肖鐵巖　許曉毅　付永川　羅固源

摘要：三峽水庫蓄水水位已達165米，其水環(huán)境性質(zhì)為半封閉型的緩流水體，水體自凈能力下降。庫區(qū)次級河流水質(zhì)的狀況直接影響著三峽庫區(qū)的水環(huán)境與生態(tài)安全。在分析庫區(qū)次級河流水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀與發(fā)生條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外河流整治的生態(tài)觀念和思路，對庫區(qū)次級河流污水生態(tài)工程治理技術(shù)進行了的初步探討。

關(guān)鍵詞：三峽庫區(qū)；次級河流；富營養(yǎng)化；生態(tài)工程

中圖分類號：X171文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1008－5831(2009)01－0005－04

水體富營養(yǎng)化是指緩流水體中營養(yǎng)物質(zhì)達到某一限值，在其他相關(guān)自然、水文條件等因素的共同影響下，水體發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物的復(fù)雜變化，并導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)失衡的過程。舉世矚目的三峽工程目前已蓄水至165m水位，在其防洪、發(fā)電、航運和旅游等方面帶來的經(jīng)濟效益正逐步體現(xiàn)的同時。隨著干流水環(huán)境特性的改變，其水污染過程和自凈機制等方面都發(fā)生著顯著、深刻的變化。庫區(qū)次級河流的水質(zhì)狀況成為直接影響三峽庫區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)安全的關(guān)鍵因素。筆者在分析庫區(qū)次級河流水體富營養(yǎng)化的現(xiàn)狀、發(fā)生條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外治河的生態(tài)觀念與思路，提出了庫區(qū)河流小流域生態(tài)整治的技術(shù)思路，并對次級河流污水治理適宜的生態(tài)工程技術(shù)進行了討論。

一、三峽庫區(qū)次級河流富營養(yǎng)化污染特性

(一)庫區(qū)次級河流水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀

庫區(qū)次級河流流域多為廣闊、起伏綿延的山地，實施污水收集和治理工程代價昂貴而且困難，加之次級河流流域現(xiàn)存的眾多工、農(nóng)業(yè)排放點污染源，以及流向眾多次級河流的緩坡地面徑流形成的面源污染，使庫區(qū)次級河流的水環(huán)境問題特別突出。三峽庫區(qū)蓄水后，次級河流水體局部河段的水文特征、地質(zhì)條件、水環(huán)境容量及納污特性等隨之改變，主要表現(xiàn)為回水段流速顯著降低、水體自凈能力下降，納污容量降低，庫區(qū)許多典型次級河流局部回水區(qū)域水質(zhì)與底質(zhì)惡化，并顯現(xiàn)出浮游生物種類減少而個體密度加大，魚類減少甚至死亡等水體富營養(yǎng)化征兆或爆發(fā)潛勢。近兩年的監(jiān)測結(jié)果表明，重慶市境內(nèi)的70條主要次級河流的172個監(jiān)測斷面中，不能滿足相應(yīng)水域功能的斷面比例約30％以上。龍溪河、小安溪河、瀨溪河、梁灘河、苧溪河、龍寶河、五橋河、梅溪河等許多庫區(qū)次級河流污染嚴重。主要超標(biāo)污染物中，總磷、總氮濃度普遍偏高，總磷達劣Ⅴ類的斷面所占比例超過30％，為藻類生長提供了充足的營養(yǎng)鹽，水體富營養(yǎng)化潛勢較高。此外，由于三峽水庫次級河流的開放性特征，次級河流水體富營養(yǎng)化程度存在較明顯的地域、區(qū)域分異現(xiàn)象，其回水區(qū)富營養(yǎng)化的狀態(tài)或潛勢相對更為嚴重，許多河流入江回水區(qū)曾一度出現(xiàn)了長度從幾百米到上千米不等的水華帶。

(二)庫區(qū)次級河流富營養(yǎng)化條件分析

從營養(yǎng)鹽輸入的角度分析，工業(yè)污水、村鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)田徑流、農(nóng)產(chǎn)品加工廢水、養(yǎng)殖廢水等任意排放，次級河流沿岸的農(nóng)村生活垃圾、農(nóng)作物秸桿、人畜糞便形成固體廢棄物、大氣濕沉降等，是流域營養(yǎng)鹽面源污染負荷的主要來源。據(jù)統(tǒng)計，庫區(qū)典型的15條次級河流中，TN年排放量超過3.14×10⁵t，TP年排放量超過1.76×10⁴t。根據(jù)河流流量作靜態(tài)粗略分析，并結(jié)合現(xiàn)狀監(jiān)測值，庫區(qū)十余條典型次級河流營養(yǎng)鹽輸入量已遠超過“水華”的臨界濃度，支流回水段TP平均濃度為0.148mg／L(最大濃度達到1.368mg／L)，TN平均濃度1.90mg／L(最大濃度達到10.06mg／L)，都遠遠高于湖庫水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化的TP和TN臨界濃度0.02、0.2mg／L。庫區(qū)支流回水區(qū)藻類生長具有充足的營養(yǎng)基礎(chǔ)，因此，次級河流水體營養(yǎng)鹽的輸入和有效削減必須引起足夠重視。

從水體富營養(yǎng)化的作用機制分析，隨著三峽庫區(qū)水文條件的顯著改變，同時受水庫回水頂托的影響，次級河流河口一定長度的江段形同緩流湖泊，次級河流流態(tài)特征(尤其是河口水文條件)改變，污染物生化降解反應(yīng)特性等也隨之變化。主要表現(xiàn)為，河口區(qū)域水體擴散能力變差，水體稀釋自凈能力和生化反應(yīng)能力減弱，河口回水腹心區(qū)生化反應(yīng)器水力停留時間增長，污染物尤其是營養(yǎng)鹽積存而易于形成水體內(nèi)源污染，水體富營養(yǎng)化的潛勢增加等。另一方面，河流富營養(yǎng)化是一個非常復(fù)雜的環(huán)境生態(tài)體系，由于庫區(qū)眾多次級河流具有的相對開放特性，藻類爆發(fā)生長所涉及的因子就更為復(fù)雜。除營養(yǎng)鹽負荷這一重要因素外，次級河流回水河段特性與回水水量、氣候、水溫、鐵錳微量元素含量等因素，也是影響次級河流水體富營養(yǎng)化程度、優(yōu)勢藻種比例、“水華”發(fā)生或消亡、發(fā)生區(qū)域擴張或收縮的重要因子。

二、庫區(qū)次級河流富營養(yǎng)化生態(tài)控制技術(shù)對策

國外對城市河流的開發(fā)和整治先后經(jīng)歷了三個不同的發(fā)展階段，即從初期工程治河階段對河流系統(tǒng)簡單人工化，到污染控制與水質(zhì)恢復(fù)時期側(cè)重于以人工措施治理工業(yè)及生活污染，再到現(xiàn)階段的可持續(xù)管理利用時期的生態(tài)修復(fù)、河流自然化與功能多樣化。以生態(tài)學(xué)觀點為指導(dǎo)，采取多學(xué)科綜合整治的策略，成為當(dāng)今世界各國流域生態(tài)整治技術(shù)的總體思路。

(一)庫區(qū)次級河流流域生態(tài)整治技術(shù)思路

從庫區(qū)次級河流水環(huán)境與污染防治現(xiàn)狀來看，點源污染的截污、治污與營養(yǎng)負荷減排仍然是一項十分必要的措施，但從非點源污染表現(xiàn)出的產(chǎn)生隨機性、影響滯后性和影響因子復(fù)雜性的角度，應(yīng)該通過環(huán)境科學(xué)、水力學(xué)、生態(tài)學(xué)、園林學(xué)等多學(xué)科的方法和原理，實現(xiàn)在截污基礎(chǔ)上河流水體的自凈功能和生態(tài)學(xué)功能最大化，并引導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)向草型生態(tài)系統(tǒng)方向發(fā)展，恢復(fù)次級河流與河岸生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，再現(xiàn)一個自然的、能自我調(diào)節(jié)的生態(tài)平衡系統(tǒng)。結(jié)合三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況，從“認識與理解”、“城市河流內(nèi)涵與外延”、“河流功能”、“次級河流整治”以及“整治系統(tǒng)的技術(shù)體系特征”等幾個方面，提出三峽庫區(qū)次級河流水體富營養(yǎng)化綜合整治對策的總體思路(表1)。

結(jié)合三峽庫區(qū)次級河流的普遍特點，認為尤其應(yīng)從小流域的角度考慮次級河流水污染的綜合整治；對小流域進行不同河流河段的確定功能定位，針對不同河流的污染和生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、水文水力條件、流域經(jīng)濟發(fā)展水平，按照生態(tài)型河道構(gòu)建和河流的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的原則，科學(xué)建立小流域水污染綜合整治的評價指標(biāo)體系，遵循再生循環(huán)的生態(tài)原理，利用生態(tài)系統(tǒng)的自我組織、自我調(diào)節(jié)能力，因地制宜、有針對性地進行小流域不同區(qū)域的生態(tài)修復(fù)重建。對于城市河段應(yīng)采用截污、生態(tài)型河道構(gòu)建等作為主要的治理措施；對于農(nóng)村河段，則應(yīng)考慮發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，注重控制面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染、水土流失及污水的生態(tài)工程控制。庫區(qū)次級河流小流域綜合治理技術(shù)路線為：污染源調(diào)查一污染物轉(zhuǎn)移擴散分析一污染負荷削減與污染物治理一河流生態(tài)系統(tǒng)自凈一流域生態(tài)平衡。

(二)構(gòu)建流域污染生態(tài)綜合整治的評價指標(biāo)

體系

河流生態(tài)系統(tǒng)綜合整治效果評價體系的構(gòu)建是河流生態(tài)整治的核心問題之一。近20年來，國際上對河流健康評價的方法學(xué)不斷發(fā)展，形成了一系列較為系統(tǒng)的評價方法。從評價原理的層面，可大致將這些評價方法分為預(yù)測模型法和多指標(biāo)評價法。IBI指數(shù)(Index of Biotic Integrity)是一種由美國開發(fā)的健康河流評價指標(biāo)多指標(biāo)指數(shù)，其特點是將測試點生物群落的結(jié)構(gòu)、物種的組成、數(shù)量及生物量等與參照點對比，得出相應(yīng)的IBI值，從而得到河流的健康情況。該指標(biāo)最初用于魚類群落的評價。后來逐步推及到大型脊椎動物。歐盟開發(fā)了健康河流評價指標(biāo)WFD指標(biāo)(Water Framework Directive)，該指標(biāo)評價河流的基本原則主要基于河流中的生物(如深水大型無脊椎動物等)，河流按類型劃分并與其對應(yīng)的參照類型對照，分“優(yōu)、良、中、差、特差”5級評價，生物元素應(yīng)考慮其組成、豐度、無脊椎動物種類多樣性水平、敏感的種類與不敏感種類的比例。澳大利亞開發(fā)了河流狀況指數(shù)(ISC：Index of stream Condition)評價模式，是一種包括河流水力、物理形式、河岸帶、水質(zhì)、水生動物等5種狀況在內(nèi)的綜合指標(biāo)評價體系。

近年來中國已經(jīng)開始關(guān)注從河流健康狀況的視角保護河流，但緣于經(jīng)濟發(fā)展水平上的差異，西部地區(qū)在生態(tài)治河理念、治河技術(shù)體系方面還較為滯后?？傮w而言，建立庫區(qū)典型次級河流健康評價指標(biāo)體系、河流健康狀況評價方法學(xué)以及生物監(jiān)測評估模式，是次級河流小流域生態(tài)綜合整治的重要技術(shù)內(nèi)容。現(xiàn)階段，應(yīng)首先構(gòu)建適合于庫區(qū)次級河流污染特征和相應(yīng)水域功能定位的生態(tài)評價指標(biāo)體系，形成現(xiàn)狀監(jiān)測評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

(三)庫區(qū)次級河流污染治理生態(tài)工程技術(shù)分析

十余年來，國內(nèi)外的有關(guān)專家和研究人員經(jīng)過不斷探索和研究，運用現(xiàn)代生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、系統(tǒng)工程的基本原理和方法，研發(fā)了一系列流域水環(huán)境生態(tài)修復(fù)和生態(tài)工程技術(shù)。結(jié)合庫區(qū)次級河流地域特點和污染特性，從著眼于外源營養(yǎng)物污染控制和資源持續(xù)利用的角度，認為水污染生態(tài)治理工程是庫區(qū)次級河流流域生態(tài)調(diào)控修復(fù)的較佳選擇之一。庫區(qū)次級河流水體富營養(yǎng)化防治應(yīng)遵循“水污染治理與生態(tài)修復(fù)”相結(jié)合的技術(shù)路線，采用低投資、低運行管理費用和適應(yīng)性較強的生態(tài)工程治理技術(shù)，并充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力。

1、人工濕地技術(shù)

人工濕地法在歐洲又稱為根區(qū)法，通過模擬自然濕地，人為設(shè)計與建造的由基質(zhì)、植物、微生物和水體組成的復(fù)合體，利用生態(tài)系統(tǒng)中基質(zhì)一水生植物一微生物的物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用，將水中可沉降固體、膠體物質(zhì)、BOD₅、N、P、重金屬、難降解有機物、細菌和病毒等去除，實現(xiàn)對污水的凈化和改善，是一種具有較高生產(chǎn)力和較大活性的營養(yǎng)鹽控制的生態(tài)處理系統(tǒng)。人工濕地的類型主要有水平流碎石床濕地、下行流濕地、上行流濕地等。國內(nèi)外工程實例資料表明，人工濕地耐污及水力負荷強，抗沖擊負荷性能好，效果穩(wěn)定，處理廢水能耗省。維護管理簡便，具有相當(dāng)脫氮除磷能力，并能形成多樣性的生境。人工濕地技術(shù)對于小流量及間歇排放的廢水處理以及建設(shè)次級河流河口區(qū)域生態(tài)緩沖帶等尤為適宜。但由于人工濕地系統(tǒng)所需要的土地面積相對較大，一般只能用于次級河流流域中用地相對不受限制的地方，也可用于流域內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水的深度處理。

2、人工生態(tài)浮島或浮床

生態(tài)浮島(浮床)技術(shù)是通過人工把水生植物或改良馴化的陸生植物移栽到水面浮島上，植物在浮島上生長，并與微生物形成互生協(xié)同效應(yīng)，通過根系吸附并吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，從而達到防治水體富營養(yǎng)化的目的。一些浮島植物還具有良好的克藻效用，能專性地抑制相應(yīng)藻類的生長。一個完整的浮島主要包括三個部分：浮島載體、浮島固定裝置和浮島植物。人工生態(tài)浮島技術(shù)是一種非常有效的水體氮磷污染防治技術(shù)，在國內(nèi)外具有許多成功應(yīng)用的實例，和其他污水生態(tài)治理技術(shù)相比，在工程造價與占地、營養(yǎng)鹽去除效果、生物生態(tài)多樣性、人造景觀以及經(jīng)濟效益等方面優(yōu)勢明顯，是一種適宜用于庫區(qū)次級河流水體富營養(yǎng)化防治的一種生態(tài)工程技術(shù)，尤適用于河流中氮磷濃度高且水流流速平緩的中小河道。但作為一種新興的水處理生態(tài)技術(shù)，人工浮島技術(shù)出水水質(zhì)的可靠性和穩(wěn)定性還有待進一步提高，尤其在冬季氣溫較低的條件下，植物生長受到抑制而對處理效果產(chǎn)生一定的不利影響。

3、生態(tài)穩(wěn)定塘

生態(tài)穩(wěn)定塘是一種半人工的生態(tài)系統(tǒng)，細菌、浮游動物、藻類等水生植物、高等動物等形成多條食物鏈，構(gòu)成穩(wěn)定塘中各種生物相互依存、相互制約的復(fù)雜生態(tài)體系，其功能主要是滯留污染徑流，循環(huán)利用水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，使廢水中的污染物質(zhì)得到分級轉(zhuǎn)化、降解和利用。生態(tài)穩(wěn)定塘進行污水凈化的占地面積相對較大，且作為一種半人工的生態(tài)系統(tǒng)，人為調(diào)節(jié)眾多環(huán)境因子的能力非常有限。但生態(tài)穩(wěn)定塘建造成本低，操作管理容易，不僅能取得良好的BOD₅去除效果，而且可有效去除氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，還原重金屬及有毒有機物等。因此，生態(tài)穩(wěn)定塘不僅可以作為庫區(qū)污水營養(yǎng)鹽去除的一種具有競爭優(yōu)勢的生態(tài)工程技術(shù)，而且也是能夠結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖的一種有效的資源化手段。

4、生態(tài)溝凈化技術(shù)

生態(tài)溝是一種凈化農(nóng)村生活污水的治理系統(tǒng)。一般在其溝底鋪鵝卵石，中間鋪粗砂，表面鋪細沙。細沙上種水浮蓮、水芋等根系發(fā)達的植物。生態(tài)溝技術(shù)對營養(yǎng)物質(zhì)的去除主要通過土壤的浸潤毛細作用，吸附、過濾、沉淀作用以及生物降解與土壤中生長的植物攝取作用，實現(xiàn)污水高效治理及營養(yǎng)物去除的目的。同時，溝中沙石填料構(gòu)成濾床也可對污水中顆粒雜物進行過濾治理。經(jīng)生態(tài)溝后處理的農(nóng)村生活污水，還可直接排入農(nóng)田灌溉，實現(xiàn)污水的資源化利用。生態(tài)溝技術(shù)污水治理成本很低，從保護農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和降低入河氮磷污染負荷的角度，很值得在庫區(qū)廣泛推廣。

三、結(jié)語

結(jié)合庫區(qū)次級河流水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀與特性以及過去幾十年國際上的污染河流治理經(jīng)驗，從小流域的角度考慮次級河流水污染的綜合整治，削減流域面源營養(yǎng)污染負荷，恢復(fù)河流應(yīng)有的自然物理生態(tài)結(jié)構(gòu)，是庫區(qū)次級河流富營養(yǎng)化污染防治和恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)功能的最根本措施。充分利用生態(tài)系統(tǒng)的自我組織和自我調(diào)節(jié)能力，因地制宜地優(yōu)化組合各種生態(tài)工程治理技術(shù)對受污染水體進行治理，是三峽庫區(qū)富營養(yǎng)化水體防治的最佳選擇之一，對改善庫區(qū)水環(huán)境質(zhì)量、促進庫區(qū)次級河流小流域生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

(責(zé)任編輯傅旭東)