沿海城市內湖微污染水體復合生態凈化系統設計

戴雅奇

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

在數十年經濟高速騰飛的同時，大量工農業污染源的排放不可避免地造成我國臨岸海域、江河、湖泊和水庫等不同程度的污染[1- 3]。水污染加劇了水資源短缺，直接威脅著飲用水的安全和人民的健康，影響到工農業生產和農作物安全，水污染已成為我國的重大災害之一，因此水污染防治、污染水體修復已成為我國國民經濟可持續發展的關鍵保障[4- 5]。沿海內湖微污染水體屬于典型的感潮水體，受到海洋和陸源的交叉影響，水質變幅劇烈、鹽度變化大、水位波動大，具有水質難調控、生態難恢復的2大難點，我國目前對感潮微污染水體的生態凈化和景觀提升的研究與實踐還很匱乏。

三亞白鷺湖和山水國際湖是典型的沿海內湖微污染水體，根據現狀問題和治理目標，在潮汐污染分析的基礎上，結合工程措施削減外源污染，提升白鷺湖及山水國際的生態自凈能力，滿足清水景觀需求和生物棲息需求。本文主要對該項目的污染源分析、生態凈化設計、可達性與穩定性分析、設計優化的設計過程進行介紹，旨在為同類沿海城市感潮水體水質提升和生態景觀提升工程的推廣應用提供參考。

1 項目背景

1.1 湖泊概況

白鷺湖位于三亞市吉陽區鳳凰路西側的白鷺公園內，毗鄰三亞東河。湖面面積約90000m2，水深0.4～1m，在主湖區西南側設有溢流堰，三亞東河的感潮來水可通過該溢流堰進出白鷺湖。山水國際湖位于三亞市吉陽區鳳凰路東側的山水國際小區內，湖面面積約8.9萬m2，水深約3m。在湖區西南側設有溢流堰，與白鷺湖聯通。

1.2 水質和水生態現狀分析

2016—2017年對白鷺湖和山水國際湖的水質進行監測分析，其中，在白鷺湖布設12#—21#共10個監測站位，山水國際主要為2#、5#、10#、11#四個監測站位，三亞東河監測站位為22#。

根據2016—2017年各監測點位的水質平均數據分析，三亞東河、白鷺湖和山水國際湖均為海水劣四類，其中三亞東河水質最差，其次為白鷺湖，山水國際湖水質相對較好，項目區域主要超標因子為化學需氧量、活性磷酸鹽和無機氮，具體水質指標見表1。

表1 各監測點位水質數據平均值 單位：mg/L

進一步分析發現，白鷺湖的主要超標因子為COD、DIN和DIP，山水國際的主要超標因子為COD和DIP。由于三亞東河水質較差，水中的DIN和DIP含量較高，遠差于海水四類，白鷺湖污染物中的DIN和DIP主要來源于三亞東河與白鷺湖之間的潮汐交換，三亞東河輸入白鷺湖的DIN占湖體總污染量的96.23%，DIP占湖體總污染量的98.12%。在漲潮期間三亞東河河水大量進入白鷺湖，導致白鷺湖水質下降，同時白鷺湖通過水體交換又將氮磷等營養鹽遷移至山水國際湖。

2 修復目標和設計思路

2.1 水質控制目標

根據三亞市白鷺湖、山水國際湖水體發展定位及相關專項規劃，白鷺湖水體主要水質指標(高錳酸鹽指數(CODGr)、無機氮、活性磷酸鹽、石油含量、pH值、溶解氧(DO))達到GB 3097—1997《海水水質標準》三類標準。山水國際湖水體主要指標(高錳酸鹽指數(CODGr)、無機氮、活性磷酸鹽、石油含量、pH值、溶解氧(DO))達到GB 3097—1997四類標準。

2.2 生態景觀控制目標

本項目修復白鷺湖和山水國際湖的水生態系統，滿足水生態基本功能，提升生境多樣性，提高水體自凈能力；與此同時保持原有的紅樹林群落格局，保持和優化白鷺棲息生境；此外由于白鷺湖是三亞市區的重要城市景觀，本次生態修復工程所引入的設備及構筑物要求對原本的生態景觀無明顯影響。

2.3 設計思路

根據現狀分析結果和所設定的修復目標，本項目擬結合工程措施削減外源污染，提升白鷺湖及山水國際的生態自凈能力，滿足清水景觀需求和生物棲息需求。在控制污染源輸入的基礎上，設調控閘阻隔三亞東河外源污染輸入，同時以原位生態修復技術為核心，結合水動力調控和強化凈化措施，并適當導入生境構建與食物鏈調控技術，同步改善白鷺湖和山水國際水域水質，提高水體感官效果，為生物營造棲息生境，構建形成水質清潔、植被豐富、生物多樣性高的健康生態系統，探索沿海城市內湖微污染水體的復合生態修復技術，為類似工程提供參考。

3 方案設計

3.1 功能分區

將白鷺湖和山水國際湖分別劃分形成生態凈化區和生態景觀區。其中生態凈化區主要是對循環來水和面源污染進行強化處理，生態景觀區主要功能為穩定水質、改善生境、提升生態景觀，如圖1所示。

圖1 功能分區圖

白鷺湖的生態凈化區面積27059m2，平均水深0.6～0.8m，主要目標是去除水體中的DIN和DIP。為去除水中的DIN，需要創造適合硝化和反硝化作用發生的條件[6- 8]。本項目主要在前端設置微曝氣系統提升溶解氧，結合生物填料促進硝化反應發生；在生態凈化區的中后段設置復合功能浮島，結合補碳型生物填料、混合造流裝置，促使水體垂直混合，利用底泥-水界面和植物根系微生物反硝化作用去除硝態氮。去除水中的DIP，主要通過生物除磷和植物吸收的辦法來實現[9]，在凈化區內需要調節溶解氧、增加有凈化作用的濕生植物量、設置有吸附和截留作用的填料等技術措施來滿足DIP的去除條件，因此分區采用曝氣系統、復合功能浮島、生物填料等設備與材料，提高DIP的去除效率。

白鷺湖的生態景觀區水域面積為61262m2，平均水深0.7～1m，湖區茂密的紅樹林作為白鷺的棲息地，是白鷺公園的主要觀鳥區，同時該區域水體相對靜止，容易出現死水區，容易發生藻類過量增殖等現象，影響水體感官效果。該區域主要設置一體化凈化設施、混合造流系統、漂浮濕地、微生物發生器、生物填料等設施穩定水質；通過水力混合措施消除死水區、食物鏈調控、應急預防等措施來控制藻類增殖；同時通過局部地形改造優化濱岸濕地結構，并營造多樣化微地形，進而優化白鷺取食與棲息生境。

山水國際湖水面面積68250m2，平均水深3m，該區域主要承接來自北側和東側的地表徑流污染，需采用生物+生態的凈化措施削減污染負荷。北側的地表徑流通過雨水管道進入湖體，為了避免污染物擴散，因此在北側構建隔離凈化區，在凈化區內設置曝氣、生物填料、微生物發生器等綜合措施，針對COD和DIN進行強化凈化處理[10]。東側地表徑流通過支流匯入湖區，因此對支流進行濕地改造，提高凈化能力，此外在入湖口的區域設施漂浮濕地和生物填料，強化吸附和吸收的凈化效果。另外在北區部分種植耐鹽沉水植物，構建植物群落，提高水體的自凈能力。

山水國際湖水域面積20000m2，平均水深3.3m。該區域為山水國際住宅區的主要觀景區，區域內有觀景平臺。該區域主要的功能以景觀為主，主要采用原位生態強化措施，構建微生物強化凈化系統和沉水植物群落系統穩定水質，同時結合混合造流系統改善水動力效果，破壞藻類增殖的條件，達到優化景觀的效果。

3.2 水利調控設計

(1)水文調控措施。改造白鷺湖南區水閘，調控水體水位，根據水位、水質情況控制與臨春河間的引排水；設置調節壩，控制水位，高水位溢流，低水位打開連通閥穩定水位。通過水文調控措施來控制污染源輸入，減少臨春河污染物對白鷺湖和山水國際湖的影響。

(2)白鷺湖-山水國際系統水循環。枯水季節山水國際起到調蓄作用，白鷺湖水位下降后，利用水泵從山水國際引入補水，北引南出，形成大循環。

(3)白鷺湖內循環。生態景觀區引水至北面的凈化區，水質凈化達標以后再進入南側生態景觀區，通過調節壩進行節點控制，間隙性循環，同時可形成北側小型潮汐，有利于保護紅樹林等植物。

4 工程效果分析

4.1 可達性分析

根據相關研究成果及工程經驗[11- 12]，工程完成后湖區的綜合去除能力大于營養鹽輸入量，湖區水質可期待滿足設計要求。具體分區凈化效能見表2。

表2 工程實施后分區凈化效能 單位：g/(m2·d-1)

同時，結合本工程設計，基于MIKE模型軟件，構建水質模型。根據模型計算結果分析，在同時啟用6000m3/d的大循環和4000m3/d的小循環的工況下，可以有效形成了兩湖聯動的逆時針方向水體循環格局，這有利于最大化利用兩湖區的水體凈化能力。方案實施后兩湖區90%水域內無機氮、活性磷酸鹽和CODMn凈化至三類海水水質標準所需時長分別為12、66.4、11.9d。

4.2 穩定性分析

如圖2所示，構建整體凈化系統以后，白鷺湖全年12個月均能完全去除COD的輸入量；滿足DIN和DIP的月平均輸入量，但是在月度污染輸入高峰值時未能完全去除。由于雨季汛期導致的干濕沉降和地表徑流的影響，DIN在4、7、9月的入湖量較高，DIP在4月和11月的入湖量較高，因此在4、7、9、10月白鷺湖面臨的氮磷去除壓力較大，需要額外增加強化凈化措施來保證穩定達標。白鷺湖北區是強化凈化區，南區是生態景觀區，額外增加的設備和設施建議設置在北區，南區需要保證生態景觀的完整性，應盡量減少設備的使用。

圖2 白鷺湖管控后DIN、DIP和CODMn輸入量及去除能力分析

如圖3所示，構建整體凈化系統以后，山水國際湖能夠完全實現入湖DIP和COD的去除，能夠滿足DIN的平均去除量，但是在月度污染輸入高峰值時未能完全去除，存在峰值差額，尤其是在雨季汛期的6—10月，因此需要額外增加強化凈化措施來保證穩定達標。與白鷺湖的分區布置相同，山水國際湖北區是強化凈化區，南區是生態景觀區，因此額外增加的設備和設施建議設置在北區，南區需要保證生態景觀的完整性，應盡量減少設備的使用。

圖3 山水國際湖湖管控后DIN、DIP和CODMn輸入量及去除能力分析

5 討論

目前我國自然水體水質存在河湖標準體系和海水水質標準體系，GB 3097—1997標準中并未對適用于該標準的水體鹽度進行明確的規定。感潮水體由于周期性的受到潮水上涌的影響，鹽度具有較高的波動性，選擇何種水質評價體系目前并沒有定論。在本項目中，白鷺湖和山水國際景觀湖的設計目標是按照海水標準考核達標，而三亞東河的水質指標是按照河湖水體水質標準進行分類，對相臨及連通的2個水體采用完全不同標準的評價體系，勢必會對生態修復設計造成相當的困擾，同時由于海水水質標準中的DIN、DIP等指標遠遠小于河湖標準，可能會造成設計難度的增加、水質達標率的降低，導致生態修復成本的增加。

因此，在沿海微污染水體生態修復工程中，如何根據實際情況，選擇合理的水質判斷依據，是目前水污染治理與生態修復工作中的一項重點與難點工作，也是保障我國沿海微污染水體生態修復實現科學合理、因地制宜、生態優先的重要抓手之一。

6 結語

沿海感潮水體，受到外來污染比較明顯，文章詳細分析了目標水體漲落潮期間的污染物負荷，外河的潮汐影響為主要污染源，并通過水利設施隔斷，同時結合原位生態修復措施，可以明顯改善水質，并為咸、淡水生物營造了棲息生境，滿足多樣化生境需要。通過模型分析，項目實施后白鷺湖和山水國際水域的水體自凈能力顯著提升，水質滿足設計要求，可為類似工程提供借鑒和指導。同時，通過穩定性分析，項目實施后可能存在DIP和DIN在月度污染輸入高峰值時未能完全去除的現象，可以通過在強化凈化區增加處理措施和設備進行解決。