銀川市再生水人工濕地生態(tài)修復工程

忻 飛 邵一奇 尹樹捷 沈 翔,2 嚴敏哲 王婧妍 張 鵬 楊棠武 安樹青,3*

（1 南京大學常熟生態(tài)研究院，南大（常熟）研究院有限公司，江蘇 蘇州 215501 ；2 南京大學建筑規(guī)劃設計研究院有限公司，江蘇 南京 210024；3 南京大學生命科學學院，江蘇 南京 210046；）

西部干旱區(qū)由于氣候條件和自然地形條件的限制，水資源非常短缺（馮慧娟等, 2007）。河流的過度開發(fā)利用、工業(yè)生產污水排放以及河道持續(xù)性破壞等，給流域生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的破壞，導致河流流域環(huán)境面臨嚴重的危機（李建寶等,2023）。面對水資源短缺和生態(tài)環(huán)境破壞問題，目前主要通過節(jié)約用水、實施水權交易、污水廠提標改造、調整農作物結構及改進灌溉方式等途徑來改善水資源短缺和生態(tài)環(huán)境破壞問題。其中，城市集中處理后的尾水具有量大而集中、水質水量相對穩(wěn)定的特點（阮國嶺, 2002），但其尾水仍存在水質不達標、污染物超標等問題，使得無法實現再生水利用，尾水直排河流后也加重流域污染負荷。因此，探索再生水資源化利用對解決西北地區(qū)水資源不足問題和改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

永二干溝是銀川市東郊的一條主要排水溝，接納的水體為上游兩座污水處理廠的尾水和周邊2.57萬hm2農田的排水，現狀水質無法穩(wěn)定達標，將會加重下游平羅黃河大橋斷面的考核壓力；同時，銀川地處西北干旱內陸區(qū)，水資源緊缺是目前面臨的主要生態(tài)問題之一（王炳亮, 2014）。根據永二干溝永北橋水文站的流量監(jiān)測資料，2016—2020年平均年徑流量為3 435.39萬m3，全部未進行回用，造成水資源的嚴重浪費。通過構建人工濕地對再生水進行深度凈化處理，處理后的回水用于區(qū)域內生態(tài)補水、工業(yè)生產和市政用水，提高水資源利用率，節(jié)約水資源；同時，經過多水塘活水鏈濕地處理之后的水再回到永二干溝（楊棠武等, 2021），可減緩永二干溝的水污染負荷，為下游入黃水質的達標提供有力保障。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于銀川市永二干溝及興慶區(qū)掌政鎮(zhèn)污水處理廠南側、鳴翠湖國家濕地公園北側，總占地面積約43 hm2。來水水源主要為永二干溝排水，永二干溝排水主要包括沿線農田排水和掌政鎮(zhèn)污水處理廠的尾水。項目區(qū)土壤類型主要有灌於土和灌於草土，局部地區(qū)有湖土分布，土壤經多年灌溉耕種，熟化土層較厚，一般在0.6～1.0 m，有機質含量高，熟效養(yǎng)分含量高，適宜農作物生長。研究區(qū)引黃河水灌溉，植被覆蓋率高，以人工灌溉的糧食作物和經濟作物為主要類型。永二干溝為黃河左岸的排水溝，溝道的水質情況將直接影響黃河的水環(huán)境質量，增加下游平羅黃河大橋斷面的考核壓力。

2 修復目標及修復思路

本研究的修復目標為人工濕地出水主要污染物指標達到地表水Ⅳ類，有效削減永二干溝排入黃河的污染物總量，同時實現水資源優(yōu)化配置，提高再生水資源利用率。

根據項目區(qū)及周邊的土地利用現狀，通過建設工程對掌政鎮(zhèn)污水處理廠尾水和永二千溝的排水進行深度處理，處理后的水可回用于區(qū)域內生態(tài)補水、景觀綠化和市政用水，提高水資源利用率；同時，經過生態(tài)濕地處理之后的水再回到永二干溝，可減緩永二干溝的水污染負荷，為下游入黃水質的達標提供有力的保障。

3 濕地修復工程總體設計

在工程設計時，針對來水超標特征污染物（氮磷）及水質凈化目標需求，充分考慮項目區(qū)特有的生態(tài)環(huán)境（陳佳秋等, 2020），并結合項目區(qū)域的氣候條件和地形條件，因地制宜地選擇成熟的濕地水質凈化和濕地生態(tài)修復技術，提升濕地水質凈化功能和恢復趙家湖濕地生態(tài)系統(tǒng)。

濕地修復工程主體包括引退水工程2 km、潛流濕地工程3 hm2、多水塘濕地工程40 hm2及生態(tài)修復工程（圖1），具體如下：1）引退水工程。主要作用是引水及配水，通過管道將掌政鎮(zhèn)污水處理廠巴氏槽尾水引至潛流濕地中。2）潛流濕地工程。通過“基質—植物—微生物”復合生態(tài)系統(tǒng)去除廢水中的懸浮物、有機物、氮等污染物后，自流進入一級多水塘活水鏈濕地；永二干溝來水通過管道直接引至一級多水塘濕地。3）多水塘濕地工程。永二干溝河水及掌政鎮(zhèn)污水處理廠尾水通過引水管道進入一級多水塘濕地進一步深度凈化后，經強化凈化區(qū)高效提升水質后，分別進入二級、三級、四級多水塘濕地，并在四級多水塘濕地設置一道導流墻，延長水力流程，并通過太陽能微泡曝氣系統(tǒng)，增加水體溶氧量，為水生生物提供生存環(huán)境，促進水質凈化效果。經四級多水塘濕地穩(wěn)定水質后排出項目區(qū)，進入永二干溝。4）生態(tài)修復工程。在濕地生態(tài)恢復中充分利用鄉(xiāng)土物種，提高生物多樣性，充分利用不同生態(tài)位和物質多層分級，形成錯綜復雜的食物鏈關系，提高系統(tǒng)的能量利用率，增強濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我維持功能和生態(tài)穩(wěn)定性（陳佳秋等, 2020），實現再生水的處理利用和水生態(tài)修復的有機融合，減少維護費用的投入。

圖1 濕地總平面布置圖Fig.1 General layout of wetland

3.1 引退水工程

引退水工程由引水工程和退水工程組成，主要是將掌政鎮(zhèn)污水處理廠尾水及永二干溝河水引入到潛流濕地及多水塘濕地中，并使工程凈化后的出水再進入永二干溝：1）引水工程。在永二干溝內建設1座溢流堰，在掌政鎮(zhèn)污水處理廠出水口處新建1座截流井，新建1座提升泵站（圖1）。運營期通過管道把永二干溝及掌政鎮(zhèn)污水處理廠來水引入到調節(jié)池，并通過提升泵站注入到濕地配水渠；汛期開啟溢流堰閘門，按原河道泄洪，不影響行洪。2）退水工程。在四級多水塘濕地末端新建1座強排泵站，正常情況下采用重力流出水，當四級多水塘濕地水位低于排水管起點管內底標高時，無法重力流出水。為避免此時濕地內存水水力停留時間過長，引起水體富營養(yǎng)化后水質惡化，開啟強排泵站，將存水提升至排水管起端閘門井內后再重力流排出。

3.2 潛流濕地工程

3.2.1 工程設計 依據現狀地形及條件，在趙家湖南湖構建潛流人工濕地，總占地面積約為3 hm2，停留時間為1.5 d，水力負荷0.3 m3/（m2·d），潛流濕地共分為A、B兩個區(qū)，其中A區(qū)32個單元，B區(qū)18個單元，共計50個單元，每個單元尺寸為40 m×15 m，每個單元填料有效深度為1.2 m。潛流人工濕地內部配水干渠1條，配水支渠5條，集水渠6條（圖2）。

圖2 潛流濕地平面布置圖Fig.2 Floor plan of subsurface flow wetland

3.2.2 進出水水質凈化 潛流濕地通過管道引水至配水干渠，再進入到配水支渠，隨后進入兩側的潛流濕地床體，經過濕地床體處理后，出水由集水渠排入多水塘濕地內，潛流濕地進出水通過水位高差形成重力流。潛流濕地單體以規(guī)則長方體為主，濕地內部經開孔管道均勻布水，流經濕地礫石、火山巖床體，經收水渠管道收水排入集水渠，完成潛流濕地凈化。

3.2.3 填料及植物材料 設計人工濕地時，填料首選對污染物去除能力強的本地材料，提高人工濕地對污水的凈化能力，保證水質凈化效果（楊逢樂等,2014）；減少成本投入，并能延長工程的使用壽命。另外，由于不同填料的滲透系數存在比較大的差異，根據不同人工濕地設計選用不同的填料，如對于表面流人工濕地，可選擇土壤、礫石作為填料，而潛流人工濕地對填料的滲透系數要求比較高，選用礫石、沸石、火山巖和鋼渣等。潛流濕地內部填料主要采用不同粒徑的礫石和火山巖，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、微生物同化分解和植物吸收等協(xié)同作用凈化水質，主要去除氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）等。潛流濕地主要種植挺水植物，根系長期處于礫石填料中，需要具有一定的抗逆性，結合景觀需求，潛流濕地植物一般為蘆葦（Phragmites australis）、黃花鳶尾（Iris wilsonii）、西伯利亞鳶尾（Iris sibirica）和千屈菜（Lythrum salicaria）。

3.3 多水塘濕地工程

多水塘濕地工程主要凈化永二干溝來水，同時承接潛流濕地出水。潛流濕地凈化后出水，水質及表觀效果較佳，多水塘濕地主要功能為穩(wěn)定水質、水流流態(tài)、生態(tài)提升和景觀展示。

3.3.1 工程設計 多水塘濕地區(qū)面積約40 hm2，停留時間為21 d，水力負荷0.13m3/(m2·d)，主要利用原有趙家湖進行優(yōu)化改造，為營造多樣化水下生境，營造深水區(qū)濕地泡，總構建面積3 hm2，邊坡1:5與周邊銜接。考慮深水區(qū)的水質凈化效果，鋪設填料層，為微生物提供良好的載體，強化水質凈化。同時在一級多水塘濕地和二級多水塘濕地、二級多水塘濕地和三級多水塘濕地連通區(qū)處設置2處強化凈化區(qū)，建設規(guī)模0.77 hm2。強化凈化采用“石籠網+礫石+火山巖”形式，使水體經流強化凈化區(qū)，起到過濾、吸附、沉淀等作用，有效削減污染物，進一步提升出水水質。為延長四級多水塘濕地水力流程，使來水充分交換，提升水體流動性和濕地水質凈化能力，在四級多水塘濕地中部設置一處東西向導流墻，導流墻采用“石籠網+礫石”的網箱搭建，使部分水體從墻體濾過，強化過濾凈化，部分水體則繞過導流墻，有效提升末端水體水質穩(wěn)定性，同時通過太陽能微泡曝氣系統(tǒng)，增加水體溶氧量，為水生生物提供生存環(huán)境，提高水質凈化效果。

3.3.2 植物配置 多水塘濕地種植濕地植物多以生態(tài)島邊坡和岸線邊坡帶為主，依據水深分布由淺至深分別種植挺水植物、浮葉植物和沉水植物。挺水植物有荷花（Lotus flower）、香蒲（Typha orientalis）、西伯利亞鳶尾、黃菖蒲（Iris pseudacorus）、千屈菜等，浮葉植物有水鱉（Hydrocharis dubia）、睡蓮（Nymphaea）等，沉水植物有輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）、菹草（Potamogeton crispus）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）和狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）等。

3.4 生態(tài)修復工程

3.4.1 工程設計 生態(tài)修復工程內容主要包括水生植物、水生動物的選擇配置及生物棲息地的修復。在充分調研項目周邊水系的前提條件下，根據濕地進水水流方向、水質和水量等情況，利用原有的優(yōu)勢條件，通過合理的技術生態(tài)重塑，使生態(tài)恢復和永二干溝水系水質改善工程有機銜接，建立完善、健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)，保障永二干溝水系水質，優(yōu)化周邊生態(tài)環(huán)境。

3.4.2 地形改造 根據現狀生態(tài)修復生物多樣性恢復的要求，改造項目區(qū)的地形，構建潛流濕地區(qū)、多水塘濕地區(qū)、深潭淺灘濕地泡、強化凈化區(qū)等不同凈化功能單元，恢復濕地植物，營造鳥類、魚類棲息地等多種類型的濕地生境。水生植物設計總面積5.9 hm2，其中，挺水植物5.3 hm2、浮葉植物0.25 hm2、沉水植物0.35 hm2（圖3）。

圖3 水生植物種植典型剖面圖Fig.3 Typical section of aquatic plant cultivation

3.4.3 水生動物配置 水生動物配置主要分析現狀食物網，重構食物鏈。增加對生產者的干擾，增加數量與種類，豐富生產者結構；增加頂級消費者，增加次級消費者數量；減少入侵種，增加本地種數量。增加鰱（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Aristichthys nobilis）等濾食性魚類，投放銅銹環(huán)棱螺（Bellamyaaeruginosa）、三角帆蚌（Hyriopsis cumingii）等底棲動物，增加初級消費者。同時吸引水鳥等頂級消費者前來棲息覓食，增加整體能量流動速度，使生態(tài)系統(tǒng)能量加速循環(huán)。

3.4.4 水生態(tài)系統(tǒng)構建 湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在植物配置恢復完成后，投放適量魚苗作為構建健康水生態(tài)系統(tǒng)的啟動因子。根據能量塔原理和食物鏈食物網的物質流動原理，在湖區(qū)配置不同品種的野生魚類及其他水生動物（曹蒙蕾, 2023）。通過在水體中配置不同的魚類、底棲動物等，可逐步修復水生態(tài)環(huán)境，激活水生生物食物鏈，通過食物鏈，將水體中營養(yǎng)物質移除（潘志坤, 2019）。

考慮到濕地建設初期，湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)不完善，水生植物群落尚未完全恢復，為減少植食性魚類和雜食性魚類對水生植物的影響，可投放烏鱧（Channaargus）等肉食性魚類，并對湖區(qū)小型魚類數量進行控制?？紤]到夏季容易出現藻類爆發(fā)，可投放鰱、鳙、底棲動物等，既可濾食水體中的藻類，又可滿足珍稀鳥類的覓食要求。通過捕撈、鳥類覓食等方式，將水中魚類移除，從而將氮、磷等污染物質從水體中徹底清除。

4 濕地水質凈化預期效果

本工程定位是水質凈化與生態(tài)修復相結合的功能型濕地。根據設計標準，濕地進水水質為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）（中國環(huán)境保護產業(yè)協(xié)會等, 2012）一級A，即主要污染物考核指標CODCr、BOD5、NH3-N和TP分別為50 mg/L、10 mg/L、5 mg/L和0.5 mg/L。通過本項目的實施，使人工濕地出水主要污染物指標達到地表水Ⅳ類，有效削減永二干溝排入黃河的污染物總量，同時實現水資源優(yōu)化配置，提高再生水資源利用率。因此，出水主要考核指標CODCr、BOD5、NH3-N和TP分別達到預測目標值30 mg/L、6 mg/L、1.5 mg/L和0.3 mg/L。

項目完成后，預計水體中的CODCr去除率可達到50%以上，NH3-N及TP去除率可達到60%以上，在保證進水水質滿足設計水質要求的情況下，主要出水指標CODCr、BOD5、NH3-N和TP能夠穩(wěn)定達到地表Ⅳ類水標準。在保證濕地全年運行的情況下，CODCr、BOD5、NH3-N和TP年削減量分別達到283.6 t、67.1 t、20.4 t、2.0 t。本項目的實施極大地緩解了城市用水短缺問題，實現水資源優(yōu)化配置，使水資源循環(huán)再利用，同時也有效削減了入黃污染物總量，對黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展具有重要作用。

5 結語

本文主要針對銀川干旱、少雨，水資源緊缺，且再生水資源利用低，造成水資源浪費嚴重等問題，通過構建人工建濕地工程對銀川市掌政鎮(zhèn)污水處理廠尾水和永二干溝的排水進行深度處理，經過人工濕地處理之后的再生水回到永二干溝，可減緩永二干溝的水污染負荷，同時也可用于區(qū)域內生態(tài)補水、工業(yè)生產和市政用水，為下游入黃水質的達標提供有力保障。探索再生水資源化利用對解決西北地區(qū)水資源不足問題和改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。