丹江口水库水体富营养化生态修复对策初探

第19卷Z2期2010年12月长江流域资源与环境

Resources and Environment in the Yangtze Basin Vol.19Supp.2Dec.2010

文章编号:1004-8227(2010)Z2-0165-07

丹江口水库水体富营养化生态修复对策初探

汤显强1

,杨文俊2

,尹

炜3

,金

峰1

,叶

闽

3

(1.长江科学院,湖北武汉430010;2.长江水利委员会国际合作与科技局,湖北武汉430010;

3.长江流域水资源保护科学研究所,湖北武汉430051)

摘

要:生态修复是流域面源污染控制与水体富营养化防治的重要手段。为了改善丹江口水库生态环境,保障大

坝加高后水库水质安全,分析了库区水质现状和主要污染负荷来源,结果发现点源污染得到逐步控制后,面源污染上升为丹江口库区的主要污染来源,氮磷等营养盐的输入和聚积是水质恶化和生态受损的重要原因,极大威胁到库区长期可持续安全供水。在丹江口大坝加高和调度运行情景下,以氮、磷削减和水体富营养化控制为目标,介绍了岸边带、人工湿地、植物浮床、沉水植物恢复、水生动植物联合系统、前置库等主要生态修复技术的污染净化原理和水体修复性能,总结和比较了这些修复方法的技术特征、适用范围和管理要求,探讨了适合丹江口水库环境特征的生态修复对策。

关键词:丹江口水库;生态修复;富营养化;对策文献标识码:A

1丹江口水库水质现状及污染源分析

丹江口水库的环境保护与生态建设,直接关系

到南水北调的水质安全和整个工程效益的发挥。2004~2005年丹库、汉库、小三峡及陶岔断面监测结果表明:丹江口库区氨氮基本维持类,但总氮范围为0.73~2.22mg/L,其最大值达

类或劣类,

库区水质已处于中营养状态[1]

。丹江口水库周边多为丘陵垄岗区,流域内土地利用类型丰富、乡镇企业众多,工业污水、村镇生活污水、农业地表径流、农产品加工废水、养殖废水等任意排放、水库沿岸农村生活垃圾、农作物秸秆、人畜粪便形成的固体废物是丹江口水库的主要营养盐污染负荷来源[1]。丹江口库区点源污染得到逐步控制后,面源污染则上升为丹江口库区的主要污染来源之一[2]

,丹江口水库受纳的年污染负荷现状最大值中,面源贡献率化学需氧量约占25%,氨氮约占50%[3]。

此外,丹江口水库大坝加高和调度运行后,回水区内滩地沉积物或耕地中积累的大量氮、磷将在风浪和库水的横向、纵向运动作用下向上层水体释放。面源污染以及沉积物污染释放将削减水库纳污容

量,诱发生态系统受损和失衡,威胁丹江口水库水源区水质和水生态安全。丹江口水库水量庞大、水质要求高,传统物理、化学和生物水处理技术不适宜用于库区水环境保护与建设,而应倾向于采用生态工

程法保障库区水质安全。考虑到丹江口水生态环境建设和保护的重要性、迫切性、综合性、系统性和复杂性,本文充分总结、分析国内外湖库水体富营养化生态修复技术,探讨并提出适合丹江口水库自身建设和发展特点的水体生态修复方案和对策。

2水体富营养化生态修复技术研究进展

湖泊、水库等淡水水体富营养化的严重性已受

到国内外普遍关注,流域面源污染也成为国际上水环境问题研究的活跃领域。以生态学观点为指导,

采取多学科综合整治的策略,成为当今世界流域面源污染控制技术的总体思路。运用农业生态学、恢复生态学、环境科学、生态水力学和系统工程的基本原理和方法,研发出的岸边带(河岸带、湖滨带等)、人工湿地、植物浮床、水生植物恢复、水生动植物联合系统和前置库等最具应用价值和代表性

[4,5]

。

收稿日期5;修回日期6基金项目水利部公益性行业科研专项经费项目丹江口水库水质安全保障技术研究;长江科学院博士启动基金人工湿地营养盐去除模

拟研究作者简介汤显强(~

),男,湖北省竹溪人,工程师,博士,主要研究方向为水资源保护与水污染控制x qq @:2010-0-14:2010-0-17

:/0/0

:1981.E -m ail :t om https://www.doczj.com/doc/0f18211387.html,

2.1岸边带

岸边带定义首次出现在20世纪70年代,当时人们将岸边带(Riparian Zone/Area)定义为与水体发生作用的陆地植被区域。岸边带对增加动植物物种种源、提高生物多样性和生态系统生产力、进行水土污染治理和保护、调节微气候和美化环境等均有重要的现实和潜在价值[6]。美国农业林业部(US-DA)1991年调查发现,85%的磷随着沉积物中的细小颗粒迁移,岸边带植被的过滤功能可以显著减少磷含量[7]。Peter john和Correll认为岸边带可滞留89%的氮和80%的磷[8]。近年来,国外岸边带的研究重点涉及氮磷等营养盐在沉积物、地表径流和地下径流间相互迁移、扩散、转化和去除。

国内岸边带的理论研究与实践均较为薄弱,工作大多为讨论和总结国内外岸边带功能、发展趋势,以及利用河流生态学、恢复生态学、水文学以及植物学等学科知识探讨受损岸边带的恢复重建等,并在此基础上提出我国岸边带研究的努力方向[9,10]。水质净化方面,曾对白洋淀周边岸带开展过研究,结果发现290m长的植被小沟对地表径流总氮和总磷的截留率分别为92%和65%;4m芦苇根区土壤对地表径流总氮和总磷的截留率分别是64%和92%,岸边带能有效过滤、吸收、滞留、沉降物质和能量,降低地表水和地下水污染程度[11]。此外,西太湖河网区进行了恢复与退化岸边带湿地生态与水环境功能的实践,结果表明滨岸带湿地可使入湖悬浮物降低90%以上,通过植物对水体及沉积物中可溶性氮的有效吸收以及颗粒态氮的自然沉降,上游来水总氮含量下降了85%[12]。

2.2人工湿地

人工湿地是自然湿地的人工演变,主要通过对湿地内填料、植物和微生物的优化管理实现污染物去除性能的强化[13,14]。随着对湿地内部基质吸附、植物和微生物吸收过程的研究深入,大量的人工湿地用于去除富营养化水体中的有机物、氮和磷,甚至推广至水源保护[15]。研究结果表明人工湿地去除有机污染物通常可达到80%~99%[16],但无机氮、磷去除率相对较低。在欧洲,大多数潜流湿地去除氨氮和溶解性活性磷通常低于50%[17,18]。在处理以氨氮为主的富营养化水体时,氮的去除效果更差[16]。因此,一些湿地设计及运行改良措施如填料内部直接曝气、植物根区曝气、水位循环波动、"潮汐流"、出水回流等方式用于提高湿地溶解氧利用率,进而提高氮磷去除效率[~]。国内研究人员成功借鉴曝气生物滤池、接触氧化技术的优点,引入间歇人工曝气和生物填料对传统潜流湿地进行工艺改良。与传统潜流湿地相比,间歇曝气可使氨氮和溶解性活性磷去除率分别提高25.04和7.68个百分点[22],生物填料的使用可使氨氮和溶解性活性磷去除率分别上升13.38和9.29个百分点[23]。

国内积极开展人工湿地控制面源污染研究,在/八五0攻关课题/滇池防护带农田径流污染控制工程技术研究0中,首次引进人工湿地技术处理农田径流并取得十分满意的社会环境效益,为我国和发展中国家控制农业面源污染提供了具有参考价值的技术方法[6]。目前,我国在滇池抚仙湖、星云湖、洱海等许多湖泊面源污染控制中采用人工湿地技术[24]。太湖流域面源污染控制过程中,研究者成功借鉴人工湿地和快速渗滤技术的特点,开发出透水坝,4个月的运行结果表明透水坝可去除15.59%和23.44%的总氮和总磷[25]。

2.3植物浮床

植物浮床是根据植物自身的生长规律和特点,把高等水生植物或改良的陆生植物,以浮床作为载体,种植到水体表面的一种富营养化水体修复技术[26]。除植物类型外,环境边界条件对浮床植物氮磷去除效果影响显著。pH值通过影响植物的生长状况和营养盐的赋存形态,进而决定植物水体净化效果[27]。以薏茨为例,pH4和pH5条件下薏茨对总氮去除率可达到77.75%和78.30%,总磷去除率达到70.02%和73.52%,显著高于其他pH范围(5

2.4水生植被恢复

水生植被恢复是根据湖泊、河流、水库等水环境条件,采用恢复、引建或重建的方式种植沉水植物,进行水生态修复和水质改善净化的技术。和浮水植物类似,沉水植物直接与水体及污染物接触,能够通

166长江流域资源与环境第19卷1921

过对氮磷等营养盐的竞争、分泌具备/克藻效应0的他感物质杀死或抑制藻类生长,并通过茎叶及其分泌的生物和非生物物质有效吸附沉降悬浮物,改善水体透明度[32]。此外,沉水植物的根系释氧作用能改善底层水体的溶解氧水平,在固定底泥的同时,减少或抑制氮磷等营养盐的释放[33]。研究发现伊乐藻、金鱼藻、苦草、菹草能使水体溶解氧浓度最大值达到20mg/L,金鱼藻和马来眼子菜的总氮去除效率可达到371.43Lg/(d.g鲜重)和362.62Lg/(d.g 鲜重),菹草对总磷的去除能力最强,达到93.11Lg/ (d.g鲜重),分别是苦草和伊乐藻的1.7和1.8倍[33]。

沉水植物的形态、生物量和植物生理等受生长季节影响。金鱼藻和伊乐藻在春季生长较快,菹草为冬春季生活型植物,其生物量在春季表现出负增长;夏季金鱼藻增长率比春季低约70.55%。季节性变化影响沉水植物生长习性,进而影响营养盐去除,春季和夏季不同沉水植物的总磷去除效果顺序分别为金鱼藻>伊乐藻>菹草和金鱼藻>苦草>狐尾藻[34]。同等环境条件下,试验期间植物体内氮磷营养盐浓度变化能直接反映不同植物的水体净化性能。冬季伊乐藻富集总氮的能力优于菹草,但富集总磷的能力劣于菹草。进入初春,沉水植物富集总氮和总磷能力的顺序分别为微齿眼子菜=伊乐藻>竹叶眼子菜和微齿眼子菜>伊乐藻>竹叶眼子菜。以伊乐藻为例,初春试验期间,其体内总磷浓度从初始的3.57mg/g增加到4.84mg/g,增长率为35.57%[35]。

2.5水生动植物联合系统

水生动植物联合系统是利用水生植物、微生物、水生动物等生态要素的有机结合,充分发挥各要素在空间和时间上生态位的差异,实现优势互补和稳定高效的水体修复效果。水生动植物联合系统在城市景观富营养化水体治理中应用较多,在狐尾藻、梭鱼草、苦草、睡莲、鲢鱼和鲫鱼等要素搭配组建的系统中,总氮去除率高达97.14%(初始浓度7.12mg/ L),水生植物在营养盐去除中居主导地位,鲤鱼和鲫鱼通过影响浮游动植物生物量,改变和调控水体生态系统的生物群落结构[36]。在以喜旱莲子草、软性泡沫和固定化氮循环细菌组成的新沂河治理系统中,总氮和总磷的去除率分别为%和5%,但系统受温度影响较大,当水温低于后,总氮和总磷去除率迅速降至6%和%(5)[3]。

以水花生和组合填料等组建的生物栅处理系统中,当进水总氮和总磷浓度分别为1.1~2.3和0.2~ 0.4mg/L时,系统可去除50%和74%的总氮和总磷,且生态系统发育良好,有轮虫、钟虫等生长[38]。此外,在引水环流、水体增氧、水体生物修复、底泥生物修复、植物浮床、湖滨带建设、调整鱼类养殖结构等措施治理的小翠湖,总氮和总磷浓度分别由2.3和0.35mg/L下降至1.74和0.18mg/L[39]。

2.6前置库

前置库技术通过闸坝的设置改变水力条件,延长水力停留时间,强化水体中的泥沙、悬浮物沉降过程,削减进入湖库的污染物含量,达到水质净化目的。国外特别是丹麦、捷克、德国等国家进行了积极广泛的前置库控制流域面源污染研究[40,41], Benndorf和P tz等详细探讨前置库去除营养盐的机理和光照、水力停留时间、微生物活动等影响因素,提出在水深和光照交互作用下的氮磷等营养盐去除机理和控制过程以及相关设计参数[42,43]。数值模拟是前置库研究中的另一重要手段,二维和三维数值模拟结果表明入湖河道建设前置库可有效控制湖泊污染[44]。前置库通过对泥沙、悬浮物的沉积滞留,以及库内微生物的转化、降解和去除,能够有效削减有机物和氮磷等营养盐。研究发现河口前置库对正磷酸盐和总磷的去除率分别达到34%~ 64%和22%~46%[40];受浮游植物生长等影响,前置库在夏季可去除80%的SRP(溶解性活性磷),然而,浮游植物大量繁殖影响悬浮颗粒物沉降,造成总磷去除率不足25%[45],前置库在控制流域面源污染和防治水体富营养化方面具备较强优势。

国内前置库研究起步较晚,但也在天津于桥水库、云南滇池以及太湖流域得到应用。建于20世纪90年代的天津于桥水库前置库,有效截流了入库泥沙和营养盐,控制了藻类过渡繁殖和水华爆发,是前置库修复富营养化水体的成功典范[46]。滇池前置库研究结果显示,133.3万m3库容的前置库每年分别可拦截悬浮物150000t,总氮96~160t和总磷11~19t[47]。此外,前置库在太湖流域的河网地区控制面源污染方面也效果显著,由生态河道、人工湿地、生物操纵和水生植物净化组成的前置库系统,在无降雨和小降雨输入期间,总氮、总磷和悬浮物进水浓度分别为0.89~3.25、0.05~0.16和10~65mg/ L;此时总氮、总磷、悬浮物平均去除率分别达到65%、53%和6%;强降雨期间,总氮、总磷和悬浮物进水浓度分别为~、~5和5~56L,总氮、总磷、悬浮物去除率最高可

167

Z2期汤显强等:丹江口水库水体富营养化生态修复对策初探

29.87.9

10e 0. 4.2e7

.14. 2.9

4.2411.840.11 2.2 104mg/

达91.7%、96.2%和96.8%[48]。

3水体富营养化修复技术特征分析与比较

岸边带、人工湿地、植物浮床、水生植被恢复、水生动植物联合系统、前置库是目前应用最为广泛的流域面源污染控制与水体富营养化修复技术。总体来看,岸边带自然化特点明显,侧重植被的恢复、改建与重建;人工湿地、植物浮床、水生植被恢复分别是基于挺水植物、浮水植物和沉水植物开发出来的水处理技术;水生动植物联合系统是一个立体水处理工艺,通过水生植物、微生物、水生动物丰富食物链结构、弥补生态位在时间与空间上的差异,在优化改善生态系统的基础上净化水体。前置库去污偏重于物理过程,通过对入库泥沙和悬浮物的有效沉降滞留,控制和削减进入主库的营养负荷,达到水质净化的目的。

为了更好指导水体富营养化修复实践,笔者从构成要素、去污原理、技术特征、适用条件以及管理重点对上述技术进行总结和分析,具体见表1。从表中可看出,岸边带、人工湿地、植物浮床、水生植被恢复、水生动植物联合系统适用于环境条件适宜的湖泊和库湾浅水区,人工湿地、前置库适合对入湖(库)水体进行处理和净化。水生植被恢复和水生动植物联合系统对水质特别是透明度要求较高,适合修复轻度和微污染水体。岸边带、人工湿地、植物浮床、前置库对水质要求相对较低,均可修复重度、中度和轻度富营养化水体。最后,岸边带、人工湿地和前置库可用于湖泊、水库等大型水体的修复,植物浮床、水生植被恢复和水生动植物联合系统在公园、城市景观河道等小型水体修复上更具优势。

表1水体富营养化生态修复技术比较

Tab.1Comparison of Differ ent Eutrophic Water Ecological Restoration M et hods

技术名称

构成要素

植物填料微生物去污机理

技术特征

优点不足

适用条件

水质水体

管理重点

岸边带挺水植物土壤、砾石

等

土著微生物

沉降、滞留、填

料吸附、植物

吸收、微生物

同化

颗粒态污染物去

除效率高,自然度

高,无需额外占地

维护植被多样性

和稳定性困难,地

理地形要求高

重度、中度和

轻度富营养化

水体

湖库、河流

等水体

植被的维护

与收割

人工湿地挺水和浮

水植物

土壤、砾石

及粉煤灰、

陶粒、矿渣

等

土著微生物

沉降、滞留、填

料吸附、植物

吸收、微生物

同化

颗粒态,溶解态污

染物去除效果好,

抗冲击能力强

占地面积大,填料

容易堵塞或饱和

重度、中度和

轻度富营养化

水体

湖库、河流

等水体

植被维护和

收割,填料

防堵塞

植物浮床浮水植物软性泡沫、

竹子等

土著微生物

或微生物制

剂

沉降、植物根

系吸附和组织

吸收、微生物

同化

直接净化水体,景

观效果好,无需额

外占地

净化主体单一,影

响防洪、成本高,

植物死亡易造成

二次污染

中度和轻度富

营养化水体

公园、河流

和湖库等局

部水体

植被维护和

收割,床体

放置与运行

水生植被恢复沉水植物

底泥、沉积

物

土著微生物

或微生物制

剂

沉降、植物根

系吸附和组织

吸收、微生物

同化

直接净化水体,修

复底栖生态系统,

固定底泥,防止污

染释放

影响防洪,水深低

于3m,植物培育

和管理不易,死亡

易造成二次污染

轻度和微污染

富营养化水

体,水体透明

度要求较高

公园、河流

和湖库等局

部水体

植被维护和

收割

水生动植物联合系统浮水、挺

水和沉水

植物

软性纤维等

人工材料

土著微生物

或微生物制

剂

沉降、滞留、植

物吸收、微生

物同化

立体去污,生态系

统健康稳定

成本、操作要求

高,植物死亡易造

成二次污染

轻度和微污染

富营养化水体

公园、河流

和湖库等局

部水体

植被、生态

系统的健康

维护

前置库))土著微生物沉降、滞留、微

生物同化

颗粒物去除效果

好,维护简单

溶解态污染物去

除效果较差

重度、中度和

轻度富营养化

水体

湖库、河流

等水体

库体沉积物

的清淤

4丹江口水体富营养化修复对策

以上讨论分析得知,前置库、人工湿地和岸边带最适合湖泊、水库等大型水体富营养化控制。然而,丹江口库区周边山高坡陡,不适合构建岸边带和人工湿地。此外,库区大坝加高后,现有河口和库湾滩地,以及大量耕地将处于回水区,河口和库湾被淤积且长期处于干湿交替,造成沉积物中营养盐的大量释放。为了削减入库营养盐负荷,笔者结合前置库、人工湿地等技术的优点,提出一个具备防淤消浪、污染净化的生态过滤净化库技术,见图。

从图可看出,生态过滤净化库主要由挺水植物、浮水植物、鱼类等水生生物、生态过滤坝(顶部可与

168长江流域资源与环境第19卷

1

图1生态过滤净化库示意

F ig.1Scheme for Ecological F iltration

and P ur ification Dam

主库进行水体交换)等组成,系统具有以下特点和优势:

(1)临近岸边的浅水区内种植挺水植物,对陆源或入库污染物,进行阻截、过滤和吸收,这是系统的第一道水体修复屏障;

(2)在坝前深水区和岸边浅水区的过度区域适当种植浮水植物,在改善生态系统、给鱼类提供食物、隐蔽条件同时,进行水质改善和净化;

(3)坝前深水区进行无饵养殖,通过收获鱼类等水产品补偿回水区内耕地淹没的经济损失,同时去除部分氮磷等营养盐;

(4)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,实施主库区水质保护。另外,过滤坝的出现,有效抑制因回水区周期性的交替落干造成的沉积物营养盐释放,同时还能避免回水区内耕地在水位落干时进行农作,减少化肥、农药入库量;

(5)无论主库是否调度运行,净化系统将能保证在一定水位运行,能够实现水体修复的稳定和高效运行。

5结语

丹江口水库面源污染防治与水体富营养化修复对南水北调工程效益的正常发挥意义重大,本文通过系统分析比较国内外现有流域面源污染治理和富营养化技术,结合前置库、人工湿地等工艺优点,从理论探讨出发,研究提出具备防淤消浪、水体净化的生态过滤净化库技术。然而,为了指导库区的水体修复实践,还应对该技术进行以下研究和完善()采集库区回水区内典型河口滩地沉积物和耕地土壤等样品,研究干湿交替条件下沉积物和土壤氮磷释放规律及影响因素。

(2)优化选择库区及周边地区生长迅速、水体净化性能突出的水生植物,研究植被对河口滩地沉积物和土壤的修复性能。

(3)基于水库的调度运行和回水区现状,进行生态过滤净化库水体净化模拟研究,探讨过滤坝的设置参数以及鱼类放养种类和密度。

(4)依据氮磷等在沉积物、水体、水生植物和水生动物中的含量变化,分析生态过滤净化库的净化机理,评价各要素在污染去除中的贡献。

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170长江流域资源与环境第19卷

:0 4.

29.48.

J.20017:1418.

ECOLOGICAL RESTORATION STRATEGY FOR DANJIANGKOU

RESERVOIR WATERBODY EUTROPHICATION

T ANG Xian -qiang 1

,YANG Wen -jun 2

,YIN Wei 3

,JIN Feng 1

,YE Min

3

(1.Chan gjian g R iver Sci ent ific Research Ins tit ut e,Wuhan 430010,Chin a; 2.Bur eau of Int ernati o n al Cooperat ion,

Science and T echnology o f Chan gjian g Wat er R es o u rces C o m missi o n ,Wuhan 430010,China;

3.Changjiang Wat er Resources Prot ect ion Inst it ut e,Wu han 430051,China )

Abstr act:Ecological restoration is the most effective strategy for water shed non -point source pollution con -trol and water eutrophication prevention.In or der to improve the ecological envir onment for the Dan -jiangkou Reservoir and guar ante the water quality safety after the dam heightening project,we evaluated the water quality status and analyzed the major water pollution loadings.It indicated that non -point sour ce pollution dominated the total pollution loadings after the contr ol of the point sour ce pollution.Nutrient in -cluding nitrogen and phosphorus input and accumulation led to the water quality deterioration and ecolog-i

cal damage,and threatened the sustainable and safe water supply.Under the dam heightening and opera -tion r egulation conditions and with the aim of nitrogen and phosphorus reduction and water eutrophication control,contaminant purification mechanism and water restor ation performance were intr oduced for the main ecological r estoration approaches,including riparian zone,constructed wetland,floating island,sub -mer ged macrophytes restoration,aquatic fauna and flora combined system and pre -dams.At last,ecolog-i cal restoration str ategy that suitable for the environmental characteristics of the Danjiangkou Reservoir was explored after summar izing and analyzing the technique features,application range and management re -quirement of the above leading ecological restoration methods.

Key words:Danjiangkou Reservoir;ecological restoration;eutrophication;str ategy

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Z2期汤显强等:丹江口水库水体富营养化生态修复对策初探