仿自然人工濕地系統構建模式與效果初探

戰楠 黃炳彬 李光遠 王利軍 劉學燕 趙立新

(1 北京市水科學技術研究院,流域水環境與生態技術北京市重點實驗室，北京 100048；2 北京市官廳水庫管理處，河北 懷來 075441；3 北京市水利規劃設計研究院，北京 100048)

濕地是形成于陸地和水域之間的生態系統，兼具兩者特征(李益敏等, 2013)，高頻率長時期被水淹沒是其獨特之處，也使其成為生產力最高的生態系統之一。由于濕地系統所具備的水源涵養、水質凈化、氣候調節和生物多樣性保護等多重生態功能和經濟價值(姚鑫等, 2009)，使其在近年來的生態修復和水質改善中得到了廣泛應用(汪仲瓊等, 2011)。

人工濕地是以基質材料、濕地植物和微生物為主(陶敏等, 2012)，經設計、建造和運行的復合生態系統(于少鵬等, 2004)。目前我國多以水質改善為目的，應用于農村生活污水處理、污水廠退水深度凈化、河湖水質改善及農田面源污染治理等諸多領域當中(黃炳彬等, 2018)。人工濕地從構建形式可區分為表面流濕地、潛流濕地和氧化塘。目前我國人工濕地的應用，以采用潛流和表流等單一形式構建或進行簡單組合為主。就運行效果而言，表流人工濕地雖具備富氧程度高的優勢，但存在占地面積大、水力負荷低、TP 去除效率低及夏季蚊蟲滋生的問題；潛流人工濕地在水質凈化效果和水力負荷上較前者有明顯提升，但系統結構相對復雜、長期運行中基質層易出現堵塞現象(張清, 2011)，運行穩定性仍存在短板。不同形態濕地工藝的組合、基質材料改善和運行方式調控，雖有利于系統運行效率的提高，但與天然濕地相比，結構形態仍顯單一，人工構造的痕跡明顯，在重建受損生境、構建生物群落和提升生物多樣性等方面仍存在問題。在生態文明建設可持續發展的大背景下，秉承生態自然理念，建立近自然濕地系統，促進其水質改善和生態修復功能的綜合提升和良性發展是人工濕地技術發展的必然趨勢。

北京永定河八號橋濕地工程于2019 年9 月建成通水，作為模擬自然濕地特征構建而成的大型仿自然人工濕地系統，目前在北京地區尚屬首例。本文以八號橋仿自然濕地系統構建模式入手，并對其運行初期效果進行評述，旨在為人工濕地技術的推廣應用提供新思路。

1 仿自然濕地系統構建模式

永定河是串聯京津冀地區的生態大動脈，同時也是北京延慶2019 年世園會及2022 年北京—張家口冬奧會的關鍵節點。八號橋仿自然復合功能濕地位于官廳水庫八號橋永定河入庫口，在長約3.5 km，寬約700 m 的河道及灘地建設而成，總面積2.1 km2，其中濕地系統面積1.651 km2。基于水文站監測結果，八號橋斷面2006—2017 年平均流量3.24 m3/s，流量為1.0 m3/s 和3.0 m3/s 的保障率分別為81.7%和36.7%。八號橋濕地工程凈水規模1 ～3 m3/s，約8.6 ～26 萬m3/d。

1.1 工程目標

八號橋濕地工程旨在針對永定河河道來水水質波動大以及氮磷污染物超標等問題，建成集水質保障、生態修復及景觀建設為一體的仿自然復合型濕地系統。強化凈化永定河上游來水，保障官廳水庫入庫水質，同時促進周邊區域生態環境的整體改善。

2018 年3 月—2019 年9 月，八號橋斷面主要水質污染物指標監測結果如表1 所示。對照該區域水體功能要求和《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)Ⅲ類水質標準，存在CODCr和TP 污染物超標的問題；TN 雖不計入水質斷面考核要求，但也存在持續偏高的情況；上游來水、河灘地水土流失對斷面水質影響較大。八號橋濕地工程預期對N、P 凈化效率達30%，在上游來水水質持續改善的同時，力爭永定河入庫水質達到地表水Ⅲ類，為永定河生態廊道建設及冬奧會區域水環境保障提供支撐。

表1 工程建設前水質現狀Table 1 Status of water quality before construction

圖1 濕地系統布置平面圖Fig.1 Layout plan of wetland system

1.2 總體布局

八號橋仿自然復合功能濕地工程遵循河道現狀進行總體布置，充分利用河灘地空間及地形，綜合溪流、生態塘、表流濕地、潛流濕地等多種形態，以仿自然濕地形式進行總體設計進行總體布置，工程平面布置如圖1 所示。

1.3 工藝流程

3 個處理區相互聯系形成濕地網絡，其中第1 處理區相對獨立，上游永定河來水經處理后從下游排入永定河主河道。第2處理區與第3處理區串聯運行，來水經處理后最終經末端出水渠匯入永定河主河道，為濕地最終出水(圖2)。

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process flow chart

表2 濕地系統分區設計Table 2 Zoning design of wetland system

1.4 分區布置

濕地系統順永定河河道方向整體劃分為3 個處理區(表2)。第1、第2 處理區以漫流式表流濕地為主布置，第3 處理區主體采用單元式表流濕地形式。

第1 處理區模擬天然濕地特征由左一、左二、左三區勾連形成，疏挖若干溪流，形成交錯的線條式濕地，構建形成溪流特征濕地，總面積35.2 萬m2。

第2 處理區由右一、右二、右三區整體構成，利用田埂及局部地形調整，右一、右二區以溪流形式為主，右三區為生態塘、溪流等形式交錯相連的島嶼灘涂特征濕地。總體包括島嶼濕地、魚鱗濕地、生物塘和連通溪流，總面積49.3 萬m2。

第3 處理區即為右四區，利用場地內坑塘，疏挖形成配水生物塘，其余地塊建設表流濕地單元，構建形成梯田特征,總面積52.4 萬m2。

此外，永定河主河道流經濕地系統，作為濕地系統輔助處理區，面積19.2 萬m2。

1.5 系統布置要點

該濕地工程區別于傳統人工濕地的布置形式，秉承自然生態理念，基于自然濕地形態多樣性的特征，同時結合表流、塘、潛流等人工濕地的技術要點，構建形成生境空間豐富、形態自然和水質高效凈化的仿自然復合功能濕地系統。

針對水質凈化功能的需求，優化濕地功能分區。首端蜿蜒型溪流和生態塘相連，構成自然輸水渠道和沉沙區。中下段采用生態塘串聯，并與表流、潛流、魚鱗等多種濕地形態，構成水質凈化區。其中魚鱗濕地的布置，借鑒潛流濕地構建經驗，以近自然滲濾丁壩形式，促使水流折返流動，延長水流路徑；碎石作為丁壩主體材料，兼具截留、過濾和生物富集作用。濕地系統整體形成深水—淺水空間格局，延長水流路徑和水體停留時間，水位、流速的不斷變化促進物理、化學和生物協同凈水效果的發揮。

針對生態修復功能，基于水生動植物及鳥類不同生境的需求，通過溪流、生態塘、表流濕地等交錯分布，形成淺灘與深潭交錯、急流與緩流相間的格局，為底棲、魚類等水生動物群落提供多樣的產卵、發育、繁衍、遷徙及避難場所。深槽與邊灘、塘和島嶼的多樣化結構，促進水生、濕生、草本、木本等植被交錯分布和自然過渡，為水禽和鳥類提供了覓食和休憩場所。

濕地系統構建初期，基于水深的差異，以人工引導為主，構建以沉水植物為主的水生植物群落，水深1 m 以上的深水區優選以凈水效果好、易于管護的苦草、金魚藻、狐尾藻等植物，同時綜合考慮空間生態位及時間生態位的互補銜接；水深0.5 m以下的淺水區配置挺水植物,以蘆葦為主，搭配千屈菜等兼具水質凈化與景觀的植物。

2 濕地系統初期成效

2.1 水質改善效果

八號橋仿自然濕地系統從2019 年9 月起開始第2、3 兩處理區的通水運行。初期系統運行區域面積共101.7 萬m2，平均進水量約0.8 m3/s，水力負荷0.076 m3/(m2·d)，水力停留時間約16 d(表3)。

濕地系統建成后，近4 個月的連續運行周期內進行水質取樣監測，主要污染物濃度改善效果如圖3 所示。濕地系統運行期間，進水主要污染物指標CODCr、TN、TP 和氨氮等平均濃度分別為24.3 mg/L、2.89 mg/L、0.4 mg/L 和0.55 mg/L，各水質指標介于地表水Ⅳ～Ⅴ類。經仿自然濕地凈化后，出水中上述污染物指標平均濃度分別降低至20.4 mg/L、1.5 mg/L、0.224 mg/L 和0.39 mg/L，各項指標基本達到優于地表Ⅳ類的標準。

運行期間各項污染物的沿程去除效果如圖4 所示，CODCr、TN、TP 和氨氮等指標的平均去除率分別達22.64%、47.78%、51.67%和21.58%。仿自然濕地系統現階段的運行效果優于傳統表流濕地對微污染水體中TN 和TP 的凈化效果(張俊, 2016; 卿杰等, 2015)。

表3 濕地系統運行參數Table 3 Operation parameters of wetland system

圖3 系統凈化效果Fig.3 Removal effect by wetland system

濕地系統進水后依次流經第2 處理區的溪流濕地、島嶼濕地、魚鱗濕地及生物塘；經分水閘后，流入第3 處理區單元表流濕地，最終出水匯入下游永定河主河道。

濕地系統首端溪流和島嶼濕地單元的水力停留時間約6.5 d，對CODCr、TN 、TP 和氨氮的平均去除率分別達17.6%、29.73%、46.73%和21.9%，超過濕地系統總去除率的50%。

流經魚鱗濕地和生物塘的水力停留時間分別為1.31 d 和1.32 d，這2 個濕地單元對CODCr、TN 、TP和氨氮的平均去除率分別為1.96%、7.24%、19.78%、11.88%和6.84%、15.1%、-48.5%、1.96%。與溪流和島嶼濕地單元相比，魚鱗濕地和生物塘的水力停留時間和污染物去除效果明顯降低。第3 處理區單元表流濕地水力停留時間為6 d，以上各項污染物平均去除率分別為-23.27%、7.48%、-5.63%和6.85%。

從以上系統運行初期的凈化效果來看，溪流和島嶼濕地是清除CODCr、TN、TP 和氨氮等污染物的主要凈化單元。溪流和島嶼濕地可形成系統內水位的自然波動，有利于水體富氧作用的改善。而且水體在島嶼濕地內的停留時間相對較長，有助于沉降作用對難降解污染物質的去除，進一步降低了后續濕地單元的污染物負荷。

魚鱗濕地旨在強化對污染物的攔截、吸附以及基質—微生物的協同凈化，對TN、TP 和氨氮等污染物表現出一定的清除效果，但濕地系統建成后，微生物的生長及穩定尚需一定周期，該單元生物凈水作用還需進一步觀測。

圖4 單元水質凈化效果Fig.4 Removal effect by units

第3 處理區單元表流濕地對污染物的凈化作用相對較弱，可能與微生物系統尚未完善有一定關系。同時，系統通水后不足2 個月進入低溫期(水溫低于15℃)，微生物活性進一步降低，加上冬季挺水植物腐爛導致污染物的釋放(左倬等, 2015)，對該單元的凈化效果造成不利影響。

2.2 生態改善效果

仿自然濕地系統基于多種形態濕地單元的搭配，有效改善了永定河裸露灘地現狀，形成多樣化生境格局。目前，水生植物群落已初步形成，包括狐尾藻、菹草及金魚藻等沉水植物，荷花和蘆葦等挺水植物，千屈菜和鳶尾等濕生植物，形成從深水區、淺水區至淺灘區植物群落的自然過渡。系統建成初期，濕地系統內已出現麥穗、銀鲴、波氏吻蝦虎魚及鳊魚等多種魚類，野鴨、白鷺及長腿鷸等水禽和鳥類，生物種類顯著增加。

2.3 景觀提升效果

利用河道灘地建設的八號橋濕地系統，融入多種水生濕生植物等自然元素，通過合理的地形塑造、植物配置等，形成溪流、湖泊、跌水等不同水力形態構建而成的蘆葦蕩、荷花塘和生物島等濕地景觀(圖5)。塘、溪流等護岸采用層栽柳條、扦插柳枝等形式；植物種類的選擇和配置須綜合考慮水質凈化和景觀提升功能，非濕地區域亦選擇季相特征明顯、景觀效果較好的粉枝柳、灌木柳、紅蓼及燈芯草等鄉土植物營建植物景觀。系統內部道路選用碎石路面及其他自然路面替代透水磚路面，突出與自然景致的和諧一致，營造自然生態景觀。

Fig.5 Landscape improvement effect(a Before implementation; b After implementation)

仿自然濕地系統不僅發揮了水質凈化和生態修復功能，同時營造了自然生態景觀，有效促進了官廳水庫周邊生態環境的整體改善。

3 結論

(1)永定河八號橋濕地工程是模擬自然濕地形態多樣性特征，并結合人工濕地構建經驗，建造的大型仿自然人工濕地系統。區別于傳統的人工濕地，該系統秉承自然生態理念，綜合集成溪流、表流、塘、潛流等多種濕地的優點，突破傳統人工濕地形態功能單一、運行穩定性等技術短板，構建形成生境空間豐富、形態自然、水質高效凈化的仿自然復合功能濕地系統，形成“可觀賞、可借鑒、可推廣”的人工濕地構建模式，為北京及其他地區的推廣應用提供新思路。

(2)八號橋仿自然復合功能濕地建設總面積2.1 km2，其中濕地系統面積1.651 km2，凈水規模1 ～3 m3/s。濕地系統初期運行區域面積共1.017 km2，水力 負荷0.076 m3/(m2·d)，上游來水CODCr、TN、TP和氨氮等主要污染物指標介于地表水Ⅳ～Ⅴ類條件下，平均去除率分別達22.64%、47.78%、51.67%和21.58%，系統出水基本穩定達到優于地表Ⅳ類的標準；其中首端溪流和島嶼濕地單元內對污染物的去除率超過濕地系統總去除率的50%。

(3)基于仿自然濕地系統構建的多樣化的生境格局，有效改善了區域生態現狀，促進水生植物群落的自然恢復，并為水生動物、水禽和鳥類等生物提供適宜的繁殖和棲息空間，生物種類顯著增加，促進了永定河流域和官廳水庫周邊生態環境的整體改善。