富营养化水库生态治理关键技术研究进展苏相毅

广西水利水电GUANGXIWATERRESOURCES&HYDROPOWERENGINEERING2018（3）0引言我国水库数量众多，共有98002座，总库容达9323.12×108m3[1]，水库蓄水是我国水资源配置的重要组成，2016年末，全国4049座大中型水库（尚有644座没纳入统计）蓄水总量为3953.7×108m3，约占全国地表水资源总量的12.6%[2]。我国水库饮用水供水功能日益突出，2011年，全国水库型饮用水水源4386处，占地表水水源地的37.6%，水库型水源地供水量为141.97×108m3，占水源地总供水量的30.8%，是数量和供水量仅次于河流的水源地[1]。目前全国约有30%左右的水库处于富营养状态且形势日益严峻[2-6]。富营养化一般指的是人类活动加剧导致的水体中氮、磷等营养盐大量增加，使得水生态系统初级生产力提高，从而对水生态系统的结构与功能产生负面影响的过程[7]。富营养状态水库的主要特征有：①以藻类为代表的水生生物量高，蓝、绿藻占浮游植物比例高，藻类水华出现频率高，严重富营养化时水体动植物种类数量显著下降；②水体透明度低，有机颗粒物含量高，光衰减系数高；③水体夜间及下层中的溶解氧含量低、出现热分层期间底层水会发生缺氧现象，氧化还原电位低，氨氮是氮的主要存在形式，铁、锰则以Fe2+、Mn2+为主[8]。富营养化的主要危害是：①不断恶化水质，增加供水处理难度和成本；②藻类快速繁殖并不断向水体释放有毒物质，危害人、畜的健康；③水生物多样性下降，良好的水生态系统遭到破坏；④严重影响水体景观、娱乐功能的发挥；⑤出现水华现象还会导致水体中的鱼类大量死亡[7-10]。随着我国经济社会高速发展，人类活动加剧，导致污染物排放量快速增长。水体中氮、磷等营养盐来源于外源污染和内源污染，外源污染分为点源污染和非点源污染。点源污染主要为工业废水、生活污水以及其他有组织排放的废水；非点源污染主要来源是：地表径流、水力侵蚀、耕地的农药化肥流失、无组织排放的禽畜养殖粪便污水及农村生活污水、大气降水和降尘[8，11]。内源污染是指湖库沉积物释放的氮、磷营养盐及其他污染物。当前，水库富营养化问题已成为我国饮用水安全保障以及水资源与水环境保护面临的重大问题，治理好富营养化水库对有效利用我国宝贵的水资源，保护好水环境，支撑国民经济稳定健康发展和开展生态文明建设均具有重大意义。1水库富营养化生态治理关键技术近年来，“控源截污、生态修复”已成为富营养化问题防治的共识[7]。在建设污水处理厂及收集管网、控制化肥和农药用量、禽畜养殖粪便污水收集处理等工程、管理措施之外，采用生态措施削减或控富营养化水库生态治理关键技术研究进展苏相毅1，陈非洲2（1.广西北海市水利工程管理处，北海536000，2.中国科学院南京地理与湖泊研究所，南京210008）[摘要]我国水库数量众多，水库蓄水既是水资源重要组成部分，更是仅次于河流的第二大饮用水水源。当前，水库富营养化问题日益严峻，严重威胁了我国饮用水和水资源的安全，水库富营养化问题亟需有效解决。回顾和总结了我国富营养化水库生态治理关键技术，分析了各技术的主要优缺点，探讨了富营养化水库生态治理技术研究存在的主要问题，并提出相应的建议。[关键词]水资源；水环境；水库；富营养化；生态修复[中图分类号]TV213.4；X524[文献标识码]C[文章编号]1003-1510（2018）03-00080-06·水环境·[收稿日期]2018-02-06[作者简介]苏相毅（1973-），男，广西合浦人，北海市水利工程管理处高级工程师，硕士研究生，主要从事水资源保护与管理工作。80DOI:10.16014/j.cnki.1003-1510.2018.03.021广西水利水电GUANGXIWATERRESOURCES&HYDROPOWERENGINEERING2018（3）制内外源污染，是富营养化水库治理的重点任务。1.1外源生态治理关键技术在点源污染得到有效控制的条件下，非点源污染逐步成为首要污染源，与点源污染相比，非点源污染具有随机性、广泛性、滞后性、模糊性、潜伏性、隐蔽性等特征[11]，削减或控制非点源污染的输入是富营养化水库治理的重中之重，而在河流入库口、河库岸带以及水库流域内的溪流沟渠等地方开展生态治理则是关键，主要有：用于河流入库口的人工湿地和前置库技术，用于河库岸带的植物缓冲带技术以及用于溪流沟渠的生态沟渠技术。1.1.1人工湿地技术人工湿地是通过模拟天然湿地的结构和功能，由土壤或其他人工基质、植物、动物、微生物等及其环境组成的复杂、综合的人工水处理系统[12-13]。人工湿地技术削减非点源污染的主要机理是：通过湿地的水生植物、基质以及微生物单独或共同产生的沉降、吸附、过滤、分解、固定、离子交换、络合反应、硝化和反硝化作用、植物营养元素的摄取、生物生命代谢活动的转化和细菌、真菌的异化作用来截留、吸收和降解等水体中氮、磷、有机质等污染物。人工湿地按水体在湿地床流动的不同方式划分为表面流人工湿地、潜流人工湿地、垂直流人工湿地以及组合人工湿地[14]。文献[15-16]报道，水库上游人工湿地的TN、TP年平均去除率分别在29%～63%、25%～50%之间。治理径流污染的典型人工湿地是Schueler等[17]提出的“池塘-湿地系统”，该系统由沉淀池（池塘）、跌水池、水生植物区（含高、低两个沼泽区）、过滤出水区以及应急溢洪口等组成；该系统应当具有以下特征：①收集并处理不少于90%的年径流量；②湿地面积与流域面积比值为0.01；③45%的区域面积作为深水池、25%作为低沼泽地带、30%作为高沼泽地带；④深水池占70%的水量，沼泽地带占30%的水量；⑤长宽比不小于1。宁波皎口水库湿地采用由水杉涵养林生态沟净化系统、多级强化生物膜系统、营养盐集约式植物资源化系统、生态浮岛系统、垂直潜流生态湿地系统、植物资源化与育苗基地组成的复合人工湿地系统，TN、TP年平均去除率分别可达34.7%和42.6%，在植物生长旺季，TN、TP平均去除率可达62.3%和60.9%[18]。人工湿地系统优点有：①建造费用低；②运行和维护费用低；③可改善局部区域生态环境；④可以产生直接经济效益和娱乐教育、景观旅游等间接效益。主要缺点有：①工程占地面积大；②水力负荷低，削减污染物效率不稳定；③削减污染效果季节变化较大；④要防止植物腐烂、淤泥沉积造成二次污染；⑤生物组分对有毒化学物质（如氨，农药等）较为敏感；⑥不宜处理污染负荷过高的径流[8，12-16，18]。1.1.2前置库技术前置库是指在入库河流进入主水库前修建水坝形成的小水库[19]。Klapper等（1957）欧洲学者早在20世纪50年代开始研究应用前置库技术，Ben⁃ndorf等[20-22]对前置库技术进行了系统研究，于1987年提出了一系列的前置库设计参数，使得在欧洲尤其是德国广泛应用前置库技术保护主库水质。于金钟等（1994）最早在国内报道了研究应用前置库技术治理水库富营养化的情况，目前我国前置库技术用于水库富营养化治理实践也较多[23-26]。前置库削减营养盐的作用机理与人工湿地类似[8]，它通常由沉降系统、导流系统和强化净化系统3部分组成。Benndorf等[22]研究结果显示，前置库在水力停留时间为2～12d的情况下，对TP的去除率可达22%～64%；Nakamura等[27]对霞浦湖前置库在2000～2001年暴雨季节净化水体效率的监测结果显示，暴雨期前置库对TN、TP的去除率分别达到28%～40%、34%～56%；由底泥清淤TN、TP的去除率分别是18%、42%。我国已建成运行的前置库TN、TP年平均去除率分别是20.47%～33.4%，20.17%～47.83%[23，25-26]。为提升前置库对营养盐去除效率，张永春等（2006）提出采用透水坝、生态浮床、生物操纵、植物拦截、微生物强化等技术与传统前置库系统进行组合，并在太湖流域实践中证明了能显著提高前置库系统的营养盐去除率。边博等[24]根据江苏溧阳塘马水库来水水质的设计了工艺流程为：沉淀区→浅水区→深水区→潜流人工湿地→强化净化区的复合型前置库，结果显示：系统水停留时间为1d时，TN、TP、CODCr的去除率分别达到67.2%、68.2%、89.3%；系统水停留时间为2～3d时，各污染物去除率增加较少并趋于稳定。前置库技术优点是：①可改变径流入库的水动力条件，提高水生生物削减营养盐效率；②可使主库水质免受突发性事件的污染；③可更灵活地使用各种生物强化措施，提高对径流污染的削减效率。81前置库技术缺点有：①工程占面积大；②要防止植物腐烂、淤泥沉积造成二次污染；③前置库营养盐去除效率季节变化大；④前置库的设计、营建和运行要充分考虑光照、温度、水深、水动力、库容、污染负荷大小以及超标准暴雨处置等因素，否则难以取得预期效果[8，14，23]。1.1.3植物缓冲带技术植物缓冲带技术是通过构建河流、水库岸边向岸坡爬升的植物缓冲带，以达到降低地表径流流速、减少地表径流通量和水力侵蚀而削减污染负荷的技术[8，14]。植物缓冲带用于水库正常低水位和最高水位线之间的区域时也称为消落带。国内外研究已证明植物缓冲带是削减非点源污染实用、有效的方法[11，28]。在实验室试验结果表明：植物缓冲带对地表径流中的SS、TN、TP的浓度去除率分别可达到81.27%、46.05%、73.28%以上，负荷削减率达到89.56%、69.93%、85.11%以上[11]。合理确定宽带是植物缓冲带技术的核心，Budd等（1987）提出通过对河流进行野外简单调查来得到合适的植被缓冲带宽度；Mander等（1997）提出植被缓冲带有效宽度与地表径流强度、坡长和坡度成正比，而与地表糙率系数、水流速度及土壤吸附能力成反比；李怀恩等[11]认为植物缓冲带对非点源污染削减作用主要发生在前10m，其后增加宽度对削减效率无显著提高；李林英等[28]提出了用于防治污染的植物缓冲带适宜宽度为30m。植物群落结构对植物缓冲带的削减营养盐效果有着显著的影响[11]，目前一般建议采用乔、灌、草结合的复合型植被[14，30-31]。植物缓冲带具有：①建设成本低、管理简单；②调节河流、水库微区域气候；③有利提高局部水生态系统的生物多样性；④可以营造景观，美化环境等优点；但同时具有：①短期效果不明显；②用地紧张区域难以满足设计宽度要求；③在水库消落带或水位常变动区构建的植物群落存在脆弱性问题等缺点[8，14，30，32]。1.1.4生态沟渠技术溪流沟渠是流域地表径流和农田排水向江河、湖泊、水库输出营养盐的主要通道[33-34]，国外的研究报道，生态沟渠是农业非点源污染源头控制的最佳管理措施[35]；国内的研究也表明生态沟渠技术对控制农业非点源污染有着良好的效果，对TN、TP的去除率分别可达到48.36%～64.3%、40.53%～70.0%[36-40]。生态沟渠系统由工程和生物两部分组成，工程部分通常包括渠体、生态拦截坝、拦截箱、节制闸等组成，生物部分由渠底、渠两侧以及拦截箱内的植物组成；植物一般采用对氮、磷营养盐吸收能力强，生长旺盛，具有一定经济价值或易于处置利用，并可以形成良好生态景观的植物种植[14]。生态沟渠具有不占用农业用地、工程投资省、运行费用低等优点，缺点是：①营养盐输出浓度季节变化大；②需要及时收割植物和清淤，否则容易造成排水不畅和二次污染[14，36，41]。1.2库内生态控制关键技术基于生态学原理，用生物-生态方法在水库内控制富营养化的技术主要有：生物浮床、生物操纵（食物链调控）、生物网膜等。1.2.1生物浮床技术生物浮床技术是一项利用可漂浮材料为基质或载体，在水面种植水生植物或陆生植物，通过植物根系的吸收和吸附、植物根系表面微生物膜的水解代谢、植物与微生物的协同效应以及植物释放化感物质抑制藻类生长等作用，而削减水体中的氮磷营养盐、有机污染物和抑制藻类生长的技术[14，41-43]。它既可以用于削减水库水体中污染物，也可用于河道、溪流、前置库等地方削减