二道沙河及南海濕地生態治理總體方案研究

楊仲韜 李征 王小平 渠元闖 王彪

摘 要：包頭二道沙河及南海濕地近年來存在生態基流量小、入河污染物總量大、水體自凈能力不足、生態系統脆弱等問題，針對上述問題提出了生態治理總體方案：以水資源循環利用為基礎，將流域內污水處理廠外排的再生水收集后輸送至河道及濕地進行生態補水，利用擋水堰及河道地形構建包含滯留塘、人工水草、人工物質遷移系統、生態凈化床的河道走廊濕地，建設以多級多槽濕地為主的濕地生態修復區和以近自然濕地為主的濕地生態保護區。該方案可以實現再生水的循環利用，改善二道沙河及南海濕地的生態環境，削減包頭市經由二道沙河及南海濕地進入黃河的污染物總量。

關鍵詞：水資源循環利用;河道走廊濕地;多級多槽濕地;近自然濕地;二道沙河;南海濕地

中圖分類號：X52;TV211.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.018

引用格式：楊仲韜，李征，王小平，等.二道沙河及南海濕地生態治理總體方案研究[J].人民黃河，2021，43（10）：93-96，118.

Abstract： In recent years， Erdaosha River and Nanhai Wetland in Baotou are facing problems such as lack of ecological flow， large amount of pollutants entering into the river， insufficient self purification capacity of water body， and fragile ecosystem. Based on the water resources recycling， the reclaimed water discharged from the sewage treatment plant in the basin was collected and transported to the river channel and wetland as ecological water supplement through the water diversion system. The channel wetland including detention pond， artificial water grass， artificial material transfer system and ecological purification bed was constructed by using water retaining weir and river topography. The wetland ecological restoration area with multi-level and multi-trough wetland as the main body and the wetland ecological protection area with near natural wetland as the main body were constructed. The implementation of this scheme could realize the resources utilization of reclaimed water， improve the ecological environment of Erdaosha River and Nanhai Wetland， give full play to its role of ecological barrier， and reduce the total amount of pollutants entering into the Yellow River through Erdaosha River in Baotou City， which was of great significance to protect the ecological security of the Yellow River.

Key words： water resources recycling; channel wetland; multi level and trough wetland; near natural wetland; Erdaosha River; Nanhai Wetland

包頭二道沙河發源于烏蘭胡同，出山口以后一路向南，中間有三道沙河、西河、頭道沙河等支流匯入，沿途經過包蘭鐵路、同官村、南繞城公路、南黃線公路等最終匯入黃河。二道沙河為黃河一級支流，全長約18.6 km，流域面積83 km2。二道沙河是包頭市“四縱四橫、四湖四庫、三水網”城市水系布局中重要的“一縱”，現為泄洪、排澇通道。包頭市南海濕地自然保護區是以保護珍稀鳥類及其賴以生存的黃河灘涂濕地生態系統為主的綜合性自然保護區。南海濕地生態系統在包頭地區乃至我國西部地區具有較好的生物多樣性，是重要的生物基因庫和保護黃河的自然生態過濾系統，也是包頭市重要的景觀區。黃河自西向東從包頭市南部流過，包頭段干流全長241 km，流經市區段共63 km，是包頭市工農業生產和人民生活用水的主要水源。黃河包頭段屬于我國干旱半干旱生態脆弱區，生態環境極易被破壞，而且生態環境被破壞后修復難度巨大。

目前二道沙河及南海濕地主要存在如下問題：生態基流量小，現有水量不能維持生態系統正常運行，而流域內污水廠再生水未得到有效利用;在二道沙河沿線點源污染已基本控制的前提下[1]，進入河道及濕地的污染物總量仍超過其環境容量，水體局部富營養化[2]，威脅黃河包頭段水環境安全;河流及濕地生態系統服務功能退化，水生生物多樣性降低，生態系統脆弱[3]，其中南海濕地生態系統健康狀況為“一般病態”[4]。國內眾多學者對二道沙河沿河點源污染控制情況[1]，以及南海濕地水污染現狀、污染防治對策、生態需水量、補水方案等[2-7]進行了研究，但是上述研究均側重于河道或濕地治理的某一方面，尚缺乏以再生水資源循環利用為基礎、對河道及濕地進行統籌考慮的綜合治理方案。鑒于此，本文提出了二道沙河及南海濕地生態治理的總體方案，以再生水資源循環利用為基礎，統籌實施河道及濕地生態治理工程，提升水體自凈能力，促進生態系統朝著健康、穩定的方向發展。

1 總體方案設計

河道生態治理及濕地修復與保護是一項復雜的綜合性工程。綜合國內外相關工程設計及實踐經驗，提出二道沙河及南海濕地生態治理方案設計技術路線（見圖1），并擬定水資源循環利用、二道沙河生態治理、南海濕地修復與保護3部分內容。

（1）水資源循環利用。將二道沙河流域范圍內現有工程再生水收集后通過調水系統輸送至二道沙河及南海濕地生態修復與保護區進行生態補水，再生水經河道及濕地進一步凈化后進入濕地東北側清水池，后經傳輸管線輸送至污水處理廠凈化后作為工業及生活雜用水。

（2）二道沙河生態治理。在滿足二道沙河防洪、排澇基本功能的前提下，通過擋（蓄）水建筑物結合微地形構建河道走廊濕地，并設置滯留塘、人工水草、人工物質遷移系統及生態凈化床，達到水質凈化及生態修復與保護的目的，并將河道走廊濕地出水作為南海濕地自然保護區的補水水源。

（3）南海濕地修復與保護。改造現存厭氧塘、接觸氧化塘為濕地生態補水的預處理設施，對再生水進行深度處理，出水作為南海濕地自然保護區的補水水源。根據濕地的具體情況，將多級多槽濕地和近自然濕地作為濕地生態修復區和生態保護區的主體。

方案總體平面布置見圖2。

2 水資源循環利用

當前，保證生態用水，維護生態系統平衡，實現人類-社會-經濟-環境可持續發展逐漸成為人們的共識[8]。為保障二道沙河及南海濕地的生態用水，同時提高包頭市再生水利用效率，參考區域水資源介循環利用模式[9]，將污水處理廠再生水引入人工調控的生態系統（如人工濕地、氧化塘、河湖景觀水系等），對其凈化和自然儲存后轉變為生態再生水，作為工業、生活和農業用水循環利用。

對南郊污水處理廠、包頭鋼鐵（集團）有限責任公司、神華包頭煤化工有限公司通過尾閭管線排放的約17.4萬m3/d再生水進行分配利用，其中6.0萬m3/d再生水通過調水泵房及管線輸送至二道沙河與包蘭鐵路交匯處作為河道生態補水，其余11.4萬m3/d再生水輸送至南海濕地作為濕地生態修復區的補水水源。北郊水質凈化廠排放的3.8萬m3/d再生水通過污水干管收集后引入二道沙河同官村上游約700 m處作為補水水源，該3.8萬m3/d再生水與前述6.0萬m3/d再生水經河道走廊濕地凈化后流至河道入黃口處，再經管道輸送至南海濕地作為濕地生態保護區的補水水源。濕地生態修復區和濕地生態保護區凈化后的水體均進入濕地東北側清水池存蓄，其中10萬m3/d通過傳輸管線輸送至二道沙河凈水廠，經磁混凝高效沉淀池凈化處理降低水體中SS（懸浮物）含量后，通過輸水泵房及管線輸送至城區作為工業及生活雜用水。二道沙河凈水廠位于二道沙河西岸、南黃線公路北側，廠內有調水泵房、輸水泵房、磁混凝高效沉淀池、綜合加藥間及附屬用房等構筑物，具有調水、取水、凈水等功能。水量調配設計方案見圖3。二道沙河及南海濕地各分區進出水水質主控指標見表1。二道沙河凈水廠磁混凝高效沉淀池進水懸浮物、總磷含量分別不大于50、5.0 mg/L，出水分別不大于10、0.5 mg/L。

工程設計的水資源循環利用方式保障了河道及濕地生態用水，并將通過工程措施得到的再生水轉變為“生態再生水”，提高再生水水質的同時提高公眾接受程度。該模式實現了生態用水和工業、生活用水的梯級利用，平衡了工業、生活用水與生態用水之間的矛盾[9]。

3 二道沙河生態治理

二道沙河生態治理工程北起包蘭鐵路南至入黃口，長約5.3 km，占地面積約48.5 hm2。工程在滿足二道沙河防洪、排澇基本功能前提下，通過調水保證河道生態需水，利用擋水堰及微地形構建10級河道走廊濕地，實現來水的滯蓄，延長來水在河道走廊濕地中的停留時間并滿足水生動植物生長所需水深，提升河道自凈能力，河道走廊濕地示意見圖4。濕地進水水質主要指標符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，出水水質主要指標符合《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）地表水Ⅴ類標準，濕地出水作為南海濕地生態保護區的補水水源。

通過工程技術手段在河道內修筑適宜水生植物生長的水下地形，并在河道內設置滯留塘、人工水草、人工物質遷移系統及生態凈化床，達到水質凈化及生態修復與保護的目的。河道走廊濕地全長約5.27 km，有效面積約18.64萬m2，起點至終點水位落差約10.15 m，設計水深0.58～0.64 m。走廊濕地設計處理水量9.8萬m3/d，水力停留時間27.4 h，水力負荷0.53 m3/（m2·d），COD去除負荷5.26 g/（m2·d），氨氮去除負荷1.58 g/（m2·d）。

走廊濕地設置人工水草19 500 m2，各排人工水草間距0.5 m，人工水草株距L≤100 mm，沿水流方向布置;設置人工物質遷移系統6 216 m2，厚度為0.5 m，主要由基質層及復合工程菌構成;設置生態凈化床10 618 m2，凈化床高0.5 m，由碎石、火山巖、鐵礦石等復合生態填料和復合工程菌構成。

4 南海濕地生態修復與保護

南海濕地生態修復與保護工程范圍是南海濕地引水渠以西、二道沙河以東的黃河灘地，位于包頭黃河國家濕地公園南海湖西側，屬于南海濕地自然保護區核心區，其中濕地修復區占地約101.44萬m2、濕地保護區占地約97.33萬m2。南海濕地生態修復與保護利用環境工程和生態工程等手段[10]修復、完善和健全濕地生態系統的結構和功能，增加濕地物種和生物多樣性，在此基礎上利用濕地的自然凈化功能以較低的成本實現對污水處理廠尾水和河道來水的凈化，從而削減進入黃河的污染物總量。工程包括濕地生態補水預處理、濕地生態修復及濕地生態保護三部分，見圖5。

4.1 生態補水預處理

包頭市南海濕地補水方式包括黃河凌汛水補水、降水補水以及徑流水補水[6]，但凌汛持續時間較短、地下水位較低、降水量不足，南海濕地缺水問題較為嚴重。水是濕地的生命線，南海濕地自然保護區的生存與維系依賴于水的滋潤和養育，所以生態恢復要圍繞“水”來進行，一是保證南海濕地具有一定的蓄水量，滿足其基本生態需水量要求;二是保證南海濕地不被污染，滿足其水生態功能要求。

為向濕地生態修復區及保護區進行生態補水并減少進入濕地的污染物總量，提高濕地水環境質量，改造現有的厭氧塘及接觸氧化塘[7]作為濕地生態補水的預處理設施，將11.4萬m3/d再生水引入其中，在好氧、厭氧微生物的共同作用下實現對來水的深度處理后，將其排入濕地生態修復區作為補水水源。針對現狀厭氧塘布水不均勻、死水區范圍較大、處理效果不佳等問題，采取建設布水渠、增設人工水草等措施改善處理效果。厭氧塘有效面積1.3萬m2，平均水深約2.8 m，設計處理水量11.4萬m3/d，水力停留時間7.7 h，表面水力負荷0.55 m3/（m2·d），COD去除負荷35.08 g/（m2·d），氨氮去除負荷7.0 g/（m2·d）。針對現狀接觸氧化塘溶解氧濃度差異大、微生物總量不足等問題，采取增設造流曝氣機、改造填料支架、增加組合填料等措施提高接觸氧化塘處理污水的能力。接觸氧化塘有效面積0.61萬m2，平均水深約3.2 m，設計處理水量11.4萬m3/d，水力停留時間4.1 h，表面水力負荷18.7 m3/（m2·d），COD去除負荷112.13 g/（m2·d），氨氮去除負荷41.11 g/（m2·d）。

4.2 濕地生態修復

濕地生態修復區設計補水量11.4萬m3/d。工程進水水質符合《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準，出水水質優于Ⅴ類標準，接近Ⅳ類標準。濕地生態修復區有效面積90.47萬m2，有效水深0.5～3.0 m，水力停留時間約11.6 h，表面水力負荷0.13 m3/（m2·d），COD去除負荷1.08 g/（m2·d），氨氮去除負荷0.06 g/（m2·d）。

濕地生態修復區依托包頭市黃河濕地生態修復工程建設的潛流濕地區、浮葉植物區、表面流濕地區、草濾帶及貯水區等進行設計。上述區域四周筑有土質圍堰，大部分區域為明水區，水深基本一致，生境異質性較低，導致水域生態系統結構與功能發生變化，特別是濕地生物群落多樣性降低，生態系統逐步退化。根據各類濕地的特點及適用條件，將處理效果好、修復效果穩定的多級多槽濕地作為主體。多級多槽濕地是在常規表面流濕地基礎上改良的高效人工濕地，具有處理效果好、冬季運行穩定、抗沖擊負荷能力強等特點。從平面布局來看，多級多槽濕地的“多級”指濕地由多個濕地子槽串聯而成，每一級為一個子槽單元;“多槽”指每一個子槽單元內交替設置淺槽（挺水植物槽及沉水植物槽）和深塘（配水區和凈化塘）。多級多槽濕地的子槽由水深、溶解氧含量、邊坡、基底形式、植物種類與密度各異的配水區，以及挺水植物槽、沉水植物槽、凈化塘等構成，其平面布局和內部構造見圖6、圖7。

4.3 濕地生態保護

濕地生態保護區補水水源為二道沙河走廊濕地出水，設計水量為9.8萬m3/d。工程進水水質符合《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準，出水水質優于Ⅴ類標準，接近Ⅳ類標準。濕地生態保護工程有效面積75.75萬m2，有效水深1.00～1.25 m，水力停留時間約8.5 h，表面水力負荷0.13 m3/（m2·d），COD去除負荷1.11 g/（m2·d），氨氮去除負荷0.06 g/（m2·d）。濕地生態保護區位于濕地生態修復區南側，該區域為二道沙河蜿蜒進入黃河的流經區，該段二道沙河主河槽未進行清淤疏浚，存在污水漫流現象，主河槽周邊一定范圍內存在生態破壞現象，但其他大部分區域生態破壞并不嚴重，喬、灌、草植被保存較好。

該區域受人為干擾較小，大部分區域生態破壞現象并不嚴重。根據各類濕地的特點及適用條件，采用對環境人工干預及影響較小的近自然濕地處理受污染河水。近自然濕地是根據生態學原理，結合流域地形地貌、水文和植被情況，模仿自然濕地的一種可持續的、保護生物多樣性的生態工程技術[11]。濕地生態保護區以近自然濕地技術為核心工藝，采用“形態重塑—流量維持—水質改善—群落構建”的生態保護策略，對該區域進行水系梳理，重塑自然濕地地形地貌，打造大小不一的生態島鏈淺水濕地，為生物棲息地的形成和生物多樣性的恢復創造有利條件。

5 結 語

二道沙河及南海濕地生態治理采用了環境工程與生態工程相結合的技術方法，在對再生水進行循環利用的基礎上，選擇河道走廊濕地對二道沙河進行生態治理，利用多級多槽濕地和近自然濕地對南海濕地開展生態修復與保護，從而營造良好的河道及濕地生態系統，有效保障區域生態安全，保護生物多樣性，提高區域生態系統穩定性，削減包頭市經由二道沙河及南海濕地進入黃河的污染物總量，并通過對再生水資源的合理配置促進包頭經濟社會的可持續發展。項目建成后可以大幅削減黃河包頭段的污染負荷，預計可削減入黃污染物COD約1 439.27 t/a、氨氮約270.83 t/a，對保護黃河水環境安全具有重要意義。

對河道或濕地進行生態補水既可以實現對其的生態修復與保護，也可以實現工程再生水向生態再生水的轉化，提高公眾接受程度，平衡工業、生活用水與生態用水之間的矛盾，是當今水環境綜合治理的重要方法，但需要特別注意的是對河道或濕地進行生態補水后，需采取人工調控措施使其具備進一步凈化水質的功能。

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【責任編輯 呂艷梅】