人工湿地群在北方河道治理中的设计与应用

付 震，韩 丹，侯梦琪

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.博天环境集团华北设计中心，天津 300220）

当前，我国河道治理理念在逐步转变，从单纯满足防洪排涝基本功能向充分重视水质、水量、水生态三位一体转变。21 世纪前20 a 北方地区海河流域的河流水质整体上经历了由差到良的转变过程，河道治理的技术方案也在不断更新，一些尊重自然、经济可行、便于维护的技术方案得到广泛运用。笔者以国内较早（2010—2012 年）实施的引滦黎河生态治理工程为例，介绍黎河人工湿地群系统的构筑理念及方案，探求在北方地区流域尺度下利用人工湿地群处理面源及高悬浮物水体的方法，介绍实际工程处理效果，为河道水环境治理寻求更系统更生态更有效的新途径。

1 背景

人工湿地在我国起步于20世纪80年代初，20世纪80 年代末至20世纪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处理。21 世纪前10 a，特别是2008年北京奥运会前后，我国北方相继建立了一批以处理湖泊、河流等地表水为主的人工湿地。引滦黎河人工湿地群自2008 年起开展前期科研工作，2011年开工，2013年完工，是我国北方地区较早实施的以湿地技术治理河流的系统性工程。

黎河位于海河流域、燕山南麓、河北省遵化市境内，是引滦入津工程的重要输水河道，原为天然河道，以行洪、排涝为主。1983 年建成的引滦入津工程对部分河段进行了人工改造，改造后河道功能以输水为主，兼顾行洪排涝。黎河发源于河北省迁西县与遵化市交界处的山区，由东北流向西南，在冀津省界与沙河汇合，流向于桥水库。河道全长76 km，有大小支流23 条。输水借用河道57.6 km，主要位于中下游。黎河流域位于“三山两川”之间，地面坡降较大，上游多为丘陵山地，植被状况较好。泥沙来源以采矿、选矿的尾矿砂为主，悬浮物含量较一般天然河流偏高。

黎河作为引滦入津的必经线路，承担着将滦河水输送至天津市区的重要功能。输水工程建成于南水北调中线工程通水以前，彼时引滦水主要用于补充天津市中心城区生活生产用水，从水量和水质角度同时提高黎河输水的保证率，是城市发展的重中之重。

2 存在问题及治理方案

2.1 存在问题

与海河流域的发展状况一致，随着经济发展，在21 世纪初引滦入津工程也逐渐受到了水质污染威胁。黎河作为引滦输水河道，由于受到河道两岸以及流域的点、面源，特别是采矿污染等影响，水质日趋恶化，严重危害引滦输水的安全。黎河的污染特点可归纳为：点面源污染共存，从源头危害引调水水质；支流污染高于干流，上中游污染高于下游；输水和行洪交替进行，输水期存在高污染水头现象；河道及流域属不同行政管理，流域污染总体治理难度大。

黎河流域范围内城镇、工业企业、农业、采矿业共存，在未治理以前，农业面源污染和选矿污水均就近排入黎河的支流。黎河干流两岸范围内村庄、工业企业众多，受经济发展水平限制，并未建立完善的污水收集管网和处理系统。常规水质监测结果表明，氮磷和悬浮物是黎河水体的主要污染物，从上游至下游在各个时期各个监测断面的浓度均存在超标现象。各污染物沿程趋势归纳后显示，黎河水质污染物浓度从输水河段起点到终点呈增长趋势，大多污染物浓度特别是悬浮物，在中游的东滩桥或前毛庄监测断面达到最高。这表明那一时期，输水河道的沿程水质受到了污染，污染输入主要发生在河道的上游和中游，从而在源头水体恶化的基础上，进一步加剧了输水水质的恶化。

通过1983—2011 年黎河下游于桥水库入库水量、水质数据分析可知，通过黎河实施的引滦输水存在高污染负荷水头现象。在输水开始段，各污染物存在着明显的高污染负荷区域，如总氮（TN）为前24 h、总磷（TP）为前36 h，随后输水水质达到稳定。高污染水头的总磷最大浓度达1.17 mg/L，平均浓度达0.23 mg/L；总氮最大浓度达9.3 mg/L，平均浓度达7.5 mg/L。后期来水的平均浓度远低于高污染水头。2008—2010 年多次输水期黎河下游同一断面总磷、总氮指标时间和浓度的变化过程，如图1—2所示。

图1 输水期黎河下游断面总磷变化

图2 输水期黎河下游断面总氮变化

2.2 治理方案

为了保护引滦输水水质，存在2 种最根本的解决方案：修建专用输水管涵，恢复黎河河道天然功能，彻底切断污染源对输水水质的危害；从全流域角度治理黎河，采取生态恢复、产业转型、农业升级、截污纳管、加强监管等综合措施，从源头上减轻黎河的污染负荷。该治理工程实施于2010—2012 年，受当时经济、社会等客观条件限制，以上2种方案实施难度极大。必须根据实际情况，采取有针对性、可实施性强的技术手段，合理运用资金，首先解决污染最重的外源输入问题。

科研成果表明黎河的水污染负荷是多方面的，但是污染最重的是各级支流，特别是上中游区域的生活、农业面源、采矿污染均通过支流集中汇入黎河河道中。支流污染输入是连续的，非输水期累积于支流及干流河道内，输水期形成前期高污染水头，从而危害输水线路下游水质。

针对黎河污染源的特征，以支流为脉络，在干流左右岸重要支流口，选择河滩地、坑塘、未利用地、农用地等便于工程实施的土地，因地制宜建设河滩地—表流—潜流—农村生态塘等多种工艺集成的复合型湿地群，构建黎河干流截污净化系统，实现清水入河，保障引滦输水安全。湿地群系统布局，如图3所示。

图3 湿地群系统布局

3 湿地群总布置

黎河两岸共有23 条支流，其中6 条不具备湿地建设条件，其余支流口均布置人工湿地，湿地类型以表流和潜流湿地为主。对于上游存在村庄、企业、选矿厂等重点污染源、污染相对较重的支流，布置以潜流湿地为核心的人工湿地，在湿地上下游设置表流湿地，进行预处理和水质再提升。对于上游以农业面源为主、污染相对较轻的支流，布置以表流湿地为核心的人工湿地，合理优化工程设计，减少运行期管护压力。所有人工湿地均根据支流口的土地条件，尽量选择旁路净化湿地，以利于行洪，同时确保湿地工程自身安全。湿地群布置共计17处，设计总处理规模4.35万m3/d，其中以潜流湿地为核心的强化型湿地4 处，设计处理规模1.85 万m3/d；以改造支流河滩地为主的普通型表流湿地13处，设计处理规模2.5万m3/d。湿地群设计特性统计，详见表1。

表1 黎河湿地群特性统计

4 湿地单体设计方法

4.1 外界条件

以某污染较重支流为例，简述单体湿地的设计过程。该支流位于黎河中游，主要污染源为上游采矿厂选矿废水，污染物以悬浮物（SS）、总磷、总氮为主，间歇性排放，水量较小，不易形成连续径流。支流输入干流的污染集中于汛期前后，随雨水进入河道。受两岸选矿厂污水排放及降雨的共同影响，流量波动较大。2009、2010 年水质水量实测结果，详见表2—3。

表2 某支流实测水质数据 mg/L

表3 某支流实测水量数据

4.2 工艺设计

根据该支流水质水量特征，结合现场地形，设计采用河滩地表流+预处理沉砂池+潜流湿地复合型工艺，如图4所示。

图4 某支流口湿地工艺流程

4.3 控制参数

控制参数主要为潜流湿地设计进出水条件，选取悬浮物和总磷2 种主要污染物进行控制，控制值参照水质实测结果并考虑适度水质波动，确定湿地工程进出水指标为：进水SS≤1 500 mg/L、TP≤0.6 mg/L；出水SS≤150 mg/L、TP≤0.3 mg/L。由于支流流量波动较大，因此湿地设计处理规模分2个时段考虑：非汛期处理日常流量和汛期处理重污染水头。由于日常水量远小于汛期重污染水头量，因此潜流湿地规模按汛期日径流量的10%确定，取3 200 m3/d。

4.4 潜流湿地设计面积

污染物去除率采用Monod动力学模型，方程如下：

式中：RR为规范化去除率；Ci、C0分别为系统的进水浓度和出水浓度（g/m3）；Q 为处理日径流量（m3）；K0.A为零阶面积去除率常数[g/（m2·d）]；A 为潜流湿地处理单元的有效面积（m2）。

当湿地系统实际处理日径流量高于最佳处理流量时，RRmax=1。此时湿地的理论最佳处理面积为：

人工湿地去除率与湿地系统的结构、地理位置、气候、植物和微生物等多种因素有关，不同工况下面积去除率常数K0.A是不一样的。这里工程去除率常数取值为：K0.A（TP）=0.40 g/（m2·d），同时用COD 及TN 去除率常数对湿地设计面积进行复核，去除率常数取值分别为：K0.A（COD）=25 g/（m2·d）、K0.A（TN）=7.0 g/（m2·d）。根据上述模型及参数计算，考虑工程水质安全及地形因素，该湿地设计面积取5 000 m2。

4.5 填料体水力学计算

为了减轻人工湿地运行期维护成本和管理压力，湿地进出水采用重力自流方案，湿地设计为复合水平潜流湿地，填料体中水流以水平渗流为主，兼有垂直渗流。水力学计算采用达西定律，计算结果详见表4。

表4 湿地水力计算结果

计算结果显示当潜流湿地填料体进出口水头差为0.05 m 时，可安全运行。从工程实际及地形条件角度考虑，设计进出水头差取0.10 m。

4.6 管道水力学计算

除湿地填料体外，水从河道自流入沉砂池，经布水管道进入湿地，再由集水出水管道返回河道，整个湿地系统管道水力学计算公式为：

式中：hf为水头损失（m）；λ为摩阻系数(无量纲)；dj为管道计算内径（m）；υ 为平均水流速度（m/s）；g 为重力加速度（m/s2）。

简化经验公式为：

式中：Q为流量（m3/s）；其余变量含义同上。

采用简化公式计算湿地各单元间管道水头损失，结果详见表5。

表5 各管段水头损失值

上述计算结果为各单元最低高差，为保证工程有效运行，同时工程区地形条件较好，因此扩大各单元间设计高差。确定沉砂池与拦污控制坝堰上水头差为0.10 m，潜流湿地水面与沉砂池水头差为0.20 m，潜流湿地出水与地表水常水位水头差为0.20 m。

5 湿地群效益及讨论

黎河湿地群建成后，第三方监测机构对工程效果进行了实测。以上述某支流湿地为例，湿地正常运行后，共进行了7次监测，监测结果数据统计分析详见表6。

表6 某支流口湿地实测均值及分析 mg/L

实测结果表明，在监测期间实际运行的某支流湿地总磷和悬浮物均可满足设计要求。实测指标中SS和NH3-N 处理效果显著，削减率高于80%；COD处理效果和TP基本一致，削减率大于30%；TN处理能力不足。湿地群其他强化型湿地运行效果与该支流湿地基本一致，其余表流湿地对SS的削减作用亦较为明显，但对有机污染物去除效果普遍低于强化型湿地。

建成后的评估监测均在9月，由于监测周期较短，监测结果尚不足以全面反映人工湿地的运行状况。比如在北方的初春和深秋2个季节，容易形成小强度降雨，产生污染径流，此时气温一般低于10℃，不利于植物和微生物生长，人工湿地的削减能力主要体现在悬浮物上，对氮磷的削减能力很难达到设计要求。

6 结语

黎河人工湿地群属于国内较早运用湿地技术对河道水环境进行治理的工程实例，近年来黎河乃至引滦全线以保护水质为核心的综合治理工程仍在持续进行中。在当时的经济、社会等条件下，选择在河道沿线支流口建设人工湿地群，是一种科学可行的技术手段。尽管该湿地群处理总氮的能力不足，但海河流域同时期工程类比表明，人工湿地技术去除总氮始终是一道难题。实践证明，人工湿地技术去除悬浮物、氨氮、总磷的处理效果较为明显，投资费效比高，施工难度小，后期运行管护压力较小。同时人工湿地属自然自净技术，有利于河道生态修复和水环境的提升。近年来，随着人工湿地在地表水体治理中的大量应用，新的工艺层出不穷。黎河沿线已建成的湿地群可运用新技术新理念进行提升，从而充分发挥保障引滦输水安全的作用。