湖泊富营养化现已成为全球关注的环境热点问题,富营养化使藻类大量异常繁殖,形成水华,水体透明度及DO浓度降低,从而使水体生态系统和功能受到阻碍和破坏^[1]。根据国内大量湖泊治理的经验,湖泊治理以从“工程治污”发展到“综合治理”的阶段^[2]。

磷已被公认是决定水域生产率以及影响藻类异常繁殖的限制性因子^[3],磷往往作为富营养化治理中重要组成部分^[4]。湖泊中磷根据来源分成外源性磷和内源性磷,目前的研究大多针对内源性磷控制技术^[1,5,6,7,8],针对外源性磷控制技术的研究较少^[9]。

湖泊由于水面蒸发等原因,大多需要通过河道进行生态补水。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002),当河湖均为Ⅳ类水质标准时,河道总磷浓度为0.3 mg/L,而湖泊总磷浓度要求为0.1 mg/L。若能提高与湖泊连通的河道水质或者将河道水经过净化后再补充湖泊,则能有效减少湖泊的入湖污染负荷,即以控源截污为主。本文在滴水湖现状分析基础上,提出以总磷控制为主导的水质保障系统方案,以期为类似湖泊治理提供参考。

临港滴水湖流域面积67.76 km²,位于上海市东南角,东濒东海,南临杭州湾。全区为滩涂围垦而成,土质为盐碱沙土,根据规划建成与浦东大片独立的圩区。临港滴水湖于2002年6月正式开工,于2003年10月基本完工并开闸引水。滴水湖开挖完成后,滴水湖流域逐步按规划建设。图1和表1展示了滴水湖流域2016年底、2018年底、2035年的建设进展。

滴水湖呈正圆形,直径约2 600 m,总面积约556 hm²,蓄水量约1 620万m³,最深约6.2 m。开挖之初,滴水湖从南汇河网中引入淡水,水质情况相对稳定,于2006年夏秋季出现微囊藻水华并有加速发展趋势。有关部门结合研究,通过非经典生物操纵技术、生态引水、部分河道综合整治后,水质情况趋于稳定并有逐年变好的趋势。但在近期,由于滴水湖流域施工导致的泥沙和地面污染流入,加之区域内部分混接污水直接排入河道等原因,滴水湖水质波动较大,并有恶化趋势(如图2所示)。

滴水湖流域作为相对圩区,区域内水系与外河之间已建或规划建设闸坝。区内7条射河与滴水湖相连,降雨较大时通过赤风港排海闸将涝水排除。经MIKE21建模分析,在滴水湖流域城市不同建设阶段,地面径流汇入河道水系再外排入海的方式有所不同,主要体现在随着射河涟河建设的完善,地面径流通过旁侧射河涟河排海的比例增加,减少了进入滴水湖再排海的径流量。以2016年、2018年和2035年城市建设情况为例,经由滴水湖后排除的水量占比分别为64%、59%、46%,这部分水中污染物质随水流进入滴水湖,因而入湖水量占比即为河道污染迁移占比。

滴水湖流域内采用雨污分流的排水体制,除了科技城区域采用强排外,区域内雨水大多通过雨水管就近自排进入河道。经现场调研,滴水湖流域内已建居住小区内存在雨污混接现象,下雨时混接污水随雨水直接进入河道。同时,由于已建区域缺乏径流污染控制措施,地表初期径流雨水携带大量污染物直接进入河道^[10]10]。另外,由于河道水位较高,雨水管内长期有水,造成管道中污染物沉积严重。混接污水、地表初期径流雨水和管道沉积物中携带的大量污染物直接进入河道,并随着河道进入滴水湖(如图3所示)。

滴水湖湖面每年蒸发量约为695万m³。同时,出海闸每年需不定期排水冲淤以保障主城区河道过流能力,并且降雨时河湖水位上涨,为保障区域排水安全,只能开闸放水以控制水位。据统计,2016年滴水湖冲淤、排水总量5 600万m³,相当于对滴水湖蓄水量交换3.5次,大量水质较好的水排出主城区。

根据相关规划,滴水湖流域的主要引水方向为北引南排,但是位于流域北面的综合区河道水质基本为Ⅲ～劣Ⅴ类,来水水质不能满足生态补水要求。而区域内河道缺乏水质净化措施,大量未经净化补水直接进入滴水湖。由此,主城区形成了“排好水、补差水”的格局。

根据规划要求,滴水湖水质要求为Ⅲ～Ⅳ类(总磷浓度要求为0.05～0.1 mg/L),河道水质要求为Ⅳ类(总磷浓度要求≤0.3 mg/L),亟待提出有效的水质保障方案。

结合滴水湖流域内污染源分析,主要污染源为生活污水、农业面源污染、城镇地表径流污染和干湿沉降等,分别计算2016年底、2018年底和2035年底水系污染负荷^[10]10],并结合河道迁移污染占比和滴水湖湖面干湿沉降,计算滴水湖污染负荷。同时,结合滴水湖Ⅲ类和河道Ⅳ类水环境目标,采用Dillin模型计算TP的水环境容量^[11]11],其中滴水湖不均匀系数取0.6,湖泊取1.0。通过污染负荷和环境容量比较,得到污染削减目标。从计算结果来看,滴水湖污染负荷削减压力大大高于河道,滴水湖污染控制压力大,见表2。

基于水环境保障目标,采用TMDL思想,以控源截污为主要措施,对现状排水模式进行调整,构建了源头减排、过程控制、系统治理的滴水湖水质保障总体方案,其中源头减排方面包括雨污混接改造和源头雨水净化,过程控制方面为增设闸坝使河湖独立,系统治理包括生态护岸建设(含排口生态化处理)、人工湿地净化、滴水湖及河道的生态修复,具体如图4所示。

雨污混接改造:对现状临港家园海事小区等5个雨污混接小区进行分流改造,其中,阳台废水混接雨水管改造共2 019处,厨房及卫生间私接排水管入雨水井混接改造共204处,埋地与污混接改造5处。

源头雨水净化:针对滴水湖流域内建筑与小区、道路与广场、绿地系统采用低影响开发理念进行建设。其中建筑与小区系统项目12个,包括港城广场城市综合体海绵化建设项目等3个新建项目,上海电机学院海绵化改造工程等9个改建项目;道路与广场系统项目22个,包括水芸路(N2路～B5路)海绵化建设工程等17个新建项目,C1道路及绿化改造工程等5个改建项目;绿地系统项目7个新建项目,包括环湖80 m景观带新建及改造工程等。

经测算,源头减排措施能削减污染物总量的30%～40%。

闸坝拦截:结合远期河湖建设,于滴水湖相连的河道处建设闸坝,通过闸坝调控,实现小雨时河道水不进入湖,达到径流污染控制要求。通过模型分析,闸坝高度控制在2.8 m可控制约95%径流不进入湖,有效保障了滴水湖水质。通过区域水安全分析,闸坝高度控制在2.8 m时,对区域水安全影响不大。

经测算,闸坝拦截可削减剩余污染物的90%(总污染量的50%～55%)。

生态护岸建设(含排口生态化处理):结合滴水湖流域新开河建设,新建生态护岸49 km。此外,结合春华秋色景观工程、绿丽港和黄日港楔形绿地建设,同步对现状23.6 km硬质护岸进行生态化改造。现状护岸有5处雨水排放口,同步进行生态化改造。

人工湿地建设:沿二环带公园设置循环净化湿地,规模近期为30 hm²,远期为60 hm²,水力负荷不大于0.1 m³/(m²·d),水力停留时间4～8 d。

生态修复:通过滴水湖中底栖软体动物生态修复体系与射河/链河中沉水植物+底栖软体动物协同修复体系构建,改善透明度,预防蓝藻水华,提升水景观。根据现在所掌握的数据(滤食性鱼类约1 000 t,滤食性软体动物1 330 t)预估滴水流域水系生态系统生物量,见图5。

经测算,至2035年,区域水系所构建生态系统每年可转换2～2.3 t总磷,占污染物总量13%～15%。

本文以临港滴水湖污染控制方案为例,结合现状问题分析和目标要求,构建了以控源截污为主要手段、湖泊生态修复辅助的湖泊水质保障系统方案,为湖泊治理提供新思路,可为其他类似湖泊治理提供参考。

滴水湖污染成因较为复杂,本文仅考虑了外源性总磷的控制,未涉及内源性总磷控制方案,应结合课题开展进一步完善。