理前后水质营养化指数变化情况Tab.4 Changes of water quality nutrition index at three sites of Xinglong Lake before and after treatment

2.3 相关性分析

为找出各项水质指标和各采样点位间的同源性，分别进行了各指标不同采样点位间的相关性分析(表5)和各采样点位不同水质指标间的相关性分析(表6)，相关性越大，说明同源性越强或其影响因素基本保持一致。SPSS相关性分析结果表明，1号点和3号点的总磷、总氮、氨氮、COD浓度值在P<0.01水平上均呈现显著正相关(R2=0.801，R2=0.936，R2=0.888，R2=0.767)(表5)。同时，1号点和2号点的氨氮、COD浓度值在P<0.01水平上也呈现出显著正相关(R2=0.634，R2=0.906)(表5)，而总氮浓度值在P<0.05水平上呈现出显著正相关(R2=0.546)(表6)。此外，2号点和3号点的总氮、COD浓度值也分别在P<0.05和P<0.01水平上呈现出了显著正相关(R2=0.49，R2=0.592)(表5)。这可能是因为1号点靠近进水口，3号点靠近湖区出水口，且三个点位均位于湖区老河道附近，从1号点至3号点为湖区的水流方向，所以各项水质指标呈现出较为明显相关性。同时，在水生态工程进行期间，三个点位均进行了基地改良、湖底地形重塑以及沉水植物群落构建等修复措施，三个点位的水化学环境较为相似，因此，各点位间的各项水质指标变化表现出较强的相似性。

表5 兴隆湖主要水质指标三个点位间Pearson相关性分析结果Tab.5 Pearson correlation analysis results of main water quality indicators of Xinglong Lake among three sites

表6 兴隆湖三个点位不同水质指标间Pearson相关性分析结果Tab.6 Pearson correlation analysis results between different water quality indicators in three sites of Xinglong Lake

此外，三个点位不同水质指标间的相关性分析结果表明，1号点的总氮和COD浓度值变化在P<0.05水平上呈现出显著正相关(R2=0.48)(表6)。2号点和3号点的氨氮和COD浓度值变化在P<0.05水平上同样呈现出显著正相关(R2=0.47，R2=0.46)(表6)。这可能是兴隆湖在遇到补水或风浪较强时，底层有机物上升至表层所致。

3 结 论

(1)本研究中，兴隆湖通过开展水生态综合提升工程对湖区水质产生了明显的改善效果，水体中总氮、氨氮、总磷和COD的平均含量较治理前均有明显降低。其中，本研究区中的1号和3号监测点的总磷、氨氮、COD浓度值均降至了地表水Ⅰ类标准，且总氮浓度值也从Ⅲ类标准降至Ⅱ类。

(2)兴隆湖水生态综合提升工程实施后，3个点位的营养化等级虽未改变，但富营养化程度有所降低。在进行基地改良、湖底塑性以及沉水植物群落构建等一系列修复措施后，各点位间的水质指标表现出一定的相似性。

(3)兴隆湖水生态综合提升工程实施后湖区水质稳定达到地表水Ⅲ类标准以上，本工程的成功实施为大型城市人工湖全湖开展水生态修复建立了工程示范，为日后相关工程的建设提供了经验参考。