基于生態理念的人工湖水質保障措施探討

劉 杰， 溫黎明， 王 穎， 張湘隆， 郞 建， 吳 迪

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于生態理念的人工湖水質保障措施探討

劉 杰， 溫黎明， 王 穎， 張湘隆， 郞 建， 吳 迪

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

在湖泊生態系統理論的基礎上，提出了一套著重提升人工湖水體凈化能力的水生態系統構建思路和方法。措施體系主要包括湖區良好水體生境營造、水生態系統構建和生態輔助強化措施等，并選取了各體系典型措施進行探討。本研究成果對構建健康、穩定的人工湖水生生態系統具有指導意義。

人工湖； 水生態系統構建； 水質保障

0 前 言

湖泊是陸地水圈的重要組成部分，與生物圈、大氣圈、巖石圈等關系密切，具有調節區域氣候、維持區域生態系統平衡和繁衍生物多樣性等特殊功能。隨著社會的發展和人們生活水平的提高，我國人工湖(如湖泊型濕地公園、景觀湖、水庫等)的建設逐年增多。但在人工湖泊設計和建設過程中，往往過多地注重于景觀設計和雕琢，反而忽略了湖泊最本質的內涵因素——水質和水生態，導致建成后的人工湖外景雖美，內在水生態系統卻很脆弱，水體自凈能力差，水質嚴重惡化，水生動植物死亡，影響周邊環境。如北京陶然亭公園、武漢蓮花湖公園、上海豫園等人工湖的水體富營養化，藻類爆發時有發生，重景觀輕生態的設計理念正是造成這種后果的重要原因[1]。

因此，本文在湖泊生態系統理論的基礎上，著重探討和總結人工湖水生態系統構建和水質保障措施體系，這無論對新建人工湖泊的健康水生態系統構建，還是生態退化的湖泊水生態修復，都具有指導意義。

1 人工湖水生態系統構建技術路線

人工湖的水生態構建和水質保障是一項復雜的、系統性的工程，本文在生態學、水生生物學、環境工程學、景觀生態學等理論基礎上，綜合國內外相關工程的設計及實施經驗，提出了一套著重提升人工湖水體自凈能力的水生態系統構建技術路線，如圖1所示。

圖1 人工湖水生態系統構建技術路線

2 目標確定和區域現狀調查

前期調查分析工作對人工湖水生態設計尤為重要。首先，需根據區域生態環境相關規劃和建設單位要求明確人工湖水生態構建目標，如：湖區水質目標、水體透明度目標、生態構建目標、景觀目標等，作為后續設計工作的依據。其次，需開展詳細的區域生態環境現狀調查，主要內容包括湖區地理位置、地貌、地形、水文、氣候、地質、水質、生態環境及周邊區域(流域)相關環境特征，并根據調查結果分析人工湖的水源狀況、潛在污染源和污染特性等，為后續設計提供基礎資料。

3 措施體系設計

3.1 湖區良好水體生境營造

大量天然湖泊的生態修復工程經驗表明，水生態系統恢復必須與湖泊內、外部環境的改善結合起來，否則水生動植物種群很難恢復。因此，在人工湖水生態系統構建前也需要首先營造良好的水體生境，主要包括外源污染控制措施和基底環境改造工程。

3.1.1 外源污染控制措施

眾所周知，對外源污染物的控制與削減是湖泊生態系統恢復的基礎和必要條件，最大限度地降低污染物的輸入負荷才能從根本上實現修復。人工湖最常見面源污染是地表徑流，點源污染通常來自于補水水源。能用于湖泊外源污染控制的措施很多，本文選取了人工濕地和湖濱生態緩沖帶這兩種使用最廣泛、效果較好的措施來探討。

(1)人工濕地。人工濕地處理技術就是近年來發展迅速的污染水體生物—生態修復技術之一。通過模擬天然濕地的結構與功能，選擇一定的地理位置與地形，根據需要人為設計與建造濕地，利用物理、化學和生物的三重協同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現污水的凈化，具有投資少、運行費用低、處理效果好的特點。

根據污水在濕地中流動方式不同可分為表面流人工濕地、潛流人工濕地、垂直流人工濕地，不同類型人工濕地的特性，如表1所示。每種類型的人工濕地各具特色，在工程設計中根據實際情況選擇兩種或幾種工藝組合，充分利用各自優點實現工程效益最優。

表1 不同類型人工濕地之間的差異

人工濕地已廣泛運用于污染河流、富營養化湖泊的治理及面源污染的控制。目前，許多人工湖由于水源限制常采用微污染河水或污水處理廠出水作為補水水源。在人工湖補水入湖口位置布設人工濕地凈化區，對補水水源進行預處理，可有效解決入湖水質問題。比如，鄭州CBD中心湖采用東周水廠原水作為補水水源，原水為微污染水體，總磷濃度已超過地表水水質V類標準。采用植物碎石床人工濕地進行處理后，出水可達地表水Ⅱ類水質標準，滿足人工湖水質要求[2]。

(2)湖濱生態緩沖帶。湖濱生態緩沖帶位于湖濱水—陸交錯區域，是陸生生態系統與水生生態系統間的過渡帶，同時也是湖泊的“天然生態屏障”，其水—土壤(沉積物)—植物系統的過濾、滲透、吸收、滯留、沉積等物理、化學和生物作用，具有控制、減少來自湖泊流域地表徑流中的污染物的功能，在湖泊面源污染控制方面發揮了重要作用。同時，湖濱帶也可以通過營養競爭、化感作用等抑制湖泊水華藻類，改善湖體水質。

湖濱生態緩沖帶應根據湖泊現有岸坡條件、地勢、高程進行設計，盡可能對徑流攔截凈化，避免大量徑流繞過緩沖帶直接進入湖泊；合理的植被配置是實現緩沖帶有效控制徑流和控制污染的關鍵，應根據區域植被歷史演變特征和相近健康湖濱帶的群落結構作為參考，盡量選取根系發達、凈水效果好的本土植物，同時兼顧景觀效果和經濟性；緩沖帶設計應采用近自然的方式配置多種、多層、高效、穩定的植物群落，一般情況下，由沿岸向湖心方向依次配置由喬灌草、挺水植物、浮葉植物和沉水植物所組成的植物系列(見圖2)；不同植物種群應考慮節律匹配，以可證植物群落生態環境功能具有較強的周年連續性。

圖2 灘地型湖濱緩沖帶構建示意[3]

3.1.2 基底環境改造工程

湖泊基底環境是水生植物的立地條件，也是水生動物的棲息場所，基底的土壤結構對湖泊水生態系統構建起到至關重要的作用。對于新建人工湖而言，區域原有土地類型可能為農田、居住設施、池塘、河流等，湖區建成蓄水后，原陸地生態系統的土壤將變成水生生態系統底泥，其物理、化學、生物特性不一定適合水生動植物生長、生活，需采取一定的技術措施改善基底形狀，以促進水生動植物的生長。

(1)基底形態改造。基底形態改造需根據水生生物生存要求因地制宜地對地形進行整理，包括不合理的溝谷、凸脊、坑塘等平整和改造，植被重建區地表植物、構筑物等的清理。湖泊基底改造，尤其是湖濱帶基底應避免平整的“鍋底式”的單一水下空間，應該構建豐富多樣的水下地形，提高湖泊水生態系統的空間異質性，這樣更有利于水生植物的生長和水生動物的棲息地構筑。

(2)基底底質調整。人工湖基底改造時需對地表植物、構筑物、淤泥、污染源等進行全面清理，最大限度降低湖區的內源污染。湖底成形后重新覆蓋種植土(30 cm以上為宜)，并進行機械耕耘、翻曬，從而有利于高等植物根部擴張，減少高等植物根部疾病。同時，對湖底土壤和周邊環境施用具有針對性的植物病原體消殺劑，消滅蟄伏的導致高等植物發生褐斑病、葉銹病、稈銹病、黑粉病等的細菌性病原體和霉菌，以提高高等植物成活率。

如果回填的種植土微量元素含量不合理，還需合理配比微量元素和多種營養成分含量。合理的微量元素配比,一方面為植物的根系發育提供有利條件，增強植物對環境的抗逆性；另一方面提高沉水植物對底泥、水體中以氮、磷為主營養鹽的吸收利用率。這一點對人工湖沉水植物群落構建尤為重要。

3.2 湖泊水生態系統構建

3.2.1 水生植物群落構建

水生植物群落在水生生態系統中處于初級生產者的地位,能夠發揮多種生態功能。水生植物能持續吸收水中的N、P、重金屬等污染物質，且能通過人工收獲等方式將其固定的污染物質帶出水體，這也是水生植物污水處理，特別是針對湖泊營養化治理的理論基礎[4]。水生植物可以固定水底沉積物，減少沉積物再懸浮而造成污染，同時水生植物通過根系向水下輸送氧氣，改善水底沉積物的氧化還原條件，減少內源污染的釋放。此外，水生植物群落與其他生物的生長密切相關，比如它為微生物提供了良好的根區環境，增強了微生物的活性和生物量，同時還能抑制低等藻類的生長，大大降低了水體藻類爆發的風險[5]。

水生植物構建的一般流程如圖3所示。

圖3 人工湖水生植物構建一般流程

(1)物種選擇。湖區水生植物種類一般分為挺水植物、浮葉植物和沉水植物3類。物種選擇前需對區域及周邊生物群落結構進行調查，結合各種植物種類的污染物去除能力，進行物種比選，選種需遵循以下原則:

①適應性原則：自然界植被具有明顯的地帶性，本土植被一般抗逆性和抗污染能力強、自成群落、易于粗放管理，在條件較差的生境中也能生長。因此，所選物種應適應區域的現狀條件，應優先選擇土著種。

②針對性原則：耐污染能力是水生植物配置的重要衡量因素，不同植物耐污能力差異較大。因此，應根據湖區水質條件有針對性地選擇植物物種，對于水源水質較差的人工湖需多選取耐污能力較強的物種。常用的耐污植物有鳳眼蓮、水浮蓮、滿江紅等，因此這些物種也常作為水生植物的先鋒種。

③多樣性或協調性原則：應考慮湖泊生態系統的生物多樣性和系統穩定性要求，選擇相互協調的物種。

④經濟性原則：應考慮經濟性較高的物種，尤其是栽植成活率高，造價低廉，常規養護管理費用低的物種，以降低后期維護管理的費用。

(2)空間布置。由于不同水生植物的適宜生境不同，因此水生植物構建應遵循物種的生物學特性和其在自然湖泊中的分布規律。總體來說，上層布置浮葉植物，下層布置沉水植物，湖濱和其他淺水區域布置挺水植物。在具體配置時，應根據湖底形態和水深劃分多個區域，再對各個區域進行種群構建。在區域群落構建時，還應針對區域特殊條件進行特殊配置，如迎風岸以及進出水口河道區域，應布置抗御風浪能力較強的沉水植物，而在水質較差的環境敏感區域應盡量選擇耐污能力較強的物種，以保證植物的正常生長，而且有利于提高水體自凈能力。

(3)種植時序。水生植物構建初期，首先種植具有較大生態耐受范圍及較寬生態位的先鋒植物種類，以適應初期的生境環境，初步構建水生植物序列，鳳眼蓮、水浮蓮、滿江紅等沉水植物是常用的先鋒種；構建中期，湖區水生植物物種多樣性不高，植物配置以填補空白生態位為主，對群落結構進行優化，使原有群落逐漸穩定；后期則是進一步完善水生生態系統的種群構成，最終與湖區環境協同作用后趨于健康、穩定。

(4)去污量核算。水生植物配置后，需對配置方案的N、P等去除效果進行核算，分析水生植物對湖區水質的維持作用。計算公式如下：

R=C×B×D

式中R——為污染物去除量,g;

C——為植物的污染物去除能力,g/g·d；

B——為植物總生物量,g；

D——為種植時間,d。

3.2.2 水生動物群落構建

健康的湖泊水生生態系統是以完整的食物鏈、網為基礎的，即:從初級生產者到水體最高消費者，充分利用食物鏈攝取原理和生物間相生相克關系，從而維持生態系統平衡，使水體水質長久維持較好的狀態。

(1)物種選擇。Shapiro等人[6]提出的“經典生物操縱理論”是目前使用最為廣泛的生物控制理論學說(見圖4)，其核心理念是通過改變捕食者(魚類)的種類組成和數量來操縱植食性浮游動物群落的結構，促進濾食效率高的植食性大型浮游動物，特別是枝角類種群的發展，進而降低藻類生物量，提高水體的透明度，改善水質。

根據經典生物操縱理論，人工湖魚類種群構建應通過投放肉食性魚類來調控濾食性魚類數量，以保護浮游動物種群，最終達到減少浮游植物數量的目的；控制水體透明度及底質再懸浮，以促進沉水植物在吸收營養鹽方面能競爭過藻類，嚴格控制雜食性魚類、草食性魚類及底棲食性魚類。

圖4 經典生物操縱理論

在人工湖水生態構建初期，在適當水體中投放人工培養的浮游動物，以在短時間內增加水體中浮游動物的數量，實現快速有效地控制浮游植物的種群數量。底棲動物是湖泊生態系統的重要組成部分，它能加速水底碎屑的分解、調節泥水界面的物質交換和促進水體的自凈，還是水生態系統食物鏈的重要環節，可在水生動物構建初期投放適當數量的底棲動物。跟水生植物選種一樣，水生動物構建時應盡量選擇本地物種。

(2)投放數量和時序。由于不同湖泊的營養結構都是在與其環境協同作用后所形成的特有的結構，故不同食性魚類放養比例無法形成統一標準，應分析不同食性魚類對湖泊生態系統的影響，控制其放養比例，并在此基礎上借鑒同區域條件相似、魚類結構相對合理的湖泊，適當進行調整。在水生態系統建成后，應對系統進行監測，追蹤其發育情況，并根據具體情況做相應調整[7]。

由于底棲動物凈化水質能力較強且不會影響水生植物的生長，為營造良好的生態環境，在水生植物群落構建完成后，先構建底棲動物群落以輔助水質凈化[8]，后期待水生植物生長穩定后再構建魚類群落。

3.3 生態輔助強化措施

由于湖泊水流流態比較單一，尤其是對于某些外源污染較嚴重、營養化程度較高的區域，水生態系統脆弱，水質難以有效改善。通過生態輔助強化措施，可以有效地緩解這些問題，提高湖泊水質凈化效率。本文選用最常用的生態浮床和曝氣增氧措施進行探討。

3.3.1 生態浮床

生態浮島原理是運用無土栽培技術，以竹子、高分子材料等為載體，在人工構建的浮床中種植栽培多種觀賞型水生植物，利用植物根系直接吸收和植物根系附著微生物的降解作用有效凈化水質, 是一種水體原位生態修復技術。

生態浮島形狀變化多樣，不受水位限制，可充分利用廣闊的水域面積，將景觀設計與水體修復相結合，且不會造成湖泊淤積，因此應用十分廣泛。目前，常用的浮床植物有美人蕉、蘆葦、荻、香根草、香蒲、菖蒲、水浮蓮、鳳眼蓮、水芹菜、血草、銀紋金線、水雍菜等。廣州市以生態浮床為主要生態修復措施對亞運城周邊裕豐涌、南派涌、官涌等河涌進行整治，提高了水體透明度，有效地控制了水體富營養化，并獲得良好的景觀和生態效果[9]。上海白蓮涇世博園區段的水質改善工程中，在河段內構建了由鰱鳙魚、三角帆蚌和植物組合的生態浮島，運行9個月后，河段綜合水質由劣Ⅴ類～Ⅴ類轉化為Ⅱ類～Ⅲ類，菖蒲、血草、銀紋金線蒲浮島區水質都達Ⅲ類標準，有效地改善了河道水質[10]。

3.3.2 曝氣增氧措施

水體中溶解氧含量是水生態系統的關鍵參數，與水生動植物的生活、營養物質的生物降解等都息息相關。湖泊中溶解氧的主要來源為大氣表面復氧、挺水植物根系氧傳輸和進水溶氧。研究顯示，大氣表面復氧強度在0.5～1 g/(m2·d)范圍，植物根系氧傳輸強度在0～3 g/(m2·d)范圍[11]，相對于營養化程度較高水體的需氧量來說明顯不足。人工湖建成初期，新構建的水生態系統尚未充分發揮作用，局部水體容易出現營養化程度較高的情況，因此，需要適當采取曝氣增氧措施，以滿足營養物質生物降解的需要。

常用的曝氣增氧技術分為自然曝氣復氧和人工曝氣復氧兩大類。湖泊自然曝氣復氧可以因地制宜地構建噴泉、瀑布、假山等設施來實現跌水充氧；人工曝氣復氧是指利用曝氣設備向處于缺氧(或厭氧)狀態的水域充氧。曝氣增氧措施具有設備簡單、機動靈活、安全可靠、見效快、操作便利、適應性廣、對水生生態不產生任何危害等優點，非常適合于人工湖水生態系統的構建初期以及營養化程度較高的水域。

4 管理維護

人工湖建成后，其水生態系統從脆弱狀態逐漸過渡到健康、穩定狀態，期間要經歷較長時間的系統優化調整和管理過程。即使人工湖過渡到自凈穩態系統，也需要保持良好的日常維護管理，以保證水生態系統長期、穩定的良性循環。管理維護措施包括：開展湖區水色、魚類活動、底棲動物棲息、植物生長等情況的觀察與反饋，定期進行水質監測和生態監控，并制定相關應急管理制度;定期清理水面、水底的垃圾雜物；適時對水生植物進行收割、調整等管理;規范湖區游客行為，防止偷捕、私自放生等破壞行為。

5 結 論

(1)本文從生態理念出發，提出了一套著重提升人工湖水體自凈能力的水生態系統構建思路和方法，包括構建目標確定、區域現狀調查、措施體系設計、管理維護等。措施體系設計主要分為湖區良好水體生境營造、水生態系統構建和生態輔助強化措施三個方面，其中，水生生態系統構建是整個措施體系的關鍵部分，通過水生動植物的合理選種、配置，建立合理、良性的食物網，在其他措施體系的輔助下最終逐步形成自凈、健康、穩定的人工湖水生生態系統。

(2)本文為人工湖的水生態構建和水質保障提供了較為系統的思路和方法，具有一定借鑒意義。

(3)但該構建思路只是基于生態理念提出的水質保障措施，未完全考慮物理、化學和工程等非生態措施的協同作用，仍存在一定的局限性。

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2017-01-12

劉杰(1987-)，男，湖南湘潭人，碩士，工程師，從事環境工程相關工作。

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：1003-9805(2017)03-0033-05