西咸新區(qū)沙河濕地試驗段水生態(tài)修復(fù)技術(shù)

劉元元

（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引言

西咸新區(qū)作為首個以創(chuàng)新城市發(fā)展方式為主題的國家級新區(qū)，且處于“一帶一路”國際交流合作的重要區(qū)位，是當(dāng)前發(fā)展工作任務(wù)中的重中之重。為將西咸新區(qū)打造成大西北地區(qū)一張靚麗的名片，必須清醒認(rèn)識保護(hù)生態(tài)環(huán)境、治理生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的緊迫性和艱巨性，清醒認(rèn)識加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)的重要性和必要性。沙河濕地水生態(tài)修復(fù)工程必須樹立十九大提出的“綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策”及省生態(tài)環(huán)保大會精神，全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，為人民創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境，為地區(qū)營造良好的發(fā)展環(huán)境，為國家生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)。文章以多方位生態(tài)修復(fù)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過技術(shù)集成對沙河片區(qū)先期試驗段水生態(tài)進(jìn)行修復(fù)，力爭做到“長治久清”的效果。

2 項目概況

2.1 基本信息

沙河濕地水生態(tài)修復(fù)項目位于西咸新區(qū)國際文化教育園內(nèi)，南起灃河108國道大橋下游約50 m處，北至灃渭大道，由東南向西北呈帶狀分布，總長約7 km，總水域面積51萬m2。此次僅對沙河中游試驗段水生態(tài)進(jìn)行修復(fù)，河道長1 km，水域面積4.77萬m2，平均水深1 m，總水量4.77萬m3，如圖1所示。

圖1 項目區(qū)域位置示意圖

2.2 生物影響因素分析

項目補(bǔ)水水源于東側(cè)的灃河，補(bǔ)水流量為0.50 m3/s，該河道屬于渭河水系西咸片區(qū)支流。根據(jù)陜西省生態(tài)環(huán)境廳發(fā)布的灃河月度水質(zhì)監(jiān)測資料，其河道水質(zhì)整體在地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，且主要表現(xiàn)為枯水期時氮、磷含量較其他季節(jié)高。現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)學(xué)術(shù)研究表明，灃河存在少量鳳眼蓮及浮萍，但未形成典型的種群，不存在水生植物入侵風(fēng)險；河道魚類群落主要以草食性為主的鯽魚、鯉魚種類為主，要重點(diǎn)控制鯉科魚類入侵；底棲動物以橢圓蘿卜螺、卵蘿卜螺、半球多脈扁螺等軟體動物為主，對生態(tài)系統(tǒng)的直接牧食破壞影響較大，因此需要重點(diǎn)控制。

2.3 污染源分析

試驗段屬于沙河濕地水系的一部分，此次污染物分析將從整個濕地公園層面考慮。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，沙河濕地片區(qū)主要污染源類型主要包括補(bǔ)水污染、地表徑流污染及大氣沉降污染。

補(bǔ)水污染計算公式：

式中：W—補(bǔ)水污染總量，kg/a；Q—年補(bǔ)水量，m3；Cs—補(bǔ)水平均水質(zhì)，mg/L；C0—目標(biāo)水質(zhì)，mg/L。項目補(bǔ)水主要從灃河取水，補(bǔ)水流量為0.50 m3/s；年均補(bǔ)水水質(zhì)指標(biāo)：氨氮0.51 mg/L，總磷0.08 mg/L；水質(zhì)目標(biāo)為地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

流域徑流計算公式：

式中：Q—年徑流量，m3/s；S—集水面積，m2；C—雨量徑流系數(shù)，P—降雨量，mm。由于項目內(nèi)土地多為綠地和居住用地，雨量徑流系數(shù)取0.40；參考西安市徑流污染研究可知，主要污染物綜合排放分別為氨氮6.21 mg/L，總磷0.64 mg/L；根據(jù)國家氣象局相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，西安市多年平均降雨量為719 mm；項目范圍徑流總面積約518萬m2。

大氣沉降污染計算公式：

式中：W—大氣沉降污染總量，kg/a；P—降雨量，mm；S—河道水域面積，m2；K—污染沉降系數(shù)。根據(jù)西安市大氣直接沉降相關(guān)研究，氨氮4.50 mg/L，總磷0.17 mg/L；項目范圍內(nèi)總水域面積51萬m2。

綜上可知，沙河流域補(bǔ)水、地表徑流及大氣沉降物總量為氨氮10 901.56 mg；總磷1 015.78 mg，見表1。

表1 沙河流域污染物匯總表

3 水生態(tài)修復(fù)技術(shù)

3.1 技術(shù)適宜性分析

對于常規(guī)地表水治理，主要包括純生態(tài)、引水換水和人工凈化系統(tǒng)三種技術(shù)體系。由于沙河主要補(bǔ)水水源為灃河，受整體水量受限，其試驗段的水環(huán)境治理無法采用引水換水技術(shù)體系。為了保障沙河試驗段的水體景觀效果及低運(yùn)維成本，單獨(dú)采用人工凈化治理技術(shù)措施不太合適。借助“多方位生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系”，適合此項目的水生態(tài)修復(fù)技術(shù)包括“純生態(tài)”和“水生態(tài)+人工凈化”兩種治理體系，其優(yōu)缺點(diǎn)詳見表2。

表2 沙河濕地試驗段水生態(tài)修復(fù)技術(shù)對比表

通過上述水生態(tài)修復(fù)技術(shù)對比，并結(jié)合沙河濕地試驗段現(xiàn)狀基本特征，采用“水生態(tài)系統(tǒng)為主，人工凈化系統(tǒng)為輔”的多方位生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系對其水環(huán)境進(jìn)行綜合治理。

3.2 技術(shù)必要性分析

3.2.1 環(huán)境承載能力分析

河道整體水生態(tài)系統(tǒng)承載能力有限，無法單純通過生態(tài)系統(tǒng)凈化外源性污染物，需要輔助性的凈化措施。

水生態(tài)系統(tǒng)凈化能力主要依靠動植物的同化吸收及微生物的降解，其凈化能力與沉水植物的蓋度具有較強(qiáng)的相關(guān)性。根據(jù)沉水植物恢復(fù)的環(huán)境效應(yīng)研究，水生態(tài)系統(tǒng)的凈化效率數(shù)學(xué)模型如下：

式中：C—沉水植物構(gòu)建蓋度；A—削減的氮、磷污染負(fù)荷；ρ—系統(tǒng)變化系數(shù)，為增加本系統(tǒng)穩(wěn)定性，此次設(shè)計系數(shù)取值1.20；G—每平米沉水植物增重（2.50～4.50 kg）；K—以沉水植物生物量為表征，每克沉水植物鮮重綜合凈化氮、磷效率，氮效率10.00 mg/（g·a），磷效率0.90 mg/（g·a）；S—常水位下水域面積。

由于受水深限制，根據(jù)項目水域基本情況，水生態(tài)系統(tǒng)初步設(shè)計面積約為17萬m2，通過上述數(shù)學(xué)模型可計算出生態(tài)系統(tǒng)凈化能力，見表3。

水生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境承載能力相對有限，在受到超過其環(huán)境閾值的干擾情況下（如暴雨）易發(fā)生退化，從而導(dǎo)致整體生態(tài)凈化能力消弱，易造成水質(zhì)惡化等問題。由表3可知，單純構(gòu)建水生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境容量無法消減全部外源性污染物，多余污染物需借助人工輔助措施進(jìn)行消減，才能保證河道水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。對于沙河濕地試驗段而言，其本身能構(gòu)建的水生態(tài)面積比整體工程水域面積少的多；在項目啟動初期需要承受流域內(nèi)所有外源性污染，顯然超過其環(huán)境容量，將導(dǎo)致區(qū)域水質(zhì)急劇惡化。因此，為了保障試驗段水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，人工輔助凈化措施顯得尤為必要。

3.2.2 季節(jié)性影響

河道水生態(tài)系統(tǒng)存在典型的季節(jié)性，水環(huán)境容量自身無法滿足凈化外源性污染物的基礎(chǔ)上，加劇了水質(zhì)惡化的風(fēng)險，輔助凈化措施尤為重要。

沙河濕地整體水環(huán)境容量有限，無法充分消減外源性污染物；加之生態(tài)系統(tǒng)各級營養(yǎng)級具有典型的季節(jié)性：整個系統(tǒng)凈化效率表現(xiàn)為夏高冬低的特征，尤其在冬季，生態(tài)系統(tǒng)凈化能力顯著降低，無法滿足水環(huán)境凈化需求。沙河濕地試驗段項目地處西安，冬季較長且氣溫低，故水生態(tài)系統(tǒng)的局限性會更加明顯，因此人工輔助凈化措施是必要的。

3.2.3 河道水動力影響

補(bǔ)水河道水量呈現(xiàn)典型的季節(jié)性，導(dǎo)致河道水動力不足，富營養(yǎng)化風(fēng)險高，需要人工輔助措施保障水動力，降低水華及黑臭風(fēng)險。

目前沙河濕地試驗段周邊污染負(fù)荷較大，長期徑流沉降后逐級累計，導(dǎo)致水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化等問題；由于水源水量的典型季節(jié)性，冬季可能出現(xiàn)無水補(bǔ)給的情況，極易造成沙河水力滯留時間過長，導(dǎo)致水動力不足引起水體缺氧發(fā)臭及水華現(xiàn)象。因此，增加人工凈化系統(tǒng)不僅可有效凈化沙河濕地水體水質(zhì)，同時可使沙河的水體循環(huán)流動，增強(qiáng)水動力，提高水體的自凈能力。

綜上所述，生態(tài)系統(tǒng)和人工凈化系統(tǒng)相結(jié)合的多方位生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系適宜沙河濕地試驗段水生態(tài)修復(fù)。

4 水生態(tài)修復(fù)技術(shù)治理方案

4.1 水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

沙河濕地試驗段水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建主要包括土壤基底改良、沉水植物群落構(gòu)建、魚類群落構(gòu)建、底棲動物群落構(gòu)建及浮游動物群落構(gòu)建等。

土壤基底改良工程包含土壤翻整、土壤滅菌消毒、土質(zhì)改良、微量元素調(diào)整等，以達(dá)到沉水植物構(gòu)建要求，土壤基底改良在全河道范圍內(nèi)實施，總實施面積4.77萬m2。

沉水植物群落是水域生態(tài)系統(tǒng)中重要的初級生產(chǎn)者，可直接吸收水體營養(yǎng)物（氮、磷等），進(jìn)而凈化水質(zhì)；可固定沉積物，減少再懸浮，降低河道內(nèi)源負(fù)荷；為水生動物群落、清水型微生物功能菌群提供生活、繁殖、覓食和躲避天敵的場所，從而增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)對浮游植物的控制和系統(tǒng)的自凈能力；可為降解微生物提供良好的棲息場所，有利于微生物的生存；沉水植物龐大的根系為細(xì)菌提供了多樣性的生境，為微生物的好氧呼吸提供有利條件，進(jìn)一步增加水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈長度和復(fù)雜性，從而形成穩(wěn)定、平衡的生態(tài)系統(tǒng)。項目在河道水深超過0.30 m的水域范圍內(nèi)構(gòu)建4.50萬m2的沉水植物群落，主要植物品種為矮型苦草、密刺苦草和輪葉黑藻。

水生動物調(diào)控群落采用生物操縱技術(shù)，通過改變捕食者的種類組成來操縱浮游動物群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)濾食效率高的大型浮游動物種群的發(fā)展，進(jìn)而改善水質(zhì)。通過水體中上層魚類對藻類的攝食及水生植物對營養(yǎng)物的吸收、水生動物對營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移及富集達(dá)到凈化水質(zhì)目的。項目全水域構(gòu)建魚類群落，通過烏鱧、黃顙魚捕食入侵的鯽魚、鯉魚等種群；青魚捕食控制橢圓蘿卜螺、卵蘿卜螺、半球多脈扁螺等軟體動物。

底棲動物群落通過攝食附著藻類、有機(jī)碎屑等來控制內(nèi)源污染，根據(jù)其攝食習(xí)性選擇螺、貝類作為群落調(diào)控主要種類。本項目選取的底棲動物品種包括梨形環(huán)棱螺、黃蜆、無齒蚌，全水域投放。

浮游動物群落通過攝食藍(lán)綠藻、水體細(xì)微腐屑物等，提高水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建效率，完善食物鏈，實現(xiàn)水質(zhì)凈化和富營養(yǎng)物質(zhì)資源化。該項目選取枝角類濾食性浮游動物為主要品種，全水域投放。

4.2 人工凈化系統(tǒng)構(gòu)建

人工凈化系統(tǒng)采用目前比較流行的超微凈化水處理工藝，它是一種大面積的氣、液相界面技術(shù)，通過采用超高壓氣水混合方法，在超飽和狀態(tài)下產(chǎn)生大量微米、亞微米級氧氣泡，可有效氧化有機(jī)物、去除氮磷、重金屬、粘附膠體及藻類、增加含氧量等作用，可大幅提高水體能見度，是適應(yīng)河道水體凈化的高效水處理工藝。通過超微凈化系統(tǒng)，有效控制突發(fā)污染或暴雨等突發(fā)事件時水質(zhì)急劇惡化，保障水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

項目依據(jù)河道水量及藻類爆發(fā)時間（一般為七至十天）等因素，選取一套處理量為300 m3/h的超微凈化水處理設(shè)備，置于地下機(jī)房內(nèi)，不影響地表景觀效果。此外，通過構(gòu)建最佳水力循環(huán)管網(wǎng)模式，促使沙河濕地水體水動力活水循環(huán)，起到水域無死角凈化水質(zhì)的作用。

5 結(jié)論

通過對沙河濕地植物、魚類及底棲動物入侵等生物影響因素和補(bǔ)水、地表徑流及大氣沉降等污染源進(jìn)行本底分析，提出合理的水生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系。從技術(shù)適宜性和必要性兩方面闡述“水生態(tài)系統(tǒng)和超微凈化系統(tǒng)”相結(jié)合的多方位生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系可有效保障河道水質(zhì)穩(wěn)定性和長效性。下一步將構(gòu)建沙河濕地智慧水務(wù)系統(tǒng)，對其水文、水質(zhì)、補(bǔ)水設(shè)施、水處理設(shè)施等進(jìn)行實時監(jiān)測，確保水生態(tài)系統(tǒng)順利實施。