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1、城市人工湖富营养化问题与对策 丁爱中 北京师范大学水科学研究院 河道生态治理http:/ 主要内容 城市人工湖特点 富营养化识别 富营养化控制 案例分析 城市湖泊增添城市的活力 城市湖泊的特点 面积较小， 10:1 不透水面积 5% 主要功能：娱乐、供水、防洪、其它直接利用 不包括特殊湖泊，如主要接受地下水补给、盐湖 等 (Schueler, 2000) 城市湖泊健康的判断 雨洪径流污染 ：增加浊度、有机物含量、沉水植物消失等 设计不合理 ：水深太大、水力效率低、水力停留时间长等 浮水植物大量生长 ：有机碳增加、耗氧 、 底泥污染物释放等 浊度影响 ：沉积再悬浮 浅水湖泊健康取决于：浊度和沉水
2、植物 o 清水 ：沉水植物为主 o 浊水 ：浮游植物为主 - 低浊度 - 低营养 - 低藻量 - 高浊度 - 高营养 - 植物消失 - 蓝绿藻华 - 高营养 - 高浊度 - 水体高营养 - 高荫蔽 漂浮植物 水生植物为主 藻类为主 蓝绿藻为主 浅水湖泊状态概念模型 (改自 Scheffer et al.,2003) 健康 不健康 水生植物 -浮游植物状态转变概念模型 P1 P2 Total P(mg/L) Turbidity(m-1 )Ecrit 水生植物 浮游 植物 交互状态 水生植物 水生 /浮游植物 浮游 植物 (改自 Scheffer, 1998) 浮游植物 -蓝绿藻状态转变概念模型
3、P1 P2 Total P(mg/L) Turbidity(m-1 )Ecrit 混合浮游 植物 蓝绿藻 交互状态 混合浮游植物 浮游植物 /蓝绿藻 蓝绿藻 (改自 Scheffer et al., 1997) 蓝绿藻区别于其它藻类 ： o最大生产力低 o损失率低 o荫蔽忍耐力强 o对浊度贡献大 浅水湖泊生态状态转变概念模型 Nutrients TurbidityEc 混合浮游 植物 蓝绿藻 水生植物 (改自 Scheffer, 1998) 50g/L (Moss et al.,1996) 62g/L (Zimmer et al.,2009) 50g/L (Sayer et al.,2010)
4、 Ev 影响蓝绿藻生长的因子 营养盐 N：固氮作用 P：限制因子，蓝绿藻储磷 微量金属： Mo限制固氮蓝绿藻生长 光、浊度 相同营养盐条件下，光比 P更具相关性 水力停留时间 温度 铜绿微囊藻 27.5-32 C，鱼腥藻 24-35 C， 束丝藻 15-28 C 水深：影响浊度，浅水易于沉水植物生长 混合 /风：影响蓝绿藻形成、积累 静息孢子 ： 沉积物中 0.1 0.15 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 TP(mg/L) 交换速率 (%湖泊体积 /d-1) 蓝绿藻 平衡状态 其它藻类 （改自 Sheffer et al., 1997.荷兰 55个湖泊 25 C） (Burge a
5、nd Breen,2006) 人工湿地 ： 降低 SS、营养盐浓度、调节 HRT、消除藻类活性 通过循环处理，提升水质 蓝绿藻水华的控制技术 机械清除：收集、沉降等除去部分藻类 超声处理：破坏气囊和光合系统 底泥疏浚：往往作为最后一招，费用和生态影响 底泥覆盖：长期效果不清 P絮凝沉淀：铝盐、铁盐、黏土等 水体人工混层：曝气等 底层排水：营养盐浓度高 使用杀藻剂： CuSO4等 生物操纵：自上而下控制，澳大利亚证明无效 水生植物浮床 蓝绿藻水华的控制技术 o 南海子郊野公园位于大兴区 ， 规划面积约 12000亩 ， 北京市最大的湿地公园。一期工程总占地面积 2286亩 ，水体面积 450亩
6、， 平均水深1.5米 。 一期工程 补水 采用小红门污水处理厂一级 B再生水。 o 存在问题： 存在水华风险 o 主要工作：水生态监测、水质控制技术、富营养化应急方案 案例：南海子公园概况 00.511.522.533.5TN(mg/L)西湖平均 东湖平均 0102030405060Chl-a (ug/L)西湖 东湖 布纹藻 舟形藻 桥湾藻 针杆藻 平裂藻 螺旋藻 曲壳藻 囊裸藻 鼓藻 空星藻 具尾四角藻 栅藻 双射盘星藻 裸藻 蹄形藻 南海子湖区藻类分布 -西湖 南海子湖区藻类分布 -东湖 南海子湖富营养化评价 0102030405060708090100TLI(CODMn) 西湖平均 东湖
7、平均 贫营养 中营养 轻度富营养 中度富营养 01020304050607080TLI(TN)西湖平均 东湖平均 贫营养 中营养 020406080100TLI(TP) 西湖 东湖 贫营养 中营养 轻度富营养 中度富营养 01020304050607080TLI(Chl-a) 西湖 东湖 贫营养 中营养 轻度富营养 中度富营养 南海子模型的基本网格 初始条件： 初始水位是 29 m，水平流速和垂直流速设为 0 m/s， 水面最大温度为 38.8 ，最小温度为 -0.9 。设定曼宁数为 45 m1/3/s。用曼宁数来自动分配水量。设定涡粘系数为 0.24。 边界条件： 边界水位是 29 m，水平
8、和垂直方向的流速为 0 m/s。 构建 南海子湖泊水动力模型 -采用 MIKE 21 运行和模拟的效果图 南海子公园 水质演化模型与预测 南海子湖泊水面、湖底流速模拟 南海子湖泊水面流速模拟图 南海子湖泊湖底流速模拟图 构建 南海子湖泊水质模型 -应用 ECO LAB 扩散系数设定为 0.01 m2/s， 初始条件设定为 5月 12日所测得的水质数据。 水质微分方程的计算方法采用欧拉法计算， 内置作用力选择 Temperature， Water Depth，状态变量为 NH3N， NO2N， NO3N，PO4P， DO。 叶绿素 ：叶绿素 生产量 、 植物呼吸过程中的叶绿素消耗量 、植物 死亡
9、造成的叶绿素消耗量 、 沉积过程造成的叶绿素消耗量 氨氮 ： BOD降解过程中产生的氨氮 、 植物吸收氨氮 、 细菌吸收氨氮 、 亚硝氮 ： 硝化反应中氨氮变亚硝氮 、 硝化反应中亚硝氮变硝氮 硝氮 ： 硝化反应中亚硝氮变硝氮 、 反硝化反应 磷酸盐 ： BOD降解过程中产生的磷酸盐 、 植物吸收的磷酸盐 、 细菌吸收磷酸盐 S1 总氮 总磷 叶绿素 S2 S3 西侧进水，交换水量为 0.05 m3/s，平均水力交换时间为 30天 40天， 其中入水水质的初始值为国家中水水质的标准值 南海子湖泊氮分布模拟图 南海子湖泊磷含量模拟分布图 进水流速对水质影响模拟 一部分地区由于水流问题，改善幅度较
10、小，大部分地区 富营养化加剧趋势得到减缓 ，氮含量影响效果明显，这一措施 基本遏制 了南海子湖泊的富营养化程度急速加剧的情况 水量 水质 平衡 模型构建 南海子湖水量收支情况示意图 湖泊水量平衡方程： V =Q+P+Rs+RgE 其中： Q人为补水量； V湖泊水量的变化； P湖面的降水量； Rs入湖地表径流量； Rg入湖地下径流量； E湖面的蒸发量。 水质水量调配方案模拟 南海子 湖泊蓄水变量 ( V) V=95134.5P0+(0.85P0E0)S 其中： V南海子湖泊蓄水量的变化； P0南海子湖面单位面积降水量； E0南海子湖面单位面积蒸发量； S南海子湖面面积。 Q0C0+Q1C1+Q2
11、C2=Q0C标 其中： Q0南海子湖蓄水量，取 42.45万 m3； C0南海子湖本底 TN浓度； Q1补水所用中水量； C1补水所用中水中 TN浓度，取 15 mg/l Q2补水所用清水量； C2补水所用清水中 TN浓度， 0.2 mg/l； C标 南海子湖 TN浓度标准，取 1.5 mg/l。 一些模拟结果 模拟 不同月份 一次性进 水水量变化 四月初进水后水量变化 4月、 5月进水： 仅可保持 12个月位达到平均水位 南海子湖在 6月份 人工进水可以使南海子在较长时间内保持水量较丰的状态 五 月初进水后蓄水量变化 六 月初进水后蓄水量变化 模拟保持水位不变 时各月份补水情况 保持平均水深
12、 1.5 m时各月需调配水量变化情况 若想全年保持水深在 1.5 m，除七月份外，其他各月均需补水维持，其中 三月份需要补水量最大 ，约需补水 40万 m3。 水质水量平衡模拟 保持平均水深 h=1.5 m，即蓄水量 42.45万 m3状态下，为使南海子湖满足 类水质要求， 各月需按比例补入中水与 自来水 。 南海子湖满足水质水量要求的人工补水情况 为满足水质水量同时达标，应进一步 提高南海子湖补水所用中水的水质 ，同时结合 水处理相关技术 增强湖泊自净能力。 浮岛的安装 水生植物种植 碳素纤维生态草施工 水质控制示范工程 太阳能动力除藻机 投放微生物菌制剂 投放水生动物 水生植物浮床技术 -
13、水生植物 的选择 美人蕉 、 黄菖蒲 、 水葱 、 茭白 、 千屈菜 用水为取自凉凤灌渠再生水出水口、中游处和闸口处三处采样后的混合水体 本试验不添加水量，而是通过称水重来换算所观测指标的总量，由此计算去除率 结论： （ 1） COD的去除效果，美人蕉 黄菖蒲、茭白 千屈菜、水葱 （ 2） BOD的去除效果，美人蕉 茭白 水葱、千屈菜 黄菖蒲 （ 3） TN的去除效果，美人蕉 黄菖蒲、茭白 千屈菜、水葱 （ 4） TP的去除效果，黄菖蒲 美人蕉 茭白、水葱 千屈菜 在实际的应用过程中可根据水体中特定污染物削减需求 合理搭配 一种或多种水生植物进行 协同作用 ，这样来保证景观水体各项污染物浓度维
14、持在适宜的水平范围内。 水生植物浮床技术 -温度的影响 10 1 、 20 1 、 30 1 水生植物浮床技术 -养护方式的确定 以黄菖蒲为例： 结论： （ 1）植物的采收方式对植物 平均根长 和 最长根长 有明显的影响。黄菖蒲和千屈菜每 30天采收 1次的平均根长最大，两种植物的最长根长在留茬 25cm时，与其他留茬组有显著差异。 （ 2） 黄菖蒲 种植后前期采收时，留茬较低的处理组生物量增长速率快，随着采收次数增加，每 间隔 10天采收 ，更有利于生物量的积累。前两次留茬 15cm，后期留茬 25cm可促进生物量的积累，同时可以去除水体中更多的氮、磷污染物。 （ 3） 千屈菜每间隔 10天采收一次 时，适宜的留茬高度为 35cm；每间隔 20天采收一次时，适宜的留茬高度为 25cm；采收期为 30天时，最佳留茬高度为 15cm， 25cm。 生物填料技术 碳素纤维 生态草 、弹性立体填料 、 织物型填料 碳素纤维 生物草 对各种污染物的降解能力要明显高于织物型填料和弹性填料，而且其稳定性和持续性更有保证 nts
