小型河流水生態環境修復技術研究與實踐

張鳳英

（河北省水利工程局集團有限公司，石家莊 050000）

1 問題的提出

河北省中部地區， 特別是太行山東麓與平原交界區域的滏陽河、唐河及界河、府河、漕河、瀑河的上游區域支流分散，小型河流密布，各河匯流面積非常有限， 自然狀態下， 天然徑流難以維持河道全年有水， 大多呈現為季節性河流。 除非承接城鎮排水任務，才能勉強維持，但部分河流水質差、水生態環境堪憂，順平縣七節河就是其中之一。七節河上游入流很少，主要承接縣城污水處理廠尾水，入流污水污物及河道多年沉積污泥，再加上兩岸污物作用，河道下游出境所設監測斷面，每年水質均不達標。小型河流的水生態環境問題， 直接關系當地群眾的生活品質與質量， 改善小型河流水生態環境是當地目前發展的重要任務之一。為此，小型河流水生態環境修復技術，成為水利和環保工作人員關注的重要課題。

2 小型河流水生態環境問題和特征

河北省中部區域兩河上游小型河流眾多， 水流分散，大多處于洼地上游。順平縣七節河特點是匯水面積小、基流少，呈現季節性河流特征，承擔周邊城鎮排水任務，水質相對較差，易于淤積，河岸不規則，環境狀況不理想，水生態難以持續。 其特點如下：

2.1 水源匱乏、補給量少

發源于太行山東麓迎風坡的各條支流， 大多源短流急，坡度大。 罕見的洪水年份，汛期水流陡漲陡降；多數干旱年份，水源匱乏。 究其原因是由自然氣候、地形條件所決定。 該區屬于半干旱半濕潤地區，年均降雨量僅550mm， 并且70%～80%分布在6—9月份，非汛期均為干旱季，季節性特征十分明顯。 小型河流匯水面積小， 由降雨產生的水資源量本身就非常有限；再加上河流沒有發育至背風坡的地形條件，河道基流很少，地下水與地表水之間的轉換關系，很少出現地下水補給河流的現象。補給量少，是河流生態環境不能持續良好的短板。

2.2 承擔城鎮排水任務

小型河流作為周邊城鎮排水河道的情況較普遍。 一方面，能夠承接排水任務的河道，可以增加部分水源，不至于經常干涸裸露河床，使之維持河流最基本的流動狀態；另一方面，補給水源的質量往往堪憂，特別是城鎮廢污水，可能會威脅河流生態環境。目前承接城鎮廢污水排放任務的河流是開展水生態環境治理所關注的主要因素。

2.3 無控下泄、淤積嚴重

由于河流發源于山區迎風坡，河長自然很短，縱坡相對較陡，不通過閘、壩控制，一般形不成水面；即便有城鎮排水水源補給， 干旱季節也很難形成常年水面， 只有低洼區域存留部分河水形成散落分布的局部水面，水生態狀況不佳；補給水源往往攜帶部分污染物，形成河道淤積，部分河段甚至堵塞。

2.4 岸坡失控、垃圾入河

小型河流周邊凡有村莊， 時有河岸堆積生活垃圾， 不僅嚴重影響河道景觀， 還有部分垃圾進入河道，是嚴重的河道污染源。 未經治理的河道，河道不規則，岸坡坍塌、雜草叢生，環境狀況不理想，水生態難以持續。

3 小型河流水生態環境修復技術研究

水生態環境修復技術，就是針對以上問題，結合河流的具體特征， 優化布置各類設施， 有效降解污物、控制水流、維持水面、增強景觀，構成整體修復方案，自上而下逐級運作，綜合發揮作用，實現水質達標、景色優美、保持生態良性循環的效果。

3.1 修復技術及設施布置原則

小型河流水生態修復需要控制污染源、 降解河水污染物、 維持河道水面、 改善岸坡景觀等各類措施。 各類設施配置比例、布置方位、建設規模及運用方式的確定，是修復技術所要解決的核心問題，水生態環境修復效果是衡量修復技術的標準。為此，小型河流水生態環境修復對各類設施的采納， 以及各類設施在河道不同位置的分配布局，宜遵循如下原則：

3.1.1 治理與修復緊密結合原則

小型河流的防洪標準大多不高， 普遍存在河道治理缺失現象。 水生態環境修復最好能與河道治理結合實施，嚴格避免各行其是。

3.1.2 保持河道基本功能原則

在確保河道防洪、供水等基本功能的前提下，布置具有維持水生態環境功能、促進水質凈化、改善河流景觀的各類工程設施。

3.1.3 注重實用性和經濟性原則

緊密結合周邊區域地形地貌、 水源條件及群眾發展需求，注重與河道沿線的整體風貌相協調，以自然修復為主、人工修復為輔，采納實用性強、經濟性相對較優的修復措施。

3.1.4 具備科學性和適應性原則

面對河流水量、水深、流速及河道斷面形態、地質等眾多影響因素，需綜合分析，歸納提煉，慎重選用，保障總體布局的科學合理性，并適應河道不同特征，創建健康的河道生境條件。

3.1.5 突出河道自然屬性原則

充分借助河流自凈和生態自我修復能力， 嚴格控制入流污染物和岸坡固態污染物入河， 為河道提供自然屬性環境，促進河道生態系統健康良性發展。

3.2 水生態環境修復核心技術設施

河流水生態環境修復，必須建設部分設施，使之實現控制水流、降解污染物、增強景觀效果等。 在此基礎上， 還要針對集體情況實施部分工程措施，例如，對已經淤積嚴重的河道，實施清淤疏浚措施。 效果相對突出的設施及其功能如下：

3.2.1 穩定塘

穩定塘又稱氧化塘， 是一種天然的或經過人工修整的有機廢水處理池塘。 河道周邊如果具備一些廢舊坑塘或具有相對寬闊的河道， 可以利用荒廢的河道、河灘或河槽來建設穩定塘。

穩定塘是以太陽能為初始能量通過塘中種植水生植物形成人工生態系統， 在日光輻射提供的初始能量推動下， 通過穩定塘中的多條食物鏈的物質轉移、轉化和能量的逐級傳遞、轉化，將進入塘水中的有機污染物進行降解和轉化。

穩定塘的設計規模，即面積的大小，按所需處理負荷確定，面積規模與入流水量、入出水污染物濃度的關系，按下式計算：

式中 NA為污染物面積負荷［g/（m2·d）］；Q為穩定塘污水設計處理流量（m3/d）；S0為進水污染物濃度（g/m3）；S1為出水污染物濃度（g/m3）；A為穩定塘表面積（m2）。

穩定塘在河流水生態環境修復項目中， 布置的位置、規模大小、數量等，需緊密與河流自然地形來布置，還要重點考慮河流對穩定塘出水水質的要求。

3.2.2 人工濕地

人工濕地是人工建造和控制運行的地面， 與自然濕地相類似。人工濕地是綜合生態系統，應用生態系統中物種共生、 物質循環再生原理， 增加水體活性。濕地植物能為水體輸送氧氣，對降解有害物質具有重要作用。

人工濕地的生態修復原理與功能： 通過控制性工程，將低質水流導向人工濕地，水流沿一定方向流動的過程中，主要利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用，對低質水流中的污物進行降解處理， 同時結合生物的物質循環和能量流動體系，構建生物循環體系，完善食物鏈，塑造水生態系統，實現水生態系統的穩定，提高水系的自我修復、自我凈化能力。

人工濕地可分為表流濕地和潛流濕地， 選址要因地制宜，利用河道原有濕地坑塘，連通水系，盡可能避免另外征用土地。 人工濕地的設置需根據來水水質及出水水質要求確定濕地系統的土地面積、設計水力負荷與系統可接受的污染負荷、 土壤滲透率等因素。設計方法主要利用濕地水文學理論，由水量平衡確定處理系統的水力負荷、 停留時間等水力參數，計算所需土地面積和污染物負荷量，同時結合經驗數據進行濕地水力計算。 水力停留時間t、表面有機負荷qos表面水力負荷qs采用規范相關公式計算，之后進一步推求所需濕地面積。

3.2.3 生物措施

為了實現穩定塘或人工濕地對污染物降解的效果，無論是穩定塘還是人工濕地，都要配合栽培相應的水生植物，采取不同的生物措施。 不同水深區域，栽培不同品種，如：常用的挺水植物有蘆葦、香蒲、荷花、菖蒲、菱白、黃菖蒲、燈心草、水蔥、鳶尾、慈姑、千屈菜、風車草等；常用的浮水植物有睡蓮、浮萍、菱等；沉水植物常用狐尾藻、金魚藻、苦草等。

3.3 水生態環境修復技術附屬設施

穩定塘和人工濕地措施是河流水生態環境修復技術的核心內容，為使核心技術措施收到實效，必須同時配合實施附屬措施。 最為典型的附屬設施就是水流控導設施，保證穩定塘、人工濕地保持要求的水深。 另外，還有護岸工程和清淤疏浚工程，其作用和功能各不相同，配合使用，可以收到良好效果。

3.3.1 控水設施

穩定塘和人工濕地都需要對進水和退水水流加以控制，特別是退水水流，不加控制自然下泄，難以實現要求的停留時間和穩定塘人工濕地的持水深度，污染物降解程度受到影響，也容易出現現實生活中的河槽河灘干涸現象；控制水流下泄，是保證河道維持水面景觀的有效措施。

控水設施除了穩定塘、 人工濕地的周邊堤埝以外，最主要的是河槽河灘截流設施，即在深水河槽和灘地修建擋水工程，抑制河水快速下泄，保持河道水面，維持灘槽所要求的水深。

控水設施包括水壩，如橡膠壩、堆石壩、滾水壩等；水閘，如平板節制閘、翻板閘、疊梁閘等。 可以根據地形地貌等自然條件，結合防洪排澇功能，具體選擇不同類型。

3.3.2 護岸與清淤

護岸與清淤是水生態環境修復工作中不可或缺的措施。河流從村鎮附近流過，往往出現垃圾堆放現象，汛期難免有部分垃圾沖入河道，污染河流；還有河岸坍塌也時有發生。承接鄉鎮廢污水的河道，多數存在淤積現象，淤積底泥污染物組成復雜，遇汛期來水，沖泛底泥二次污染河水。 針對以上現象，在實施水生態環境修復工程之前， 應首先實施清淤和護岸工程，使現存河底污染物得到清除，岸上污染源得到清理和有效控制。

河道清淤要針對底泥污染物的有機或無機性質含量，決定其再利用方向或堆放掩埋處置等。岸坡保護需針對其陡緩程度，采取不同措施。陡坡以硬質材料護砌，確保岸坡穩定；緩坡實施種草植樹等生物措施。 局部可以增加部分親水平臺， 增強河道景觀色彩，為群眾親水提供條件。

綜上所述，水生態環境修復技術，就是將以上不同設施沿河進行布置，自上而下，一級接一級、一環套一環，出入有序，逐級降解河水污染物，改良水質，增強河流生態功能。以河流自然形態、入流水質為約束邊界條件，以出流水質要求為目標，關鍵確定不同設施的數量、 沿河布置結構和各類設施規模及各類設施之間的銜接方式。

4 七節河水生態環境修復實踐

界河支流七節河發源于順平縣甘城村西，河長10.4km，其中山區河長僅2.9km，縱坡24.6%；平原區河道長7.5km， 河道縱坡1∶1000。 七節河流域面積56km2，一般年份山區來水很少，主要承接縣城處理規模4萬m3/d的清源污水處理廠尾水。該廠主要收集順平縣城區生活污水及部分工業廢水， 經處理后，尾水排放COD濃度≤30mg/L， 氨氮濃度≤1.5mg/L，總磷濃度≤0.3mg/L，BOD濃度≤6mg/L。七節河除了污水廠尾水，還存在內外兩種污染源。 外源污染，包括兩岸垃圾、雨季溢流、沿線居民生活污水直排、企業污水偷排、農田污染等；內源污染主要是底泥返溶影響，底泥稍有攪動，返溶于水體，持續污染。 據河道下游出口斷面子城村2019年、2020年實地采樣檢測， 每年除了2—3月的部分時段水質基本達標，其余時間都達不到IV類水標準。

為此，決定對七節河實施水生態環境修復治理。

本次對七節河水生態環境修復治理提出的目標是：確保七節河全年出境（順平—滿城）水質COD、氨氮、總磷穩定達到IV類水質標準，并持續改善七節河的水生態環境，提升河道水質。

七節河水生態環境修復治理， 在實施河道全線清淤外運底泥、 局部護坡、 兩岸生物措施植草前提下，結合河道特征，在中下游，自上而下逐級設置穩定塘、人工濕地，并配合植物栽培生物措施。 具體布置如下：

從污水處理廠尾水入河處，到下游縣界，河道長度約8.6km，河寬10～120m。 首先，河道存在一段寬闊地形，利用該寬闊段，設置1處穩定塘，位于河道K4+159～K4+375段，占用河長114m，可以形成水面面積1.07萬m2。 其次，在穩定塘下游，距離1km設置2處人工濕地， 其中1處表流濕地， 位于河道K5+525～K7+253段，占用河道灘地長度1728m，面積7.14萬m2；另1處潛流濕地， 位于河道K7+523～K7+976段的南側灘地，占用河長453m，潛流濕地面積3.2萬m2。

為使穩定塘和人工濕地具備所需要水深， 并形成河流水面景觀，在潛流濕地上游，增建了水流節制閘工程。考慮生態修復與河道排澇功能的結合，在多種閘壩種類中，推薦采用了翻板閘，枯水期立閘板擋水，汛期翻板排澇。

七節河水生態環境修復技術的應用， 以植物栽培方式增強河道自然屬性，促進河道自然修復能力，在此基礎上，形成了由穩定塘、表流濕地和潛流濕地共同組成的人工修復系統， 人工設施占河道總長的25%左右。 帶有水生植物的河道長度占70%以上，在翻板閘節制作用下，保持河道常年水面10.23萬m2。污水處理廠尾水進入河道后，流入穩定塘，經天然河道連接繼續進入人工濕地二次降解， 最終進入潛流濕地，滲出水流出縣境。 這樣，依次經過多次自然降解和人工降解水中污物，達到改善水質的目的。

5 結語

通過理論測算， 以上項目實施的綜合效果達到了預期，即排入下游洼地的污染物進一步減少，實現COD年削減量156.9t，氨氮年削減量9.48t、總磷年削減量1.51t。 該項目已于2021年秋建設完成，至今，下游出境監測斷面數據顯示，水質各類指標正常，均已達到預期要求；水生態環境修復實際效果初見成效，未來結果有待繼續監測。