浅谈四川地区缓流景观水体水环境构建工程设计测算方法
时间：2023-03-01 11:50:07 来源：千叶帆 本文已影响人
郑良秋, 谭 春, 李 波
(1.四川省城乡建设研究院，四川成都 610041；
2.中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610041)
缓流水体通常是指湖泊、河口、海湾等流动较缓的水体，其对于水利防洪、用水供水、气候调节、生态环境等多种方面发挥着重要的作用。随着城市建设发展和人民对于生活品质要求的提高，在市政建设中往往加入了诸多缓流景观水体的元素，主要以人工湖(塘)为代表。此类水体由于开放性不强、水深较浅、周边大量人为活动等因素，极易受到冲击，其接纳的污染物负荷往往大于自身的自净能力，生态脆弱性显著，更容易出现水体富营养化，导致景观价值退化，甚至沦为黑臭水体的源头。
针对缓流景观水体的水环境构建，现有文献大多为工程概念性论述或针对某一项动植物影响因子的试验，但在新建项目设计初期，设计院往往无专业的技术人员和相应资金的投入来进行采样测试，无法通过试验数据得到准确的参数取值。笔者结合相关工程项目设计经验及国内外相关研究文献，为四川地区市政类缓流景观水体设计的初步测算提供参考与思路。
缓流景观水体水质的保持通常采用的是水环境修复的方法，采用生态学原理进行设计，根据水环境容量的自然规律，模拟出自然界生态循环，让其回归到一个天然稳定的生态系统。水环境修复涉及专业众多，需要生态学、物理学、气象学、植物学、微生物学、分子生物学、栽培学和环境工程等多学科的参与，在前期设计阶段通常采用的是经验+理论估算法来实施，通过污染负荷和环境容量之间的差值来确定水环境修复工程的污染削减目标，其中污染负荷主要涉及水量平衡计算、外源和内源污染负荷计算。
2.1 水量平衡分析
利用水量平衡分析法可以估算出水体自然补水量和缓流景观水体损耗量，核算枯水期水位是否满足缓流景观水体生态基流的要求。
水体自然补水量来源主要包括2个部分，一是水体周边区域客水降雨径流量；
二是水体投影区域降水量。水体自然补水量可以通过项目所在地多年的月均降雨数据对应的设计降雨厚度，结合汇水面积，径流系数以及其他年径流总量控制率要求，计算出总的补水量。
水体损耗量主要包含水体水面的蒸发量、渗漏损失量，如果设计有雨水回用系统，还需要计算雨水资源化利用的量。水面蒸发量通过月均蒸发量和水体面积计算得到，蒸发量可以在当地的气象部门查询到相关信息。渗漏损失量通过渗透系数和水体面积进行计算，其中渗透系数取值影响较大，特别是在水域面积较大的项目尤为明显。雨水资源化利用量为公园内部道路、绿地等灌溉浇洒用水，通过绿化用水定额和每月灌溉浇洒次数确定，在计算时候需要做相应扣除。
在计算出水体损耗量和水体自然补水量之后，可得出需要人工补充的水量。枯水水位可由初次水体蓄水量扣除水量平衡后最不利损耗水量后的水位，在没有外界人工补水(如市政中水或再生水)的情况下，可得出封闭水体的最小实际水量，具体技术路线如图1所示。
图1 水量平衡分析技术路线
2.2 外源污染负荷分析
外源污染根据项目的不同可以选取主要的影响因子，如人工补水污染、地表径流污染、大气沉降污染等等，相同量纲的污染负荷叠加可得总外源污染负荷。
人工补水污染指标通过上文提到的水量平衡法可计算出统计期内的人工补水量，结合来水的污染负荷指标即可测算出统计期内的补水污染负荷。目前，四川省岷沱江流域城市生活污水处理厂出水执行DB 51/2311-2016《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》，该标准除TN外的主要污染物指标要求达到地表水IV类标准，其他大部分城市生活污水处理厂出水指标也达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标，已满足作为回用水的基本要求。在进行经济技术比较后宜优先使用污水处理厂再生水对缓流景观水体进行补水，提升城市再生水资源化利用水平。
地表径流污染负荷可根据集雨区块划分和年降雨量，参照不同的下垫面径流系数取值，计算得出年地表径流进入景观水体的水量，由水量与平均污染物浓度之积测算出地表径流污染负荷。综合王以尧等人[1-4]对成都等地区雨水径流污染特征分析研究数据，推荐四川地区城市降雨径流COD质量浓度可取值范围为70～165 mg/L，TN质量浓度可取值范围为1.6～4.7 mg/L，TP质量浓度可取值范围为0.08～0.4 mg/L，在无现场监测试验数据的支撑时，可结合区域径流系数在推荐取值范围内选取污染物浓度计算参数。
大气沉降是指大气中的污染物通过一定的途径被沉降至地面或水体的过程，虽然近年来四川盆地的空气质量得到极大的改善，但大气沉降污染仍不可忽视，可采用景观水体水域面积与污染物沉降速率之积对大气沉降污染负荷进行初步测算。在早期研究中杨龙元等人[5]对大气沉降的研究湖区大气沉降的污染物输入量估算为TN=4226 kg/(km2·a)，TP=306 kg/(km2·a)。2018年中国科学院成都山地灾害与环境研究所研究员朱波及团队[6]在成都、什邡和盐亭设立监测点，分别代表城市、城郊和农村3种土地利用类型，得出TN沉降率为19.8～49.2 kg/(hm2·a)，且氨氮和硝态氮质量浓度与PM2.5质量浓度呈显著相关。推荐在无当地研究数据的情况下，四川省污染物大气沉降率以TN=4000 kg/(km2·a)、TP=300 kg/(km2·a)(对应PM2.5=40 μg/m3)为基准，根据区域类型结合年度PM2.5质量浓度进行取值(表1)。
表1 2020年四川省各市(州)PM2.5质量浓度
2.3 内源污染负荷分析
城市缓流景观水体内源污染主要选取底泥污染作为分析对象。当水域受到污染后，水中部分污染物可通过沉淀或颗粒物吸附而蓄存在底泥中，适当条件下重新释放，成为二次污染源。底泥各污染物速率以根据静态水柱实验确定，新建项目暂无试验条件时，可以结合相关研究，初步估算受污染底泥TN、TP和COD污染物释放量。龚春生等[7]提出过城市浅水型湖泊底泥释磷通量的估算方法。秦伯强等[8]在对大型浅水湖泊沉积物内源营养盐释放模式及其估算方法研究的静态试验中得出，在15 ℃时氮磷平均释放速率为TN=5.7～19.5 mg/(m2·d)，TP=0.82～2.74 mg/(m2·d)。同时，综合国内水体的内源外源污染研究经验数据[9-12]，可将外源污染输入量的15%～30%作为内源污染释放量取值，即将外源输入COD总量的15%～30%作为污染底泥COD污染物释放量进行测算。
2.4 景观水体环境容量分析
水环境容量是指一定区域的水体在规定的功能和环境目标要求下，对排放的污染物所具有的容纳能力，通常以单位时间内区域水体所能承受的污染物总量表示。对于景观缓流水体的水环境容量计算推荐采用完全均匀混合箱体水质模型(零维模型)，也可以预测水体一段时间内的动态变化，公式及参数推荐取值见式(1)。
W=Q·cs·10-6+K·V·cs·10-4
(1)
式中:W为景观缓流水体水环境容量(t/a)；
cs为水质目标浓度(mg/L)，可以代入GB 3838-2002《地表水环境质量标准》的相关指标；
Q为水量平衡时流入与流出水体的流量(m3/a)；
V为水体体积(m3)；
K为COD综合衰减系数或营养盐沉降速率(d-1)，可参考国内对自然、人工湖环境容量计算的研究进行保守取值，COD综合衰减系数为0.001 1～0.005 3，TN沉降速率系数为0.002 1～0.005 8，TP沉降速率系数为0.002 1～0.006 2[13-15]。
通过环境控制目标能承受的环境容量计算结果，与以上估算进入水体的各项外源内源污染负荷数据进行比对，结合污染负荷和环境容积的差值，可得到理论负荷削减量，从而提出污染负荷削减目标，进一步得出水环境构建工程污染负荷削减目标和初步的工程量。
为达到污染负荷削减目标，需要对人工补水、地表径流、大气沉降和底泥等等进行强制净化，减少内外源污染对湖体的冲击，构建水生植物生态系统。主要通过打造水生植物工程(挺水植物，沉水植物，浮水植物)和水生动物工程(鱼类和底栖动物)，完善水生动物食物链，构建出一套水体自身的生态净化系统。
3.1 水生植物设计
通过构建水生植物工程，可对补水、地表径流进行强制净化，减少外源污染对水体的冲击，同时修复水体生态系统，进一步提升水质，包括设置补水入湖前置预处理区、雨水滞留区、生态浅水区、生态深水区等。同时，通过鱼类、收割等方式对水生植物进行调控，维持其合理的生物量与群落结构，可有保持水生态系统健康[16]。
植物可选择根系发达、耐冲刷、净化效果好、耐污能力强，适应当地气候的品种。水生植物影响因素众多，如气候，温度，水动力学特性等。四川地区缓流景观水体消落带可以选用牛毛毡、矮生苦草等沉水植物，浅水区以矮生苦草为主，深水区可以选用苦草、金鱼藻、黑藻、狐尾藻、竹叶眼子菜等，可以单一种植，也可以相互以不同种植面积组合，以达到形成不同群落环境的目的。如苦草和狐尾藻进行组合，苦草与狐尾藻的种植面积比可选用8∶2～7∶3，伊乐藻、竹叶眼子菜及狐尾藻群落中，伊乐藻、竹叶眼子菜、狐尾藻的种植面积比可选用5∶3∶2～6∶2∶2。
根据污染物削减需求可对水生植物种植面积进行初步测算。沉水植物作为水生态系统的核心环节，基本代表整个水体的生产力，推荐以沉水植物指标表征水生态系统综合净化效率。中科院[17]水生生物研究所进行的沉水植物收割调控的几个生态学问题研究中的实际湖泊相关数据，沉水植物年收割干重为245～585 g/m2。《植物营养学》[18]中提到，一般植物含氮量约占干重的0.3%～5%，磷含量一般为其干重的0.05%～0.5%。姜义帅[19]进行的基于水生植物生长期收割的富营养化水体生态管理方法研究中得出多种用于水体修复的植物含氮量为其干重的1.2%～4.3%，磷含量一般为其干重的0.12%～0.5%。综上，设计水域植物种植面积可削减TN、TP污染负荷计算公式及参数推荐取值范围见式(2)。
A1=G·K·S·ρ·10-9
(2)
式中:A1为系统可削减的TN、TP污染负荷(t)；
G为每1 m2沉水植物年收割重量(干重)，可取250～600 g/(m2·a)；
K为以沉水植物生物量为表征，每克沉水植物干重综合净化TN或TP的效率，TN可取10～40 mg/g，TP可取1～5 mg/g；
S为常水位下水域面积(m2)；
ρ为系统变化系数，可取0.8～1.0。
3.2 水生动物设计
水生动物的选取也至关重要，影响因素纵多，如投放的种类、密度、数量、个体、雌雄比、放养季节、年龄等等。总体策略还是要选用本土品种，与水生植物协同，建立多级稳定生态食物链。四川地区可以选用鲢鱼、鳙鱼、鳜鱼、乌鳢、鲶鱼等，滤食性鱼类投放密度宜控制在尾/50～100 m2，肉食性鱼类控制在尾/100～200 m2；
底栖动物选用螺类与蚌类，投放密度在5 g/m2左右。以投放的鱼类为例，根据《现代营养学》[20]统计83种鱼类后得出，一般鱼类的蛋白质含量为15%～18%，而各种蛋白质的含氮量都很接近，均在18%左右，含磷量大致为0.3%～0.5%。由此可计算鱼类对TN、TP污染物负荷削减量，计算公式及参数推荐取值范围见式(3)。
A2=g·k·S·ρ
(3)
式中:A2为系统可削减的TN、TP污染负荷(t)；
g为每1 hm2鱼类回捕重量，可取250～500 kg/(hm2·a)；
k为每1 kg鱼类对TN或TP的削减量，TN可取24～33 g/kg，TP可取3～5 g/kg；
S为常水位下水域面积(m2)；
ρ为系统变化系数，可取0.8～1.0。
3.3 其他功能性设施
若单纯的生境打造无法满足污染负荷的削减要求，可在补水入湖前置预处理区、雨水滞留区、水质循环区等区域设置人工湿地、生物滞留池、生态基等设施强化对污染物的去除。人工湿地可参照现行的国家及地方标准规范进行设计，其他功能性设施宜参考水文、地质、气候条件相似地区的成熟应用案例。
四川省某景观湖设计湖库容积约640万m3，湖水面积约300万m2，按照水质保持目标为地表水Ⅲ类测算得出目标削减量，见表2。
表2 四川省某景观湖污染物目标削减量 单位：t/a
根据目标削减量并结合景观打造，初步设计约170万m2的沉水植物种植区域，500 kg/(hm2·a)回捕量的水生动物工程，同时设置2.0万m2补水入湖前处理区、0.3万m2初期雨水滞留区、应急物理措施等强化外源输入污染物的削减。
图2 某景观水体工程建设实景
对于外源污染负荷和底泥等内源污染负荷等，如果想要进行准确的定量计算，须进行本底的详细调查分析，在不同的时间和空间进行多次采样，建立数学模型，结果才会比较准确[21]。在没有相关规范参考的情况下，采用相类似工程经验，借鉴相关研究文献的方法不失为缓流景观水体工程初步测算的一种途径，为新建项目水环境构建设计提供依据。
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