生态治理技术在长沙市梅溪湖的应用研究

张小春　魏秘　王辉　韩增辉　王瑞　胡菊香

摘要：长沙市梅溪湖作为梅溪湖片区的绿心，是湘江新区核心区域的城市“海绵体”，其水环境质量的稳定是片区开发建设的重中之重。但随着梅溪湖片区的集中开发，周边商业、餐饮业快速发展，人流量逐步增加，生态环境破坏风险加大，对梅溪湖水生态环境和景观生态的维护带来了极大考验。为改善梅溪湖生态环境，采用生态优化处理、营养级串联调控、营养物生物过滤、营养物生物吸收等生态治理技术对梅溪湖景观水体实施净化工程。实施生态治理技术后，对梅溪湖湖区水质进行了监测，结果显示梅溪湖水质由地表水Ⅳ类水提升至Ⅲ类水，初步形成了“水清岸绿”的风景。梅溪湖生态治理修复工程的成功实施为相关工程的建设提供技术借鉴。

关键词：生态治理; 水质; 城市景观水体; 梅溪湖; 长沙市; 湘江

中圖法分类号： TV85;X171.4

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.009

0引 言

长沙市梅溪湖属于城市人工湖泊，所在位置属于岳麓山桃花岭景区，原以农田荒地为主，2012年梅溪湖建造完成。梅溪湖的功能定位是国家级新区湘江新区的城市“海绵体”、梅溪湖片区的绿心，兼顾雨水调蓄、景观观赏等功能，对湘江新区的环境改善以及经济发展具有极其重要的作用。梅溪湖片区属于湘江新区核心区域梅溪湖国际新城，梅溪湖国际新城总规划面积约38 km2，规划定位为“国家级绿色低碳示范区”和“长沙新城中心”，主体功能定位为国际服务、科技创新和医疗健康城。目前，梅溪湖国际新城一期14.7 km2已基本建成，基础设施不断完善，两型建设取得实效，绿色出行系统初步形成，公共配套设施初具规模，新城雏形已初步展现。伴随着梅溪湖片区的集中开发，周边商业、餐饮业随即飞速发展，人流量逐步增加，生态环境破坏风险加大，对梅溪湖水生态环境和景观生态的维护带来了极大考验。

城市人工湖泊作为滨水活动空间的重要组成部分，对人类生活有着重大意义[1]，具有景观观赏和生态服务等功能，也起到防洪减灾、保存淡水资源、补充地下水、调节气候、降解污染物等作用[2]。但受汇水面积、汇水量和换水量调节能力较小的影响，城市人工湖泊受污染风险大，生态环境脆弱，发生富营养化的可能性较大[3]。生态治理技术是通过水生动植物和微生物转化、分解、吸收水中的污染物，从而达到修复水生态、提升水质、优化环境的目的[4]。生态恢复是改善城市湖泊水体的常用方法[5]，在中国及世界各地得到了广泛的应用[6]。目前国内对湖泊的生态修复主要针对太湖、滇池等大型湖泊[7-9]，城市小型湖泊尤其是城市人工湖泊仍处于起步阶段[10]。本研究以长沙市梅溪湖景观水体为对象，采用效果显著、成本较低的生态治理技术，对梅溪湖景观水体实施净化，并形成景观水体生态净化技术集成，以期为后续的城市景观水体净化工程提供参考。

1梅溪湖概况

梅溪湖位于湘江一级支流龙王港的右岸，已建二环以西约170 hm2（2 550亩），正常蓄水位35.00 m，最高运行水位35.40 m，正常蓄水位以下库容434.1万m3，集雨面积12.31 km2;规划水面面积200 hm2（3 000亩），正常蓄水位35.00 m，增加二环以东撇洪渠1.85 km2汇水区域，集雨面积将增至14.16 km2。梅溪湖湖区面积较大，岸线长，根据岸线类型、所处地段等多方面考虑，将梅溪湖分为6大区域，如图1所示。

1.1水质概况

梅溪湖水面广、容量大，水体流态主要受风向和风力影响，这些影响导致水湾角处和背风处水体表面漂浮物聚集，且不易扩散，水质相对更差。在岸线拐角地段存在部分水体流动性较弱区域，带来局部污染物聚集，藻类萌生，水华现象时有发生。梅溪湖水质污染主要有以下几点：

（1） 外源污染，包括点源污染和面源污染。① 点源污染主要为三环线撇洪渠现状水质差，补水携带大量污染物;梅溪湖周边雨水口部分直排进入梅溪湖，尤其是初期雨水，造成水体污染。② 面源污染主要是因为梅溪湖周边为居民区，人流量大，降雨时雨水冲刷地面并携带污染物进入湖体。

（2） 内源污染，主要表现为氮磷等营养盐超标，藻类富集。梅溪湖作为新生水体，水体自净能力较差，地表径流带来大量污染物，造成生态系统物质能量流动的失衡，营养物质在湖泊内不断积累，湖区水体富营养化状态逐渐加重。

1.2水生生物概况

（1） 水生植物。梅溪湖湖区水生植物主要以沉水、挺水植物为主，还包括部分浮叶植物。挺水植物主要在湖区北岸、西岸、金茂梅溪湖至梅溪湖大坝处等地段呈线型分布，品种以黄花鸢尾、灯心草、旱伞草、再力花、花叶芦竹等为主，数量较少，其生长随季节性变化较大，冬季枯败，春夏荣盛。沉水植物主要沿湖水较浅处分散分布，主要以经驯化的四季常绿矮型耐寒苦草、眼子菜、黑藻等为主，种类相对较单一、数量较少，生态结构不理想，未能形成稳定植物群落，对维持区域生态环境未能起到重要作用。生态系统结构与功能不合理，自净能力相对缺乏。

（2） 水生动物。梅溪湖水生动物主要以鱼类为主，底质中偶见少量螺类，未见河蚌等其他大型底栖动物。由于鱼类种类及数量未能确定，对水生植被，尤其是沉水植物，在一定程度上存在着潜在威胁及破坏。环湖区域螺、贝等大型底栖动物分布极少，只在南岸一拐角处有分布，对构建稳定的湖体生态系统带来挑战。

1.3梅溪湖水文资源条件

根据《梅溪湖水环境综合整治水生态修复工程（一期）初步设计》，对梅溪湖水动力现状进行了调查和评价。梅溪湖枯水期流量为0.07 m3/s，多年平均流量约0.15 m3/s，丰水期流量约0.3 m3/s，整个梅溪湖水体流态基本相同。其中，三环线撇洪渠入湖口流速非常小，丰水期流速稍大，但均在0.01m/s以下。雨季时，梅溪湖水质监测站附近无雨水口入流，水体流速小于0.02 m/s，流动性差;其他区域附近均有雨水流入，流量大，流速较快，均在0.15～0.50 m/s之间，水体流动性好。梅溪湖年平均气温16.9 ℃，极端最高气温40.6 ℃，极端最低气温-12.0 ℃;根据2019年水质检测结果，梅溪湖年最低水温2.5 ℃，最高水温26.4 ℃。梅溪湖多年平均蒸发量为1 313.6 mm，年日照时数为1 606.4 h;多年平均风速2.5 m/s，最大风速20.7 m/s，年平均最大风速14.5 m/s，主导风向为NNW。梅溪湖年最大降雨量为1 984.4 mm，年最小降雨量为898.9 mm，年平均降雨量为1 346 mm，区域洪水系降雨形成，4～9月份为汛期，洪水多发生在5～9月份。为了保持梅溪湖水位的稳定，在梅溪湖东湖建有泵站，用于调控湖泊水位。在汛期可以确保梅溪湖水位稳定在35.00 m。在非汛期，梅溪湖水体流态主要受风向和风力影响，导致水湾角处和背风处水体表面漂浮物等聚集，且不易扩散，从而导致水质相对较差。梅溪湖属于人工建造的湖泊，于2012年建成，距今时间较短，目前缺乏水环境变迁方面观测数据积累，水环境变迁情况尚不明显。

2梅溪湖水环境容量计算

为了更好地对梅溪湖生态治理进行优化设计，首先需要明确梅溪湖主要污染物的水环境容量。本文模拟估算在特定水质目标下梅溪湖内有机物（以高锰酸盐指数表征）和氮、磷的环境容纳量，以为梅溪湖生态治理工程设计提供依据。采用完全均匀混合箱体水质模型来预测水体长期的动态变化，即将湖泊视为一个完全混合反应器，建立容量计算模型来估算有机物和营养盐的水环境容量。

2.3营养盐容量模型确定

目前应用较多的湖泊确定性营养盐水环境容量估算模型有Vollenweider模型、Dillion模型、合田健模型和OECD模型。氮磷营养盐水环境容量计算模型适用条件如表2所列。

3梅溪湖生态治理工程设计

3.1设计原理

3.1.1生态优化处理技术

生态优化处理技术主要是指采用生物操纵技术对梅溪湖现有水生态系统进行优化、调控，并达到最终建立稳定生态系统的目的，生物操纵技术框架如图2所示。生物操纵是利用生态系统食物链的原理，通过改变水体中生物群落结构，增强水体中物质循环和能量流动，从而改善水质、恢复水生态系统平衡[10]。

根据生物操纵原理，结合梅溪湖实际情况，如湖体缺乏能够控制藻类的生物种群等状况，在梅溪湖实施的生物操纵技术包括营养级串联调控、营养物生物过滤和营养物生物吸收的组合措施，并在构建初期水下生态系统后，向湖中适量投放水生动物，增加水下生物多样性，构建更加稳定的水下生态系统。

3.1.2营养级串联调控技术

营养级串联调控的主要措施是直接向梅溪湖投放食藻类浮游动物，来清除水体中的大型藻类，从而减少水体中浮游植物的现存量，通过一系列营养级串联调控，降低水体中的氮、磷负荷，提高水体的透明度，达到改善水质的目的，营养级串联调控技术框架如图3所示。

3.1.3营养物生物过滤技术

营养物生物过滤是指在局部水质恶化较为严重的区域，通过笼式分层集约化挂蚌方式在湖泊水域较深处适当设置滤水动物的生物过滤带，通过三角帆蚌直接过滤、吸收、利用浮游植物及悬浮有机碎屑，减少水体中浮游植物的现存量，进而消耗水体自身的营养盐类，增加水体的透明度，从而达到水质净化的目的，如图4所示。

3.1.4营养物生物吸收技术

营养物生物吸收技术主要指种植水生植物，通过水生植物的生长来吸收水体中的氮磷等营养物;通过水生植物的附着作用对微生物进行分解、降解;通过不同种群之间对营养物和光能的竞争来抑制浮游植物的生长，从而降低水体中浮游植物的现存量和氮、磷含量，达到改善水质的目的，如图5所示。

3.2设计方案

3.2.1食藻类浮游动物投放

梅溪湖中的浮游植物以甲藻和绿藻为主。营养级串联调控的主要措施是直接向梅溪湖投放食藻类浮游动物。浮游动物以后生浮游动物为主，种类包括挠足类、枝角类和轮虫类。通过投放一定量的浮游动物，来清除水体中大型藻类，从而减少水體中浮游植物的现存量，通过一系列营养级串联调控效应，从而降低水体中的氮、磷负荷，提高水体的透明度，达到改善水质的目的。浮游动物投放点如图6所示，在食藻类浮游动物投放过程中应注意以下问题：① A、B、C、E区为狭长型，水体流动性差，浮游动物移动性有限，因此该4个区域布置较多的投放点，为投放A型。② D区为开阔水域，浮游动物移动性较好，适当减少投放点，为投放B型。③ A-1～A-19每个点投放量为投放点B-1～B-3的1/9。

3.2.2河蚌笼式挂放

在湖区A、B、E三个区域选取水深适当位置采用笼式挂放三角帆蚌（河蚌）。吊养工具为聚乙烯吊笼，笼式分层挂蚌，每串分为5层，每层间距40 cm，每层放蚌30个，每串放蚌150个，共布置30串，河蚌投放点如图7所示。

3.2.3水生植物种植

梅溪湖湖区2 m水深范围总面积54.3万m2，种植水生植物54.1万m2（包括挺水植物及沉水植物），如图8所示。

（1） 沉水植物种植。在浅水区域（≤2.0 m）构建水下森林，分区域分品种种植沉水植物，其中以经驯化的四季常绿矮型耐寒苦草为主，搭配菹草、金鱼藻、伊乐藻、马来眼子菜、黑藻、线叶眼子菜等体现不同层次的沉水植物群落，构建“草型清水态”景观湖。

（2） 挺水、浮水植物种植。在种植沉水植物的同时，为提升梅溪湖的景观效果，在沿岸线部分局部配置、补种一定数量的挺水及浮水植物，如黄花鸢尾、火焰鸢尾、德国鸢尾、红花美人蕉、梭鱼草、灯心草、再力花等，既展现清水生态湖泊物种的多样性，又符合梅溪湖及其周边景观的发展需求，使梅溪湖长期保持良好的水质及优美的景观。

（3） 水生植物分区种植。① A区水生植物种植：以沉水植物为主，但该区域位于湖体南岸，人流较多，景观需求较大，因此，根据现场调查及植物长势分析，沿岸线补种挺水植物，增加区域景观观赏性，同时增加生物多样性。该区域总面积7.0万m2，水生植物种植面积7.0万m2。② B区水生植物种植：以沉水植物为主，根据现场调查及植物长势分析，沿岸线补种挺水植物。该区域总面积7.3万m2，水生植物种植面积7.0万m2。③ C区水生植物种植：以沉植物水为主，并根据现场调查及植物长势分析，沿岸线补种挺水植物。该区域总面积2.1万m2，水生植物种植面积2.1万m2。④ D区水生植物种植：以沉水植物为主，并根据现场调查及植物长势分析，只西北方岸线补种挺水植物。该区域总面积31.5万m2，水生植物种植面积30.4万m2。⑤ E区水生植物种植：以沉水植物为主，只在局部岸线补种挺水植物。该区域总面积6.4万m2，水生植物种植面积5.9万m2。

3.2.4水生动物投放

在水下森林系统初步建立后，为了保持梅溪湖生态系统的稳定性和完整性，本工程拟在水体中放养乌鳢、鳜鱼、鳙鱼、长丰白鲢、鲫鱼、细鳞斜颌鲴等鱼类及青虾、铜锈环陵螺、小型河蚬、泥鳅等大型底栖生物。鱼类的投放主要考虑各级消费者的搭配，能够使湖泊水体维持良性循环，建立可自我调节的生态系统。梅溪湖地处长沙，属长江中下游洞庭湖水系，且梅溪湖水体与洞庭湖水体在相关方面具有相似性，采用类比法得出梅溪湖湖体叶绿素a含量为3 mg/m3，再通过相关公式，可计算得出湖体初级生产力。例如，表层水（1 m以内）中浮游植物的潜在生产力（Ps，mg C/（m3·h））根据表层水叶绿素a的含量计算：

根據生态系统中能量传递效率为10%～20%的规律，梅溪湖湖体面积较大，取能量传递值为 15%，可得知湖体次级生产力约为6.3万kg，即梅溪湖可最多投放底栖动物约6.3万kg、消费者约0.95万kg。但由于梅溪湖现存底栖动物、鱼类等数量未能确定，因此，本次设计中拟按照生态系统能量传递规律，按比例投放水生动物，包括鱼类、底栖动物，用以完善生态系统，为后期调控、构建稳定的生态系统做基础，投放规模详见表4。水生动物投放要求与食藻类浮游动物投放要求一致;投放点也与食藻类浮游动物投放点一致。

4生态治理效果分析

4.1水质得到优化

在梅溪湖实施生态治理技术后，对湖区水质进行了监测，检测指标包括：pH（GB/T 6920-1986 玻璃电极法）、化学需氧量（HJ 828-2017 重铬酸盐法）、氨氮（HJ 535-2009 纳氏试剂分光光度法）、总氮（GB 11894-1989碱性过硫酸钾紫外分光光度法）、总磷（GB 11893-1989钼酸铵分光光度法）、溶解氧（HJ 506-2009电化学探头法）、水温（GB/T 13195-1991 温度计法）、浊度（GB13200-1991分光光度法）。

监测点位共6个，分别为临时坝、中央绿轴、内湖、三环线撇洪渠出水口、梅溪湖北岸和梅溪湖中心。监测数据取6个点位的平均值，水质监测结果如表5所示。

通过与梅溪湖生态治理前的各项水质指标进行对比分析可知，经过生态治理后，梅溪湖水水体的溶解氧（DO）含量明显提高，表明自实施梅溪湖生态治理修复以来，湖区复氧能力增加。经过生态治理后，梅溪湖水

体浊度明显下降，湖泊水质得到明显提升。除个别月份外，梅溪湖总磷、氨氮和总氮的指标已达到地表水环境质量标准（GB 3838-2002）Ⅲ类水标准。其中，水体水质指标总磷在9月份出现峰值，总氮和氨氮10月份出现峰值，导致水质有所降低。原因可能是由于梅溪湖部分区域的水体流动性较差，加上湖体换水次数较少，以及水下沉水植物的分布和长势不均衡等原因，导致在死角区域的水质改善效果不明显，最终导致梅溪湖水体部分指标的平均监测值有所下降。

4.2生物净化功能增强

通过应用生态治理技术，湖泊水质得到了明显优化，湖岸水生植物生长茂盛，底栖生物和鱼类数量明显增加，已初步形成“水清岸绿”的风景。这是湖泊生态系统发挥作用的结果，表明湖泊已构建稳定的生态系统，水体中的生物净化功能明显增强。

5结 语

通过生态优化处理、营养级串联、生物过滤和吸收等生态治理技术，将长沙市梅溪湖的水质由Ⅳ类提升至Ⅲ类，主要超标污染物（包括氨氮、总磷和总氮）的处理效果显著，水质得到明显改善。梅溪湖生态治理修复工程的成功实施为以后相关工程的建设提供了技术借鉴。

此外，在梅溪湖使用生态治理技术过程中，为保持水质长期达标，也使用了其他技术进行辅助。在梅溪湖建设初期使用化学法快速去除浓度较高的污染物，也小范围用到了引水换水、底泥疏浚等物理方法解决特殊问题。因此，生态治理修复技术用于城市景观水体的净化工程时，还需根据实际情况有所调整。

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（编辑：刘 媛）

Abstract：As the green heart of the Meixi Lake area in Changsha City，Meixi Lake is an urban “sponge” in the core area of the Xiangjiang New District.The stability of the water environment quality of Meixi Lake is the top priority of the development and construction of this area.However，the concentrated development in the Meixi Lake area has led to the rapid expansion of surrounding commerce and catering industry with a large flow of people，which has increased the risk of ecological damage.It also brought a great challenge to the protection of the water environment quality and landscape maintenance of Meixi Lake.In order to improve the water ecological condition of Meixi Lake，we have conducted purification projects for the water body of Meixi Lake using ecological treatment methods such as ecological optimization treatment，various regulation of trophic levels，bi-filtration and bio-absorption of nutrients.After the implementation of the ecological treatment technology，we monitored the water quality of Meixi Lake.The results show that the water quality of Meixi Lake has been improved from Grade Ⅳ to Grade Ⅲ for surface water，initially forming a landscape of “clear water and green banks”.The practice of ecological management and restoration of Meixi Lake can provide technical reference for the construction of related projects in the future.

Key words：ecological treatment;water quality;urban landscape water bodies;Meixi Lake;Changsha City;Xiangjiang River