北运河是北京市五大水系中唯一发源于北京且干流常年有水的河流.北京境内(沙河闸~市界)干流总长89.4 km, 共有清河、通惠河、凉水河等13条一级支流, 流域面积为4423 km², 其中山区面积为1000 km², 平原面积为3423 km², 是北京市平原流域面积最大的水系, 其中北运河上游温榆河(昌平沙河闸~通州北关拦河闸)主河道长47.5 km, 流域面积为2478 km², 沙河水库是北运河上游的重要节点；下游北运河主河道长41.9 km, 流域面积1945 km².北京城市中心城区、城市副中心, 东部发展带的顺义、亦庄, 西部发展带的昌平、大兴, 中关村国家工程技术创新基地、生命科学园等高端产业基地均位于该流域内.北京全市有40个乡镇位于该流域, 其中包含11个重点镇, 流域内共有1608个村庄, 占全市3978个村庄总数的40%.虽然北运河流域仅占北京市土地总面积的27%, 但北运河流域不仅是北京市人口最集中、产业最聚集、城市化水平最高的流域, 例如, 流域内人口占全市的70%以上, 经济总量占全市80%以上, 并承担着北京中心城区90%的排水任务(Liu et al., 2018).

北运河主要由来自于城市污水处理厂排水等非常规水源补给(郁达伟等, 2012), 占比约为55%~85%, 因此, 北运河上游是其仅有的清洁水源.北运河上游地处山区源头和城乡结合部过渡区, 面临源头区小流域和农村生态环境恶化、城乡结合部雨污截留和合流制管网溢流污染入河的重大挑战.目前北运河上游流域的生态系统退化, 水环境水生态与人水和谐要求还不相适应, 威胁水质安全的污染源尚未得到完全有效控制, 水资源短缺压力大, 河道环境问题突出, 城乡污水处理工作发展不平衡.同时, 随着社会各界对水环境、水生态改善的呼声越来越多, 传统污水处理厂以消耗能源和资源为代价的处理模式已不可持续, 亟待在技术和模式上寻求突破.北运河是北京市重要的绿色生态走廊, 贯穿联络京津冀协同发展多个关键节点, 北运河水环境治理和水生态修复不仅是支撑京津冀生态文明建设的核心, 而且是支撑北京城市副中心等重点区域水生态环境改善的重要环节(北京市规划和自然资源委员会, 2017).由于京津冀区域人口集聚、经济过度开发、环境承载力有限而面临的水资源短缺、水环境污染、水生态退化等重大问题, 已成为区域经济社会发展的制约因素, 其中生态环境保护已成为京津冀协同发展需要率先突破的三个重点领域之一.因此, 国家水体污染控制与治理科技重大专项(以下简称“水专项”)“十三五”时期在京津冀区域开展综合调控重点示范研究, 遵循区域综合治理的原则, 统筹“山、水、林、田、湖、海”, 提出了京津冀“一区四片”任务部署思路, 其中重要组成部分之一是“水专项”项目“北运河上游水环境治理与水生态修复综合示范(No. 2017ZX07102)”(以下简称“北运河项目”), 该项目下设4个课题.

综上所述, 针对北运河上游流域的多源污染控制、非常规水源补给河流的水环境治理和生态修复需求, “北运河项目”以京津冀区域综合调控重点示范核心区北运河上游流域为对象, 基于景观生态学“源-汇”理论(陈利顶等, 2006), 统筹北运河上游流域“山水林田湖”, 贯穿上下游、左右岸、干支流和岸上岸下, 强化源头防控、溯源治理、水岸共治, 统筹水污染防治和水生态修复, 实现水源涵养、清水产流和净水下河；研发和综合集成生态清洁小流域建设、农业面源污染防控、农村污水处理与管理、未来污水处理厂等技术, 支撑北运河上游段污染负荷的“源削减”；研发和集成非常规水源补给的河道生态修复技术, 修复河流水生态, 支撑北运河上游段的“流改善”；研发和集成合流制管网溢流污染、多源入库污染综合防控、库区水体水质改善与水生态修复等技术, 打造北运河上游段沙河水库的“汇景观”；从而形成基于“源-流-汇”全过程污染控制的城市大型排水型河道水库水质改善与生态修复成套技术, 为实现北运河上游水环境质量改善、水生态功能提升提供科技支撑.

本专刊是“北运河项目”团队近年来科研成果的总结, 从“源-流-汇”全过程污染控制的角度出发, 从“源削减”-多源污染防控、“流改善”-河流水质改善与生态修复、“汇景观”-库区水质改善与生态修复三个方面对试验研究和实践进行了梳理总结, 以期为北运河流域绿色生态廊道构建提供科技支撑.

小流域是北运河流域综合管理的基本单元.经过十多年的实验和示范, 生态清洁小流域建设的理论和技术体系得到了长足发展.然而, 以往的生态清洁小流域建设服务对象多为人口密度较低的山区, 面对以北运河流域为典型代表的人口相对密集和水环境问题突出区域, 生态清洁小流域建设需要寻求新模式, 以便实现其由传统山区拓展到山区-平原过渡-平原模式, 由水土流失防治为主拓展至多源污染防控.风险分区是有效治理非点源污染的重要举措, 徐文静等(2021)基于潜在非点源污染指数(PNPI)模型, 采用指数函数法改进原PNPI模型专家评价法主观赋权的不足, 明确了2017年研究区非点源污染风险呈现出东南高西北低的空间分布特征, 其中非点源污染极高风险区主要集中在人口密集的东南平原区河道两侧, 主要土地利用方式为城镇用地.文芳芳等(2021)以2014、2017年260份调查问卷和582个土壤样品及年度农用化肥总量为依据, 梳理了昌平区年际间粮食、果类蔬菜、叶类蔬菜和草莓的施肥量、土壤养分、氮磷环境风险和污染源变化, 分析了昌平区化肥面源污染年际间差异分析, 提出了相应的养分调控策略.张雪莲等(2021)以北运河流域“上壤下砂”、施肥量大、易漏水漏肥菜田为研究对象, 研究了生物炭对农田化肥面源污染的防控效果, 确定了生物炭配施量.生态清洁小流域建设是推进流域治理的重要举措, 生态护坡是建设生态清洁小流域的主要措施之一, 李翔等(2021)基于层次分析法分析比较了4种生态护坡工程的稳定性、经济性、生态性、适用性等指标, 指出混凝土护底的生态多孔砖护坡技术能够大幅提升边坡稳定性, 并保持较好的经济性.

针对未来污水处理的可持续发展需求, 宋新新等(2021)从污水处理厂碳中和技术、水质可持续技术、资源回收技术等入手, 总结了国内外面向未来污水处理新技术应用研究现状, 介绍了典型国家对未来污水处理技术的实践, 提出了我国面向未来污水处理厂面临的阻碍及可能的出路.针对城市污水处理的需求, 贺聪慧等(2021)分析介绍了磁强化混凝、磁强化活性污泥和磁强化剩余污泥处理3大类技术的研究应用现状与未来发展趋势, 可为城市污水处理提供新思路.宋亚朋等(2021)考察了两种不同形态(固定生物膜和颗粒态)的厌氧氨氧化菌(AnAOB)对磁分离出水的脱氮性能、氮负荷的差异, 两个反应器对NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率均大于90%, 并揭示了微生物群落结构的变化.狄斐等(2021)以磁混凝预处理后的生活污水为研究对象, 采用厌氧氨氧化工艺处理A/O工艺出水, 结果表明厌氧氨氧化工艺贡献了系统TN、NH₄⁺-N和COD去除总量的23.4%、20%和20.7%, 可以实现生活污水的深度脱氮.李亚男等(2021)通过UASB开展了厌氧氨氧化反应启动研究, 明确了厌氧氨氧化细菌的主要类型, 解析了厌氧氨氧化细菌富集培养过程中微生物结构与功能的关系.针对一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化(CPNA)工艺存在的硝酸盐积累导致脱氮效果恶化问题, 岳文慧等(2021)开展了基于羟胺对该工艺的原位恢复及运行稳定性的研究, 发现低剂量投加羟胺可快速原位恢复CPNA工艺, 并保持其长期稳定运行.李佳等(2021)调研了北方某城市污水处理厂A²/O工艺中缺氧池亚硝态氮积累现象, 确定了导致亚硝态氮积累的主要菌种, 分析了短程反硝化出现的原因, 提出了短程反硝化工艺运行的关键控制参数.基于污水资源回收的需求, 降低系统泥龄是实现碳、氮、磷分步处理的一种改进方式, 王悦等(2021)研究了超短龄活性污泥系统碳、磷去除效果, 明确了短泥龄活性污泥系统碳磷污染物去除机制主要是吸附和生物作用, 揭示了其主要的优势微生物种类与传统活性污泥系统相似.

农村污水治理是农村人居环境整治的核心工作.刘建伟等(2021)研究了强化厌氧折流板反应器在稳定运行期对农村污水的处理效果, COD平均去除率为81%, 并揭示了反应器不同格室内污泥的表观形态、流变及微生物种群特性；针对农村生活污水治理模式判据缺失的状况, 结合北京市农村生活污水治理的现状, 胡明等(2021a)采用费用效益分析方法, 建立了基于两级临界距离的治污模式判据, 并以通州区潞城镇治污模式优化作为案例研究, 验证了治污模式判据的时效性.

北运河为季节性河流, 每年有1.8亿m³雨水径流补充, 且多集中于汛期, 其它时段补水水源基本是污水处理厂排水.针对北运河非常规水源补给的现状, 于雯超等(2021)以再生水补给水体(清河和沙河水库)为对象, 明确了干湿季节下再生水补给水体的溶解性有机物(DOM)组成特征, 揭示了DOM主要成分对致病菌分布及迁移的影响.鱼类是水生生态系统的主要组成部分, 但北运河鱼类资源调查及群落结构的研究较少, 邸琰茗等(2021)通过2019年10月北运河上游南沙河段与下游城市副中心段鱼类调查, 明确了北运河鱼类群落结构及分布特征, 揭示了其与环境因子的响应关系, 为今后河道水质改善与生态修复和鱼类生境营造提供了依据.

为明确降雨径流对受纳水体的影响, 胡明等(2021b)以萧太后河径流入河排水口为研究对象, 识别了不同入河排水口降雨径流污染特征, 揭示了雨强、降雨量和雨前干期长度等与排水口中的污染负荷指标具有一定的相关性, 并从总污染负荷控制的角度确定末端调蓄容积, 提出了截留初期约16mm降雨的建议.为了明确汛期河道水位上涨对沉积物中污染物释放的影响, 胡明等(2021c)通过实验室水槽模拟试验, 揭示了水位上涨会明显提升沉积物中污染物释放通量, 水深对扰动条件下污染物释放更敏感.为探索北运河流域污染底泥土地利用的可能性, 杨兰琴等(2021)以中坝河为例开展了底泥污染特征分析及生态风险评价, 结果表明, 中坝河底泥肥力较好, 风险可控, 并据此提出了土地利用建议.基于自然的修复理念, 朱利英等(2021a)开发了“旁路离线河流净化器技术与系统”, 并以温榆河支流龙道河为研究对象, 设计并建设了罗马东湖“塘-湿地系统”和龙道河拟自然河道工程, 结果表明, 该技术与系统可明显改善水质和水生生物生境.该技术与系统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, 适于应用于支流丰富、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.

沙河水库是北运河上游水系重要的“汇”, 同时也是多源污染的重要聚集处, 呈现非常规水源补给的缓滞水体特征, 因此, 沙河水库综合治理对下游的水质改善和生态修复至关重要.汛期面源污染已成为北运河水质不达标的主要影响因素, 辛苑等(2021)考察了单场强降雨对沙河水库水质的影响, 结果表明, 汛期单次降水(降雨量达53.8mm · d^-1)不会引起水质的显著恶化, 大部分水质指标于3~4 d后降低, 4~6 d逐渐恢复到降雨前水质, 并趋于稳定.合流制管网沉积物是溢流污染的重要来源, 海永龙等(2021)通过现场调查沙河水库周边的合流制管网沉积物, 明确了其月变化、粒径分布和污染物赋存的特征, 并据此提出了削减溢流污染负荷的措施.针对沙河水库沉积物中重金属污染的空间分布特征、生态风险评价以及重金属溯源研究的现状, 杨颖等(2021)分析了沙河水库沉积物中As, Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn共7种重金属的空间分布特征, 采用地累积指数法、潜在生态风险指数法和风险评价编码法对重金属污染进行评价, 同时结合表层沉积物的重金属形态分析其潜在生态风险, 结果表明, 沉积物中重金属富集倍数均值排序依次为点源污染区＞库心区＞库下游＞南沙河＞库上游＞北沙河, As为中度或偏中污染, 其余重金属无污染或污染较轻, 所有采样点的潜在生态风险指数均小于150, 为轻度生态危害; 沉积物中重金属与营养盐及有机质呈显著相关.非常规水源补给河流存在一定的病原微生物污染，孙文等(2021)采用现代分子生物学手段分析了沙河水库沉积物中微生物群落结构和3种典型病原菌(大肠杆菌、肠球菌、志贺氏菌)的基因丰度, 明确了微生物群落和大肠杆菌、肠球菌、志贺氏菌在沙河水库的空间分布特征, 并表明沙河水库沉积物中病原菌含量极可能与水体富营养化有关.

为掌握北运河的生态状况, 程荣等(2021)在沙河水库开展了历时一年的水生态调查, 结果表明, 沙河库区及其上下游浮游植物的主要组成为绿藻门和硅藻门, 浮游动物主要组成部分为原生动物和轮虫, 化学需氧量与浮游生物丰度显著相关.以再生水补给景观水体-圆明园为例, 陈奕童等(2021)以粪大肠菌群(FC)、大肠杆菌(EC)、肠球菌(ENT)为研究对象, 系统调查了圆明园景观水体中这3种指示微生物的污染特征, 并运用定量微生物风险评价模型(QMRA)量化了其对人体健康造成的潜在风险, 为再生水补给景观水体的管理提供了科学依据.

针对沙河水库流域河道水环境质量现状及改善需求, 李明等(2021)以主要超标污染物COD_Cr、NH₃-N和TP为指标, 应用MIKE11、MIKE SHE及ECO Lab构建了沙河水库流域水文、水动力及水质耦合模型, 评估了不同污染控制措施下的河道水质改善效能, 据此提出了提升考核断面水质的关键措施——提高生活污水处理率、排口截污、组合引水等.李添雨等(2021)以沙河水库为研究区域, 采用MIKE21构建了库区二维水动力水质模型, 模拟研究了沙河水库水量水质变化情况, 验证了模型参数, 并据此模拟了水位调控方案和水质改善方案, 提出了沙河水库优化的水位调控区间和溢流控制措施.北运河纵贯京津冀地区, 是京津冀大都市圈重要的生态环境保护屏障, 朱利英等(2021b)以遥感解译数据为基础, 分析了1980—2015年北运河流域土地利用格局和过程的变化, 明确了北运河流域生态服务价值的变化历程, 揭示了城镇和水体是北运河流域生态服务价值变化的主要贡献因子和敏感因子, 可为北运河流域绿色生态走廊构建提供参考.