濕地生態修復在河道面源污染治理中的工程應用

尚文 史筆函

［1.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092；2.上海市浦東新區廢棄物管理事務中心，上海 200125］

1 引言

環境污染主要分為點源污染和面源污染，21 世紀以來，隨著全國點源污染治理工作成效日益顯現，面源污染逐步成為影響水環境質量的主要因素［1-2］。農業面源污染作為面源污染的主要組成部分，在水污染負荷輸入量中占比超過50%［2-3］，農業面源污染治理已成為環保領域的重點工作之一［4］。

農業面源污染是指在農業生產和生活中，溶解的或固體的污染物，如氮、磷、農藥及其他有機或無機污染物質，從非特定的地域通過地表徑流、農田排水、地下滲漏等進入水體引起水質污染的過程［5］。農業面源污染進入水體后容易引起江河湖庫的有機污染、水體富營養化或有毒有害污染等，并表征出水體富營養化、水生態系統破壞、自凈能力下降、透明度降低及黑臭等特征［6］，農業面源污染治理工作亟待進一步開展。

人工濕地是一種綠色、經濟、低碳、生態的污水處理工藝，在我國被廣泛應用于污水廠尾水處理、自來水廠原水處理、黑臭水體治理、水生態修復等領域［7-8］。針對污染來源分散、水量大但濃度低、徑流過程不確定性和隨機性、產匯流空間異質性的農業面源污染［2］，人工濕地是一種環境整治與生態修復技術手段，通常與生態緩沖帶、水生態修復、生態浮島、曝氣充氧等共同作為農業面源污染的“4R”（源頭減量—過程阻斷—養分再利用—生態修復）控制技術［5］。

本工程為亞洲開發銀行貸款支持巢湖流域水環境綜合治理的子項目之一，通過對巢湖流域一條受農業面源污染的河道進行濕地生態修復，利用分級階梯式攔水土壩形成分段蓄水區，構建水域表面流濕地和陸域生態緩沖帶，削減周邊隨地表徑流匯入的農業面源污染，恢復并重建河道生態系統，凈化達標后的河水再被回用于周邊農田灌溉。

2 工程概況

2.1 河道概況

旭光十八澗是巢湖流域上游一條受農業面源污染的典型河道，治理段河道長4 745 m，河口寬40～80 m，河道縱坡2‰～2.5‰。因農業灌溉取水需要，河道被分段設置的20 多座土壩隔斷形成一個個溝塘，水系流通不暢。

2.2 工程地質

旭光十八澗屬于巢湖流域，周邊地形為半崗半圩的濱湖平原區，位于巢湖碟形洼地的北緣，地勢較為平坦。河道所處位置的微地貌單元為坳溝、河漫灘及河床，地質條件較為復雜，河道受大氣降水和地表徑流影響較為顯著，年平均降水量879.9 mm，年平均蒸發量1 484.3 mm。

2.3 水污染現狀

旭光十八澗周邊為大面積農田和分散村莊，村莊生活污水經管網收集后進入污水處理站集中處理，農業面源污染（化肥、農藥、固廢等）隨地表徑流匯集入河，導致水質惡化，藻類大量生長，水體富營養化較重。河道兩側裸露土坡的水土流失嚴重，沖積物流入導致河床上抬，局部淤塞嚴重，過水斷面縮小，水位雍高，排澇隱患加劇。

根據位于小賈村監測斷面的水質監測數據，旭光十八澗水質為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類水標準，主要超標因子為化學需氧量（CODCr）、氨氮（NH3－N）和總磷（TP），見表1。根據巢湖流域水功能區劃和該河道匯入南淝河水質考核標準，旭光十八澗治理后主要水質指標達到地表Ⅳ類水標準。

表1 旭光十八澗河道水質標準 mg/L

3 河道治理工藝

3.1 河道水利計算

旭光十八澗設計防洪標準為50 年一遇，設計排澇重現期（P）為1.5 年，綜合徑流系數（φ）取0.6。河道主要水利設計參數見表2。

表2 河道主要水利設計參數

旭光十八澗河道設計平面見圖1。

圖1 旭光十八澗河道設計平面示意

3.2 河道治理工藝

河道生態修復定義為通過人工干預促進河道生態系統恢復至自然狀態，在該狀態下河道生態系統具有可持續性，并提高生物多樣性和生態系統完整性［9］。旭光十八澗河道不通航，旱季流量較小，坡度平緩，河道斷面較寬，具有良好的環境治理與生態修復基礎條件。其河道治理工藝包括底泥清淤、生態護坡、筑壩攔水、生態緩沖帶、表面流濕地等，其中表面流濕地工藝是河道治理的核心。旭光十八澗河道治理工藝參數見表3。

表3 旭光十八澗河道治理工藝參數

4 工程設計

4.1 底泥清淤

河道設計藍線（設計河口線）寬度為60～85 m，紅線（保護范圍線）位于藍線外10～20 m。對河道藍線內污染底泥進行環保清淤，主要清理上層污染層和中間過渡層的沉積底泥，根據底泥探測確定平均清淤深度0.3～0.5 m，總清淤量28 464 m3，清淤方式采用非汛期分段圍堰排水后的陸地環保清淤法。

根據河道底泥取樣化驗分析，底泥中重金屬含量低于GB 4284—2018《農用污泥污染物控制標準》中標準要求，清淤底泥就近回填池塘對土壤環境風險低。故清淤后淤泥轉運至經過復合土工防滲膜物理防滲后的淤泥堆場進行自然干化，將淤泥含水率從約93%降低至約65%，然后淤泥堆場上部覆蓋種植土，并撒播高羊茅、狗牙根草籽后恢復為綠地。

4.2 生態護坡

旭光十八澗河道生態護坡分為植草護坡和濕地生態護坡兩種類型。

4.2.1 植草護坡

當河道斷面寬度小于等于設計寬度時，采用植草護坡形式。將河底拓寬至15～20 m，兩側修整為梯形斷面土坡，內側坡比≈1 ∶3，外側坡比≈1 ∶2，河底至設計常水位以上約50 cm 范圍的坡腳采用拋塊石護砌，防止水力沖刷。護岸邊坡上種植常綠喬木、灌木和地被植物，構建喬灌草生態緩沖帶以削減徑流帶來的面源污染，護岸兩側預留DN500 進水管涵將沿線灌溉排水引入河道中。植草護坡橫斷面示意見圖2。

圖2 植草護坡橫斷面示意

4.2.2 濕地生態護坡

當河道斷面寬度大于設計寬度時，采用濕地生態護坡形式。保留河道中間15～20 m 主河槽作為行洪通道，然后拓寬主河槽以外的近岸淺水區（水深0～2.0 m）作為表面流濕地，兩側邊坡坡比緩于1 ∶3，利用分段攔水土壩控制壩前水深≤2.0 m。在水陸交界面的坡腳采用拋塊石護砌以防止水力沖刷，陸域生態緩沖帶構建同植草護坡斷面。濕地生態護坡橫斷面示意見圖3。

圖3 濕地生態護坡橫斷面示意

4.3 筑壩攔水

河道經清淤修整后，設計河底縱坡2‰～2.5‰，每隔200～300 m 設置一道梯形攔水土壩，壩高1.0～1.5 m，迎水面和背水面坡比1 ∶2 并用條狀毛石分皮臥砌，將河道分成15 個逐級跌水的蓄水池塘串聯，每個池塘水位在沿縱坡方向由淺及深。每個攔水土壩上設置3 根DN 1 000 過水管涵將上下游連通，前端閘門調節蓄水深度及水量。洪水時，水流漫過壩頂不影響防洪排澇。

4.4 表面流濕地

4.4.1 濕地構建

通過拓寬河道水陸交錯帶斷面寬度，并利用分段攔水土壩構建表面流濕地區。植物群落由陸域向淺水區、深水區逐漸過渡，構建完整的河道濕地生態修復帶：喬灌草植物帶—濕生植物帶—挺水植物帶—浮葉/漂浮植物帶—沉水植物帶［9］。其中，在水深0～0.30 m 構建挺水植物區，水深0.30～1.00 m 構建浮葉/漂浮植物區，水深1.00～2.00 m 構建沉水植物區。河道表面流濕地單元縱斷面示意見圖4。

圖4 河道表面流濕地單元縱斷面示意

4.4.2 植物配置

河道兩側陸域構建喬灌草生態緩沖帶，喬木以耐水濕喬木垂柳、池杉、烏桕為主，并適當點綴桂花、欒樹、紅葉李等觀花觀葉植物。灌木以紅葉石楠、大葉黃楊球叢生種植。地被植物以高羊茅、狗牙根為主，起固土護坡防沖刷的作用。水位波動區種植鳶尾、美人蕉、再力花等濕生植物。

水生植物分為挺水、浮葉/漂浮和沉水植物，挺水植物選擇蘆葦、茭白、香蒲、水蔥、黃菖蒲、紙莎草等，對氮、磷污染物去除效果較好［10］。浮葉/漂浮植物選擇睡蓮、四角菱、荇菜、萍逢草等，分塊種植阻止其無序蔓延。沉水植物選擇黑藻、苦草、竹葉眼子菜、穗狀狐尾藻，起到強化去除污染物的目的。整個河道表面流濕地植物分塊或組團種植，種植區分布在河道主河槽兩側，植物種植區占水面面積約20%，養護后植物覆蓋度將逐步增大。

4.4.3 生物操控

為豐富水體中底棲動物、魚類、貝類等食物鏈，按食物鏈比例適量放養本地生長的螺螄、螃蟹、水蚯蚓、河蚌和魚蝦，通過生物操控提升河道濕地的生態系統完整性。

5 工程效益

旭光十八澗河道治理工程效益主要體現在農業面源污染削減上，建成后河道濕地修復區削減CODCr，NH3－N，TP 分別可達419.43，20.97，4.19 t/a，河道水質將逐漸提升至地表水Ⅳ類標準。

工程建成后同時將構建河道生態緩沖帶56 940 m2，表面流濕地42 105 m2，恢復和重建的河道生態系統對環巢湖流域環境治理與生態修復具有重要作用，并且能實現節能降碳，估算碳匯量為20.58 tCO2/a。

6 結論

將濕地生態修復技術應用于受農業面源污染的河道治理是一種有效的技術手段，“底泥清淤、生態護坡、筑壩攔水、生態緩沖帶、表面流濕地”技術組合被證明是一套切實可行的河道治理工藝。修復后旭光十八澗河道在兼顧防洪排澇和農田灌溉等原有功能的同時，提升河道水環境質量，恢復河道生態系統，提高水體自凈能力。但該工藝組合的應用范圍還需要進一步拓展，相應的污染削減機理和有機物去除效果仍需要進行微觀化、定量化研究［2］。