人工濕地群在北方河道治理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

付 震，韓 丹，侯夢(mèng)琪

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.博天環(huán)境集團(tuán)華北設(shè)計(jì)中心，天津 300220）

當(dāng)前，我國(guó)河道治理理念在逐步轉(zhuǎn)變，從單純滿(mǎn)足防洪排澇基本功能向充分重視水質(zhì)、水量、水生態(tài)三位一體轉(zhuǎn)變。21 世紀(jì)前20 a 北方地區(qū)海河流域的河流水質(zhì)整體上經(jīng)歷了由差到良的轉(zhuǎn)變過(guò)程，河道治理的技術(shù)方案也在不斷更新，一些尊重自然、經(jīng)濟(jì)可行、便于維護(hù)的技術(shù)方案得到廣泛運(yùn)用。筆者以國(guó)內(nèi)較早（2010—2012 年）實(shí)施的引灤黎河生態(tài)治理工程為例，介紹黎河人工濕地群系統(tǒng)的構(gòu)筑理念及方案，探求在北方地區(qū)流域尺度下利用人工濕地群處理面源及高懸浮物水體的方法，介紹實(shí)際工程處理效果，為河道水環(huán)境治理尋求更系統(tǒng)更生態(tài)更有效的新途徑。

1 背景

人工濕地在我國(guó)起步于20世紀(jì)80年代初，20世紀(jì)80 年代末至20世紀(jì)90年代在天津、深圳、成都等地先后建立，主要用于城市污水再處理。21 世紀(jì)前10 a，特別是2008年北京奧運(yùn)會(huì)前后，我國(guó)北方相繼建立了一批以處理湖泊、河流等地表水為主的人工濕地。引灤黎河人工濕地群自2008 年起開(kāi)展前期科研工作，2011年開(kāi)工，2013年完工，是我國(guó)北方地區(qū)較早實(shí)施的以濕地技術(shù)治理河流的系統(tǒng)性工程。

黎河位于海河流域、燕山南麓、河北省遵化市境內(nèi)，是引灤入津工程的重要輸水河道，原為天然河道，以行洪、排澇為主。1983 年建成的引灤入津工程對(duì)部分河段進(jìn)行了人工改造，改造后河道功能以輸水為主，兼顧行洪排澇。黎河發(fā)源于河北省遷西縣與遵化市交界處的山區(qū)，由東北流向西南，在冀津省界與沙河匯合，流向于橋水庫(kù)。河道全長(zhǎng)76 km，有大小支流23 條。輸水借用河道57.6 km，主要位于中下游。黎河流域位于“三山兩川”之間，地面坡降較大，上游多為丘陵山地，植被狀況較好。泥沙來(lái)源以采礦、選礦的尾礦砂為主，懸浮物含量較一般天然河流偏高。

黎河作為引灤入津的必經(jīng)線(xiàn)路，承擔(dān)著將灤河水輸送至天津市區(qū)的重要功能。輸水工程建成于南水北調(diào)中線(xiàn)工程通水以前，彼時(shí)引灤水主要用于補(bǔ)充天津市中心城區(qū)生活生產(chǎn)用水，從水量和水質(zhì)角度同時(shí)提高黎河輸水的保證率，是城市發(fā)展的重中之重。

2 存在問(wèn)題及治理方案

2.1 存在問(wèn)題

與海河流域的發(fā)展?fàn)顩r一致，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在21 世紀(jì)初引灤入津工程也逐漸受到了水質(zhì)污染威脅。黎河作為引灤輸水河道，由于受到河道兩岸以及流域的點(diǎn)、面源，特別是采礦污染等影響，水質(zhì)日趨惡化，嚴(yán)重危害引灤輸水的安全。黎河的污染特點(diǎn)可歸納為：點(diǎn)面源污染共存，從源頭危害引調(diào)水水質(zhì)；支流污染高于干流，上中游污染高于下游；輸水和行洪交替進(jìn)行，輸水期存在高污染水頭現(xiàn)象；河道及流域?qū)俨煌姓芾?，流域污染總體治理難度大。

黎河流域范圍內(nèi)城鎮(zhèn)、工業(yè)企業(yè)、農(nóng)業(yè)、采礦業(yè)共存，在未治理以前，農(nóng)業(yè)面源污染和選礦污水均就近排入黎河的支流。黎河干流兩岸范圍內(nèi)村莊、工業(yè)企業(yè)眾多，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平限制，并未建立完善的污水收集管網(wǎng)和處理系統(tǒng)。常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，氮磷和懸浮物是黎河水體的主要污染物，從上游至下游在各個(gè)時(shí)期各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的濃度均存在超標(biāo)現(xiàn)象。各污染物沿程趨勢(shì)歸納后顯示，黎河水質(zhì)污染物濃度從輸水河段起點(diǎn)到終點(diǎn)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，大多污染物濃度特別是懸浮物，在中游的東灘橋或前毛莊監(jiān)測(cè)斷面達(dá)到最高。這表明那一時(shí)期，輸水河道的沿程水質(zhì)受到了污染，污染輸入主要發(fā)生在河道的上游和中游，從而在源頭水體惡化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加劇了輸水水質(zhì)的惡化。

通過(guò)1983—2011 年黎河下游于橋水庫(kù)入庫(kù)水量、水質(zhì)數(shù)據(jù)分析可知，通過(guò)黎河實(shí)施的引灤輸水存在高污染負(fù)荷水頭現(xiàn)象。在輸水開(kāi)始段，各污染物存在著明顯的高污染負(fù)荷區(qū)域，如總氮（TN）為前24 h、總磷（TP）為前36 h，隨后輸水水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定。高污染水頭的總磷最大濃度達(dá)1.17 mg/L，平均濃度達(dá)0.23 mg/L；總氮最大濃度達(dá)9.3 mg/L，平均濃度達(dá)7.5 mg/L。后期來(lái)水的平均濃度遠(yuǎn)低于高污染水頭。2008—2010 年多次輸水期黎河下游同一斷面總磷、總氮指標(biāo)時(shí)間和濃度的變化過(guò)程，如圖1—2所示。

圖1 輸水期黎河下游斷面總磷變化

圖2 輸水期黎河下游斷面總氮變化

2.2 治理方案

為了保護(hù)引灤輸水水質(zhì)，存在2 種最根本的解決方案：修建專(zhuān)用輸水管涵，恢復(fù)黎河河道天然功能，徹底切斷污染源對(duì)輸水水質(zhì)的危害；從全流域角度治理黎河，采取生態(tài)恢復(fù)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、農(nóng)業(yè)升級(jí)、截污納管、加強(qiáng)監(jiān)管等綜合措施，從源頭上減輕黎河的污染負(fù)荷。該治理工程實(shí)施于2010—2012 年，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等客觀(guān)條件限制，以上2種方案實(shí)施難度極大。必須根據(jù)實(shí)際情況，采取有針對(duì)性、可實(shí)施性強(qiáng)的技術(shù)手段，合理運(yùn)用資金，首先解決污染最重的外源輸入問(wèn)題。

科研成果表明黎河的水污染負(fù)荷是多方面的，但是污染最重的是各級(jí)支流，特別是上中游區(qū)域的生活、農(nóng)業(yè)面源、采礦污染均通過(guò)支流集中匯入黎河河道中。支流污染輸入是連續(xù)的，非輸水期累積于支流及干流河道內(nèi)，輸水期形成前期高污染水頭，從而危害輸水線(xiàn)路下游水質(zhì)。

針對(duì)黎河污染源的特征，以支流為脈絡(luò)，在干流左右岸重要支流口，選擇河灘地、坑塘、未利用地、農(nóng)用地等便于工程實(shí)施的土地，因地制宜建設(shè)河灘地—表流—潛流—農(nóng)村生態(tài)塘等多種工藝集成的復(fù)合型濕地群，構(gòu)建黎河干流截污凈化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清水入河，保障引灤輸水安全。濕地群系統(tǒng)布局，如圖3所示。

圖3 濕地群系統(tǒng)布局

3 濕地群總布置

黎河兩岸共有23 條支流，其中6 條不具備濕地建設(shè)條件，其余支流口均布置人工濕地，濕地類(lèi)型以表流和潛流濕地為主。對(duì)于上游存在村莊、企業(yè)、選礦廠(chǎng)等重點(diǎn)污染源、污染相對(duì)較重的支流，布置以潛流濕地為核心的人工濕地，在濕地上下游設(shè)置表流濕地，進(jìn)行預(yù)處理和水質(zhì)再提升。對(duì)于上游以農(nóng)業(yè)面源為主、污染相對(duì)較輕的支流，布置以表流濕地為核心的人工濕地，合理優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，減少運(yùn)行期管護(hù)壓力。所有人工濕地均根據(jù)支流口的土地條件，盡量選擇旁路凈化濕地，以利于行洪，同時(shí)確保濕地工程自身安全。濕地群布置共計(jì)17處，設(shè)計(jì)總處理規(guī)模4.35萬(wàn)m3/d，其中以潛流濕地為核心的強(qiáng)化型濕地4 處，設(shè)計(jì)處理規(guī)模1.85 萬(wàn)m3/d；以改造支流河灘地為主的普通型表流濕地13處，設(shè)計(jì)處理規(guī)模2.5萬(wàn)m3/d。濕地群設(shè)計(jì)特性統(tǒng)計(jì)，詳見(jiàn)表1。

表1 黎河濕地群特性統(tǒng)計(jì)

4 濕地單體設(shè)計(jì)方法

4.1 外界條件

以某污染較重支流為例，簡(jiǎn)述單體濕地的設(shè)計(jì)過(guò)程。該支流位于黎河中游，主要污染源為上游采礦廠(chǎng)選礦廢水，污染物以懸浮物（SS）、總磷、總氮為主，間歇性排放，水量較小，不易形成連續(xù)徑流。支流輸入干流的污染集中于汛期前后，隨雨水進(jìn)入河道。受兩岸選礦廠(chǎng)污水排放及降雨的共同影響，流量波動(dòng)較大。2009、2010 年水質(zhì)水量實(shí)測(cè)結(jié)果，詳見(jiàn)表2—3。

表2 某支流實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù) mg/L

表3 某支流實(shí)測(cè)水量數(shù)據(jù)

4.2 工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)該支流水質(zhì)水量特征，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形，設(shè)計(jì)采用河灘地表流+預(yù)處理沉砂池+潛流濕地復(fù)合型工藝，如圖4所示。

圖4 某支流口濕地工藝流程

4.3 控制參數(shù)

控制參數(shù)主要為潛流濕地設(shè)計(jì)進(jìn)出水條件，選取懸浮物和總磷2 種主要污染物進(jìn)行控制，控制值參照水質(zhì)實(shí)測(cè)結(jié)果并考慮適度水質(zhì)波動(dòng)，確定濕地工程進(jìn)出水指標(biāo)為：進(jìn)水SS≤1 500 mg/L、TP≤0.6 mg/L；出水SS≤150 mg/L、TP≤0.3 mg/L。由于支流流量波動(dòng)較大，因此濕地設(shè)計(jì)處理規(guī)模分2個(gè)時(shí)段考慮：非汛期處理日常流量和汛期處理重污染水頭。由于日常水量遠(yuǎn)小于汛期重污染水頭量，因此潛流濕地規(guī)模按汛期日徑流量的10%確定，取3 200 m3/d。

4.4 潛流濕地設(shè)計(jì)面積

污染物去除率采用Monod動(dòng)力學(xué)模型，方程如下：

式中：RR為規(guī)范化去除率；Ci、C0分別為系統(tǒng)的進(jìn)水濃度和出水濃度（g/m3）；Q 為處理日徑流量（m3）；K0.A為零階面積去除率常數(shù)[g/（m2·d）]；A 為潛流濕地處理單元的有效面積（m2）。

當(dāng)濕地系統(tǒng)實(shí)際處理日徑流量高于最佳處理流量時(shí)，RRmax=1。此時(shí)濕地的理論最佳處理面積為：

人工濕地去除率與濕地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、地理位置、氣候、植物和微生物等多種因素有關(guān)，不同工況下面積去除率常數(shù)K0.A是不一樣的。這里工程去除率常數(shù)取值為：K0.A（TP）=0.40 g/（m2·d），同時(shí)用COD 及TN 去除率常數(shù)對(duì)濕地設(shè)計(jì)面積進(jìn)行復(fù)核，去除率常數(shù)取值分別為：K0.A（COD）=25 g/（m2·d）、K0.A（TN）=7.0 g/（m2·d）。根據(jù)上述模型及參數(shù)計(jì)算，考慮工程水質(zhì)安全及地形因素，該濕地設(shè)計(jì)面積取5 000 m2。

4.5 填料體水力學(xué)計(jì)算

為了減輕人工濕地運(yùn)行期維護(hù)成本和管理壓力，濕地進(jìn)出水采用重力自流方案，濕地設(shè)計(jì)為復(fù)合水平潛流濕地，填料體中水流以水平滲流為主，兼有垂直滲流。水力學(xué)計(jì)算采用達(dá)西定律，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 濕地水力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示當(dāng)潛流濕地填料體進(jìn)出口水頭差為0.05 m 時(shí)，可安全運(yùn)行。從工程實(shí)際及地形條件角度考慮，設(shè)計(jì)進(jìn)出水頭差取0.10 m。

4.6 管道水力學(xué)計(jì)算

除濕地填料體外，水從河道自流入沉砂池，經(jīng)布水管道進(jìn)入濕地，再由集水出水管道返回河道，整個(gè)濕地系統(tǒng)管道水力學(xué)計(jì)算公式為：

式中：hf為水頭損失（m）；λ為摩阻系數(shù)(無(wú)量綱)；dj為管道計(jì)算內(nèi)徑（m）；υ 為平均水流速度（m/s）；g 為重力加速度（m/s2）。

簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：Q為流量（m3/s）；其余變量含義同上。

采用簡(jiǎn)化公式計(jì)算濕地各單元間管道水頭損失，結(jié)果詳見(jiàn)表5。

表5 各管段水頭損失值

上述計(jì)算結(jié)果為各單元最低高差，為保證工程有效運(yùn)行，同時(shí)工程區(qū)地形條件較好，因此擴(kuò)大各單元間設(shè)計(jì)高差。確定沉砂池與攔污控制壩堰上水頭差為0.10 m，潛流濕地水面與沉砂池水頭差為0.20 m，潛流濕地出水與地表水常水位水頭差為0.20 m。

5 濕地群效益及討論

黎河濕地群建成后，第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)工程效果進(jìn)行了實(shí)測(cè)。以上述某支流濕地為例，濕地正常運(yùn)行后，共進(jìn)行了7次監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析詳見(jiàn)表6。

表6 某支流口濕地實(shí)測(cè)均值及分析 mg/L

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在監(jiān)測(cè)期間實(shí)際運(yùn)行的某支流濕地總磷和懸浮物均可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。實(shí)測(cè)指標(biāo)中SS和NH3-N 處理效果顯著，削減率高于80%；COD處理效果和TP基本一致，削減率大于30%；TN處理能力不足。濕地群其他強(qiáng)化型濕地運(yùn)行效果與該支流濕地基本一致，其余表流濕地對(duì)SS的削減作用亦較為明顯，但對(duì)有機(jī)污染物去除效果普遍低于強(qiáng)化型濕地。

建成后的評(píng)估監(jiān)測(cè)均在9月，由于監(jiān)測(cè)周期較短，監(jiān)測(cè)結(jié)果尚不足以全面反映人工濕地的運(yùn)行狀況。比如在北方的初春和深秋2個(gè)季節(jié)，容易形成小強(qiáng)度降雨，產(chǎn)生污染徑流，此時(shí)氣溫一般低于10℃，不利于植物和微生物生長(zhǎng)，人工濕地的削減能力主要體現(xiàn)在懸浮物上，對(duì)氮磷的削減能力很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

黎河人工濕地群屬于國(guó)內(nèi)較早運(yùn)用濕地技術(shù)對(duì)河道水環(huán)境進(jìn)行治理的工程實(shí)例，近年來(lái)黎河乃至引灤全線(xiàn)以保護(hù)水質(zhì)為核心的綜合治理工程仍在持續(xù)進(jìn)行中。在當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等條件下，選擇在河道沿線(xiàn)支流口建設(shè)人工濕地群，是一種科學(xué)可行的技術(shù)手段。盡管該濕地群處理總氮的能力不足，但海河流域同時(shí)期工程類(lèi)比表明，人工濕地技術(shù)去除總氮始終是一道難題。實(shí)踐證明，人工濕地技術(shù)去除懸浮物、氨氮、總磷的處理效果較為明顯，投資費(fèi)效比高，施工難度小，后期運(yùn)行管護(hù)壓力較小。同時(shí)人工濕地屬自然自?xún)艏夹g(shù)，有利于河道生態(tài)修復(fù)和水環(huán)境的提升。近年來(lái)，隨著人工濕地在地表水體治理中的大量應(yīng)用，新的工藝層出不窮。黎河沿線(xiàn)已建成的濕地群可運(yùn)用新技術(shù)新理念進(jìn)行提升，從而充分發(fā)揮保障引灤輸水安全的作用。