淺談四川地區緩流景觀水體水環境構建工程設計測算方法

鄭良秋, 譚 春, 李 波

(1.四川省城鄉建設研究院，四川成都 610041；2.中國建筑西南設計研究院有限公司，四川成都 610041)

1 緩流景觀水體

緩流水體通常是指湖泊、河口、海灣等流動較緩的水體，其對于水利防洪、用水供水、氣候調節、生態環境等多種方面發揮著重要的作用。隨著城市建設發展和人民對于生活品質要求的提高，在市政建設中往往加入了諸多緩流景觀水體的元素，主要以人工湖(塘)為代表。此類水體由于開放性不強、水深較淺、周邊大量人為活動等因素，極易受到沖擊，其接納的污染物負荷往往大于自身的自凈能力，生態脆弱性顯著，更容易出現水體富營養化，導致景觀價值退化，甚至淪為黑臭水體的源頭。

針對緩流景觀水體的水環境構建，現有文獻大多為工程概念性論述或針對某一項動植物影響因子的試驗，但在新建項目設計初期，設計院往往無專業的技術人員和相應資金的投入來進行采樣測試，無法通過試驗數據得到準確的參數取值。筆者結合相關工程項目設計經驗及國內外相關研究文獻，為四川地區市政類緩流景觀水體設計的初步測算提供參考與思路。

2 污染削減目標測算

緩流景觀水體水質的保持通常采用的是水環境修復的方法，采用生態學原理進行設計，根據水環境容量的自然規律，模擬出自然界生態循環，讓其回歸到一個天然穩定的生態系統。水環境修復涉及專業眾多，需要生態學、物理學、氣象學、植物學、微生物學、分子生物學、栽培學和環境工程等多學科的參與，在前期設計階段通常采用的是經驗+理論估算法來實施，通過污染負荷和環境容量之間的差值來確定水環境修復工程的污染削減目標，其中污染負荷主要涉及水量平衡計算、外源和內源污染負荷計算。

2.1 水量平衡分析

利用水量平衡分析法可以估算出水體自然補水量和緩流景觀水體損耗量，核算枯水期水位是否滿足緩流景觀水體生態基流的要求。

水體自然補水量來源主要包括2個部分，一是水體周邊區域客水降雨徑流量；二是水體投影區域降水量。水體自然補水量可以通過項目所在地多年的月均降雨數據對應的設計降雨厚度，結合匯水面積，徑流系數以及其他年徑流總量控制率要求，計算出總的補水量。

水體損耗量主要包含水體水面的蒸發量、滲漏損失量，如果設計有雨水回用系統，還需要計算雨水資源化利用的量。水面蒸發量通過月均蒸發量和水體面積計算得到，蒸發量可以在當地的氣象部門查詢到相關信息。滲漏損失量通過滲透系數和水體面積進行計算，其中滲透系數取值影響較大，特別是在水域面積較大的項目尤為明顯。雨水資源化利用量為公園內部道路、綠地等灌溉澆灑用水，通過綠化用水定額和每月灌溉澆灑次數確定，在計算時候需要做相應扣除。

在計算出水體損耗量和水體自然補水量之后，可得出需要人工補充的水量。枯水水位可由初次水體蓄水量扣除水量平衡后最不利損耗水量后的水位，在沒有外界人工補水(如市政中水或再生水)的情況下，可得出封閉水體的最小實際水量，具體技術路線如圖1所示。

圖1 水量平衡分析技術路線

2.2 外源污染負荷分析

外源污染根據項目的不同可以選取主要的影響因子，如人工補水污染、地表徑流污染、大氣沉降污染等等，相同量綱的污染負荷疊加可得總外源污染負荷。

人工補水污染指標通過上文提到的水量平衡法可計算出統計期內的人工補水量，結合來水的污染負荷指標即可測算出統計期內的補水污染負荷。目前，四川省岷沱江流域城市生活污水處理廠出水執行DB 51/2311-2016《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》，該標準除TN外的主要污染物指標要求達到地表水IV類標準，其他大部分城市生活污水處理廠出水指標也達到GB 18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標，已滿足作為回用水的基本要求。在進行經濟技術比較后宜優先使用污水處理廠再生水對緩流景觀水體進行補水，提升城市再生水資源化利用水平。

地表徑流污染負荷可根據集雨區塊劃分和年降雨量，參照不同的下墊面徑流系數取值，計算得出年地表徑流進入景觀水體的水量，由水量與平均污染物濃度之積測算出地表徑流污染負荷。綜合王以堯等人[1-4]對成都等地區雨水徑流污染特征分析研究數據，推薦四川地區城市降雨徑流COD質量濃度可取值范圍為70～165 mg/L，TN質量濃度可取值范圍為1.6～4.7 mg/L，TP質量濃度可取值范圍為0.08～0.4 mg/L，在無現場監測試驗數據的支撐時，可結合區域徑流系數在推薦取值范圍內選取污染物濃度計算參數。

大氣沉降是指大氣中的污染物通過一定的途徑被沉降至地面或水體的過程，雖然近年來四川盆地的空氣質量得到極大的改善，但大氣沉降污染仍不可忽視，可采用景觀水體水域面積與污染物沉降速率之積對大氣沉降污染負荷進行初步測算。在早期研究中楊龍元等人[5]對大氣沉降的研究湖區大氣沉降的污染物輸入量估算為TN=4226 kg/(km2·a)，TP=306 kg/(km2·a)。2018年中國科學院成都山地災害與環境研究所研究員朱波及團隊[6]在成都、什邡和鹽亭設立監測點，分別代表城市、城郊和農村3種土地利用類型，得出TN沉降率為19.8～49.2 kg/(hm2·a)，且氨氮和硝態氮質量濃度與PM2.5質量濃度呈顯著相關。推薦在無當地研究數據的情況下，四川省污染物大氣沉降率以TN=4000 kg/(km2·a)、TP=300 kg/(km2·a)(對應PM2.5=40 μg/m3)為基準，根據區域類型結合年度PM2.5質量濃度進行取值(表1)。

表1 2020年四川省各市(州)PM2.5質量濃度

2.3 內源污染負荷分析

城市緩流景觀水體內源污染主要選取底泥污染作為分析對象。當水域受到污染后，水中部分污染物可通過沉淀或顆粒物吸附而蓄存在底泥中，適當條件下重新釋放，成為二次污染源。底泥各污染物速率以根據靜態水柱實驗確定，新建項目暫無試驗條件時，可以結合相關研究，初步估算受污染底泥TN、TP和COD污染物釋放量。龔春生等[7]提出過城市淺水型湖泊底泥釋磷通量的估算方法。秦伯強等[8]在對大型淺水湖泊沉積物內源營養鹽釋放模式及其估算方法研究的靜態試驗中得出，在15 ℃時氮磷平均釋放速率為TN=5.7～19.5 mg/(m2·d)，TP=0.82～2.74 mg/(m2·d)。同時，綜合國內水體的內源外源污染研究經驗數據[9-12]，可將外源污染輸入量的15%～30%作為內源污染釋放量取值，即將外源輸入COD總量的15%～30%作為污染底泥COD污染物釋放量進行測算。

2.4 景觀水體環境容量分析

水環境容量是指一定區域的水體在規定的功能和環境目標要求下，對排放的污染物所具有的容納能力，通常以單位時間內區域水體所能承受的污染物總量表示。對于景觀緩流水體的水環境容量計算推薦采用完全均勻混合箱體水質模型(零維模型)，也可以預測水體一段時間內的動態變化，公式及參數推薦取值見式(1)。

W=Q·cs·10-6+K·V·cs·10-4

(1)

式中:W為景觀緩流水體水環境容量(t/a)；cs為水質目標濃度(mg/L)，可以代入GB 3838-2002《地表水環境質量標準》的相關指標；Q為水量平衡時流入與流出水體的流量(m3/a)；V為水體體積(m3)；K為COD綜合衰減系數或營養鹽沉降速率(d-1)，可參考國內對自然、人工湖環境容量計算的研究進行保守取值，COD綜合衰減系數為0.001 1～0.005 3，TN沉降速率系數為0.002 1～0.005 8，TP沉降速率系數為0.002 1～0.006 2[13-15]。

通過環境控制目標能承受的環境容量計算結果，與以上估算進入水體的各項外源內源污染負荷數據進行比對，結合污染負荷和環境容積的差值，可得到理論負荷削減量，從而提出污染負荷削減目標，進一步得出水環境構建工程污染負荷削減目標和初步的工程量。

3 水環境構建工程測算

為達到污染負荷削減目標，需要對人工補水、地表徑流、大氣沉降和底泥等等進行強制凈化，減少內外源污染對湖體的沖擊，構建水生植物生態系統。主要通過打造水生植物工程(挺水植物，沉水植物，浮水植物)和水生動物工程(魚類和底棲動物)，完善水生動物食物鏈，構建出一套水體自身的生態凈化系統。

3.1 水生植物設計

通過構建水生植物工程，可對補水、地表徑流進行強制凈化，減少外源污染對水體的沖擊，同時修復水體生態系統，進一步提升水質，包括設置補水入湖前置預處理區、雨水滯留區、生態淺水區、生態深水區等。同時，通過魚類、收割等方式對水生植物進行調控，維持其合理的生物量與群落結構，可有保持水生態系統健康[16]。

植物可選擇根系發達、耐沖刷、凈化效果好、耐污能力強，適應當地氣候的品種。水生植物影響因素眾多，如氣候，溫度，水動力學特性等。四川地區緩流景觀水體消落帶可以選用牛毛氈、矮生苦草等沉水植物，淺水區以矮生苦草為主，深水區可以選用苦草、金魚藻、黑藻、狐尾藻、竹葉眼子菜等，可以單一種植，也可以相互以不同種植面積組合，以達到形成不同群落環境的目的。如苦草和狐尾藻進行組合，苦草與狐尾藻的種植面積比可選用8∶2～7∶3，伊樂藻、竹葉眼子菜及狐尾藻群落中，伊樂藻、竹葉眼子菜、狐尾藻的種植面積比可選用5∶3∶2～6∶2∶2。

根據污染物削減需求可對水生植物種植面積進行初步測算。沉水植物作為水生態系統的核心環節，基本代表整個水體的生產力，推薦以沉水植物指標表征水生態系統綜合凈化效率。中科院[17]水生生物研究所進行的沉水植物收割調控的幾個生態學問題研究中的實際湖泊相關數據，沉水植物年收割干重為245～585 g/m2。《植物營養學》[18]中提到，一般植物含氮量約占干重的0.3%～5%，磷含量一般為其干重的0.05%～0.5%。姜義帥[19]進行的基于水生植物生長期收割的富營養化水體生態管理方法研究中得出多種用于水體修復的植物含氮量為其干重的1.2%～4.3%，磷含量一般為其干重的0.12%～0.5%。綜上，設計水域植物種植面積可削減TN、TP污染負荷計算公式及參數推薦取值范圍見式(2)。

A1=G·K·S·ρ·10-9

(2)

式中:A1為系統可削減的TN、TP污染負荷(t)；G為每1 m2沉水植物年收割重量(干重)，可取250～600 g/(m2·a)；K為以沉水植物生物量為表征，每克沉水植物干重綜合凈化TN或TP的效率，TN可取10～40 mg/g，TP可取1～5 mg/g；S為常水位下水域面積(m2)；ρ為系統變化系數，可取0.8～1.0。

3.2 水生動物設計

水生動物的選取也至關重要，影響因素縱多，如投放的種類、密度、數量、個體、雌雄比、放養季節、年齡等等。總體策略還是要選用本土品種，與水生植物協同，建立多級穩定生態食物鏈。四川地區可以選用鰱魚、鳙魚、鱖魚、烏鱧、鯰魚等，濾食性魚類投放密度宜控制在尾/50～100 m2，肉食性魚類控制在尾/100～200 m2；底棲動物選用螺類與蚌類，投放密度在5 g/m2左右。以投放的魚類為例，根據《現代營養學》[20]統計83種魚類后得出，一般魚類的蛋白質含量為15%～18%，而各種蛋白質的含氮量都很接近，均在18%左右，含磷量大致為0.3%～0.5%。由此可計算魚類對TN、TP污染物負荷削減量，計算公式及參數推薦取值范圍見式(3)。

A2=g·k·S·ρ

(3)

式中:A2為系統可削減的TN、TP污染負荷(t)；g為每1 hm2魚類回捕重量，可取250～500 kg/(hm2·a)；k為每1 kg魚類對TN或TP的削減量，TN可取24～33 g/kg，TP可取3～5 g/kg；S為常水位下水域面積(m2)；ρ為系統變化系數，可取0.8～1.0。

3.3 其他功能性設施

若單純的生境打造無法滿足污染負荷的削減要求，可在補水入湖前置預處理區、雨水滯留區、水質循環區等區域設置人工濕地、生物滯留池、生態基等設施強化對污染物的去除。人工濕地可參照現行的國家及地方標準規范進行設計，其他功能性設施宜參考水文、地質、氣候條件相似地區的成熟應用案例。

4 四川景觀水體設計實例

四川省某景觀湖設計湖庫容積約640萬m3，湖水面積約300萬m2，按照水質保持目標為地表水Ⅲ類測算得出目標削減量，見表2。

表2 四川省某景觀湖污染物目標削減量 單位：t/a

根據目標削減量并結合景觀打造，初步設計約170萬m2的沉水植物種植區域，500 kg/(hm2·a)回捕量的水生動物工程，同時設置2.0萬m2補水入湖前處理區、0.3萬m2初期雨水滯留區、應急物理措施等強化外源輸入污染物的削減。

圖2 某景觀水體工程建設實景

5 結束語

對于外源污染負荷和底泥等內源污染負荷等，如果想要進行準確的定量計算，須進行本底的詳細調查分析，在不同的時間和空間進行多次采樣，建立數學模型，結果才會比較準確[21]。在沒有相關規范參考的情況下，采用相類似工程經驗，借鑒相關研究文獻的方法不失為緩流景觀水體工程初步測算的一種途徑，為新建項目水環境構建設計提供依據。