随着点源污染得到有效控制, 面源污染由于广域性、分散性、随机性、长期性成为湖泊、河流水体富营养化及流域水生态恶化的主要诱因^[1-2].据统计, 洱海流域长期受到面源污染, 氮磷输入负荷过载, 约占入湖总负荷的70%^[3].洱海是磷主控型富营养化湖泊, 2016年年均磷含量为0.029 mg/L, 超过GB 3838-2002 《地表水环境质量》 Ⅱ类标准0.16倍, 总磷浓度均值较2015年上升了31.80%.目前, 洱海水质正由富营养化初期阶段向中期阶段转变^[4-6].

2017年1月, 云南省大理州集中精力实施洱海流域"七大工程"方案, 全面开启保护洱海模式^[7].流域生态多塘的建设是"七大工程"中的重要工程措施之一, 用以应对洱海流域面源污染^[8].调蓄多塘湿地作为面源污染控制的有效手段, 用以实现污染物的截留, 能够有效实现流域磷的汇, 提高出水水质, 实现流域面源污染的控制与治理及洱海流域入湖磷污染负荷的削减^[9-10].

作为人工湿地的重要形式之一, 调蓄多塘湿地的特点在于造价更为低廉、管理便捷、蓄水量大.国外对于雨水滞留塘、人工湿地用于面源污染处理已有大量的研究报道, 但我国对人工湿地的研究依然处于起步阶段^[11-12].我国巢湖面源污染严重, 多塘系统得到了良好的运用, 并取得了一定的成效^[13-14].然而洱海流域地处高原, 与巢湖流域地理气候存在显著差异.因此, 因地制宜开发高原地区调蓄多塘湿地技术亟待研究, 为高原地区面源污染控制提供可靠的案例分析和基础研究.

本文基于洱海流域内规模化调蓄多塘湿地体系的建立, 选取海东(H)、上关(S)、湾桥(W)这3个镇的12个调蓄多塘湿地, 跟踪调研进出水中的磷含量, 分析湿地进出水中磷浓度的分布特征, 评价调蓄多塘湿地对磷的净化效果, 初步解析调蓄多塘湿地磷去除影响因子, 以期为调蓄多塘湿地的稳定运行和规模化应用提供科学依据.

洱海流域地处云贵高原, 属于中亚热带西南季风气候, 干湿季节明显, 日照充足, 年均气温15.1 $°$C, 常年主导风向为西南风.流域内多年平均降水量1 048 mm, 降雨集中在5-10月份, 占全年降雨的85%$\sim $96%^[15].

生态调蓄多塘湿地主要由土质边坡和土质塘埂构成, 底部铺设防渗布, 防止污水下渗和地下水上渗, 坡埂铺放尼龙网, 边坡设有护坡木桩, 防止边坡坍塌.塘中设有导流埂以疏导水流, 边坡与内部塘埂比为1 : 2.进出水口设有铸铁闸门、溢流堰等, 以调控进出水水量和运行水位.调蓄多塘湿地由前置稳定塘、串联表流湿地组成, 前置塘均种有50%塘水域面积的凤眼莲, 串联表流湿地混合种有梭鱼草、风车草、再力花和睡莲等, 植物覆盖度约为10%$\sim$20%的表流湿地水域面积.其地理位置坐标及基本工艺参数见表 1.

表 1(Tab. 1

表 1 调蓄多塘湿地经纬度及基本工艺参数 Tab.1 Longitude, latitude coordinates and basic design parameters of storing multi-pond wetlands 名称 经度 纬度 面积/m$^{2}$ 平均水深/m H1 100$°$15$'$56.52$''$E 25$°$42$'$56.60$''$N 2 844.54 0.81 H2 100$°$15$'$53.63$''$E 25$°$71$'$41.59$''$N 1 612.08 0.46 H3 100$°$15$'$53.47$''$E 25$°$42$'$39.55$''$N 4 108.21 1.25 H4 100$°$17$'$14.21$''$E 25$°$41$'$38.38$''$N 4 721.84 1.08 H5 100$°$15$'$40.11$''$E 25$°$42$'$56.81$''$N 3 229.36 0.76 H6 100$°$19$'$11.98$''$E 25$°$41$'$30.93$''$N 5 880.20 1.36 H7 100$°$16$'$57.51$''$E 25$°$41$'$26.22$''$N 5 169.06 1.35 S1 100$°$07$'$35.94$''$E 25$°$56$'$15.14$''$N 5 176.00 1.28 S2 100$°$07$'$37.08$''$E 25$°$56$'$14.76$''$N 5 038.00 1.32 S3 100$°$06$'$16.60$''$E 25$°$56$'$04.42$''$N 8 400.42 1.50 S4 100$°$06$'$42.88$''$E 25$°$56$'$22.58$''$N 5 115.00 1.31 W1 100$°$08$'$09.21$''$E 25$°$47$'$14.72$''$N 7 699.05 2.00

表 1 调蓄多塘湿地经纬度及基本工艺参数 Tab.1 Longitude, latitude coordinates and basic design parameters of storing multi-pond wetlands

调蓄多塘湿地建成于2017年5月, 并成功进水投入运行.调蓄多塘湿地稳定运行2-3个月后, 于2017年7月-2018年1月(其中7-10月为雨季, 11-1月旱季), 逐月对12个调蓄多塘湿地进行水样采集.采样点分别位于湿地的进出口.水样装入PVC塑料瓶中低温保存后, 立即运回实验室, 在24 h内完成PO$_{4}^{3-}$-P、总磷(TP)和悬浮固体污染物(SS)浓度($\rho $)的测定.根据《水和废水监测分析方法》(第四版)中的测定方法分别采用钼锑抗分光光度法、钼锑抗分光光度法和重量法进行$\rho $(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho $(TP)和$\rho $(SS)的测定.无特别说明外, 所有试剂均为分析纯, 实验用水为新鲜去离子水.

磷在湿地中的截留效率($\eta $)按照下式计算,

式中, $\eta $为PO$_{4}^{3-}$-P、TP和SS的截留效率, 单位为%; $\rho _{\rm i}$为进水$\rho $(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho $(TP)和$\rho $(SS), 单位为mg/L; $\rho _{\rm o}$为出水$\rho $(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho $(TP)、$\rho $(SS), 单位为mg/L.

采用Excel 2016、Origin 8.0和SPSS 20.0等数学统计软件进行实验数据的分析和绘图.

调蓄多塘湿地进水磷的分布如图 1, 2017年7月-2018年1月, 12个调蓄多塘湿地进水中磷含量差异性显著.调蓄多塘湿地$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho _{\rm i}$(TP)和$\rho _{\rm i}$(SS)分别为6.60$\times$10$^{-3} \sim$ 2.24 mg/L、3.40$\times$10$^{-2} \sim$2.58 mg/L和4.00$\sim$281.25 mg/L.其中$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)对$\rho _{\rm i}$(TP)贡献率为9.77%$\sim$95.17%.进水中$\rho _{\rm i}$(TP)优于地表水Ⅲ级标准的比例仅占3.57%, 劣于地表水V级标准的比例为51.19%. $\rho _{\rm i}$(SS)劣于GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》三级标准的比例为32.14%, 优于一级A标准的比例为3.57%.其中H2、H3、H4、H7和S2进水中磷含量普遍较高, 污染严重; H5、H6和S3进水水质相对较好, 磷含量相对较低.调蓄多塘湿地进水$\rho _{\rm i}$(SS)变化波动较大, H1和S4进水$\rho _{\rm i}$(SS)含量普遍偏高.

图 1(Fig. 1)

图 1 调蓄多塘湿地进水磷和SS含量的分布特征 Fig.1 The characteristics of P and SS concentration of influent in storing multi-pond wetlands

洱海不仅是大理州重要的饮用水水源地, 还是重要的旅游胜地, 为满足水质和景观需求, 防止藻华爆发, 急切需要对来自面源污染的入湖磷负荷进行有效控制.这些源于面源污染的进水中$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho _{\rm i}$(TP)和$\rho _{\rm i}$(SS)含量较高, 波动性和差异性十分显著, 固态磷和溶解态磷分配比例差异大.其中活性磷酸盐含量较高的多塘中$\rho _{\rm i}$(TP)也相对较高, 说明这些多塘中$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)对$\rho _{\rm i}$(TP)的贡献相对较大.这些较高污染负荷的来水, 需经过进一步净化后, 才能排放入洱海^[16].

调蓄多塘湿地出水磷的分布见图 2, 污水经过调蓄多塘湿地截留净化后, 出水水质有了明显的改善.调蓄多塘湿地中出水$\rho _{\rm o}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho_{\rm o}$(TP)和$\rho _{\rm o}$(SS)分别为2.90$\times10^{-4} \sim$0.13 mg/L、0.01$\sim$0.30 mg/L和0.56$\sim$191.25 mg/L.出水中$\rho _{\rm o}$(TP)劣于地表水V类标准的比例仅为3.57%, 下降了47.62%, 而出水$\rho _{\rm o}$(TP)优于地表水Ⅲ类标准的比例上升至34.52%.出水$\rho _{\rm o}$(SS)劣于三级城镇污水排放标准的仅为8.33%, 下降了约25.00%, $\rho _{\rm o}$(SS)达到一级A标准的比例为14.29%, 总体水平提高了10.72%.其中H4和W1调蓄多塘湿地, 2017年7月-2018年1月期间出水中$\rho _{\rm o}$(TP)几乎均优于地表水Ⅲ类标准.调蓄多塘湿地H1总体出水水质相对较差.此外, 2017年7月, S3和S4多塘中出水$\rho _{\rm o}$(SS)依然过高.

图 2(Fig. 2)

图 2 调蓄多塘湿地出水磷和SS含量的分布特征 Fig.2 The characteristics of P and SS concentration of effluent in storing multi-pond wetlands

上述调蓄多塘湿地进水中, 部分$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho _{\rm i}$(TP)和$\rho _{\rm i}$(SS)相对较低, 但其中个别出水$\rho_{\rm o}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho _{\rm o}$(TP)和$\rho _{\rm o}$(SS)却出现轻微的增加现象, 这是由于进水中$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho_{\rm i}$(TP)和$\rho _{\rm i}$(SS)含量过低, 而塘体内留有大量余水, 污染物浓度偏高, 污水经过调蓄多塘湿地后, 导致出水水质较差.因此, 在治理面源污染时, 需要及时跟踪调查进出水水质, 通过进水阀的开启闭合, 将水质良好的来水直接排放入湖, 以降低干净来水被多塘中残余污水污染的风险.此外, 在多塘选址设计时, 根据实地调查在污染负荷较为严重的区域进行多塘建设, 最大化实现调蓄多塘湿地的截污功能.

调蓄多塘湿地对PO$_{4}^{3-}$-P、TP和SS的截留效率见图 3, $\eta $(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\eta $(TP)和$\eta $(SS)平均为43.44%$\sim $93.88%、27.71%$\sim $89.67%和21.84%$\sim $62.12%.约50%的调蓄多塘湿地对磷的截留效果相对优越($>$60%), 其余调蓄多塘湿地磷去除效果差异性较大, 但大多数对磷的去除效率在50%左右. SS在多塘中的去除效率差异性显著, S1和W1调蓄多塘湿地$\eta $(SS)相对良好, 其他多塘湿地$\eta $(SS)约为30%.

图 3(Fig. 3)

图 3 调蓄多塘湿地净化效率 Fig.3 Purification efficiency in storing multi-pond wetlands

调蓄多塘湿地中磷的去除过程受到多种因素的影响, 如植物的生长、微生物的分布、基质的差异性和工艺参数等^[17-18], 任一因素的改变都会导致磷截留效率的差异. SS的去除效率与多塘进水中SS浓度、粒径大小、湿地流程、水深、植物密度和水流流速等多种因素都有关^[19-20], 从而造成湿地中SS的去除效率差异显著.

不同水期下进水磷分布见图 4, 总体而言调蓄多塘湿地枯水期进水$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)和$\rho _{\rm i}$(TP)高于丰水期, 而$\rho _{\rm i}$(SS)在丰水期高于枯水期.枯水期表现出较高的磷输入现象, 这是由于多塘的进水均源于农村村落污水、农田灌溉后的退水径流, 这些未经处理的污水, 磷含量通常较高; 而丰水期时, 降雨量较大, 初期雨水形成的径流虽然会携带大量的污染物, 但是较大的水量对高浓度的面源污水有一定的稀释作用, 因此, 枯水期表现出相对较高的污染物浓度.然而$\rho _{\rm i}$(SS)在丰水期和枯水期表现出相反的现象, 这是由于雨季时, 降雨较多, 雨水冲刷作用强, 携带了大量的泥沙土粒, 导致进水固体悬浮物浓度偏高^[21].不同水期, $\rho _{\rm i}$(SS)和$\rho _{\rm i}$(TP)表现出相反的现象, 说明固体悬浮物中磷的含量相对较低, 其对$\rho _{\rm i}$(TP)的贡献不大.

图 4(Fig. 4)

图 4 不同水期下进水磷和SS特征分布 Fig.4 Characteristics of P and SS distribution of influent in the dry and wet seasons

不同水期下出水磷的分布特征见图 5, 大部分调蓄多塘湿地出水$\rho _{\rm o}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho _{\rm o}$(TP)在不同水期浓度变化不明显. $\rho _{\rm o}$(SS)丰水期普遍高于枯水期, 这与进水$\rho _{\rm i}$(SS)现象一致.调蓄多塘湿地出水$\rho _{\rm o}$(TP)总体水平在0.10 mg$\cdot $L$^{-1}$左右, 说明调蓄多塘湿地对面源污水有良好的净化作用, 且有助于出水磷浓度的稳定.其中H1多塘在枯水期出水$\rho _{\rm o}$(TP)均值约为0.20 mg$\cdot $L$^{-1}$, 在2017年11月-2018年1月份由于洱海地区"七大工程"排污管道铺设、新建污水措施等工程施工原因, 将上游沟渠沟水改道, 汇进该调蓄多塘湿地的进水沟渠, 造成进水水质变差, 水量变大, 进而导致出水磷浓度的异变.而丰水期$\rho _{\rm o}$(SS)依然较枯水期高, 这一现象说明, 出水$\rho _{\rm o}$(SS)与进水中的$\rho _{\rm i}$(SS)具体一定的相关性.

图 5(Fig. 5)

图 5 不同水期下出水磷和SS特征分布 Fig.5 Characteristics of phosphorus and SS distribution of effluent in the dry and wet seasons

洱海流域由于旱季雨季交替分明, 造成了调蓄多塘湿地不同的水期.降雨的差异也导致进水水质水量差异明显, 进而造成不同水期调蓄多塘湿地进出口水文水质特征差异显著, 影响湿地中磷的截留效果.因此, 水期是调蓄塘多塘湿地磷截留的重要影响因素.

不同水期下磷截留效果见图 6, 调蓄多塘湿地的$\eta $(PO$_{4}^{3-}$-P)和$\eta $(TP)在丰水期和枯水期效果均良好, 且彼此间差异不显著. $\eta $(PO$_{4}^{3-}$-P)和$\eta $(TP)在枯水期略优于丰水期.不同水期, 调蓄多塘湿地中SS的去除效率区别明显, 部分多塘在丰水期对SS的去除效果较好, 如H4和W1;其余大多数多塘湿地, 枯水期$\eta $(SS)要高于丰水期.

图 6(Fig. 6)

图 6 不同水期下磷和SS截留效果 Fig.6 Efficiency of phosphorus and SS retention in the dry and wet seasons

磷在湿地中的去除, 主要依赖于物理沉降沉淀、植物的吸收和基质的吸附等过程^[22].丰水期时, 植物正处于生长的旺季, 污水中的活性PO$_{4}^{3-}$-P首先易被植物、微生物吸收^[23], 进而转化为有机磷, 截留在植物、微生物体内; 固态磷通过沉降、底质吸附解吸再吸附等过程, 最终沉积到底泥中^[24].即使水量较大, 湿地依然表现出良好的磷截留效果.枯水期时, 虽然植物对磷的截留贡献削弱, 但是枯水期时, 进水水量较小, 且部分调蓄多塘湿地出口出现间歇性断流, 即使进水中磷含量较高, 但较小的水量确保了污水在调蓄多塘湿地中足够的停留时间, 提供磷与湿地介质充分的反应时间, 不但使得污染物的沉淀效果大大提升, 还有利于污染物在湿地中的生化去除过程, 从而导致枯水期污染物去除率相对较高.

调蓄多塘湿地进水$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho _{\rm i}$(TP)、$\rho _{\rm i}$(SS)、出水$\rho _{\rm o}$(TP)和$\eta $(TP)的Spearman相关性分析见表 2. $\rho _{\rm i}$(TP)分别与$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)显著正相关($R=0.916$), 表明进水$\rho_{\rm i}$(TP)随着$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)的增加而增加, 且进水中溶解态正磷酸盐对进水总磷贡献相对较大. $\rho _{\rm o}$(TP)与$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)($R= 0.297$)和$\rho _{\rm i}$(TP) ($R= 0.304$)显著正相关, 当进水中的磷含量过高, 会导致湿地出水$\rho _{\rm o}$(TP)的增加^[26], 过高的进水磷浓度不利于出水水质的改善. $\eta $(TP)分别与进水$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)($R= 0.665$)和$\rho _{\rm i}$(TP)($R= 0.740$)呈显著正相关, 与出水$\rho _{\rm o}$(TP) ($R= -0.335$)显著负相关.总磷的去除效果与进水磷浓度有关, 较高进水浓度有助于湿地净化效率的提高^[27].当调蓄多塘湿地的净化效率变差时不利于出水磷浓度的改善^[28].进水$\rho _{\rm i}$(SS)与$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)($R= 0.147$)和$\rho_{\rm i}$(TP)($R= 0.163$)正相关性较差, 说明进水中固体悬浮物中磷含量对湿地进水磷浓度的贡献率不大.

表 2(Tab. 2

表 2 调蓄多塘湿地进口磷、SS与磷去除率相关性分析 Tab.2 Correlation analysis between phosphorus, SS of influent, and phosphorus removal efficiency in storing multi-pond wetlands 项目 $\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P) $\rho _{\rm i}$(TP) $\rho _{\rm i}$(SS) $\rho _{\rm o}$(TP) $\eta $(TP) $\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P) 1.000 $\rho _{\rm i}$(TP) 0.916$^{\ast \ast }$ 1.000 $\rho _{\rm i}$(SS) 0.147 0.163 1.000 $\rho _{\rm o}$(TP) 0.297$^{\ast \ast }$ 0.304$^{\ast \ast }$ 0.035 1.000 $\eta $(TP) 0.665$^{\ast \ast }$ 0.740$^{\ast \ast }$ 0.124 $-$0.335$^{\ast \ast }$ 1.000 注: **代表在0.01水平(双侧)上显著相关, $n$=84

表 2 调蓄多塘湿地进口磷、SS与磷去除率相关性分析 Tab.2 Correlation analysis between phosphorus, SS of influent, and phosphorus removal efficiency in storing multi-pond wetlands

在合适的进水磷浓度范围, 随着湿地进水中PO$_{4}^{3-}$-P和TP含量的增加, 可以提供更多的营养物质给湿地植物和微生物吸收生长, 促进微生物和植物的新陈代谢, 进而有助于促进其对磷的吸收去除^[29].一般而言, 当湿地中SS过多, TP去除效果优越, 这是由于湿地中磷的存在形态多以固态形式存在^[30].而在洱海调蓄多塘湿地中, $\rho _{\rm i}$(SS)与$\eta $(TP)($R= 0.124$)和$\rho _{\rm o}$(TP)($R= 0.035$)正相关性不显著, 说明洱海多塘进水中固体悬浮物中磷含量不高, 也说明了洱海多塘进水磷多以溶解态为主, 这与上文所得结论一致.此外, 洱海12个多塘中$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho _{\rm i}$(TP)与出水磷浓度和磷去除效率显著相关, 证实了这些多塘中进水$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)、$\rho _{\rm i}$(TP)是$\rho _{\rm o}$(TP)和$\eta $(TP)的重要制约因子之一, $\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)和$\rho _{\rm i}$(TP)是湿地磷截留过程中重要影响参数, 影响磷在湿地中的转化过程.因此, 在设计调蓄多塘湿地时, 为满足湿地对磷的截留效果, 控制良好的出水水质, 选择合适的进水磷浓度, 识别不同形态磷组成对湿地净化性能的提升有深刻的意义^[31-32].

(1) 调蓄多塘湿地的建立能够有效拦截面源污染携带的磷污染物, 提升出水水质.经湿地净化处理后, 出水PO$_{4}^{3-}$-P、TP和SS的含量从原先的6.60$\times10^{-3}\!\!\sim $2.24 mg/L、3.40$\times10^{-2}\!\!\sim $ 2.58 mg/L和4.00$\sim $281.25 mg/L下降到2.90$\times10^{-4}\!\!\!\sim $0.13 mg/L、0.01$\sim $0.30 mg/L和0.56$\sim $191.25 mg/L.出水$\rho $(TP)优于地表水Ⅲ标准的比例上升至34.52%, 出水$\rho $(TP)劣于地表水V类标准的比例仅为3.57%, 下降了47.62%.调蓄多塘湿地对PO$_{4}^{3-}$-P、TP和SS的平均截留效率分别为43.44%$\sim $93.88%、27.71%$\sim $89.67%和21.84%$\sim $62.12%.

(2) 在不同水期, 调蓄多塘湿地进出水中磷分布特征及其截留效果有所差异.枯水期进水中磷浓度较丰水期较大, 且枯水期的磷去除效率较丰水期高.枯水期间歇性断流有助于湿地污染物的去除.

(3) 根据Spearman相关性分析, $\rho _{\rm o}$(TP)与$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)($R= 0.297$)和$\rho _{\rm i}$(TP) ($R= 0.304$)显著正相关, $\eta $(TP)分别与进水$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)($R= 0.665$)和$\rho _{\rm i}$(TP)($R= 0.740$)呈显著正相关.进水$\rho _{\rm i}$(PO$_{4}^{3-}$-P)和$\rho _{\rm i}$(TP)的增加有助于湿地$\eta $(TP)和$\rho _{\rm o}$(TP)的改善, 是调蓄多塘湿地磷截留过程中重要的影响因子.识别优化进水磷形态组成及浓度对提升湿地净化性能, 降低出水水质有深远的意义.