西安市興慶湖水質提升及生態修復設計與實踐

孫 超，劉 瑞，趙宇航

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

西安市興慶湖是典型的城市景觀水體,是1958 年在唐代興慶宮“龍池”遺址上挖掘的人工湖,具有游覽、觀光、防洪、涵養地下水源、改造城市生態環境,美化市容市貌的功能。然而,興慶湖在西安城區長期快速發展中積累的環境問題不斷地凸顯,水體受到了不同程度的污染,并不時出現富營養化現象。本文通過對興慶湖湖體水系概況、現狀水質分析評價、水量平衡分析及入河污染物初步估算,診斷與識別興慶湖水體水環境問題,并針對性地進行水質提升及生態修復設計,旨在為同類城市景觀水體水質提升及生態修復提供借鑒與參考。

1 興慶湖概況

1.1 湖體概況

興慶湖是興慶宮公園中主要景點之一。水面面積10 hm2,約占整個公園面積的20%,由大湖（0.47 hm2）、東湖（2.07 hm2）、西湖（1.00 hm2）、北湖（0.93 hm2）、南湖及環湖溝道（1.33 hm2）,入湖沉淀池組成。水深0.6 m～2.5 m。日常蓄水水量20 萬m3,調蓄庫容27 萬m3。興慶湖概況見圖1。

圖1 興慶湖概況示意圖

1.2 供水水源概況

西安市興慶湖現狀供水水源有兩處,分別是大峪水庫水源和黑河退水水源,經明渠、管道、暗涵由公園東北角流入。

1.3 現狀水質評價分析

本文采用2018 年1 月～2020 年9 月水質月度監測報告,采用單因子評價法對興慶湖主要水質參數（化學需氧量、氨氮、總磷及溶解氧）進行分析,同時采用綜合營養狀態指數法[2]對水體富營養化進行分析,結果如下：

興慶湖除沉淀池入水口水質在個別月份變化波動較大外,其他監測點位均表現出了相似的變化趨勢,基本呈現為：枯水期12 月～2 月水質不佳,4、5 月份水質較好,6 月～8 月份因汛期匯流,湖體水質存在波動。湖體主要超標指標為氨氮、化學需氧量及總磷,溶解氧符合《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅳ類標準限值。

興慶湖各監測點位綜合營養狀態指數值表現出了大致相同的變化趨勢,主要集中輕度富營養化狀態～中度富營養化狀態。每年的12 月～2 月和6 月～8 月多表現為中度富營養狀態,仁厚莊北路東口、沉淀池及東湖三處上游點位在徑流匯入的個別月份甚至出現重度富營養化狀態。

1.4 入湖污染物分析

依據水量平衡分析結果,參照分類水質指標,初步核算興慶湖入湖污染物負荷占比見圖2。

圖2 入湖污染物分析圖

通過上述入湖污染量計算結果可知,每年由地表徑流帶入興慶湖的化學需氧量年負荷達5.04 t,其中園區內地表徑流與園區內地表徑流貢獻分別達到90.48%、9.52%,氨氮年污染負荷總量為0.91 t,地表徑流帶入約占72.57%,其中園區外地表徑流帶入占比81.82%；總氮年污染負荷為2.00 t,地表徑流、進水水源及底泥分別占比38.36%、30.75%及22.11%,其中園區外地表徑流與進水水源污染占比較大；總磷年污染負荷總量為0.72 t,底泥釋放約占85.22%,底泥釋放是興慶湖局部總磷超標的最主要因素。

2 水環境問題診斷與識別

2.1 生態需水保障不足

興慶湖生態環境需水主要受兩類因素影響,一是湖泊生態系統的功能特征,另一是外界影響因素,如氣候、氣溫、降雨、蒸發及排污等。目前興慶湖主要定位為受納匯流、景觀及娛樂等功能[1]。采用各類生態需水量的外包值作為興慶湖生態需水量,應為858.22 萬m3/a,即2.35 萬m3/d,根據興慶湖簽訂供水協議,現狀供水水源全負荷補水每天可達到0.55 萬m3/d,生態需水缺口量為1.80 萬m3/d。

2.2 雨污入湖存在風險

通過對徑流污染檢測結果的評價分析,結合入湖污染量年度核算,入湖雨污所帶入的徑流污染仍是限制本次水體達標的主要污染源,徑流雨污的間歇式匯入會造成興慶湖水體水質污染風險隨之升高。興慶湖現狀水源管線因與市政雨污水管道合用,沿途用戶及道路的徑流污染,經常隨地表徑流入湖,導致水體富營養化,水質惡化。

2.3 不利的水動力條件

興慶湖在實行了入湖雨水管線的全面整治措施后,僅存在東北角一處進水口與西南角一處出水口,單一的進出水模式、不規則的湖體形狀以及保證率不足的供水水源都造成了興慶湖局部形成緩流區甚至死水區,也是造成了湖體富營養化的主要原因。

2.4 生態自凈功能缺失

興慶湖現狀水生態系統以大型觀賞植物（荷花）、雜食性觀賞魚類（錦鯉）為主,缺乏濱湖生態緩沖帶,缺乏沉水植被自凈系統,缺乏水禽、肉食性魚類、濾食性魚類、底棲動物及微生物的相互作用,造成水生態自凈系統的部分功能缺失。

2.5 底泥原位污染釋放

興慶湖水體底泥功能微生物含量較低,厭氧水解微生物含量較高,這些微生物利用有機質繁殖會導致水體局部環境厭氧,氧化還原電位降低從而導致磷釋放,加之微生物凋亡氮磷元素原位釋放,水體生態系統惡性循環,喪失水環境自身修復功能。

3 提升修復方案與實施

3.1 水質改善目標

根據興慶湖的日常功能需求及水源條件,并結合區域水功能區水質目標要求,最終確定主控水質提升指標執行《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅲ類標準,并應新增兩項視覺感官指標：（透明度［SD］）≥0.7 m；葉綠素a［chl-a］≤10 mg/m3）。

3.2 提升修復方案設計

本次水質提升實施方案采用“疏浚—補水—修復—自凈”為核心的技術思路,控制內外源與生態修復相結合,以疏浚及水下微地形改造為基礎,結合運行期底泥消解處理,通過生態修復構建完整的自凈系統等多項生態工程[3],形成興慶湖水質改善與生態修復的完整體系。具體設計包括疏浚及沉淀池改造、三污再生水入湖配套工程、局部水動力提升系統、生態凈化濕地系統、多級生態凈化堰、濱湖生態駁岸以及水生態修復系統等具體內容。技術思路與措施設計示意見圖3。

圖3 興慶湖水質提升與生態修復方案示意圖

4 水質目標可達性分析

4.1 消減量分析

（1）富營養化控制指標

本次水質可達性分析將以湖（庫）富營養化模型為評價基礎,湖體總磷、總氮達標分析采用沃倫維德模型預測湖（庫）后,水體中總氮、總磷年均濃度,預測公式如下所示：

式中：C 為湖（庫）中氮（磷）的年平均濃度,mg/L；Ci為流入湖（庫）按流量加權平均的氮（磷）濃度,mg/L；H 為湖（庫）平均水深,m；qs為湖（庫）單位面積平均水量負荷,m3/（m2·a）,qs=Q/A,Q 為年入湖（庫）水量,m3/a；A 為湖（庫）面積,（m3）。

經計算,在不采取各項水質提升措施及不存在暴雨溢流入湖的條件下,湖體的總氮、總磷濃度達到1.56 mg/L、0.11 mg/L,尚不能達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中Ⅲ類水質目標要求（TN ≤1.0 mg/L,湖庫TP ≤0.05 mg/L）。

（2）污染總量控制指標

根據生態環境部下達河湖污染物總量控制指標（化學需氧量與氨氮）的要求,本次達標考慮興慶湖的最不利水質條件下的化學需氧量及氨氮指標值（COD=34.5 mg/L,NH3-N=4.55 mg/L）作為本次達標分析的初始條件。

4.2 消減模型

經前文需消減量計算分析,得出興慶湖地表水污染指標（化學需氧量、氨氮、總氮及總磷）的濃度負荷如下：COD=34.5 mg/L,NH3-N=4.55 mg/L,TN=1.56 mg/L,TP=0.11 mg/L。

興慶湖水體達標方案各項措施落地后,興慶湖可作為表流型人工濕地計算各項污染消減量。計算公式如下所示：

式中：NA為污染物面積負荷,g/（m2·d）,以化學需氧量、總氮、氨氮、總磷計,并取其最小值；Q 為表流型人工濕地（興慶湖）設計流量,m3/d；S0為進水污染物濃度,g/m3；S1為出水污染物濃度,g/m3；A 為表流人工濕地（興慶湖）面積,m3。

代入同等氣候條件下的污染指標最小表面負荷（COD=2.0 g/（m2·d）,NH3-N=1.5 g/（m2·d）,TN=1.5 g/（m2·d）,TP=0.1 g/（m2·d））進行計算,可得興慶湖水質可穩定達到目標要求。

4.3 水生態自凈分析

水生植物的氮、磷消減量可以分為兩部分,植物快速生長階段,經常性收割可以帶走一部分氮、磷。未修剪部分也起到固定氮、磷的作用,可以去除水體中的氮磷含量[4]。

（1）沉水植物

根據水生植物單位面積單位時間去除水體氮、磷含量,可定量計算興慶湖水體氮磷的總削減量。沉水植物對氮磷的貢獻計算公式如下：

式中：P 為氮或磷的消減量,kg；S 為沉水植物總種植面積,m3；Wg為沉水植物的含水量,%；W為單位面積的沉水植物鮮重,g；ε為沉水植物單位質量干重對污染物的去除,mg/g；t 為生長周期,月。

通過公式可得,氮的年消減量為628.58 kg,磷的年消減量為194.34 kg。生長期內沉水植物生長迅速,5 月～10 月中旬經常性收割,一個生長期內收割6 次左右,30 天生長約20 cm,每次收割15 cm～25 cm,每次收割的挺水植物干重約10.05 g/m3,合計達5.30 t（干重）。氮的消減量為105.32 kg,磷的消減量為32.51 kg。

綜上,沉水植物氮的年消減量為733.90 kg,磷的年消減量為226.85 kg。

（2）挺水植物

挺水植物對氮磷的貢獻計算公式如下：

式中：P 為氮或磷的消減量,kg；K 為挺水植物種植面積,m3；W 為單位面積內挺水植物的鮮重,g；γ為挺水植物的含水量,%；為挺水植物單位質量干重對污染物的去除,mg/g；t為生長周期,月。

通過公式可得,氮的年消減量為117.94 kg,磷的年消減量為27.52 kg。綜上計算結果,在水生態自凈系統后,通過植物消減量計算,綜合氮磷消減量考慮表流型濕地消減作用,在無暴雨溢流入湖的情況下,湖體的總氮、總磷濃度分別降至0.54 mg/L、0.015 mg/L,可穩定達到水質目標要求。

4.4 目標可達性分析

針對水體中污染總量控制指標（化學需氧量與氨氮）,通過計算分析可得,在發生雨污溢流的情況下,通過本項目的各項措施,可有效保障出流水質達標。隨后通過達標水源入流補給,可進一步使得湖體全域水質達標。針對水體富營養化控制指標（總氮、總磷、透明度及葉綠素a）,通過加大生態需水保障、植物生長收割及表流濕地消減,可有效保障達到水質目標要求,透明度與葉綠素a 兩項新增指標也可通過水生態系統高等植物對藻類的化感競爭作用,達到新增水質目標要求。

綜上所述,通過水體達標方案的各項消減措施,興慶湖水體主控指標：化學需氧量、氨氮、總氮、總磷、透明度及葉綠素a,均可達到設計水質目標要求。

5 結語

興慶湖作為典型的城市景觀水體,在提供景觀游覽服務功能的同時,還兼具受納城市雨污的作用,若運行不當,勢必引起水質惡化與富營養化等問題。本次提升修復方案根據興慶湖不同水環境問題,針對性進行了不同措施的深化設計,通過項目的落地實施,全面提升水質,形成完整自凈功能,達到設計水質目標要求。