人工濕地集成工程的水質水生態效應研究

郭曉瑋，黃奕龍

(1. 深圳市大鵬半島水源工程管理處, 廣東 深圳 518119; 2. 深圳市水務規劃設計院, 廣東 深圳 518008)

水環境治理是我國當前及今后一段時間內水生態文明建設的重要內容，其治理措施包括了污水收集、轉輸送、處理工程，河道、湖泊面源及內源控制、處理措施等。基于費用效益、處理效果、景觀作用等方面的優勢，人工濕地工程得到了越來越多的關注。人工濕地是在一定的填料上種植特定的濕地植物，建立起一個人工濕地生態系統，利用所建設施的高程差異，讓污水流經濕地系統，使得其中的污染物質和營養物質被系統吸收或分解，進而讓水質得到凈化[1]。然而，已有的研究側重于人工濕地工藝及其短期水質效果，對于其長期水質改善作用，及其在水生態修復方面的效應鮮有報道[1-3]。本項研究擬以城市典型人工濕地和多水塘系統構建的集成工程為例，通過長期的現場監測，系統分析人工濕地集成工程的水質水生態改善效果，以期為人工濕地工程的績效評估，以及工程優化和運行管理提供指導。

1 研究區概況

深圳市洪湖人工濕地位于布吉河流域的洪湖公園，人工濕地工程采用了高效垂直流人工濕地系統水質凈化技術，從布吉河取水經系統凈化后為洪湖補水，濕地工程分一期(1 000 m3/d)、二期(400 m3/d)和三期(4 000 m3/d)，建設總規模為5 400 m3/d。在人工濕地工程的后端，建立了多水塘系統，形成好氧塘、兼性塘和厭氧塘的排列，進一步改善水質。

在濕地的建設過程中，充分考慮了濕地植物的水質凈化和景觀效果，采用了具有良好視覺效果和凈水作用的美人蕉、菖蒲、風車草、再力花、蘆葦等鄉土植物，取得了較好的環境效果。濕地自2004年12月完成三期工程建設后，工藝流程圖和總體結構如圖1和圖2所示。

圖1 人工濕地與多水塘工程工藝流程圖

圖2 洪湖人工濕地工程及采樣點示意圖

2 材料與方法

2.1 監測內容

試驗內容為人工濕地出水水質，以及不同湖泊位置的水生生物。水質監測包括DO、pH、DO、BOD5、NH3-N、TN和TP。水生生物監測包括浮游植物、動物和底棲動物的群落結構、豐度、生物量、多樣性指數，均采用水和廢水分析方法(第四版)和微型生物監測新技術。

2.2 樣品采集與分析

(1)浮游植物樣品的采集和分析。水樣量為1 L，用碘液固定，樣品在Nikon-TS100顯微鏡下進行觀察，藻類的鑒定依據胡鴻鈞和魏印心[4]介紹的方法。

(2)浮游動物樣品的采集和分析。原生動物和輪蟲定量樣品與浮游植物共用，樣品在Nikon-TS100顯微鏡進行種類鑒定，在進行計數、測量個體大小基礎上，計算個體重量。

(3)底棲動物樣品的采集和分析。定性樣品采用三角拖網，定量采用彼得遜采泥器，現場在樣品加入1%福爾馬林進行固定，所有樣品在Nikon-TS100顯微鏡下進行種類鑒定、濃縮計數。

2.3 指數計算方法

參照張覺民和何志輝編著的《內陸水域自然資源調查手冊》[5]，計算香農多樣性指數計算，公式如下：

(1)

式中：H′為種類多樣性指數；S為樣品中的種類總數；Pi為第i種的個體數與總個體數的比值。

3 結果與分析

3.1 濕地進出水水質

人工濕地工程進水水質以及各期獨立出水水質如表1所示。由表1可知，濕地工程進水水質較差，氮和磷等營養鹽嚴重超標，均為劣Ⅴ類水體。經過濕地處理后，除NH3-N外(2.40～5.26 mg/L)，一期和三期出水其他水質指標基本可以達到III類水標準；相對來說，二期出水稍差，TP和NH3-N均為劣Ⅴ類水體。

表1 洪湖人工濕地進出水水質比較

3.2 湖體水質

人工濕地出水后，經過洪湖公園內的多水塘系統、水生植物系統后，水體質量得到進一步的改善，特別是DO的提高，以及N、P等營養物質的下降(見表2)。

從時間尺度來看，多次監測發現各水質指標數值較為穩定，特別是各營養元素的濃度較穩定，表明工程實現了長效運行。

表2 洪湖湖體水質變化趨勢

3.3 湖體水生生物

水生生物組成結構：2006-2014年洪湖湖體水生生物變化如表3和表4所示。由表3和表4可知，①浮游植物的藍藻門、綠藻門和硅藻門的物種數量均呈現下降的趨勢、其他門類的物種略有增加，浮游植物種類總體呈現下降的趨勢，由綠藻門占優勢演變為各門類相對均衡。且浮游植物優勢物種發生變化，總體呈現結構優化的趨勢。②對于浮游動物來說，由枝角類和橈足類占優勢演變為輪蟲、枝角類和橈足類種類數均衡的局面，浮游動物物種總數也呈現明顯增加的趨勢(2014年物種數比2006年增加5倍多)。③對于底棲動物來說，其物種數也呈現明顯增加、結構復雜化的趨勢(2014年物種數比2006年增加了4倍多)。

表3 2006-2014年洪湖湖體水生生物組成結構

表4 洪湖浮游植物優勢種

注：*優勢種：相對豐度>10%，5%<次優勢種<10%。

水生生物多樣性指數：湖體內4個時段的水生生物多樣性指數如表5所示。由表5可知，湖體內浮游植物多樣性指數較高，但近年來逐漸由2006年的5.37下降為2014年的3.25，可能與湖體內營養鹽逐漸減少，耐污種大幅度減少、清潔種緩慢增加有關；浮游動物多樣性指數近年來逐漸提高，由2006年的0.87上升為2014年的2.61，已經處于物種較為豐富的程度；浮游動物多樣性指數明顯提高，由2006年的0.56提高到2014年的2.13。

在湖泊內部各多樣性指數的比較發現，浮游植物多樣性指數以3號點最小，1號點最高，2號點居中，這可能與營養元素隨著多水塘系統的凈化處理，水質得到逐步改善有關(見表6)；而浮游動物和底棲動物多樣性指數是1號點較小，3號點最高，2號點居中的特點，說明經過多個水塘凈化后，末端的水塘具有最優的生境條件，具有較好的恢復水生態系統的條件。

表5 2006-2014年洪湖湖體水生生物多樣性指數

表6 洪湖湖體生物多樣性指數空間變異

與布吉河洪湖段相比，洪湖湖體的浮游植物多樣性指數是河道的2.36倍，底棲動物多樣性指數由河道的0提高到1.59，明顯具有生物多樣性富集的特點。

4 結 語

本項研究以深圳市洪湖公園人工濕地集成工程為例，分析其水質和水生態改善效果，得到如下結論。

(1)人工濕地工程出水水質較好，除NH3-N外，主要水質指標均可以達到III類水標準。

(2)人工濕地出水，經過洪湖公園內的多水塘系統、水生植物系統后，水體質量得到進一步的改善，特別是DO的提高，以及N、P等營養物質的下降，長期監測還發現人工濕地工程實現了長效運行。

(3)通過2006-2014年的長期監測發現，洪湖湖體浮游植物物種數呈現下降的趨勢，并由綠藻門占優勢演變為各門類相對均衡；浮游動物由枝角類和橈足類占優勢演變為輪蟲、枝角類和橈足類物種數均衡的局面，浮游動物物種數也呈現明顯增加的趨勢；底棲動物物種數呈現明顯增加、結構復雜化的趨勢。

(4)湖體內水生生物多樣性指數具有一定的時間差異性。2006-2014年間，浮游植物多樣性下降，但浮游動物和底棲動物多樣性指數呈現上升的趨勢，反映出湖泊多水塘系統在水生態修復中的作用。

(5)湖泊水生生物多樣性指數呈現一定的空間差異性，與人工濕地最近的1號樣點具有較高的浮游植物多樣性指數，與人工濕地最遠的3號樣點具有較高的浮游動物和底棲動物多樣性指數，說明經過多個水塘凈化后，末端的水塘具有最優的生境條件，具有較好的恢復水生態系統的條件。

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[1] 楊永興.國際濕地科學研究的主要特點、進展與展望[J].地理科學進展，2002,21:111-120.

[2] 李貴寶,周懷東,尹澄清.濕地植物及其根孔在非點源污染治理中的展望[J].中國水利，2003,(4):51-52.

[3] 蔣廷杰,齊增湘,羅 軍,等.人工濕地水質凈化機理與生態工程研究進展[J]. 湖南農業大學學報(自然科學版)，2010,36(3):356-362.

[4] 胡鴻鈞，魏印心.中國淡水藻類: 系統、分類及生態[M]. 北京：科學出版社，2006.

[5] 張覺民，何志輝.內陸水域漁業自然資源調查手冊[M]. 北京：農業出版社，1991.