二道沙河及南海濕地生態(tài)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(tài)基流量小、入河污染物總量大、水體自凈能力不足、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等問題，針對上述問題提出了生態(tài)治理總體方案：以水資源循環(huán)利用為基礎(chǔ)，將流域內(nèi)污水處理廠外排的再生水收集后輸送至河道及濕地進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，利用擋水堰及河道地形構(gòu)建包含滯留塘、人工水草、人工物質(zhì)遷移系統(tǒng)、生態(tài)凈化床的河道走廊濕地，建設(shè)以多級多槽濕地為主的濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)和以近自然濕地為主的濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)。該方案可以實(shí)現(xiàn)再生水的循環(huán)利用，改善二道沙河及南海濕地的生態(tài)環(huán)境，削減包頭市經(jīng)由二道沙河及南海濕地進(jìn)入黃河的污染物總量。

關(guān)鍵詞：水資源循環(huán)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(xiàn)標(biāo)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(tài)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(fā)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(jīng)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(wǎng)”城市水系布局中重要的“一縱”，現(xiàn)為泄洪、排澇通道。包頭市南海濕地自然保護(hù)區(qū)是以保護(hù)珍稀鳥類及其賴以生存的黃河灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng)為主的綜合性自然保護(hù)區(qū)。南海濕地生態(tài)系統(tǒng)在包頭地區(qū)乃至我國西部地區(qū)具有較好的生物多樣性，是重要的生物基因庫和保護(hù)黃河的自然生態(tài)過濾系統(tǒng)，也是包頭市重要的景觀區(qū)。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(jīng)市區(qū)段共63 km，是包頭市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(tài)脆弱區(qū)，生態(tài)環(huán)境極易被破壞，而且生態(tài)環(huán)境被破壞后修復(fù)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(tài)基流量小，現(xiàn)有水量不能維持生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行，而流域內(nèi)污水廠再生水未得到有效利用;在二道沙河沿線點(diǎn)源污染已基本控制的前提下[1]，進(jìn)入河道及濕地的污染物總量仍超過其環(huán)境容量，水體局部富營養(yǎng)化[2]，威脅黃河包頭段水環(huán)境安全;河流及濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化，水生生物多樣性降低，生態(tài)系統(tǒng)脆弱[3]，其中南海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況為“一般病態(tài)”[4]。國內(nèi)眾多學(xué)者對二道沙河沿河點(diǎn)源污染控制情況[1]，以及南海濕地水污染現(xiàn)狀、污染防治對策、生態(tài)需水量、補(bǔ)水方案等[2-7]進(jìn)行了研究，但是上述研究均側(cè)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(huán)利用為基礎(chǔ)、對河道及濕地進(jìn)行統(tǒng)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(tài)治理的總體方案，以再生水資源循環(huán)利用為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌實(shí)施河道及濕地生態(tài)治理工程，提升水體自凈能力，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)朝著健康、穩(wěn)定的方向發(fā)展。

1 總體方案設(shè)計

河道生態(tài)治理及濕地修復(fù)與保護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性工程。綜合國內(nèi)外相關(guān)工程設(shè)計及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出二道沙河及南海濕地生態(tài)治理方案設(shè)計技術(shù)路線（見圖1），并擬定水資源循環(huán)利用、二道沙河生態(tài)治理、南海濕地修復(fù)與保護(hù)3部分內(nèi)容。

（1）水資源循環(huán)利用。將二道沙河流域范圍內(nèi)現(xiàn)有工程再生水收集后通過調(diào)水系統(tǒng)輸送至二道沙河及南海濕地生態(tài)修復(fù)與保護(hù)區(qū)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，再生水經(jīng)河道及濕地進(jìn)一步凈化后進(jìn)入濕地東北側(cè)清水池，后經(jīng)傳輸管線輸送至污水處理廠凈化后作為工業(yè)及生活雜用水。

（2）二道沙河生態(tài)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(jié)合微地形構(gòu)建河道走廊濕地，并設(shè)置滯留塘、人工水草、人工物質(zhì)遷移系統(tǒng)及生態(tài)凈化床，達(dá)到水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)與保護(hù)的目的，并將河道走廊濕地出水作為南海濕地自然保護(hù)區(qū)的補(bǔ)水水源。

（3）南海濕地修復(fù)與保護(hù)。改造現(xiàn)存厭氧塘、接觸氧化塘為濕地生態(tài)補(bǔ)水的預(yù)處理設(shè)施，對再生水進(jìn)行深度處理，出水作為南海濕地自然保護(hù)區(qū)的補(bǔ)水水源。根據(jù)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(tài)修復(fù)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū)的主體。

方案總體平面布置見圖2。

2 水資源循環(huán)利用

當(dāng)前，保證生態(tài)用水，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡，實(shí)現(xiàn)人類-社會-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境可持續(xù)發(fā)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(tài)用水，同時提高包頭市再生水利用效率，參考區(qū)域水資源介循環(huán)利用模式[9]，將污水處理廠再生水引入人工調(diào)控的生態(tài)系統(tǒng)（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(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)再生水，作為工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)用水循環(huán)利用。

對南郊污水處理廠、包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)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(jìn)行分配利用，其中6.0萬m3/d再生水通過調(diào)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(tài)補(bǔ)水，其余11.4萬m3/d再生水輸送至南海濕地作為濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)的補(bǔ)水水源。北郊水質(zhì)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(bǔ)水水源，該3.8萬m3/d再生水與前述6.0萬m3/d再生水經(jīng)河道走廊濕地凈化后流至河道入黃口處，再經(jīng)管道輸送至南海濕地作為濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)的補(bǔ)水水源。濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)和濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)凈化后的水體均進(jìn)入濕地東北側(cè)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(jīng)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(qū)作為工業(yè)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(cè)，廠內(nèi)有調(diào)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(gòu)筑物，具有調(diào)水、取水、凈水等功能。水量調(diào)配設(shè)計方案見圖3。二道沙河及南海濕地各分區(qū)進(jìn)出水水質(zhì)主控指標(biāo)見表1。二道沙河凈水廠磁混凝高效沉淀池進(jìn)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(shè)計的水資源循環(huán)利用方式保障了河道及濕地生態(tài)用水，并將通過工程措施得到的再生水轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧鷳B(tài)再生水”，提高再生水水質(zhì)的同時提高公眾接受程度。該模式實(shí)現(xiàn)了生態(tài)用水和工業(yè)、生活用水的梯級利用，平衡了工業(yè)、生活用水與生態(tài)用水之間的矛盾[9]。

3 二道沙河生態(tài)治理

二道沙河生態(tài)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(diào)水保證河道生態(tài)需水，利用擋水堰及微地形構(gòu)建10級河道走廊濕地，實(shí)現(xiàn)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(jìn)水水質(zhì)主要指標(biāo)符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)主要指標(biāo)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，濕地出水作為南海濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)的補(bǔ)水水源。

通過工程技術(shù)手段在河道內(nèi)修筑適宜水生植物生長的水下地形，并在河道內(nèi)設(shè)置滯留塘、人工水草、人工物質(zhì)遷移系統(tǒng)及生態(tài)凈化床，達(dá)到水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)與保護(hù)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(diǎn)至終點(diǎn)水位落差約10.15 m，設(shè)計水深0.58～0.64 m。走廊濕地設(shè)計處理水量9.8萬m3/d，水力停留時間27.4 h，水力負(fù)荷0.53 m3/（m2·d），COD去除負(fù)荷5.26 g/（m2·d），氨氮去除負(fù)荷1.58 g/（m2·d）。

走廊濕地設(shè)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(shè)置人工物質(zhì)遷移系統(tǒng)6 216 m2，厚度為0.5 m，主要由基質(zhì)層及復(fù)合工程菌構(gòu)成;設(shè)置生態(tài)凈化床10 618 m2，凈化床高0.5 m，由碎石、火山巖、鐵礦石等復(fù)合生態(tài)填料和復(fù)合工程菌構(gòu)成。

4 南海濕地生態(tài)修復(fù)與保護(hù)

南海濕地生態(tài)修復(fù)與保護(hù)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(cè)，屬于南海濕地自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)，其中濕地修復(fù)區(qū)占地約101.44萬m2、濕地保護(hù)區(qū)占地約97.33萬m2。南海濕地生態(tài)修復(fù)與保護(hù)利用環(huán)境工程和生態(tài)工程等手段[10]修復(fù)、完善和健全濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，增加濕地物種和生物多樣性，在此基礎(chǔ)上利用濕地的自然凈化功能以較低的成本實(shí)現(xiàn)對污水處理廠尾水和河道來水的凈化，從而削減進(jìn)入黃河的污染物總量。工程包括濕地生態(tài)補(bǔ)水預(yù)處理、濕地生態(tài)修復(fù)及濕地生態(tài)保護(hù)三部分，見圖5。

4.1 生態(tài)補(bǔ)水預(yù)處理

包頭市南海濕地補(bǔ)水方式包括黃河凌汛水補(bǔ)水、降水補(bǔ)水以及徑流水補(bǔ)水[6]，但凌汛持續(xù)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(yán)重。水是濕地的生命線，南海濕地自然保護(hù)區(qū)的生存與維系依賴于水的滋潤和養(yǎng)育，所以生態(tài)恢復(fù)要圍繞“水”來進(jìn)行，一是保證南海濕地具有一定的蓄水量，滿足其基本生態(tài)需水量要求;二是保證南海濕地不被污染，滿足其水生態(tài)功能要求。

為向濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)及保護(hù)區(qū)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水并減少進(jìn)入濕地的污染物總量，提高濕地水環(huán)境質(zhì)量，改造現(xiàn)有的厭氧塘及接觸氧化塘[7]作為濕地生態(tài)補(bǔ)水的預(yù)處理設(shè)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(shí)現(xiàn)對來水的深度處理后，將其排入濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)作為補(bǔ)水水源。針對現(xiàn)狀厭氧塘布水不均勻、死水區(qū)范圍較大、處理效果不佳等問題，采取建設(shè)布水渠、增設(shè)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(shè)計處理水量11.4萬m3/d，水力停留時間7.7 h，表面水力負(fù)荷0.55 m3/（m2·d），COD去除負(fù)荷35.08 g/（m2·d），氨氮去除負(fù)荷7.0 g/（m2·d）。針對現(xiàn)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(shè)造流曝氣機(jī)、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(shè)計處理水量11.4萬m3/d，水力停留時間4.1 h，表面水力負(fù)荷18.7 m3/（m2·d），COD去除負(fù)荷112.13 g/（m2·d），氨氮去除負(fù)荷41.11 g/（m2·d）。

4.2 濕地生態(tài)修復(fù)

濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)設(shè)計補(bǔ)水量11.4萬m3/d。工程進(jìn)水水質(zhì)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)優(yōu)于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，接近Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)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(fù)荷0.13 m3/（m2·d），COD去除負(fù)荷1.08 g/（m2·d），氨氮去除負(fù)荷0.06 g/（m2·d）。

濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)依托包頭市黃河濕地生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)的潛流濕地區(qū)、浮葉植物區(qū)、表面流濕地區(qū)、草濾帶及貯水區(qū)等進(jìn)行設(shè)計。上述區(qū)域四周筑有土質(zhì)圍堰，大部分區(qū)域?yàn)槊魉畢^(qū)，水深基本一致，生境異質(zhì)性較低，導(dǎo)致水域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生變化，特別是濕地生物群落多樣性降低，生態(tài)系統(tǒng)逐步退化。根據(jù)各類濕地的特點(diǎn)及適用條件，將處理效果好、修復(fù)效果穩(wěn)定的多級多槽濕地作為主體。多級多槽濕地是在常規(guī)表面流濕地基礎(chǔ)上改良的高效人工濕地，具有處理效果好、冬季運(yùn)行穩(wěn)定、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。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(lián)而成，每一級為一個子槽單元;“多槽”指每一個子槽單元內(nèi)交替設(shè)置淺槽（挺水植物槽及沉水植物槽）和深塘（配水區(qū)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(qū)，以及挺水植物槽、沉水植物槽、凈化塘等構(gòu)成，其平面布局和內(nèi)部構(gòu)造見圖6、圖7。

4.3 濕地生態(tài)保護(hù)

濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)補(bǔ)水水源為二道沙河走廊濕地出水，設(shè)計水量為9.8萬m3/d。工程進(jìn)水水質(zhì)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)優(yōu)于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，接近Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。濕地生態(tài)保護(hù)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(fù)荷0.13 m3/（m2·d），COD去除負(fù)荷1.11 g/（m2·d），氨氮去除負(fù)荷0.06 g/（m2·d）。濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)位于濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)南側(cè)，該區(qū)域?yàn)槎郎澈域暄堰M(jìn)入黃河的流經(jīng)區(qū)，該段二道沙河主河槽未進(jìn)行清淤疏浚，存在污水漫流現(xiàn)象，主河槽周邊一定范圍內(nèi)存在生態(tài)破壞現(xiàn)象，但其他大部分區(qū)域生態(tài)破壞并不嚴(yán)重，喬、灌、草植被保存較好。

該區(qū)域受人為干擾較小，大部分區(qū)域生態(tài)破壞現(xiàn)象并不嚴(yán)重。根據(jù)各類濕地的特點(diǎn)及適用條件，采用對環(huán)境人工干預(yù)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(jù)生態(tài)學(xué)原理，結(jié)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(xù)的、保護(hù)生物多樣性的生態(tài)工程技術(shù)[11]。濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)以近自然濕地技術(shù)為核心工藝，采用“形態(tài)重塑—流量維持—水質(zhì)改善—群落構(gòu)建”的生態(tài)保護(hù)策略，對該區(qū)域進(jìn)行水系梳理，重塑自然濕地地形地貌，打造大小不一的生態(tài)島鏈淺水濕地，為生物棲息地的形成和生物多樣性的恢復(fù)創(chuàng)造有利條件。

5 結(jié) 語

二道沙河及南海濕地生態(tài)治理采用了環(huán)境工程與生態(tài)工程相結(jié)合的技術(shù)方法，在對再生水進(jìn)行循環(huán)利用的基礎(chǔ)上，選擇河道走廊濕地對二道沙河進(jìn)行生態(tài)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(tài)修復(fù)與保護(hù)，從而營造良好的河道及濕地生態(tài)系統(tǒng)，有效保障區(qū)域生態(tài)安全，保護(hù)生物多樣性，提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，削減包頭市經(jīng)由二道沙河及南海濕地進(jìn)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(jìn)包頭經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。項(xiàng)目建成后可以大幅削減黃河包頭段的污染負(fù)荷，預(yù)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(hù)黃河水環(huán)境安全具有重要意義。

對河道或濕地進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水既可以實(shí)現(xiàn)對其的生態(tài)修復(fù)與保護(hù)，也可以實(shí)現(xiàn)工程再生水向生態(tài)再生水的轉(zhuǎn)化，提高公眾接受程度，平衡工業(yè)、生活用水與生態(tài)用水之間的矛盾，是當(dāng)今水環(huán)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(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水后，需采取人工調(diào)控措施使其具備進(jìn)一步凈化水質(zhì)的功能。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】