北方寒冷地区河流特点及生态修复与管理模式——以北沙河沈阳段为例

张华，李子音，孙莹，许翼，袁英兰，张帆

1.沈阳环境科学研究院 2.辽宁省城市生态重点实验室 3.沈阳环科检测技术有限公司

随着《水污染防治行动计划》[1]的实施，我国河流治理步入水质、水量、水生态一体化综合管理的新阶段。北方寒冷地区河流受季节、经济活动的双重影响，天然径流时空分布不均，水资源利用和污染物排放强度大，河流生态系统的健康稳定面临巨大压力[2]。北沙河主要流经抚顺、本溪、沈阳、辽阳等地，全流域位于寒冷地区[3]，北沙河沈阳段上游主要受农业面源影响，下游主要受城镇化影响，具有较典型的北方河流特征。近2年的监测数据表明，北沙河中下游河段水质劣于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[4]Ⅴ类标准，导致污染原因复杂，亟需进行研究。已有的河流水污染治理多以污染物削减或生态修复为主，鲜有对水质、水量、水生态、水管理系统治理模式的研究[5-8]。笔者选取北沙河沈阳段为研究对象，在水质现状调查、污染成因分析的基础上，结合国家水体污染控制与治理科技重大专项(简称“水专项”)“十一五”“十二五”“十三五”阶段研发的水生态修复、水环境管理技术，有针对性地开展技术筛选及集成，构建北方寒冷地区河流生态修复与管理模式，以期为其他类似河流的治理提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

北沙河起源于抚顺市西南大顶子山班猫岭，主河道全长117 km，由本溪市达子堡村出境入沈阳市境内，流经姚千户镇、陈相屯镇、沙河堡镇后入辽阳市灯塔市[9]。北沙河沈阳段(图1)干流长47.32 km，流域面积为449 km2，平均水深为1.2 m，最大流速为1.5 ms，年平均流量为3.5亿m3，河道沿线无拦河建筑物。陈相屯水文站以上为山区河段，河道长度为14.06 km，河道比降为1.7‰，河槽宽度140～300 m；陈相屯水文站以下为平原区河段，河道长度为33.26 km，河道比降为0.75‰，河槽宽200～500 m。主要支流共9条，包括秀匠排干、桃仙河、朱庄子河、奉集堡河、杨木河、下堡河、小陈相河、黑牛屯河、十里河。北沙河沈阳段地处北温带，年均气温为8 ℃左右，年均降水量为659.6 mm，年日照时数为2 527 h，无霜期为183 d。

图1 北沙河沈阳段水系Fig.1 Water system of Shenyang Section of Beisha River

1.2 研究方法

在北沙河沈阳段末端东羊角设置采样断面，于2017年1—10月逐月进行采样；在抚顺、本溪、辽阳3个入境断面，于2018年1—11月逐月进行采样；在北沙河沈阳段干流沿线姚千户大桥、陈相大桥、沙河大桥、林盛大桥、沈海高速桥设置采样断面，于2018年3月、2019年3月分别进行采样；于2019年3月在北沙河沈阳段一级支流、干渠入干流河口处设置采样断面。水质样品监测指标均为化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)。

对干流末端、入境断面、一级支流与干渠、干流水质沿程变化进行分析，阐明水质污染状况，并从水量、水生态、水管理方面解析水质污染成因。集成“水专项”技术成果，形成北方寒冷地区河流生态修复与管理思路及治理模式，由此设计提出北沙河生态修复与管理的具体方案。

2 水生态环境问题与成因

2.1 水质状况

2.1.1干流末端水质状况

东羊角断面水质可综合反映北沙河沈阳段水质总体状况。2017年1—10月东羊角断面水质如图2所示。由图2可知，以Ⅴ类水质标准为参照，东羊角断面COD的超标月份主要为1月、3月，其中1月污染最严重；NH3-N浓度几乎全年超标，其中1月超标最严重。

图2 2017年东羊角断面水质Fig.2 Water quality of Dongyangjiao Section in 2017

2.1.2入境断面水质状况

2018年北沙河沈阳段入境断面水质如图3所示。由图3可知，本溪、抚顺、辽阳入境来水的COD与NH3-N浓度存在不同程度的超标现象。其中，COD主要超标月份为6月、7月和11月，NH3-N浓度的主要超标月份为5—7月。

图3 2018年北沙河沈阳段入境断面水质Fig.3 Water quality of entry sections of Shenyang Section of Beisha River in 2018

2.1.3干流水质沿程变化

北沙河沈阳段干流水质沿程变化如图4所示。由图4可知，干流水质污染程度从上游至下游呈上升趋势。虽然本溪来水存在超过Ⅴ类水质的情况，但经沿途自然净化及支流河水稀释，至陈相大桥处水质已优于Ⅴ类；陈相大桥下游污染物浓度持续上升，尤以沈海高速桥断面浓度为最高；至末端东羊角断面时，水体污染程度虽然有所减轻，但COD、NH3-N浓度均已超过Ⅴ类水质标准。

图4 北沙河沈阳段干流水质沿程变化Fig.4 Water quality variations along the main stream of Shenyang Section of Beisha River

2.1.4一级支流、干渠水质状况

北沙河沈阳段11条一级支流、干渠中，奉集堡河长期断流，除奉集堡河外，其余10条一级支流、干渠水质如图5所示。由图5可知，下堡河、林盛排干、杨木河水质相对较好，COD与NH3-N浓度优于Ⅴ类水质标准；朱庄子河、十里河COD优于Ⅴ类水质标准，但NH3-N浓度超标；小陈相屯河、黑牛屯河、桃仙河、新二分干、秀匠排干COD与NH3-N浓度均超过Ⅴ类水质标准，其中黑牛屯河、新二分干、秀匠排干超标较为严重，COD分别超标5.1倍、8.3倍和2.2倍，NH3-N浓度分别超标10.5倍、5.0倍和9.4倍。

图5 北沙河沈阳段一级支流、干渠水质Fig.5 Water quality of primary tributary rivers and main canals of Shenyang Section of Beisha River

2.2 主要问题与成因

2.2.1水质问题与成因

北沙河入境来水的COD与NH3-N浓度存在不同程度的超标现象。北沙河的各条支流、干渠中，除上游杨木河和下堡河及下游的林盛排干水质相对较好外，其他河流水质污染均较严重：十里河NH3-N浓度超标，这与沈阳市苏家屯区十里河镇和大沟乡农村生活污水、畜禽养殖污染等有关；朱庄子河水体黑臭，NH3-N浓度较高，这与河流沿线分布有旱厕、畜禽养殖等相关；小陈相屯河和黑牛屯河污染严重，其中黑牛屯河水体黑臭；下游新二分干和秀匠排干均接纳上游浑南总干和沈抚污灌，水质较差，此外，秀匠排干还接收城区排水。

经调研，2019年初北沙河沈阳段有乡镇污水处理设施9处，总处理水量为8 400 m3d，其中2处污水处理设施执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[10]一级B标准，其余7处执行二级标准；北沙河沈阳段干流沿线农村地区污水处理设施处理能力为13 500 m3d。现场调查发现，北沙河沈阳段干流共有28处污水直排口，直排污水量约为5 400 m3d，干流上共有52处垃圾堆放点，支流上共有24处垃圾堆放点。生活垃圾倾倒及旱厕直排主要集中在村屯周边和桥下，严重影响河流水质。

北方寒冷地区河流虽多起源于农村山地，但随着河流下流，地势渐缓，河道两侧逐渐呈现城镇化特点[2]。北沙河沈阳段干流全部在苏家屯区内，苏家屯老城区排水管渠覆盖率较高，但南部文城地区管网铺设不完善，存在污水直排现象，对河流水质造成污染。

2.2.2水量问题与成因

随着经济的快速发展，北沙河流域居民生活、工农业生产用水量增加，造成地下水位逐年下降。由于特定地理位置及季风气候的影响，北沙河流域降水多集中在6—9月，占全年降水量的70%～85%。北沙河干流河道蓄水建筑物少，起不到拦洪蓄洪的作用，当区域降水超过100 mm时，下游河水便迅涨，而洪水过后，河道又处于生态流量不足的状态[11]。

2.2.3水生态问题与成因

本溪、抚顺以及苏家屯区内存在多家煤矿加工企业。大量露天堆放的散煤缺少防护措施，一些厂矿洗煤废水的超标排放和地表径流携带细煤入河是导致北沙河淤积的重要原因[12]，其中以姚千户大桥段、林盛煤矿段、红阳煤矿段、红阳煤矿回水堤段淤积最为严重。此外，北沙河沿线存在严重的滩地种植问题，种植季节化肥、农药的大量使用导致农业面源污染严重；种植季节结束后，大量秸秆散乱堆放在滩地上，在水蚀和风蚀作用下腐化并释放出大量污染物[13]。此外，承担着水质净化和涵养水源的湿地资源被破坏，河流的生态结构不完整，河道水质自净能力严重缺失。

2.2.4水管理问题与成因

北沙河沈阳段干流长、支流多，附近居民的环境保护意识不足，水资源保护意识也有待提高。虽然河长制的实行在初期取得了一定的效果，但在长期的实践运行中出现了治理效率不高、治理效果难以持续等诸多问题，导致当前的综合管控能力和管理水平仍然不能满足流域可持续发展的需求。

3 生态修复与管理思路及治理模式

北方寒冷地区河流受农业面源污染及城镇市政排水的影响，河流多属于区域纳污受体，水质难以有效保持；受气候影响，河流夏季汛期集中且历时较短，冬季存在结冰期，春季由于积雪融化形成春汛，水量时空分布不均；随着农田灌溉及城镇生产直接或间接取水，河流生态流量不足、水生态环境恶化等问题日益突出。此外，部分区域还出现有河皆枯、有水皆污的极端情况，成为制约经济社会可持续发展的主要瓶颈。

图6 北沙河沈阳段生态修复与管理体系Fig.6 Ecological remediation and management system for Shenyang Section of Beisha River

根据北方寒冷地区河流特点，以水质、水量、水生态、水管理为主线，结合所识别的具体生态环境问题，在筛选与集成“水专项”“十一五”“十二五”“十三五”阶段形成的水生态修复、水环境管理技术[14]的基础上，构建外源阻控、内源治理、水质净化、生态修复、长效保持的治理模式，形成北方寒冷地区河流生态修复与管理体系(图6)。该体系主要包括5方面措施：1)外源阻控。北沙河沈阳段及其支流沿岸污染源大部分为农村污水处理设施排放口和农村生活污水直排口，针对未截污的农村直排口，采取截污建管和建设污水处理设施的措施，并对现有污水处理设施开展提标改造工程。2)内源治理。北沙河部分河段底泥淤积严重，使行洪过水断面减小，内涝风险加大。对沿河垃圾、河道内生物残体及漂浮物进行清理，消除河道沿线生活垃圾污染；对河道污染淤泥进行清除，通过疏浚措施改善水体流动性较差、受阻断的河段，使其形成较好的水力条件，增加水体流动性，在提升河道行洪能力的同时提升河道水文及人文功能。3)水质净化。在分析北沙河沈阳段干流及重点支流水环境问题及区域发展状况基础上，选择合适的湿地生态处理工艺，在适宜处建设河道湿地工程，形成具有多种自我修复功能的生态系统，削减污染负荷，增强水体自净能力，同时调节局部气候，维护生物多样性，营建景观等。4)生态修复。在北沙河干流新建的河道湿地上游建设钢坝闸，保证河道湿地正常运行水位，同时提升河道蓄水能力，并对北方寒冷地区河流水量季节性分布不均具有调节作用。此外，通过实施北沙河干流退耕还河生态封育，改善河滩地种植现状，从源头削减农业面源污染，同时疏通生态廊道，全面推进绿色治河进程。5)长效保持。河长制是我国当下创新探索的水环境管理措施[15]。针对北沙河沈阳段河长制管理运行中人力不足、问题发现滞后、问题成因复杂导致分析决策耗时较长等问题，采用当代信息技术、图像技术和数据技术为河长制的运行提供技术支撑，将体制、机制与技术进行连接与匹配，以实现河流的长效治理。

4 生态修复与管理工程

在外源阻控、内源治理、水质净化、生态修复、长效保持的治理模式下，北沙河沈阳段工程内容主要包括已建管网设施修缮、直排口污水处理设施建设、河道疏浚、人工湿地建设、生态封育及信息监控系统建设等，主要工程布局如图7所示。

图7 北沙河沈阳段沿线工程布局Fig.7 Project layout along Shenyang Section of Beisha River

4.1 控源减污工程

由于东羊角断面上游的烟台村、红菱村、盛堡北乱村、南乱村邻近北沙河且存在污水直排现象，设计将直排污水收集后就近接入城市污水管网，并加快苏家屯污水处理厂二期投入运营；对距离较远无法接入市政管网的地区，新建小型污水处理设施。针对发现的10处排污口，分别建设10座农村生活污水处理设施(分别位于胜利家园、佳地园小区、朱庄子河佟沟街道、林盛矿北乱生活区南侧棚户区、高丽新村、南乱木屯村、佟沟新城、红菱矿、花溪山庄)，污水处理总设计规模为5 000 td。同时对老城区已建管网进行检查和修缮，检查流域附近排水管道及检查井，治理渗漏管道；排查排放口，改造无截流设施合流排放口，达到晴天零排放、雨天少溢流、暴雨期排水顺畅要求；改造或新建有河水灌入的截流井或排水井；对部分盲肠支河改用管(涵)替代，采用末端截污的方式，杜绝晴天支河污水排入；收集初期雨水，处理后回用至河道；完善分流制改造，彻底改造排水系统的雨、污水混接现象。

4.2 内源治理工程

对北沙河沈阳段内源污染较为严重的姚千户大桥段、林盛煤矿段、红阳煤矿段、红阳煤矿回水堤段、浑南总干苏家屯段(交通队桥—苏黑公路桥)、浑南总干苏家屯段(下河桥—交通队桥)进行疏浚，在保证防洪、排涝安全、保障过流能力的前提下，按设计纵坡疏浚，疏浚长度为15.9 km，疏浚量为16 000 m3。其中，姚千户大桥段、林盛煤矿段、红阳煤矿段、红阳煤矿回水堤段疏浚深度为0.5～1.2 m，疏浚量约9 000 m3；浑南总干苏家屯段疏浚深度为0.5～0.8 m，疏浚量约7 000 m3。疏浚产生的污泥参照GBT 23484—2009《城镇污水处理厂污泥处置分类》[16]要求进行处理。

4.3 生态修复工程

对北沙河干流进行生态封育，减少河滩地的占用，重新建设两岸生态廊道，阻隔农业面源污染[17-18]；对北沙河干流长大铁路桥以下无堤段进行铁丝网隔离封育，对天然植被采取保护措施，实施自然恢复，在人为破坏严重难以自然恢复的地段实行人工恢复工程，选育适宜本地的植物，加快生态系统恢复进程；封育北沙河干流两岸河滩地合计长度约94 km，涉及补偿集体耕地面积320 hm2。

为保障北沙河生态基流，且为新建河道湿地提供正常的运行水位，在干流河道沈海高速桥和烟台村各建1孔钢坝闸1座。其中，沈海高速桥钢坝闸高1.5 m、长25 m；烟台村钢坝闸高1.5 m，长20 m。

北沙河出沈阳境东羊角断面处于辽阳境内，利用北沙河已建的堤防工程，在断面上游的红菱村及烟台村建设2处河道湿地。其中，红菱村河道湿地自红菱吊桥向下游延伸700 m，向上游延伸至G15沈海高速公路，沿两岸河滩建设；烟台村河道湿地在烟台村桥与红菱吊桥之间的两岸河滩地建设。2处河道湿地均采用稳定塘+功能表面流湿地+自由表面流湿地的组合工艺流程，河水经过三级湿地处理净化后回流北沙河。为减轻支流入河污染，将朱庄子河入河口7 hm2河滩地建设成河口湿地，将河水引入朱庄子河口湿地净化后入干流。选取黑牛屯河入河口2 hm2河滩地建设河口湿地，种植水生植物，挺水植物采用黄菖蒲、水葱、鸢尾、千屈菜、慈姑、泽泻等，水生植物株高控制在0.8～1.2 m；在湿地水位较深处，种植部分浮水和沉水植物如荇菜、金鱼藻、苦草、狐尾藻等。

4.4 流域管理工程

监控信息化是目前水质管理的趋势，完善的信息监控系统可有效提高管理效率，促进资源合理利用，及时应对突发事件，为水资源开发、水资源利用及调节、水资源治理、水资源配置、水资源保护等的管理与决策提供及时有力的依据。在北沙河沈阳段河流管理中，通过信息技术、计算机技术改造传统水利管理行业[19-20]，包括在达子堡、河洪桥、东羊角、姚千户大桥4个跨市断面，浑南总干、沈抚灌渠、桃仙河3个跨区断面建设水质自动监测站，实现水质、水量等信息采集；在河道两旁重要位置安装带红外线功能的高速球摄像机进行监控，实现洪水、水面安全等信息采集；通过可编程控制器(PLC)实现对各工艺设备运行状态的采集和控制功能、电力参数的监视统计，实现污水处理站信息远程采集。整合监控站信息，构建智能管理平台，以河道管理功能为主线，向雨水管网和污水管网系统有限延伸，构建以保证河水水质为目标驱动的智慧河道管理与运营平台。建立1套集流域信息在线收集—信息实时展示—现状评价预警—会商决策调度—应急响应联动于一体的河道智能管理模式，通过1套基础设施、1个大数据中心、1个监测智慧中心、1套运营保障体系，建设智慧水务管理平台、智慧水务应用系统、通信网络、大数据中心，实现蓄排水监测、河流水质监测、管网水质预警及监测信息管理。

5 结语

北方寒冷地区河流治理应统筹考虑水体污染特征及管理现状，本着适用性、综合性、长效性的原则，依照外源阻控、内源治理、水质净化、生态修复、长效保持的治理模式，有针对性地选择关键技术并做好内源与外源、治理与管理的有效衔接。由于北沙河全段涉及沈阳、辽阳、抚顺等分管区，且支流较多，在管理上存在一定难度。建议在上级部门的统一领导下，对北沙河流域进行分段管理，工程竣工后由生态环境部门、环卫部门责成专门的管理机构对北沙河生态整治工程进行综合管理，最终实现水清岸绿的美丽河流目标。