净水技术|以沉水植物主导的水质净化技术在城市景观水体治理中的应用案例分析
小编导读在城市景观水体基本完成截污纳管、清淤及生态护岸等工程的同时，运用 “以沉水植物主导的水质净化技术”，人工构建沉水植物群落、底栖动物群落、鱼类群落、滨水带植物削减缓冲区的全方位一体化水生态体系。利用水生生物食物链的数量金字塔和能量金字塔模型，建立各个营养环节，实现水体营养物质间的有效转移。治理后水体总氮、氨氮、总磷、高锰酸盐指数等主要水质指标均达到国家地表水环境质量标准Ⅳ类水，整个地块水环境质量和生态微环境质量得到明显改善。来自上海水生环境工程有限公司的郑小燕、姜娟等人以扬州豪第坊高级别墅社区景观水系为例分析了以沉水植物主导的水质净化技术在城市景观水体治理中的应用。1 项目概况扬州豪第坊高级别墅社区景观水系主要由河道组成，总水域面积约3万m2，其中一期开挖水系约2.5万 m2。河道水系狭长，最窄处约5 m，最宽处达25 m，形似“且”字，根据水系功能分区分为水质净化区、喷泉观赏区、休闲垂钓区三大水域（见图1）。河道喷泉观赏区约5000 m2，平均水深70 cm，硬质底；水质净化区约20000 m2，水深1.5-1.8 m ，土质底；休闲垂钓区水深2.0-2.5 m，土质底。（注：休闲垂钓区因行垂钓功能，工程建设中通过拦坝形式与其他两个区域完全隔离，形成以“生态渔业”为主垂钓区，故本区域不考虑水质净化）
图1 项目水系分区图该景观河道初次进水水源和后期补水水源均为市政河道，外河道水质为《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的Ⅴ类至劣Ⅴ类。项目在进行水体生态净化工程以前每逢夏季均多处出现青苔泥皮上浮、水体浑浊现象，透明度仅20-30 cm，严重影响水系整体景观。作为一个融休闲、文化、适居和修养身性为一体的高级社区，其中的景观水系不仅给社区增添柔美的景观效果，更给社区居民带来颐养身心的灵动感觉。为了实现景观水系的水质净化功能和生态服务功能，确保夏季不发生蓝藻暴发，需对该景观水系进行生态净化处理。本工程于2011年6月开始进行生态建设，2012年6月竣工，2012年7至2015年6月进入系统维护与调控阶段。2 工艺介绍扬州豪第坊景观水系生态修复以水质改善为依托，重点消除藻类水华，构建健康、完善、持续、稳定的水生态系统。利用水生生物食物链的数量金字塔和能量金字塔模型，人为建立各个营养环节，实现水体营养物质间的有效转移，建立沉水植物群落、底栖动物群落、鱼类群落、滨水带植物削减缓冲区的全方位一体化水生态体系。其技术路线如下：
本体系“以沉水植物主导的水质净化技术”为主导，沉水植物是水体中重要的生产者，是水体生态平衡的重要调控者。沉水植物不仅可以吸收营养物质，而且可以影响水体和底泥间的物质交换平衡，同时还可以明显抑制藻类生长，水体中存在适当种类和数量的沉水植物对保持水体水质的长期健康有着重要作用。其技术原理如下：
（1）沉水植物群落淡水生态系统中，沉水植物占据水域生态系统的关键界面，是整个水生态生物群落的重要组成成分。多样性的沉水植物群落对水域生态平衡的维持和功能的发挥有不可替代的重要作用。研究表明，沉水植物系统对降低水体中营养盐效果明显，对磷的去除主要通过植物吸收，对氮的去除主要通过微生物的反硝化作用，沉水植物全部淹没水中，茎叶可作为生物膜提供微生物的生长。本项目喷泉观赏区根据水系特点（水深70 cm，混凝土硬质底）及功能定位采用“水下草坪”净化系统进行处理，其沉水植物种类为矮生耐寒型苦草，以基质方式（池底覆土10 cm后铺设）模块化种植（种植密度120株/m2），沉水植物种植面积达该水域30%（约1500 m2）；水质净化区根据水系特点（水深1.5-1.8m，自然土底）及功能定位采用“水下草皮”净化系统进行处理，其沉水植物种类以矮生耐寒苦草为主，同时搭配亚洲苦草Vallisneria natans、刺苦草Hydrocharitaceae 、轮叶黑藻Hydrillaverticillata、马来眼子菜Potamogeton malaianus、伊乐藻Elodea nuttallii种类，以群落塘植方式种植（种植密度100-150株/m2），沉水植物种植面积达该水域80%（约16000 m2）。（2）水生动物群落待沉水植被净化系统构建完毕后，根据水系景观投放一定比例的水生动物如：滤食性鱼类、杂食性鱼类、螺类、贝类、虾类等，建立起生意盎然全方位一体化的景观水体。①鱼类是水域生态系统中重要的消费者，完整的食物网结构可促进水域生态系统结构的稳定，刘建康和谢平1999年提出非经典生物操纵模型，通过凶猛鱼类及放养滤食性鱼类（鲢、鳙）直接牧食蓝藻水华的生物操纵，通过多年的实践验证，均取得良好的控制蓝藻水华的效果。本项目投放滤食性鱼类（鲢Hypophthalmichthys molitrix、鳙Aristichthys mobilis）980 kg，肉食性鱼类（鳜Siniperca chuatsi、乌鳢Channa argus、黄颡鱼Pelteobagrusfulvidraco）35 kg，刮食性鱼类鲴Plagiognathops microlepis 120 kg。②底栖动物是水生态系统的重要类群，众多研究表明，底栖动物可以加速水底碎屑的分解，促进泥水界面的物质交换和水体自净，在水域生态系统中的物质循环和能量流通中起着重要作用。我国底栖动物水质净化效果还处于实验研究阶段，因此底栖动物的选择从生态位和食物链的角度，选择不会对水生态系统产生破坏的软体底栖动物和虾类。本项目投放大型底栖软体动物（梨形环棱螺Bellamya purificata、铜锈环棱螺Bellamya aeruginosa、三角帆蚌Hyriopsis cumingii、河蚬Corbicula fluminea）560 kg，虾类（青虾Macrobranchiumnipponense、细是米虾Caridina nilotica gracilipes）50 kg。3 采样监测3.1采样点布置及时间本研究在景观水系中设计5个采样点，于生态建设开始时2011年6月起开始逐月监测至2015年6月，采样时间为每月15日。各采样点分布如图4所示：
图4 采样点布置图1#站点——靠近西侧盲端区（西侧有污水漏排现象）2#站点——位于游船停靠区3#站点——位于北侧河道涌泉区4#站点——靠近东侧钓鱼区（拦坝隔离）5#站点——靠近喷泉景观区3.2理化因子测定水中理化因子测定主要包括透明度、总氮、氨氮、总磷，测定方法和标准参照《水与废水检测分析方法》；同时参照《中华人民共和国地表水环境质量标准》（GB3838-2002）评判水质状况。3.3数据处理采用SPSS17.0软件进行相关统计分析。4 结果分析4.1水质理化指标分析4.1.1项目施工前后各站点水质理化指标变化特征从施工前（2011年6月）和施工后（2012年6月）各站点水质理化指标检测数据来看，氨氮含量波动较大，表现为1#站点、4#站点和5#站点偏高（水质基本维持在国家地表水Ⅳ类水水平）。总磷在各站点的分布较较均匀，施工后维持在Ⅱ-Ⅲ类水平。施工前后，透明度有显著提升，由施工前0.5 m提升至1.0-1.5 m。
图5 项目建设前后各站点水质状况对比图4.1.2 项目工程周期内水质理化指标变化特征项目自2011年6月施工至2015年6月维护调控期内水质理化指标数据来分析，随着水系生态系统的逐步稳定，其自净能力逐步增强，水体总氮含量在2012年6月项目建设一年后（均值1.33mg/L）显著低于建设初期（均值2.11 mg/L）(p<0.001)； 高锰酸盐指数（CODMn）含量在2013年12月较前几个月高，跟水体受施工期间污水局部排放有一定关系，此期间透明度也下降至1m左右。
图6 项目建设周期内水质状况分析图4.2污染负荷分析因地块为新建规划，本次污染负荷以地块天然降雨污染和地表径流污染分析为主，不考虑农业面源污染及其他污染源。据测算，2011年6月至2015年6月，输入水体氮总量约为76.01kg，磷总量约为6.84 kg。表1 污染负荷计算表污染源COD（kg/a）BOD5 （kg/a）氨氮（kg/a）总氮（kg/a）总磷（kg/a）地表径流污染578.60332.932.3058.216.64天然降雨污染40.005.000.9017.800.20总计618.60337.933.2076.016.844.3净化能力分析根据沉水植物对营养物质去除能力计算公式：
式中：M：营养物质去除量kg/a；S：沉水植物种植面积m2；x：水生植物种植比例%；a：单位面积水生植物收割重量Kg/ m2；X：单位重量水生植物所含营养物质比例%。在水生态系统中沉水植物对污染物N、P去除的贡献率以90%计算，结合以上公式计算，沉水植物种植面积17500 m2，对氮的贡献约为453 kg/a 对磷的贡献约为187 kg/a。表2 沉水植物对氮磷年去除量水生植物种植面积（m2）总氮年去除量（kg/a）总磷年去除量（kg/a）苦草500092.4781.90轮叶黑藻4000157.9911.67马来眼子菜260055.423.65矮生耐寒苦草470093.6684.92伊乐藻120053.465.00总计17500453.01187.145 结论（1）本案利用生物操纵理论，构建了不同类群的水生植物、水生动物群落并辅以微生物调控手段进行景观水系生态建设，项目通过向富营养化水体中种植沉水植物，以沉水植物净化技术为先导，有效去除水体中氮、磷营养盐，在项目建设后水质得到极大改善，取得了良好净化效果。（2）建设后水体持续维持稳定状况，水质由治理前地表水Ⅳ-Ⅴ类水净化至Ⅱ-Ⅳ类水，感官上也得到极大提升，透明度由40cm提升至150cm。（3）基于项目建设期间及运行维护期间建设单位对水生态系统的重视，采取各种措施加强小区业主及各施工单位的环保意识，从而实现了长达3-4年的运行维护期水质基本稳定。《净水技术》年度活动
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