在“水專項”總結(jié)收官之年，各個課題板塊都正在開展標(biāo)志性成果凝練總結(jié)工作。這也是一個非常寶貴的成果集成、復(fù)盤和總結(jié)過程。同期舉辦的水專項系列研討會，旨在推動水專項標(biāo)志性成果的總結(jié)集成工作與行業(yè)積極互動，以此促進(jìn)水專項技術(shù)成果的宣傳、總結(jié)和推廣。

　　上周兩場以“濕地技術(shù)在京津冀水專項的實踐應(yīng)用”為主題的線上交流活動，累計有六百多位行業(yè)同仁以線上參加的方式“圍觀”參與了水專項技術(shù)成果的凝練總結(jié)過程。為突破線上會議對參與人數(shù)的限制，讓水專項寶貴實踐經(jīng)驗得到更廣泛傳播，我們將在會后同水專項課題承擔(dān)單位——中持水務(wù)的同仁們一起，根據(jù)各位專家分享內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)整理，再由專家親自修正，形成系列報告文章陸續(xù)發(fā)布。

　　在此感謝各位專家的修改指導(dǎo)和同事們的精心整理。

　　《北運(yùn)河水系中游段生態(tài)治理關(guān)鍵技術(shù)與示范》課題屬于國家“十一五”“水體污染控制與治理科技重大專項”河流主題海河項目，由中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心主持，本課題負(fù)責(zé)人——中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心魏源送研究員近日在以“濕地技術(shù)在京津冀水專項的實踐應(yīng)用”為主題的研討會中，分享了“旁路離線河流凈化器的應(yīng)用研究”的主題報告。

　　河流水質(zhì)改善總體思路

　　北運(yùn)河水系中段(溫榆河)的主干河道全長47.5km，流域面積2478 km2，是北京市城區(qū)主要防洪和排水道，是北運(yùn)河湖水系綠色生態(tài)走廊的重要組成部分。它具有以非常規(guī)水源補(bǔ)給(污水處理廠出水)為主、非連續(xù)性、多閘壩控制的特點。北運(yùn)河生態(tài)治理需要經(jīng)歷水質(zhì)改善、生態(tài)恢復(fù)階段，最終成為健康河流。課題以河流水質(zhì)改善為項目目標(biāo)，開展旁路離線河流凈化器的關(guān)鍵技術(shù)研究，并選擇龍道河、羅馬湖和清河進(jìn)行以生物-生態(tài)凈化為主的綜合集成示范，并據(jù)此提出污染河流水質(zhì)改善綜合實施方案，為非常規(guī)水源補(bǔ)給河流生態(tài)治理提供科技支撐。

　　治河如治病，開展河流形態(tài)、水質(zhì)、水文和生態(tài)的綜合診斷，是河流水質(zhì)改善開展的首要步驟。以史為鑒，分析溫榆河30年水質(zhì)的時空演變。課題組結(jié)合現(xiàn)場采樣調(diào)研，系統(tǒng)分析了1980-2010年溫榆河的COD、氨氮變化，30年來溫榆河呈現(xiàn)以氨氮為主導(dǎo)的水污染特征，且通過時間序列模型進(jìn)行預(yù)測，到2015年，溫榆河水質(zhì)仍不能達(dá)到功能區(qū)劃要求。

　　目前來看，這些結(jié)論和推論得到了時間的印證。溫榆河水化學(xué)類型主要為CCaII型，呈鹽漬化趨勢。因這條河是非常規(guī)水源補(bǔ)給河流，我們也關(guān)心它的微生物污染，調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)溫榆河兩大主要支流清河和壩河的微生物SC噬菌體含量處于高水平，分別為430~2460 pfu/ml和300~580pfu/ml，推測其主要原因與污水處理廠排水和分散污水排放方式有關(guān)，河流微生物污染不能忽視。

　　確定入河污染負(fù)荷。分析溫榆河干流水量特征，總結(jié)發(fā)現(xiàn)干流入河污染負(fù)荷污染來源較為單一，點源污染是最主要的污染來源;支流輸入的污染負(fù)荷主要來自污水處理廠排水，分別占入河總COD的69%和總氨氮的77%。

　　明確水生態(tài)退化特征。分別調(diào)研溫榆河的浮游植物、浮游動物、底棲動物、魚類和水生植物現(xiàn)狀，表明溫榆河水生態(tài)狀況與水質(zhì)調(diào)研結(jié)果一致，呈現(xiàn)水體富營養(yǎng)化，水生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)退化狀況。

　　關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

　　針對北運(yùn)河中游段的非常規(guī)水源補(bǔ)給為主和氨氮為主導(dǎo)的水污染特征，結(jié)合北運(yùn)河中游段平原地區(qū)灌渠繁多、干流行洪壓力大的特點，課題以水質(zhì)改善為核心目標(biāo)，結(jié)合上述研究，創(chuàng)新地研發(fā)了“旁路離線河流凈化器”關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)。

　　該技術(shù)基于“干流生態(tài)治理與恢復(fù)始于支流，因地制宜”的原則，通過工程措施將一部分干流中的污染河水引入支流，利用支流、已有/廢棄坑塘等開展污染河水的生物、生態(tài)凈化技術(shù)研究，可系統(tǒng)集成在線、離線河流水質(zhì)凈化技術(shù)的優(yōu)點。

　　課題組經(jīng)過三年多的技術(shù)攻關(guān)，建立了旁路離線河流凈化器的設(shè)計體系，主要包括以塘-濕地組合水質(zhì)凈化技術(shù)和擬自然河道技術(shù)。結(jié)合生態(tài)工程技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)和水力工程技術(shù)手段，對氨氮濃度15-20mg/L及以下的低污染河流特別有效。

　　塘-濕地組合水質(zhì)凈化技術(shù)。由塘和濕地組成，構(gòu)建要點是基于水系及其地理特征，因地制宜，充分利用已有/廢棄坑塘，以串聯(lián)形式有機(jī)組合塘-濕地系統(tǒng)，使二者在凈化功能上相輔相成，在結(jié)構(gòu)上互為耦合，實現(xiàn)污染河流的水質(zhì)凈化。

　　濕地為豎向?qū)盈B式復(fù)合潛流濕地結(jié)構(gòu)型式，其主要結(jié)構(gòu)特點包括：表層波浪型間歇流布水系統(tǒng)、下行垂直流與底部雙層水平流耦合、營養(yǎng)平衡補(bǔ)給井及退水調(diào)控井，具有結(jié)構(gòu)緊湊、水力負(fù)荷大、配水靈活、硝化-反硝化作用效果顯著等優(yōu)點。

　　濕地技術(shù)研發(fā)要點：①植物優(yōu)選：通過在季節(jié)性、基質(zhì)適應(yīng)性、抑藻能力、根系發(fā)達(dá)程度、死亡二次污染等方面進(jìn)行考察，蘆葦均優(yōu)于香蒲。②填料優(yōu)選：脫氮填料沸石最優(yōu);除磷填料鋼渣最優(yōu)，還開發(fā)了新的除磷材料-鎂橄欖石。③結(jié)構(gòu)優(yōu)化：采用間歇流運(yùn)行、上部垂直流、下部水平流的耦合工藝。同時考察了人工濕地的病毒去除效果，在0.2 m/d水力負(fù)荷下，連續(xù)水平、連續(xù)垂直、間歇水平、間歇垂直對f2噬菌體對數(shù)去除率依次為1.25、1.79、0.39和0.56 log pfu/ml，去除率分別為91.02%、97.09%、51.22%和65.24%。表明濕地連續(xù)運(yùn)行優(yōu)于間歇運(yùn)行;垂直潛流優(yōu)于水平潛流。

　　擬自然河道技術(shù)。針對河流“三化”問題(平面直線化、斷面規(guī)則化、表面硬質(zhì)化)，重構(gòu)復(fù)合式河床人工濕地河道，即蜿蜒平面、復(fù)式斷面、子槽邊坡。采用生態(tài)袋替代無子槽護(hù)坡或者透水生態(tài)砼結(jié)構(gòu)護(hù)坡，并通過水力調(diào)控，可在豐水期防止短路現(xiàn)象，凈化水流。

　　現(xiàn)場實驗裝置的研究結(jié)果表明，設(shè)置擋水堰和選用細(xì)粒徑填料(<5cm)均有助于減慢河水流速，使河水分布更均勻，氨氮和COD去除效果優(yōu)異。龍道河400 m的擬自然河道試驗工程表明，增加子槽后的河道斷面穩(wěn)定性更好，有助于水生態(tài)恢復(fù)。通過對底質(zhì)、生境復(fù)雜性、速度和深度結(jié)合特性、堤岸穩(wěn)定性等10個指標(biāo)做綜合評分，發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的河道生境指數(shù)(151分)遠(yuǎn)優(yōu)于修復(fù)前(91分)。

　　除塘-濕地組合水質(zhì)凈化技術(shù)和擬自然河道技術(shù)外，旁路離線河流凈化器技術(shù)體系還包括河道內(nèi)沉水植物群落重建技術(shù)、濱岸植被緩沖帶技術(shù)等為輔的四項關(guān)鍵技術(shù)單元。在沉水植物群落構(gòu)建中，從植物的耐污性、抗水力特性、根系特征和生活史篩選物種，選擇合適的小生境定植，輔以閘控水文條件保障，示范工程應(yīng)用效果良好。

　　示范工程應(yīng)用

　　基于上述研究，課題組形成了“旁路離線河流凈化器”關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)的框架與設(shè)計流程，并在羅馬湖生態(tài)環(huán)境整治工程和龍道河生態(tài)治理工程得到成功應(yīng)用，羅馬東湖示范工程于2010年12月完工;龍道河示范工程于2011年12月完成;同時開展了清河河道內(nèi)沉水植物群落重建示范研究。

　　構(gòu)建了羅馬東湖的“塘-濕地系統(tǒng)”。羅馬東湖總占地15.91 hm2，形成水域面積8.91 hm2，濱水綠地7.0 hm2，對水岸線進(jìn)行生態(tài)防護(hù)和回填必要的微地形，配置水陸生植物和水生動物;建設(shè)人工濕地5800 m2，設(shè)計處理規(guī)模3400m3/d，設(shè)計水力負(fù)荷為0.59m3/m2·d，以復(fù)合潛流濕地為主，濕地植物為蘆葦，濕地基質(zhì)包括石灰質(zhì)碎石、沸石及焦渣等。由泵站揚(yáng)水進(jìn)入人工濕地，不僅凈化羅馬西湖來水水質(zhì)，而且在羅馬東湖湖區(qū)實現(xiàn)水體循環(huán)凈化。

　　通過與羅馬西湖來水的水質(zhì)進(jìn)行對照分析，羅馬東湖“塘-濕地系統(tǒng)”的水質(zhì)凈化效果良好。以羅馬西湖出口閘前監(jiān)測點與東湖各監(jiān)測點的時段算術(shù)平均值進(jìn)行對比，塘-濕地系統(tǒng)中的氨氮由Ⅳ類提升到Ⅰ類，去除率達(dá)86.6%;總氮由劣Ⅴ類提高到接近Ⅳ類，去除率達(dá)54.5%;總磷由湖庫標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類提高到Ⅳ類，去除率達(dá)54.5%;葉綠素a削減68.6%，對水華藻類起到了較好的抑制作用;BOB5也由Ⅴ類提升到Ⅳ類，去除率達(dá)54.3%。

　　龍道河擬自然河道示范段。根據(jù)河道不同特點及周邊環(huán)境，分別對河床、河道坡腳、河道岸坡的空間尺度內(nèi)集成了蜿蜒河道技術(shù)、河道內(nèi)沉水植物群落重建技術(shù)、過濾型濱岸緩沖帶技術(shù)和本土植物種子庫技術(shù)。例如，龍道河下段火沙路附近，設(shè)計河道斷面為復(fù)式斷面，河底清淤后以河卵石干砌護(hù)底，河坡采用草皮護(hù)坡加麻椰固土毯，沉水植物選擇篦齒眼子菜、菹草、金魚藻等。

　　擬自然河道技術(shù)在龍道河綜合整治工程中得到了成功應(yīng)用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①河道斷面發(fā)生了明顯的改變，出現(xiàn)了二級子槽和由碎石床構(gòu)成的漫灘，與修復(fù)前相比，河道加深了0.4米，可為龍道河蓄水、魚類存活以及沉水植物的生長創(chuàng)造了必要條件。②河岸穩(wěn)定。經(jīng)歷了2011年、2012年夏季強(qiáng)降雨后，河道坡腳穩(wěn)固，未出現(xiàn)侵蝕和崩塌的現(xiàn)象。③氨氮濃度從5.5 mg/L經(jīng)過300米的擬自然河道，降低至3.1mg/L，水質(zhì)改善明顯。④生境質(zhì)量指數(shù)從修復(fù)前的“一般”(94分)等級提高到“好”等級(151分)。Hilsenhoff生物指數(shù)從9.68降至8.06，底棲動物群落得到改善。

　　第三方評估結(jié)果表明，旁路離線河流凈化器示范工程具有良好的水質(zhì)凈化效果，其中氨氮去除率超過77%，平均達(dá)90.4%，總氮平均去除率達(dá)75.6%，總磷平均去除率達(dá)66.6%;COD平均去除率31.8%。該示范工程可削減污染負(fù)荷COD114.1噸/年、氨氮47.8噸/年、總磷 8.3噸/年。

　　【溫榆河水質(zhì)改善綜合實施途徑】

　　基于上述研究成果，課題組以氨氮為目標(biāo)，采用QUAI2k水質(zhì)模型對溫楡河水質(zhì)改善的綜合實施途徑進(jìn)行情景分析。對照現(xiàn)狀，情景分析包括綜合方案A、B、C，1)方案A：干流污染源全部進(jìn)行截污，建設(shè)3個旁路離線河流凈化器，河道比硝化速率提高至0.2，藺河溝、清河、壩河三條支流入河口的氨氮濃度削減至5 mg/L;2)方案B：在方案A的基礎(chǔ)上，藺河溝、清河、壩河三條支流的氨氮濃度削減至2 mg/L;3)方案C：在方案B的基礎(chǔ)上，將沙河水庫氨氮控制為2.0 mg/L。結(jié)果表明，綜合方案C將會對溫榆河干流的水質(zhì)改善起到積極作用。