1. 引言
近年来,城市新开挖人工湖数量呈增长趋势,尤其是在新建园区、厂区、公园等环境内,人工湖的地位越来越重要 [1] [2]。小区域内的人工湖承担的重要功能是丰富区域内的景观性 [3] [4] [5]。良好的水景是一道靓丽的风景线,而保证水景最基本的要求是水体清亮、水质达标;进一步的观感要求是水体“碧波荡漾、鱼翔浅底”。目前,很多人工湖水体生态系统不够完整,有如“挖坑蓄水”一般,后续水体水质极易恶化,产生水体浑浊、水色发绿等问题,水体水质和观感效果差 [6] [7] [8]。目前,国内对水生态修复与保护方法研究很多 [9] - [14],在实际应用过程中,多关注整体效果的可达性,对单个工艺对水质提升效果的研究较少 [15] [16] [17] [18]。因此,本文旨在对人工湖水生态系统构建前、中、后期的水质进行研究,探索水生态系统构建的各工艺对人工湖水质提升的效果,为城市人工湖水质保持提升等工作提供支持。
2. 材料与方法
2.1. 研究区域概况
本文选取浙江杭州某园区内新建的人工湖作为研究对象。该人工湖水体面积约6000 m2,平均水深1.5 m,水体总量约9000 m2。中心湖开挖完成后,首次蓄水以自然降水为主,蓄水后一段时间水体水质开始恶化,产生蓝藻,水色青绿。随后,对人工湖进行水生态系统构建,通过一系列工程措施提升人工湖内水体水质。
本文按时间进度,以施工前、中、后三个时间节点进行研究,通过对比三个阶段的人工湖水质数据,研究水生态系统构建对水质提升的效果。
2.2. 样品采集与实验方法
在施工前,施工中(施用水质改良剂后14天,沉水植物种植完成后7天),施工后(沉水植物种植完成后30天),分别对人工湖进行水质检测。检测期间避开台风、暴雨等天气,分别检测水样的溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODmn)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)。
2.3. 分析方法
本研究运用综合污染指数法 [19] 对上述检测点水质进行分析评价,选取标准为地表水环境质量标准中III类水标准(GB3838-2002) (表1);并分析施工中期、后期相较于施工前期各指标污染物去除率进行比对分析。
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Table 1. Grade III water standard in surface water environmental quality standards (GB3838-2002)
表1. 地表水环境质量标准中III类水标准(GB3838-2002)
综合污染指数法计算公式:
(1)
同时,研究各工艺对各污染物的去除率进行分析,总结出去除各污染物所需的较佳工艺方式,并计算各工艺每单位工程量对各污染物的去除量,进而分析各施工工艺对污染物的去除效果。
3. 结果与分析
3.1. 各施工期各因子指数比对分析
由图1可知,工程施工前,各单因子指数均超过1,其中氨氮单因子指数最高,达到5.45,是施工前水体中的重要污染物因子。总磷单因子指数达到3.19,也是水体中重要的污染因子。由此分析可以得出,施工前水体中主要的污染物为氨氮和总磷。
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Figure 1. Changes in the pollution index of each indicator before, during and after construction
图1. 施工前、中、后各指标污染指数变化
施工当中,即施用水质改良剂后14天,沉水植物种植完成后7天,各单因子指数相较于施工前均有下降。其中,指数下降最多的是氨氮,由施工前的5.45下降到了1.15;总磷和溶解氧单因子污染指数略有下降,分别从3.19和2.07下降到2.18和1.77;高锰酸盐单因子指数下降情况良好,施工中已经小于1,下降到0.78。
施工后30天,各指标单因子指数均小于1,已达到地表水Ⅲ类水标准,水质提升效果显著。
项目水体的综合污染指数由施工前的3.00,逐步下降到施工后的0.52,表明水生态构建工程将目标水体水质提升至地表水III类水标准。
3.2. 施工中、施工后各指标去除率分析
整体来看,施工全过程中,氨氮的去除率最高;施工中,高锰酸盐指数和总磷去除率相对接近,分别为40.76%和31.82%,施工后,总磷去除率达到90.68%,高锰酸盐指数去除率为64.71%。由图2可知,水生态系统构建工程对氨氮和总磷的去除效果显著,对高锰酸盐指数的去除效果较好。
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Figure 2. The removal rate of pollutants during and after construction
图2. 施工中、施工后各污染物去除率
三种指标去除率的存在较大差异的原因,可能是由于施工前水体高锰酸盐指数较低,施工中高锰酸盐指数已经达到地表水III类水标准,后续高锰酸盐指数去除效果有所下降;水体中氨氮和总磷在施工前的浓度很高,属于劣V类水,施工后达到地表水III类水标准,去除率远高于高锰酸盐指数。
3.3. 施工工艺对污染物去除效果分析
施工全过程中,水体未进行置换、补水,研究周期中未存在降水,可基本排除外来水源对研究水体水质的影响。
施工中时间节点时,所完成的工程内容为水质改良和沉水植物种植,为施用水质改良剂后14天,沉水植物种植完成后7天。此时沉水植物刚度过休眠期,旧叶脱落而新叶未生,对水质提升的作用可近似忽略。施工过程中,水质改良剂共施用90 kg,效果存在期为10天。施工中对比施工前,高锰酸盐指数、氨氮和总磷削减总量分别为28.80 kg、38.68 kg和1.83 kg。由此可推算,每kg水质改良剂可削减高锰酸盐指数、氨氮和总磷总量为0.32 kg、0.43 kg和0.02 kg。
施工后时间节点,为沉水植物种植完成后30天,此时沉水植物开始生长,对水质提升产生作用。水体中沉水植物为苦草,共种植5800 m2,696,000株。施工后对比施工中,高锰酸盐指数、氨氮和总磷削减总量分别为16.92 kg、5.79kg和2.95 kg。由此可推算,每平方米苦草(30天)可削减高锰酸盐指数、氨氮和总磷总量为2.91 g、1.00 g和0.51 g;即每100株苦草(30天)可削减高锰酸盐指数、氨氮和总磷总量为0.24 g、0.08 g和0.04 g。
工程施工完成后,高锰酸盐指数、氨氮和总磷削减总量分别为45.72 kg、44.48 kg和4.78 kg,每立方米水量高锰酸盐指数、氨氮和总磷削减量分别为5.08 kg、4.94 kg和0.53 kg。
由图3数据可知,本研究中人工湖水生态系统构建过程中,每单位水质改良剂对氨氮去除比例最高,达56%;其次是高锰酸盐指数去除比例为41%。由图4数据可知,本研究中人工湖水生态系统构建过程中,每单位苦草对高锰酸盐指数去除比例最高,达66%;其次是氨氮去除比例为23%;最低为总磷,去除比例为11%。
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Figure 3. The removal ratio of three pollutants per unit of water quality improver
图3. 单位水质改良剂对三种污染物去除比例
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Figure 4. The removal ratio of three pollutants per unit of bitter grass
图4. 单位苦草对三种污染物去除比例
综上,水质改良剂在施工前中期对氨氮和高锰酸盐指数有良好的去除效果,但仍无法单独使用该措施使水体水质达到地表水III类水标准;苦草对高锰酸盐指数和总磷有较好的去除效果,且适宜作为整个施工流程的后期处理措施,可将水体水质提升到地表水III类水标准。
4. 结论
1) 本研究通过水生态系统构建,即水质改良和沉水植物吸收污染物的组合措施,将项目水体水质由地表水劣V类水体提升至地表水III类水标准。
2) 水生态系统构建工程将水体中的高锰酸盐指数、氨氮和总磷分别去除了64.71%、90.68%和83.23%,去除效果显著。
3) 水质改良剂在施工前中期对氨氮和高锰酸盐指数有良好的去除效果,但仍无法单独使用该措施使水体水质达到地表水III类水标准;苦草对高锰酸盐指数和总磷有较好的去除效果,可将水体水质提升至地表水III类水标准。