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(2: College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P. R. China)
(3: Shanghai SMI RAW Water Co. Ltd, Shanghai 200000, P. R. China)
(4: Guangxi Key Laboratory of Water Engineering Materials and Structures, Guangxi Hydraulic Research Institute, Nanning 530023, P. R. China)
水质的不稳定和富营养化是危害供水安全的最大问题.水库水质改善主要包括物理化学方法及生物方法，而传统的物理化学方法对于水库水质改善和富营养化防治存在一定的局限性，且易引发二次污染[1].生物-生态方法以其健康、稳定的优点受到越来越多研究者的关注[2-4]，该方法的关键是确定合理的水库水生态构建方案，恢复健康、稳定的水生态系统功能，在提高系统抵抗外界干扰能力的同时，提高水体自身的净化能力[5].稳定水生态系统构建的重要手段就是通过建立和恢复以水生植物为主导的生态系统，因此近年来，国内外对于水库水生态净化的研究多致力于对水库初级生产力的研究，包括水生植物的物种配置、种植方式、覆盖比例以及微生物微生态系统的构建等[6-9].实质上形态结构也是水库水生态功能恢复的重要因素，包括形状、面积、水动力、水深和岸坡形态等参数.目前相关研究中，水力停留时间对控制水库富营养化的重要作用、不同水深条件对单一植物去除氮磷能力的影响等方面报道较多[10-12]，而对于水库形态结构、水深配置及其相对应的水生植物配置模式等对水库水生态净化影响方面的研究鲜见报道.
为进一步提升上海城市原水供应安全保障能力，全面改善和提升城市供水水质，上海市立项开展从太浦河取水的金泽水源水库的建设.该水源地作为上海市“两江并举、多源互补”水源地战略格局的重要一环，从立项之初就定位为生态型水库，致力于构建稳定、健康的水生态系统，提升水体自我改善和维持能力.水库建设初步建议在保障安全和库容的前提下，分成浅水生态沉淀净化区、生态强化净化区和深水生态蓄水区3部分. 3个分区的面积和形态、水生植物的种植比例和种植方式等都是生态型水库设计重点考虑的因素.为此，本研究在上海市临江原水厂构建了生态水库水体生态净化模拟试验基地，针对太浦河来水氮、磷浓度较高以及水库富营养化防治的需求，开展不同形态结构、水生植物种植比例及种植方式等对水体氮、磷营养盐的净化效果试验，以期为金泽水源水库及其他类似水库的设计和建设提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 中试区域位置金泽水库拟建设于黄浦江上游青浦区金泽镇，以原有李家荡、乌家荡为基础，闸引太浦河水，连通建设新的封闭式生态型水源水库，规划供水规模为500万m3/d，服务人口约950万人，设计停留时间2~3 d.为了模拟水源水库引水河道与太浦河水体水质相似度，以及考虑建设、运行维护难易程度等方面的因素，将中试试验基地选址于临江原水厂.试验原水取自黄浦江.
1.2 中试工程设计与试验方法 1.2.1 试验池设计整个基地设计建设5个生态净化模拟试验池(A、B、C、D和对照)，面积均为240 m2，长20 m，宽12 m.每个试验池分3个净化单元(从试验池进水到出水按1、2、3排序)，由于金泽水库不同区域设计水深为2~5 m左右，考虑到临江原水厂结构、人员、供水安全等因素，本试验池各净化单元设置水深为金泽水库设计水深的1/2左右，依次为1.5、2.0和2.5 m，用于模拟水源水库的3个分区及相对的浅水区和深水区，每个单元之间采用跌水堰相连接(图 1).所有试验池边坡均建设成1 :2的缓坡，并铺设生态种植孔砖，底部均为自然土状态.
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图 1 中试工程试验池设计 Fig.1 Test reservoirs in pilot project |
A、B、C、D试验池分别用于对比不同形态结构、不同水生植物种植比例和不同水生植物种植方式，以A池为基准，其中：A、B两池对比浅水区和深水区面积配置的差异，A池A1区段(浅水区)面积为120 m2，A3区段(深水区)面积为48 m2，而B池则正好相反；A、C两池对比不同水生植物种植比例的差异，A池的种植植物面积比例为30 %，而C池则为50 %；A、D两池对比不同水生植物种植方式的差异，A池A3区段种植浮叶植物，而D池D3区段(深水区)采用生态浮床的种植方式；对照池不种植水生植物，其他设置与A池一致.
1.2.2 水生植物配置水生植物的选择及配置是整个试验研究的关键，为了更好地模拟实际情况，本研究主要基于水源水库水生植物现状调查结果，确定具体的水生植物种类.各试验池水生植物种类相同，其中岸坡均种植挺水植物，1.5和2.0 m水深池底种植沉水植物，A、B、C池2.5 m水深种植浮叶植物，D池2.5 m水深采用浮床种植挺水植物.具体水生植物种类及特性见表 1.
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表 1 试验池水生植物种类及配置 Tab.1 Aquatic plant species and configuration in test reservoirs |
(1) 进出水设置：现场试验进出水采用自动控制系统控制，首先用潜水泵抽取黄浦江水进入配水池，配水池内安装超声波液位仪自动控制潜水泵工作；配水池水通过管道和分体式流量仪控制系统输送至各试验池，经各试验池净化后，重新回到黄浦江.
根据水源水库初步设计方案，水库常规运行水力停留时间为3 d，本模拟试验水力停留时间也采用3 d，综合各试验池有效容积、停留时间、蒸发、渗透等因素，计算各试验池进出水量：
| $ {Q_{{\rm{out}}}} = W/t/24 $ | (1) |
| $ {Q_{{\rm{in}}}} = {Q_{{\rm{out}}}} + {Q_{\rm{s}}} + {Q_{\rm{z}}} $ | (2) |
式中，Qout为各试验池出水水量(m3/h)；W为各试验池有效容积(m3)；t为各试验池停留时间(d)；Qin为各试验池进水量(m3/h)；Qs为各试验池渗透流失量(m3/h)，按当地粘壤土渗透系数1×10-8 m/s计算获取；Qz为各试验池蒸发量(m3/h)，取值当地年蒸发量1400 mm/a，计算获取.最终计算获得各池进出水调节流量(表 2).
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表 2 各试验池进出水量设置 Tab.2 Settings of water flow for inflow and outflow |
(2) 试验时间：试验基地2014年6月建成，正常运行3个月后，于2014年9月开始现场试验工作，至2015年10月结束，共开展5次试验.每次试验按照设计停留时间，从进水开始，到末端稳定出水，历时3 d.
(3) 检测指标及方法：每次试验统一从配水池采集进水水样，并在各试验池分区段及末端出水处采集处理水样.根据水库进水主要存在总氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)和总磷(TP)浓度超标问题，本试验测试分析指标主要为TN、NH4+-N和TP浓度，同时测定水体溶解氧(DO)浓度和透明度.
1.3 指标检测及数据分析DO浓度和透明度采用便携式仪器在现场直接测定；TN、NH4+-N和TP浓度在水样采集后立刻带回实验室分析，检测方法参照文献[13].对5次试验测得的初始数据采用Microsoft Excel 2010软件进行初步处理，运用SPSS 19.0软件进行方差分析(ANOVA)，对不同试验池的净化效率进行差异显著性检验.
2 结果与讨论 2.1 水质生态净化效果 2.1.1 各试验池进出水指标浓度变化试验过程中各试验池水质指标的进出水浓度数据为2014年9月-2015年10月5次试验取水的实测平均值，由于本研究持续周期跨越了4个季节，进出水水质及水生植物生长状态受季节影响较大，数值波动较大，分析中主要以平均值为基准讨论趋势变化.原水经A、B、C、D试验组处理后，氮、磷物质均得到了有效去除，水质得到了明显改善.出水TN浓度B池最高，C池最低，仅为2.47 mg/L；出水NH4+-N浓度B池最高，C池和D池最低，仅为0.21 mg/L，达到地表水Ⅱ类标准(GB 3838-2002)；出水TP浓度B池最高，D池最低，仅为0.12 mg/L，达到地表水Ⅳ类标准(GB 3838-2002)；出水DO浓度D池最低，A池最高，为5.90 mg/L，达到地表水Ⅲ类标准(GB 3838-2002)；出水透明度A池和B池最低，C池最高，达到63.0 cm.相较于对照组，4个试验组出水TN、NH4+-N和TP平均浓度分别降低了0.44、0.14和0.12 mg/L，DO浓度提高了1.11 mg/L，透明度提高了27.6 cm(表 3).
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表 3 各试验池进出水水质指标 Tab.3 Water quality indexes of inflow and outflow from the test reservoirs |
试验池对TN的去除率为12.52 % ~24.97 %，平均值为22.25 %；对NH4+-N和TP的去除率相对较高，分别为42.11 % ~54.61 %和32.99 % ~62.16 %，平均值分别达到50.36 %和53.73 %.本研究得到的最高氮、磷净化效率与常素云等[6]在应用水生植物净化天津某水库水源中氮、磷污染物时得到的最高TN和TP去除率(TN为21.30 %，TP为62.30 %)非常相近.对本研究A、B、C、D 4个试验池的净化效率进行排序比较，TN去除率为C>D>A>B；NH4+-N去除率为C=D>A>B；TP去除率为D>C>A>B；DO提高率为A>C>B>D；透明度提高率为C>D>A=B(图 2).
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图 2 不同试验池净化效率比较(不同小写字母表示其两两之间的差异显著(P < 0.05)) Fig.2 Comparison of purification efficiency of different test reservoirs (a, b and c indicated the significant difference (P < 0.05) between different slope buffer strips) |
从差异性分析来看，各池对TN、NH4+-N及TP的去除率、透明度的提升率相较于对照组均有显著提升(P < 0.05)，而对DO而言，A、C池相较于对照组有显著提升，B、D池与对照组差异不显著.对比4个试验池的净化效率：从TN去除率来看，B池和C池存在显著差异(P < 0.05)；从NH4+-N和TP去除率及DO和透明度提升率来看，4个试验池均不存在显著差异(图 2).
2.2 水质净化效果影响因素 2.2.1 水库形态和水生植物配置对DO和透明度的影响水体DO和透明度的变化，一方面易受水生植物和污染物浓度变化的影响，另一方面也会改变水体水生植物的生长繁殖状况和污染物降解能力.从各试验池不同区段DO和透明度的提升率变化情况可知，A、B池沿区段1、2、3 DO提高率逐渐升高，而C、D池在区段2、3变化不明显.整体来讲，在区段1、2，C池DO提高率最大，而到了区段3则是A池提高率最大.相比较而言，无论何区段，都是A、C池DO提高率高于B、D池；且A、B、C、D试验池均明显高于对照池(图 3)，平均浓度高出1.11 mg/L.这说明，一方面4个试验池由于水生植物的存在，大幅提升了水体DO浓度；另外，A、C池由于浅水区面积的增大和植物种植比例的提升，也明显改善了水体DO的复氧、充氧效果.
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图 3 水库形态和水生植物配置对DO和透明度的影响 Fig.3 Effects of reservoir structure and aquatic plant configuration on DO and transparency |
由图 3还可以看出，4个试验池水体透明度提升率也均明显优于对照池，平均透明度提高了27.6 cm.其中，A、B、C、D试验池的水体透明度沿程均逐渐提高.对于4个试验池而言，C、D两池透明度提升率整体优于A、B池，这可能是由于C池更大的植物种植比例以及D池生态浮床发达的植物根系能够更有效地阻截和吸附水体中的有机碎屑等悬浮物，从而能进一步提高水体的透明度[11].
2.2.2 水库形态结构对氮、磷污染物去除的影响本研究水库形态结构设计差异主要包括两方面：一是试验池本身从区段1至区段3构造水深的变化；二是不同试验池浅水区与深水区面积配置的差异.试验以不栽种水生植物的池子为对照组，控制A、B池的水生植物种植种类、比例、方式一致，只存在不同区段水深、面积的差异，以探究水库水深及面积形态配置对氮、磷污染物去除效果的影响，结果如图 4所示.
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图 4 水库形态结构对氮、磷污染物去除的影响 Fig.4 Effect of reservoir structure on nitrogen and phosphorus removal |
由图 4可知，A、B两试验池的氮、磷污染物去除率明显高于对照组.对试验池本身水深分布而言，A、B两池的氮、磷污染物去除率沿水深增加逐渐提高，其中NH4+-N和TP在区段1浅水区即达到了较高的去除率(NH4+-N：49.78 %和42.11 %，TP: 42.42 %和46.99 %)，而在区段2、3增加不明显；TN在A、B两池区段1去除率分别为12.52 %和11.04 %，区段2去除率分别为19.80 %和17.58 %，区段3则分别为22.61 %和18.51 %，两个试验池在1.5和2.0 m水深状态TN去除率接近，但到了2.5 m水深TN去除效果明显降低.对于A、B两个试验池而言，A池在不同区段对氮、磷污染物去除的效果均高于B池，但差异主要发生在区段1，在区段2、3未发生明显变化.可以说，NH4+-N和TP在1.5 m浅水区可以得到很好的去除，TN的去除主要发生在2.0 m以内水深区域，但在2.5 m相对深水区域NH4+-N、TP和TN的去除效果明显低于浅水区.
总体而言，水库形态对氮、磷污染物去除的影响主要体现在水深的变化及不同水深区域面积的配置.浅水区域更有利于氮、磷污染物的去除，增大浅水区面积可提高氮、磷污染物的净化效果，这可能是由于一方面浅水区域缩短了水体中污染物的物理沉降行程，另一方面浅水区水底光照、温度等因素更有利于植物生长，从而促进水生植物对污染物的拦截、吸收以及生物降解等作用，使得污染物去除效率得到明显提升[14].
2.2.3 水生植物种植比例对氮、磷污染物去除的影响水体生态净化主要依靠物理沉降过滤、植物吸收和微生物降解等协同作用，其中水生植物的存在是关键，而水生植物面积和比例是生态型水库设计和建设需要考虑的主要参数.本研究控制A池和C池的水库形态结构、水生植物种类与种植方式一致，使A池水生植物种植面积比例为30 %，C池为50 %，以对比水生植物种植面积差异对氮、磷污染物净化效果的影响，结果如图 5所示.
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图 5 水生植物种植面积比例对氮、磷污染物去除的影响 Fig.5 Effect of planting area ratio of aquatic plant on nitrogen and phosphorus removal |
由图 5可知，A、C试验池各区段的氮、磷污染物去除率均明显高于对照组.就TN去除率而言，A池和C池在区段1、2的去除速率互有高低，差异不大，尤其是2区段，两者TN去除率均在18 % ~19 %之间；第3区段C池TN去除率最高，达到24.97 %，比A池高2.42 %；对比图 3可以发现，A池在区段3的DO浓度要明显高于C池，可能是由于C池在区段3的好氧硝化作用强于A池，消耗了更多水体DO，然后进入更为明显的反硝化作用，从而提高了TN的去除效果，这与赵安娜等[15]利用沉水植物塘净化污水处理厂尾水的试验结果相似.而对于NH4+-N而言，A池和C池在区段1均达到50 %左右的较高去除率，在区段2、3 NH4+-N去除率增加不明显，但区段3 C池NH4+-N的去除率最高，达到54.61 %，比A池高5.06 %.综合TN和NH4+-N的净化效果，C池总体优于A池，说明C池在更高面积比例的水生植物作用下，一方面植物因生长繁殖所需吸收了更多无机氮，另一方面也促进了微生物在该区段的硝化作用和反硝化作用，从而提高了TN去除率[16].就TP去除率而言，同样A、C两池在区段1就达到了较高的净化效果，两者去除率相近，分别为42.42 %和40.83 %；在区段2，TP去除率略有增加，且C池增加幅度也略大于A池；到了区段3，A、C两池TP去除率基本与区段2一致，但A、C两池TP净化效果差异不明显.
总体而言，增大水生植物种植面积比例能够有效促进氮污染物的去除，而对磷污染物去除效果影响不大.在实际应用中，应结合原水水质考虑水生植物种植比例，比例不足会降低水体氮污染物的净化效果，而过量种植一方面会因为水生植物枯萎腐烂引起水体二次污染，另一方面也会增加投资和运行维护成本，从而造成负面影响[17].
2.2.4 水生植物种植方式对氮、磷污染物去除的影响控制A池和D池的水库形态结构、水生植物种植种类与面积比例一致，使A池区段3于池底种植浮叶植物，而D池区段3采用生态浮床种植挺水植物，以对比不同水生植物种植方式对氮、磷污染物净化效果的影响，结果如图 6所示.
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图 6 水生植物种植方式对氮、磷污染物去除的影响 Fig.6 Effects of planting methods on nitrogen and phosphorus removal |
由图 6可知，A、D试验池的氮、磷污染物去除率明显高于对照组.由于A池与D池的水生植物种植方式差异主要位于区段3(2.5 m水深)，所以本节主要针对区段3进行讨论.就TN去除率而言，A、D两池在区段2、3的去除率基本相同；就NH4+-N去除率而言，A、D两池差异不大，对NH4+-N的去除均集中在区段1，可分别达到50.23 %和50.38 %，之后均无明显提升；就TP去除率而言，D池区段3出水TP去除率达到62.16 %，明显高于A池的51.05 %，这是因为浮床挺水植物发达的根系悬浮于水体中，具有较大的比表面积，能够形成大量的生物膜附着，对水中的磷污染物具有很好的吸附作用[18].
总体而言，深水区采用生态浮床种植方式更有利于磷污染物的去除，但对氮污染物的去除影响不大.也有研究表明，将传统种植方式与生态浮床相结合，能够有效去除水体中的氮、磷污染物[19-20].因此，在实际工程应用中，可以结合实际需求选择水生植物混合种植方式.
3 结论本研究针对太浦河来水氮、磷浓度较高以及水库富营养化防治的需求，通过建设于临江原水厂的生态型水源水库中试模拟试验池，在设计停留时间为3 d、水深为1.5~2.5 m的条件下，研究了水库形态、水生植物种植面积比例及种植方式对水体氮、磷污染物去除的影响，得到结论如下：
1) 种植水生植物的各试验池对TN、NH4+-N和TP的去除能力显著高于对照组(P < 0.05)，原水中NH4+-N、TP和TN的平均去除率分别为50.36 %、53.73 %和22.25 %，水体平均DO浓度提高了1.11 mg/L，平均透明度提高了27.6 cm.
2) 水库水深、浅水区面积比例、植物种植比例和种植方式等变化对水体氮、磷污染物、DO浓度、透明度等影响较大，增大浅水区面积和水生植物种植比例，能有效提高水体氮污染物的去除能力和DO浓度、透明度的提升能力；采用生态浮床种植方式能有效提高水体磷污染物的去除能力和透明度的提升能力.
3) 在生态型水库的设计、建设等实际应用中，应当充分结合原水水质特征，适当增加浅水区面积、提高水生植物种植比例和采用混合种植方式，以实现水体水质净化及富营养化防治的目标.
致谢: 感谢上海市自来水公司临江水厂在本研究试验场地建设、试验过程中给予的支持和帮助.| [1] |
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