1 引言(Introduction)

河流是自然生态系统中与人类关系最为密切的生态系统之一, 在为人类提供宝贵自然资源的同时也承受着人类活动为其带来的威胁和破坏(Mi et al., 2015).随着城市化的迅猛发展, 防洪、通航等需求加速了河流渠道化改造, 本世纪初英国、荷兰和丹麦的自然溪流已不足10%, 多样化的河流生态环境已变为静态同质的生态系统(Nienhuis et al., 2002).为减轻受损河流生态系统对社会发展的影响, 近几十年来, 旨在修复和改善退化河流的河流生态治理和修复项目逐步增加(Paterson et al., 2020).《水框架指令》要求欧盟各国加强修复活动, 以重新建立地表水的良好生态(Wyga et al., 2018).我国出台并实施了《水污染防治法》以应对日趋严峻的河流污染形势, 河流修复技术和模式得到了大量的研究和实践(郁达伟等, 2012；王文君等, 2012; 董立新等, 2017).自21世纪初以来, 人们越来越意识到基于自然的解决方案(Natural-based solutions)恢复河流生态系统过程的重要性(Larson et al., 2001; Kondolf et al., 2006; Angelopoulos et al., 2017).河流修复模式从单一工程或技术的小规模修复向流域规模转变, 改善或恢复河流生态系统的结构和功能成为修复重点, 继而恢复河流的自我净化能力和生态完整性(Jørgensen, 2009).然而, 我国目前仍主要集中在黑臭水体治理和城市污染河流水质改善上, 尚少见基于自然的综合性修复措施工程应用研究.

温榆河是北京市城区的主要防洪和排水河道, 是北运河绿色生态走廊的重要组成部分, 具有以非常规水源补给(污水处理厂退水)为主、非连续性、多闸坝控制的特点.已有研究表明, 温榆河是北京市污染较为严重的河流之一, 1980—2010年温榆河水环境质量经历了清洁-污染-重度污染-污染遏制的过程, 水体耗氧物质从COD为主向NH₄⁺-N转变(郁达伟等, 2012; 朱利英等, 2020), 水体黑臭现象基本消失, 但现状仍不达标；水体严重富营养化, 具有微囊藻水华爆发风险(刘静等, 2015), 微生物高污染水平可能会影响地下水水质安全(杨勇等, 2012), 温榆河流域逐渐从黑臭治理进入水质改善、水生态系统恢复的建设阶段(朱利英等, 2020).因此, 根据温榆河的地理、水文和水质特征及其修复需求, 课题组基于自然的修复理念, 以水质改善为目标, 创新性地提出了“旁路离线河流净化器技术与系统”(Wang et al., 2011; 魏源送等, 2011; 魏源送, 2013), 并选择温榆河的支流龙道河开展工程应用, 通过构建罗马东湖“塘-湿地系统”和龙道河拟自然河道, 以期为我国城市污染河流生态治理和恢复提供有益借鉴和科学示范.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 旁路离线河流净化器技术与系统 2.1.1 技术原理

根据Peterson等(2001)在河流干支流氨氮去除速率研究, 发现支流污染控制可有效解决流域污染问题, 因此, 课题组创新性地提出了适于污染河流水质改善与生态修复的“旁路离线河流净化器技术与系统”(Wang et al., 2011).该技术的核心是基于自然或仿自然的方式营造生境, 通过物理、化学和生物作用实现污染物的降解与转化, 从而改善水质和恢复生态系统；主要单元技术类型包括塘、湿地、拟自然河道、水生植物群落构建、过滤缓冲带等, 其构建模式为“引干入支, 形成回路；净化干水, 处理支水；离线在线, 优化组合；生物生态, 协同净化”(图 1).该技术具有不改变干流河道原有状态、不影响干流防洪、水质净化和生态恢复效果好等优点, 适于支流丰富、排水灌渠密集或坑塘发达的污染河流生态治理与生态修复(Wang et al., 2011).

2.1.2 工艺流程与主要组成单元

该技术与系统将干流污染河水引入旁路, 支流改造为拟自然河道, 采用过滤缓冲带技术控制面源污染；已有/废弃坑塘改造为塘-湿地处理系统, 塘系统可延长污染河水水力停留时间, 湿地系统采用强化脱氮除磷设计, 削减氮磷负荷.净化后的河水再汇入拟自然河道中, 在该河段建设湿地型河道、阶梯潭河道、蜿蜒河道等形式的水质净化系统, 对塘-湿地系统出水进行深度净化, 同时改善河流生境, 逐步恢复河流生态(魏源送, 2013)(图 2).

该技术与系统充分利用自然地势地貌, 在旁路中设置在线净化单元和嵌套离线单元, 因地制宜控制引水流量, 为净化单元的选择和匹配留足空间.其主要组成单元以“塘-湿地系统”和拟自然河道为主体, 辅以水生植物群落和过滤缓冲带等(魏源送等, 2011; 董立新等, 2017).

“塘-湿地系统”充分利用已有/废弃坑塘, 以串联形式有机组合塘-湿地系统(图 1), 使二者在结构上互为耦合, 在净化功能上相辅相成, 实现水质净化目标.塘系统主要有储存、滞留、沉淀、分流、预处理、生物稳定等功能(Birchall et al., 2008; Fu et al., 2018), 湿地系统主要发挥过滤、吸持、分解、净化等功能(Wang et al., 2014; Wong et al., 2017; Almuktar et al., 2018).已有研究表明, 塘-湿地组合可实现对污染物的有效截留, 对TN和TP的持留率达到80%以上, 对TSS和COD_Cr的持留率达到92%以上(单保庆等, 2006; 刘晓静等, 2019).

针对河流“三化”问题(平面直线化、断面规则化、表面硬质化)(Van Meter et al., 2016), 本研究的拟自然河道技术通过采用生态袋替代无子槽护坡或者透水生态砼结构护坡, 重构蜿蜒平面、复式断面、子槽边坡式河道.天然河流遵循蜿蜒模式, 能够减缓流速及最大限度地减少对河床和河岸冲刷(Lorenz et al., 2018)；复式断面和子槽边坡可有效应对天然河流主槽和滩地间复杂的水体交换和混掺现象, 改变河流湍流结构的同时提供湿生生物生境, 稳定河岸结构(许栋等, 2020).该技术综合考虑了河流的防洪、蓄水、水质净化、景观美化、生物多样性维持等多方面的功能.

2.2 工程应用案例

温榆河是北京市唯一一条常年有水的河流, 流域面积约为2478 km², 来水中污水量占比较大(孙文等, 2019).龙道河是温榆河上段支流, 全长为7.93 km(含罗马西湖), 流域面积为26.40 km², 具有与温榆河干流形成回路的特征(王亚炜等, 2013), 成为其作为温榆河干流旁路离线净化的自然地理优势, 因此历经1年设计施工, 采用离线旁路河流净化器技术与系统, 建设完成罗马湖湿地生态环境整治工程和龙道河拟自然河道工程(图 3).

罗马湖湿地生态环境整治工程包括罗马西湖和罗马东湖“塘-湿地系统”(图 3).罗马西湖为原有湖泊, 水域面积为15.03 hm², 主体水深为(3.5±0.7) m, 作为前置塘, 用以减缓龙道河河水流速, 沉淀部分污染物.罗马东湖“塘-湿地系统”为新建工程, 总占地15.91 hm², 其中水域面积为8.91 hm², 滨水绿地为7.0 hm².建设内容包括构筑生态防护水岸线, 回填构造微地形, 配置水陆生植物及水生动物和建设人工湿地.人工湿地是由基质、植物和微生物三者共同构成的复合生态系统.该人工湿地为5800 m², 设计处理规模3400 m³·d^-1, 设计水力负荷为0.59 m³·m^-2·d^-1, 以复合潜流湿地为主, 湿地植物为芦苇, 湿地基质包括石灰质碎石、沸石及焦渣等(孟庆义等, 2012).

龙道河拟自然河道以罗马东湖段为主, 长度为667 m(图 4).龙道河治理标准为20年一遇洪水设计, 50年一遇洪水校核.考虑到现有河床形态, 拟自然河段沿原河道中心线左右两侧扩宽, 设计该河道洪水流量：Q₂₀=36.2 m³·s^-1, Q₅₀=41.6 m³·s^-1, 断面采用草皮护坡加麻椰固土毯的梯形复式断面, 河底宽4 m, 平台宽3.0 m, 边坡为1:2.5.

2.3 分析方法

水质采样监测设计路线为从温榆河来水、罗马西湖、罗马东湖(含人工湿地)到龙道河生态河道的沿程水质变化.“塘-湿地系统”水质采样监测点包括罗马西湖进水口(温榆河来水)(S1)、罗马西湖出水口(S2)和罗马东湖出水口(S3)；考虑到拟自然河道在0+000到0+300之间没有排污口, 为避免雨季排污口对河道水质的影响, 故在这300 m长度的河道设置水质监测点S2和S4.水质采样自建设完成通水调试期开始, 每月一次, 并按照水和废水国家标准方法分析各水质指标变化.

河道生境评估包括河流物理栖息地和水生生物多样性指数测定两方面.根据美国环保署1999年新版快速生物监测协议(Rapid Bioassessment Protocols, RBPs)中河流物理栖息地评估方法(Barbour et al., 1999), 本研究对龙道河拟自然河段物理生境进行现场调查评估(表 2), 共包含10个评价指标, 每个指标总计20分, 4个级别的分值范围分别为20~16(好)、15~11(较好)、10~6(一般)、5~1(差), 采取累计求和的方式计算生境综合指数(Habitat Index, HI).10项指标总和的满分为200分, 参考文献对生境质量分级方法并结合实际情况(郑丙辉等, 2007), 确定生境综合指数等级评估标准为150 < HI, 好；120 < HI≤150, 较好；90 < HI≤120, 一般；60 < HI≤90, 较差；HI≤60, 差.

为排除气温等方面的影响, 选取同一季节对龙道河修复工程实施前后浮游动物和底栖动物的类群及数量进行采样鉴定(金相灿等, 1990; 胡鸿钧等, 2006), 并计算浮游动物的Shannon-Weaver多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)和底栖动物的Hilsenhoff指数(HBI)(Shannon, 1963; Belaoussoff, 2003; 王瑜等, 2019).

应用QUAL2K河流水质模型考察龙道河水系延程净化效率贡献, 该模型是地表水质量管理方面最优秀的工具之一, 以一维、稳态河流水质模型为基本理论, 可有效分析入流点、面源负荷对受纳水体水质的影响(Chapra et al., 2008).

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 水质净化效果 3.1.1 塘-湿地系统

罗马湖湿地生态环境整治工程设计罗马东湖通过取水管与罗马西湖相连, 最大取水量为1400 m³·d^-1, 由泵站扬水进入人工湿地形成罗马东湖“塘-湿地系统”.值得注意的是, 封闭型水体因水文水动力不足, 易出现水体缓流、局部滞留, 最终导致污染物累积, 自净能力差. “流水不腐”, 通过增加水体的流动性和分布均匀性, 能够有效增加水体自净容量, 改善水环境质量(贾泽宇等, 2015).为优化水体均匀性, 课题组前期通过标准k-ε (Fluent 13.0, ANSYS)模型模拟优化了湿地出水口在塘内的位置以及塘的微地形构造, 以实现西湖来水的水质净化和湖区水体的循环净化.其工艺流程为：罗马西湖引水→人工湿地Ⅰ→罗马东湖生物塘→人工湿地Ⅱ→罗马东湖生物塘→龙道河拟自然河道.湿地Ⅰ主要用于处理水质相对较差的西湖来水, 湿地Ⅱ主要用于处理东湖内循环水体, 两区可分流独立进水或混合进水, 湿地具体结构可见文献(黄炳彬等, 2012).

表 1反映了塘-湿地系统运行近2年各水质指标浓度变化, 按照地表水环境质量标准(GB3838—2002), 以温榆河来水监测点与东湖出水口监测点均值对比发现, 系统对氨氮、TN和TP具有良好的净化效果, 平均污染物削减率分别为89.5%、77.4%和72.1%；其中氨氮由劣Ⅴ类((10.70±1.20) mg·L^-1)提升至Ⅳ类((1.17±0.27) mg·L^-1).系统对以污水处理厂退水为主的温榆河来水COD净化效果有限, 削减率为26.8%~35.3%, 平均为31.8%.“塘-湿地系统”去除效果随进水浓度波动, 脱氮除磷效果较好；这与竖向层叠式复合流湿地有关, 该竖向复合流湿地是表流、水平和垂直潜流湿地的有效组合, 硝化反硝化功能较好.谢飞等(2013)应用潜流人工湿地对微污染河水进行净化, 其氨氮和TN的去除率可达90%和50%.由基质、植物和微生物三者共同构成的复合生态系统可充分发挥生物转化、降解吸收作用以净化水质(Almuktar et al., 2018).前期研究表明, 温榆河河水呈盐渍化趋势(于淼等, 2012), 通过对水中主要离子HCO₃^-、K⁺、Ca²⁺分析发现, 系统对改善河水盐渍化具有显著作用, 平均削减率可达40%以上.从监测结果可以看出, 若只以维持湖区良好水生态环境为目的, 在补充蒸发渗漏水量的同时, 保持塘内水体良好的流动性和均匀性, 同时结合“塘-湿地系统”的水质净化功能, 即可实现水环境质量保持目标.

3.1.2 龙道河拟自然河道

龙道河拟自然河道复式断面(又称两级河道two-stage)设计可简化为大河道内套小河道, 即河道主槽主要用于行洪, 子槽用于改善栖息地质量.主槽采用具有去除氨氮效果的碎石床, 设计为滨岸植物过滤带及湿地型栖息地.建设完成后, 河道延程的氮磷分析结果表明, 河道进水氨氮浓度为5.5 mg·L^-1, 出口处氨氮浓度已被削减至3.1 mg·L^-1(图 5a).在较小的工程规模下, 已将河道出水净化至接近V类水的标准；同时河段内的硝酸盐浓度保持较低水平, 这归结于河道存在丰富的生境, 包括生物、溶解氧、沉积物和填料的协同作用(Mi et al., 2015).

拟自然河道正常运行阶段, 氮磷营养盐去除效果较为稳定.氨氮平均进水浓度(S2)为5.61 mg·L^-1, 出水浓度(S4)降至3.5 mg·L^-1；进水磷酸盐浓度从1.55 mg·L^-1降至出水的0.86 mg·L^-1, 拟自然河道监测段(300 m长)河水氨氮和磷酸盐去除率分别为37.22%和41.58%(图 5b).

温榆河干流河水部分引入支流龙道河, 经过“塘-湿地系统”和龙道河拟自然河道, 控制和削减温榆河河水污染, 能够实现主要污染负荷消减COD 30%、氨氮20%和总磷15%的目标, 逐步恢复河流水质净化功能.

3.2 拟自然河道的生境改善

拟自然河道复式断面子槽部分段设计成蜿蜒形态, 并参考蜿蜒化河道自然演进的稳定状态(Lorenz et al., 2018)和温榆河现状河床具有边滩的蜿蜒模式的特征布设深潭-浅滩(pool- riffle)(图 6a).边坡护脚措施有抛石护脚、生态袋护脚等, 并在河道中设置生态袋导流堰、调控水位的原木堰等工程措施, 结合阶梯潭和倒木的使用, 使水流速度缓慢形成生境(图 6b).

生境评估结果显示(表 2), 龙道河拟自然河道建设前的生境质量评分为94, 属于“一般”等级；建设后的生境质量评分为151, 提升至“好”等级.拟自然河道对污染河流的生境质量改善效果较好.

已有研究表明, 相对简单的恢复措施可以明显改善河流生态系统的水文形态条件, 并对河流生境条件的多样性产生积极影响(Mazur et al., 2016; KaĬua et al., 2018).龙道河拟自然河道建设前, 浮游动物的Shannon-Weaver多样性指数(H′)为1.192, 均匀度指数(J)为0.596, 底栖动物的HBI指数为9.68；建设后, 浮游动物的H′和J分别为1.00和1.00, 底栖动物的HBI指数为8.06.工程实施前后开展的水生生物调查结果表明, 拟自然河道工程对浮游动物影响较小, 其多样性指数变化不大, 但底栖动物得到明显改善, 逐步过渡到中度耐污种(Sitta et al., 2018).在采样监测过程中, 青蛙等两栖动物的出现, 拟自然河道的子槽底部生长了高密度的金鱼藻, 而金鱼藻主要生活在清洁水体, 是水质得到改善的标志生物(金相灿等, 1990), 表明河道生境质量改善效果已得到初步体现.

3.3 基于氨氮的模型模拟

应用QUAL2K河流水质模型对龙道河水系进行沿程氨氮模拟(图 7), 温榆河的河水氨氮浓度约8.00 mg·L^-1, 经龙道河上段进入罗马西湖(6.2 km处)后, 氨氮浓度开始大幅下降, 由约8.00 mg·L^-1下降至2.00 mg·L^-1以下, 进入罗马东湖(5.5 km处)经过人工湿地(5.1 km处)处理后, 氨氮浓度下降至1.25 mg·L^-1.这是由于罗马西湖较大容量和东湖人工湿地处理, 较长的水力停留时间和复合潜流湿地中生物、物理和化学作用有利于氨氮降解, 净化效果明显(Yang et al., 2019).湿地出水进入龙道河拟自然河道(4.6 km处)后, 氨氮浓度维持低值, 后上升至2.0 mg·L^-1, 在地表水V类水平波动, 推测与河道排污口污水的排入有关(钟佳等, 2011; 郁达伟等, 2012; 杨勇等, 2012).模型模拟与实测验证结果一致, 有力证实了旁路离线河流净化器的水质净化效果.

4 结论(Conclusions)

本研究针对温榆河和支流龙道河形成的“干-支流”回路特征, 采用旁路离线河流净化器技术原理, 将温榆河干流的部分河水引入龙道河, 主要构建了“塘-湿地系统”和拟自然河道.“塘-湿地系统”的脱氮除磷效果较好, 氨氮、TN和TP的削减率均超过70%, 其中氨氮由劣Ⅴ类提升至Ⅳ类；拟自然河道的氮磷营养盐去除效果稳定, 氨氮和磷酸盐去除率分别为37.22%和41.58%；拟自然河道的生境质量由“一般”等级(94分)提升至“好”等级(151分), 底栖动物逐步过渡到中度耐污种, 河道生境改善明显.基于氨氮的模型模拟与实测结果表明, “塘-湿地系统”能够充分发挥各自处理优势, 罗马西湖、东湖的较大容量不仅提供了较长的水力停留时间, 而且复合潜流湿地利于氮磷营养盐的去除, 水质净化效果明显.该技术与系统在不影响城市河流主干河道的防洪和排水功能条件下, 通过集成在线、离线河流水质净化技术, 实现了主要污染负荷消减COD 30%、氨氮20%和总磷15%目标, 并改善了河道生境, 是一种低成本、处理效果好的拟自然工艺, 可为城市污染河流的水质改善与生态修复提供新途径.