南水北调东线南四湖水环境质量提升研究

南水北调东线南四湖水环境质量提升研究

南四湖是山东省重要的调蓄湖。53条河流进入湖中，16条河流进入湖中。南水北调要求南四湖水质2013年稳定符合Ⅲ类水质标准,影响南四湖蓄水区水质标准的地区主要为江苏省徐州和山东的济宁、菏泽、枣庄、泰安4市。污水入湖的范围广,面积大,因素多。为保证南水北调水质稳定达到Ⅲ类水,控制入湖河流水质,改善主要入湖河流口生态环境尤为重要。1流域总结1.1水文河流及其排放南四湖位于山东省西南部,为南阳、独山、昭阳、微山4个相互联贯湖泊的总称。总流域面积31700km2,包括山东、江苏、安徽、河南4省,直接入南四湖河流共53条,其中较大的有16条。湖面面积1266km2,南北长120余km,东西宽5～25km,湖中建有二级坝枢纽工程,把湖泊分为上下两级,上级湖面积606km2,下级湖面积660km2。上级湖正常蓄水位34.0m(国家85黄海高程,下同),死水位32.8m,下级湖正常蓄水位32.3m,死水位31.3m。上级湖正常蓄水位时库容为7.7亿m3,死库容1.9亿m3,调节库容5.8亿m3;下级湖正常蓄水位时库容7.7亿m3,死库容3.1亿m3,调节库容4.6亿m3。多年平均天然径流量为29.60亿m3。作为南水北调的调蓄湖泊,直接排入南四湖的主要河流共有15条,其中湖西水系区有6条,分别是洙赵新河、新万福河、东鱼河、老万福河、洙水河、西支河;湖东水系区为9条,分别为泗河、洸府河、白马河、老运河、城郭河、新薛河、薛城大沙河、北沙河、薛城小沙河。南四湖调水调蓄入口河流为韩庄运河,出口河流为梁济运河。直接排入输水干线梁济运河的河流有2条,分别是泉河和新赵王河。直接排入输水干线韩庄运河的河流1条,即峄城沙河。为保证输水干线水域的水质达到Ⅲ类标准,排向输水干线湖东河流的入口水质达到Ⅲ类标准,排向输水干线湖西河流的入口水质至少达到Ⅳ类标准。根据南水北调工程需要,山东省环保部门对上述水域的水环境功能区划进行了分类与调整。1.2南四湖水质现状南四湖流域山东境内的济宁、枣庄、菏泽、泰安4市,人口总数为2095.91万人,面积约2.86万km2。2007年流域废水、COD、氨氮排放量分别为66740.24万t、116369.12t和12910.16t,其中济宁市废水、COD、氨氮排放量分别占总流域的36.4%、37.2%、43.5%。南四湖主要入湖河流水质现状及调水水质目标见表1。由表1看出,南四湖水质还没有根本好转,距离南水北调水质要求还有较大差距。2007年度,南四湖湖区流域11个断面中COD指标达到地表水环境质量标准IV类水要求的有3个断面,COD指标达到V类水要求的5个断面;虽然所有断面的氨氮指标均未能达到III类水要求,但是由于缺乏总氮指标数据,难以说明湖水氮污染问题。从近几年的变化趋势来看,水质基本在IV类至V类之间波动。由图1表1可以看出,虽然随着社会的发展和居民生活水平的提高,济宁市辖区废水排放总量有增加的趋势,但是主要水污染物的排放量总体上呈持续下降趋势。2新薛河湿地工程的运营效果2.1水质净化效果工程通过橡胶坝拦截提高新薛河水位,污染河水→橡胶坝→计量槽→引水渠→生态滞留塘→表面流湿地→中间布水系统→下级湿地→南四湖。最后将达到Ⅲ类水质的净化水排入调水干线,保障南水北调调水安全。新薛河人工湿地水质净化工艺流程见图2。工程运行效果显示,人工湿地对污染物的降解成效明显,在湿地植物茂盛期,COD去除率为30%～50%,总磷去除率为35%～60%,氨氮去除率可达到35%～65%,详细监测结果见表2、表3。由表2、表3看出,在近两年中,人工湿地净化后的出水段COD在18～30mg/L之间,氨氮在0.19～0.29mg/L之间,COD和氨氮去除率接近设计值的55.6%和75.0%。2.2人工湿地建设新薛河人工湿地种植了芦苇、芦竹、莲藕、菱、香蒲等本土植物。规划面积200hm2,其中,人工种植芦竹、优质芦苇、菱角、莲藕、芡实、马蹄等100hm2,自然恢复保护当地芦苇、香蒲、苦江草和藻类等水生植物100hm2。目前,人工湿地水质净化示范工程人工种植面积已扩大到200hm2,恢复保护自然湿地133.3hm2,示范区已经形成333.3hm2的湿地规模,并实现了湿地内挺水植物带、浮游植物带和沉水植物带的优化配置。完成了人工湿地示范工程相配套的橡胶坝工程和配水工程。几年的运行效果表明,植物在夏、秋季生长茂盛,净化效果明显,冬、春季主要为植物的根系吸附净化,效果稍差。试验综合表明,人工湿地水质净化系统在植物茂盛期对COD(化学需氧量)的去除率约为50%,对总磷的去除率为60%,对氨氮的去除率为65%,有效地降解了水污染与富营养化程度,使南四湖退化的生态功能逐步得到恢复,水生动植物量明显增加。因此,湿地具有生物多样性、水质净化能力强和景观优美等效果。示范工程于2007年8月建成运行,工程在进水COD和氨氮为39.2mg/L和2.0mg/L的情况下,经人工湿地处理后出水水质COD和氨氮为18.5mg/L和0.9mg/L,达到Ⅲ类水标准。工程在注重净化水质效果的前提下,充分考虑生态效益和经济效益,工程实施的第二年,湿地植物种类有原先的16科25种提高为24科27种,Shannon-Winer指数达到1.619,远高于工程实施前的0.060,湿地系统的物种多样性显著提高。利用现有的地形和地貌,在湿地内种植了芦苇、芦竹、莲藕、菱、香蒲等本土植物,使当地农民的收入有原先种植大豆和小麦的12750元/hm2增加到22500元/hm2,工程经济效益凸显。3南四湖湿地建设的主要意义新薛河人工湿地示范工程表明,恢复南四湖生态环境,保障南水北调调水水质,必须改善入湖水质,同时加强南四湖自身生态恢复,才可以持续的达到III类水标准。为此,山东省与地方政府根据《山东省南水北调工程沿线区域水污染防治条例》,在南四湖入湖口、生态功能保护区以及其他重要区域,规划修复和建设相应范围的湿地。2009年编制了环南四湖大生态建设规划。3.1规划设计范围与目标为保证南水北调东线工程的顺利实施,山东省按照“治”“用”“保”并举的流域污染综合治理策略的要求,在加快建设国家确定的南水北调和淮河流域水污染治理项目的同时,编制了《南水北调东线济宁市环南四湖大生态带工程建设规划》(简称规划)。2009年1月20日,国家有关部门、专家对《规划》进行了初步审查。根据规划,生态建设范围包括济宁市2区3市7县。整个大生态带规划范围分两个区域:南四湖湖区和南四湖大堤向外延伸15km的范围为重点区,重点区以外的济宁市其他区域为一般区。以南四湖湖区和河流入湖口为生态修复重点。规划以生态修复和人工水质净化工程为重点工程。近期目标(2008年-2010年):重点区实施退耕还湿500hm2,恢复多种水生生物共存的湿地系统约6166.7hm2,建设人工湿地约1320hm2。一般区建设人工湿地约1633.3hm2。中期目标(2011年-2012年):重点区建设生态林13.8km2。一般区建设人工湿地约146.7hm2。远期目标(2013-2015年):重点区实施退耕还湿25580hm2,恢复多种水生生物共存的湿地系统约23000hm2,建设人工湿地约1866.7hm2。3.2湿地及缓冲带建设湿地修复是利用工程手段,在退化的湿地区域内通过调节水位、种植水生植物等方法使湿地生态系统恢复到历史上某一时期的状态或人为设定的特定状态的过程。具体到南四湖来说,就是按照生态修复规律,通过人工干扰,使湿地恢复到物种多样性、群落多样性和生态系统多样性都比较丰富的状态,使南四湖区域生态基质内生态斑块、生态廊道等镶嵌体充分发育的状态。南四湖湖区的湿地修复工程包括湿地修复和缓冲带建设两个核心环节。在大堤、村庄周围建设缓冲带,缓冲带宽度为100～200m。缓冲带至湖水水线之间进行湿地修复。缓冲带、湿地及湖水的相互关系如图3所示。缓冲带是介于陆地与湿地之间的过渡地带,缓冲带建设在湖泊大堤内侧或村庄周围,以分隔大堤或村庄,起到保持水土、稳固大堤、增强景观效果等作用。缓冲带植物物种的选取将在兼顾植物的保水护土、污染治理的基础上,主要考虑其景观功能和经济效益。植物选取和种植时应考虑高矮错列,花色和叶色相搭配,乔、灌、草分层配置,以增强其景观效果。根据对南四湖湖区土地利用现状的调查结果,经与当地政府充分沟通,本着尽力维护居民利益的原则,本次规划利用农田、芦苇地、荒地及其它水面进行湿地修复工程。南四湖各区域湿地修复工程规模见表4。3.3建设人工湿地系统根据河流入湖口处的地形、航运情况、土地利用现状和水质现状,在南四湖的老运河、光府河、泗河、新薛河、薛城小沙河和薛城大沙河的河口规划建设人工湿地水质净化工程见表5。通过表5中南四湖各区域内的湿地修复和各入湖河流的人工湿地建设,可以形成环南四湖湿地系统,保护和增加南四湖流域的物种多样性,改善入湖水质和湖区的生境,确保南水北调水质稳定达到III类水。同时可以为水禽提供丰富的食物来源和栖息繁殖所必需的安全空间,这对于增加河流入湖口的生物多样性和生态系统的稳定性有重要意义。南四湖人工湿地建设和规划是根据新薛河人工湿地示范工程运行效果进行的,规划涉及到流域内各县市区经济发展方向、规模,同时跨县市区进行建设,存在许多问题,需要进一步细化。4问题4.1人工湿地建设投资南水北调南四湖蓄水区生态恢复费用131.5亿元,其中20000hm2人工湿地建设共需资金24亿元。项目涉及到的各县市区财力有限,在短时间内投资上百亿元进行工程改造,地方配套资金压力较大。4.2工业结构的调整是困难南四湖周边以水稻、鱼塘为主,根据规划,将鱼塘改造为人工湿地,当地农民在经济上感到不划算,产业结构调整需要一段时间。4.3政府的支持是小由于各县市区财力问题,地方政府支持人工湿地建设的力度小,积极性不高,从规划到具体实施需要资金筹措、比例分摊,统一协调的过程。5措施5.1工程建设及其他财政支持工业点源治污工程资金原则上“谁污染谁承担”,对执行超出国家标准要求的企业,可以通过生态补偿和“以奖代补”政策予以补助;生态修复和人工湿地水质净化工程资金由中央和地方财政共同解决。环境基础设施建设、林业建设、面源治理等工程分别由城建、林业、农业等主管部门牵头申请国家专项资金予以补助,同时筹集地方配套建设资金。但由于调水属国家重大基础设施项目,以中央资金的支持为主较好。5.2改进市场推进的新模式地方政府要“正面宣传、经济补偿、科技支撑、市场推进、典型示范、先易后难”的工作原则,作为在南四湖流域开展大规模退耕还湿的整体推进策略。其次坚持“返租倒包”的土地利用模式。在不改变土地所有权的前提下,政府租用土地,雇用农民改变土地种植方式,保证该块土地的收益不低于种植小麦等农作物时的收益。三是完善市场推进的模式。在湿地植物的加工、转运、利用等环节引入市场机制,使市场充分发挥资源配置和调节作用,使湿地植物的种植、管理、收获、加工、转运、销售、利用等环节形成市场调节下的产、供、销一条龙的畅通渠道,减少政府在推进退耕还湿工作中的行政干预和成本。5.3艺设计资料及应用实例的验证鉴于目前国内对人工湿地这项技术的研究应用尚处于探索阶段,有关工艺设计资料和应用实例尚需进行验证。引进当地后有待结合南四湖地区的具体情况,深入开展研究。取得适合于本地区、本环境气候条件及不同污水特性的实验数据,以促进南水北调南四湖蓄水区的推广应用。5.4浮叶植物带的配置南四湖人工湿