城市湖泊是城市的一个重要组成部分,这类湖泊通常有着旅游、娱乐、洪涝调蓄、气候调节和城市生态环境改善等多种重要功能^[1]。随着城市的不断发展,频繁的人类活动给这类湖泊带来很大的挑战,城市湖泊面临严重的富营养化威胁^[2],其污染特点表现在既有面源污染,又存在市政管网错接、污水管网渗漏、合流制雨水溢流等问题^[3],因此影响湖泊水质的因素较复杂。

　　 山地城市湖泊往往具有水深较大、流动性较差、水体自净能力低、水环境容量小等特征^[4],且受地质地形条件影响,此类湖泊汇水区域广、流域地形地貌复杂、坡度起伏大、径流峰值大,流域面源污染效应十分突出^[5]。因此,对于山地城市湖泊的修复,需要从流域尺度进行全局性研究,在分析其水环境容量负荷与污染物来源、识别其水环境基本问题的基础上,在流域范围内有针对性地提出污染控制和治理技术方案,而对于此类工程修复策略的制定依据、工程实施后总体效果的公开报道较少。

　　 本文以山地城市湖泊———重庆龙景湖综合治理项目为例,研究了其水环境容量、污染来源与负荷,在此基础上从流域尺度实施了多项水环境治理工程,并评价了该项目对龙景湖污染物削减量和水质的改善效果。研究结果为制定湖泊综合治理工程模式提供指导,也为国内外同类湖泊治理方案提供借鉴。

　　 龙景湖位于重庆市园博园中心区域,如图1所示,地理坐标为东经106°32′~106°33′,北纬29°40′~29°42′,水面面积0.53km²,正常蓄水位为306m,相应的总库容为663万m³。湖体平均水深约10 m,最大水深25m,换水周期约2.5年。由于山地城市地形和地势特点,龙景湖平面形状复杂,形成了多个湖湾区,水质易恶化。

　　 龙景湖水质受到园博园区污染排放和流域污染输入的多重影响。园博园区内的餐饮废水、宾馆生活污水和公共厕所污水是造成威胁龙景湖水质的重要因素。龙景湖由赵家溪和龙景沟两条山地城市河流汇入,赵家溪流域面积约15km²,龙景沟流域面积约5km²。上游赵家溪流域农田分布广泛,仍然处于建设期,尚没有相关的面源治理措施。龙景沟流域上游除面源污染外,还存在较大的排污口,排污量较大,这构成龙景沟主要的污染来源。经计算,包括园区内点源排放、面源排放、上游赵家溪和龙景沟来水输入、以及沉积物内源释放在内的污染物负荷分别为:COD_Mn351.3t/年,TN 34.8t/年,TP 3.4t/年,NH₃-N 18.8t/年。

　　 由于龙景湖流域地形复杂、湖区库湾多、水动力特性不均一、水体自净能力差,因此分区进行了水环境容量计算,计算方法参考Alabaster等的研究^[6],结果如表1所示。可见以地表水环境质量Ⅳ类水质标准值(湖、库)为水质目标,COD_Mn的环境容量为445.19t/年,TN为7.74t/年,TP为0.52t/年,NH₃-N为22.26t/年。

　　 由表1可知,为了达到Ⅳ类水质标准,龙景湖及其上游区域需要削减TN负荷27.07t/年,TP负荷2.88t/年,COD_Mn和NH₃-N没有超过水环境容量,不作为重点控制对象。当然,工程措施在去除TN、TP的同时,也会对COD_Mn及NH₃-N有一定的削减作用,有利于提升水质安全。结合龙景湖流域实际用地条件,所确定的污染负荷削减分配结果如表2所示。

　　 在上述分析的基础上,于2013~2014年在龙景湖流域共开展了7项修复工程,其中1~6号点实施的是针对影响龙景湖水质的赵家溪、龙景沟以及园博园内的面源污染治理工程,7号实施的是针对龙景湖已污染水体的修复工程。工程实施的具体内容、规模如表3所示(实施位置见图1)。

　　 从2013年第一批治理项目结束后,对上述工程实施后龙景湖水质的变化进行了2年多的监测,全湖共设置12个取样点,涉及湖心、湖湾及重点断面,取样点位置见图1所示。在各取样点持续监测的基础上比较了其工程实施前(2012年)及实施一年后(2015年)各指标在全湖的平均浓度。

　　 工程实施前全湖TN浓度波动较大,呈现随时间与空间变化的格局,其中在春季和冬季TN浓度显著高于夏秋季,这可能与夏秋季的频繁降雨所导致的营养盐稀释有关。总体来讲,TN的平均浓度(1.93mg/L)接近地表V类水的标准限值(2.00mg/L,图2虚线所示),全湖最高达2.4mg/L,出现在龙景沟,水质为劣V类,其他库湾的营养盐也比湖心略高。工程后全湖TN波动范围显著变小,平均浓度相比工程前降低了45%,为1.07mg/L,接近III类水,其中湖心水域去除效果最为显著,相比工程前降低54%(见图2a)。

　　 NH₃-N在龙景湖为非约束性指标,但随着项目的开展,全湖NH₃-N平均浓度由工程前的0.55mg/L降低至0.21mg/L,去除率为62%,总体达II类水的标准(见图2b),NH₃-N去除效果显著。全湖NH₃-N浓度最低的断面为经过底层富氧处理(工程措施7)的水域,这可能与湖泊溶解氧提升抑制了有机物的厌氧分解有关。

　　 项目实施前龙景湖全年TP的平均浓度为0.12mg/L,波动范围为0.08~0.16mg/L,大部分水域水质属湖库Ⅳ类水质,仅湖心等少部分区域为III类。工程实施后全湖平均浓度降至0.06mg/L,达到水环境容量要求的 Ⅳ 类标准,且接近 Ⅲ 类水质(0.05mg/L),去除率达50%。在TP的空间分布格局上,除赵家溪、龙景沟汇入龙景湖的部分水域,以及湖泊南部的3个库湾外,其他水域水质均达到Ⅲ类水的标准,其中湖心区最低,为0.02mg/L,达地表水II类标准(见图3)。由于TN、TP是湖泊藻类生长必需的生源要素,因此工程措施下TN、TP较高的去除率有助于抑制藻类的过度生长甚至藻华的暴发,这对于具有游憩和景观功能的龙景湖意义重大。

　　 通过分析上述工程技术的去除率及负荷实际去除效果计算出了本工程实施对TN和TP的削减量,结果如表4所示。

　　 赵家溪单元通过上游重光水库面源污染整治工程、生态公园面源污染治理工程、赵家溪沿岸污水截留工程,TN、TP的削减量分别达到9t/年和0.55t/年。龙景沟单元实施合流制管道改造工程后,排污口负荷基本全部去除,TN、TP的削减能量分别达到21.4t/年和2.89t/年。园博园区单元通过面源污染整治工程、江南园林面源污染综合示范工程等一系列面源污染组合控制措施,负荷削减量达到TN 7t/年、TP 0.57t/年。龙景湖水体通过底层水体强化富氧、纤维草生态浮床等系列措施后,削减了TN 0.65t/年、TP 0.03t/年。对比所需要削减的负荷总量可以看到,流域各单元实施上述工程措施后,完全满足了所需的污染物削减量要求。

　　 (1)通过对山地城市湖泊龙景湖污染物来源分析、分区水环境容量解析、污染负荷削减量预测,确定了龙景湖水质改善的TN、TP两个约束性水质指标,并根据污染物削减量分配比例确定了龙景湖流域的龙景沟、赵家溪、园博园区、湖体四大治理区域。

　　 (2)对龙景湖流域四大治理区域实施面源污染治理、污染水域修复等7 项综合治理工程后,截至2015年底,全湖TN浓度平均去除率为45%,TP达50%,约束性指标去除明显,NH₃- N去除率达62%,水质改善效果显著。

　　 (3)龙景湖流域综合治理工程实施后,TN的削减量达38.05t/年,TP的削减量达4.04t/年,显著高于水环境容量及水质提升所需的负荷削减量,实现了Ⅳ类水水质目标。