北方低温地区湿地如何强化净化功能？永定河八号桥仿自然湿地构建技术实践

3月31日，总书记在杭州西溪国家湿地公园考察时表示，湿地是地球之肾，湿地开发要以生态保护为主。要让湿地公园成为人民群众共享的绿意空间。

近年来，湿地以其强大的水质净化、生态修复、景观提升功能，越来越被世界各国作为特殊的功能区加以保护、开发和利用，自然湿地如此，人类近年来亦更加注重人工湿地在生态建设工程中的应用。在生态文明作为国家发展战略的中国，湿地保护和建设，无论从立法层面还是技术层面，都达到了一个新的高度。

在京津冀协同发展规划的先行示范流域永定河生态廊道建设中，八号桥仿自然人工湿地的构建，从技术上再一次实现了北方低温地区湿地的强化净化功能。日前，在JIEI研究院参与主办的“走进水专项”系列线上研讨会上，北京市水利规划设计研究院生态环境所所长王利军从承担的国家“十三五”水专项独立课题示范工程设计角度，系统阐述了永定河上游八号桥低温仿自然水质强化净化湿地构建技术。

建设地点及研究内容

官厅水库八号桥水质净化湿地工程位于河北省怀来县，永定河入官厅水库口，大秦铁路~八号桥水文站下游3.5km河道滩地，工程占地范围全部位于官厅水库479高程以内管理范围，因丰沙铁路八号桥位于工程范围内，故得名。

国家“十三五”重大水专项“妫水河世园会及冬奥会水质保障与流域生态修复技术和示范”课题依托本工程开展北方低温地区仿自然水质强化净化湿地构建技术研究，主要研究内容有：

• 在保证汛期行洪安全的前提下，如何实现湿地出水水质达标；

• 冬季低温条件下，如何保障湿地的高效稳定运行；

• 在无动力消耗、无化学药剂投加的前提下，如何实现N、P等富营养物质的高效去除。

建设规模与水质目标

1. 建设规模与水力参数设计

根据多年实测数据，永定河平均来水流量为3.24 m3/s，保证率为36.7%，按照适度原则，确定工程的规模为3.0m3/s。

2. 湿地进出水水质设计

湿地进水水质为八号桥水文站上游永定河河水，根据官厅水库八号桥水文站水质监测数据，现状水质为Ⅴ类（主要超标指标为TN和TP），项目建设期间上游来水水质状况如图2所示。

图2 项目建设期上游来水水质状况

结合上游来水水质现状及项目阶段任务需求，确定本工程湿地处理出水主要控制指标pH、COD、BOD5、NH3-N、TP应达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准的相关需求。

功能区划与工艺流程

依照项目区域现状格局，因地制宜地进行功能区划：整个项目建设区沿河道分布，地势平缓；河道主槽与大秦铁路、沙蔚铁路、八号公路桥、丰沙铁路将整个场区分割为十个区域；为充分实现区域土地资源，最大限度地发挥湿地的净化效率，确保湿地最终出水稳定达标，本工程将十个区域进行了优化组合，形成了“既有内部串联，又整体并联”的湿地网络。如图3所示。

图3 湿地系统工艺流程框图

根据空间分布，将整个湿地网络划分为预处理区、主处理区以及深度处理区三个功能分区：其中“左一区+左二区”、“右一区+右二区”分别为左岸、右岸的两个预处理区；“左三区”、“右三区”分别为左岸、右岸的两个主处理区；“右四区”为整个系统的深度处理区。

湿地形式与设计工法

1. 湿地形式

本工程在秉承自然生态的理念下，充分利用滩地空间及地形条件，参照人工湿地的设计要点，同时结合溪流、生态塘、表流湿地、潜流湿地的功能特性进行优势互补，致力于构建一套集水质保障、生态修复及景观建设为一体的高标准水质保障仿自然湿地技术：预处理区（“左一区+左二区”、“右一区+右二区”）通过模拟天然湿地的形态特征，构建以漫流式表流湿地为主的溪流特征湿地，有效占地面积35.2万m2；主处理区（“左三区”、“右三区”）充分利用内部特有的田埂分割以及周边环境形态，打造既具有岛屿形态、又具有湿地功能的岛屿滩涂特征湿地，有效占地面积48.8万m2；深度处理区（“右四区”）采取对现状坑塘进行修整形成生物稳定塘，并在其下游建造标准尺寸为200m×60 m的湿地单元，同时项目结合右四区地势较高的特点，设置拦水闸，雍高永定河水水位向生物稳定塘补水，可充分发挥生物稳定塘的水量调节、自然沉淀以及生物净化作用，生物稳定塘出水依靠重力对下游的单元湿地进行均匀配水，深度处理区共建有生物稳定塘面积14.7万m2、单元湿地面积47.4万m2。

2. 设计工法与关键技术

（1）如何有效化解湿地水质净化与汛期行洪影响的矛盾冲突？

本工程在充分考虑建设用地位于河道沿岸滩地、汛期上游来水瞬时流量及冲击负荷大、且悬浮物浓度高的特点，不进行大规模的潜流湿地建设，而是因地制宜地进行预处理、主处理以及深度处理的功能分区建设。

其中，预处理区、主处理区的湿地形式主要为漫流式表流湿地，能够适应上游来水的水质水量波动，如遇汛期洪水，可进行漫水过流，待洪水过后自行恢复运行，同时漫流式表流湿地可充分发挥自然沉淀以及生物净化作用，实现对上游来水中悬浮杂质的有效去除，为下游深度处理区的正常运行创造条件；项目结合深度处理区的地理以及地形优势，在局部区域增设潜流湿地进行工程示范，一方面汛期上游来水经过前端预处理、主处理的缓冲、消能作用后，对深度处理区的冲击负荷已降到很低，另一方面深度处理区的地理位置相对较高，通过人工强化，在一定程度上能够抵御汛期洪水冲击破坏作用。

（2）如何应对冬季低温条件对湿地微生物代谢活性的不利影响，确保湿地的高效稳定运行？

常规条件下，造成湿地冬季运行出水水质较夏季运行略差的根本原因是冬季湿地植物处于休眠期、微生物代谢活性下降，但可通过采取一定的技术措施进行弥补，确保湿地出水水质达标。

1）水位调控（抬高水位，冰下运行）

在冬季封冻前，抬高湿地出水闸门，对湿地进行高水位运行，直至冰冻期形成冰盖，再进行冰盖下低水位运行；在此基础上，可将收割后的湿地植物对冰盖进行覆盖处理，可起到良好的隔热保温作用，尤其是降雪过后，植物表层覆盖有大量的积雪更有助于提高冰盖下部生态系统的环境温度，可将微生物的代谢活性稳定在较高程度。

2）菌群筛选

低温会抑制微生物的代谢活性：在温度低于15℃的条件下，硝化细菌、反硝化细菌的代谢速率明显降低，当温度低于5℃时，硝化细菌的生长几乎停止，即低温可以通过降低硝化细菌、反硝化细菌的代谢活性，影响到湿地系统的脱氮效果。

为最大限度地降低低温对微生物代谢活性的影响，可通过人工强化、筛选出具有耐低温、宜附着的微生物菌剂，在低温（15℃以下）条件下，投加、并将其快速附着到湿地系统的土壤颗粒、植物根际以及填料基质表面，形成优势菌群，实现对低温条件下含氮污染物的有效去除。

3）填料优化

湿地填料是湿地生态系统构建所必备的物质条件，一方面为湿地植物根系的着床、湿地微生物的生长提供场所，另一方面可发挥对污水中各类污染物质的物理吸附以及离子交换等净化功能，为此，湿地填料的好坏直接决定了湿地净水功能的优劣。

在潜流湿地设计中，可在湿地表层优先搭配一定级配数量的珍珠岩、火山岩等基质材料，一方面可依赖珍珠岩、火山岩所具有的粗糙多孔、比表面积大、挂膜速度迅速等特点，提高湿地系统的微生物总量；另一方面还可发挥填料本身所具有的保温、隔热性能，将湿地系统内部的环境温度维持在较高水平，以最大限度地发挥湿地微生物的代谢强度、提高污染物去除效果。

（3）两大关键技术，快速、稳定实现对上游来水N、P物质的有效去除。

1）鱼鳞湿地-强化除磷

在右二区预处理湿地系统的局部区域，借鉴潜流湿地的设计经验，同时结合该地块特有的田埂地形，构建近自然渗滤丁坝，形成水流的折返流动。

鱼鳞湿地可通过区域水流的折返流动，延长上游来水的水力停留时间，同时湿地内部配有水生植物，可发挥截留、过滤和扩大微生物富集空间等多重除磷功效；此外，项目在实施阶段，对鱼鳞湿地的底质土壤进行了优化调整，增加了新型缓释除磷填料，可进一步提高鱼鳞湿地对含磷污染物质的去除能力。

2）复合低温水质强化净化潜流湿地技术-生物脱氮

在右四区深度处理区的部分湿地单元，按照潜流湿地设置要求，增设填料，形成“水平-上升复合流”潜流湿地，并与上游的生物稳定塘、下游的表流湿地相衔接，整体上形成“生物稳定塘+‘水平-上升复合流’潜流湿地+表流湿地”的多技术复合低温水质强化净化潜流湿地技术。

复合低温水质强化净化潜流湿地技术对上游来水中含氮物质的去除过程包括以下几个方面：上游来水中部分硝态氮经过生物稳定塘深水区的反硝化作用，变成N2，溢出水体；大部分氨氮物质经生物稳定塘进入潜流湿地，经过湿地植物根区及填料表面生物膜系统的硝化作用，转化为硝酸盐，随水体进入下游的表流湿地，在表流湿地深水区发生反硝化作用，变成N2，溢出水体；同时生物稳定塘、潜流湿地、表流湿地内部的湿地植物对水中含氮污染物也具有一定的去除功效；本系统优先种植具有耐低温性能的湿地植物、投加耐低温、宜附着的微生物菌剂，同时在填料表层铺设一层珍珠岩（火山岩），并采取冬季低水位运行、冰盖以上覆植物保温等措施，可最大限度地发挥湿地的脱氮功效。

水质改善效果

截至2019年9月底，主体工程已基本建完，现已进入调试运行阶段：第一处理区尚未通水，第二、三处理区净水规模达到0.5~0.8m3/s（折合4.3-6.9万m3/d），水力负荷为0.05~0.08m3/（m2·d），调试运行期间，湿地污染物去除效果如图7所示。

八号桥湿地工程污染物去除效果分析

水质改善效果分析：调试运行期间，上游来水中CODCr、NH3-N、TP和TN等主要污染物指标浓度介于地表水Ⅳ~Ⅴ类之间；经仿自然湿地净化处理后，各项指标基本达到优于Ⅳ类标准；八号桥湿地工程对上游来水中CODCr、NH3-N、TP和TN的平均去除率分别达到20.4%、21.58%、47.78%和51.67%，其中N、P去除率均达到了30%的预期效果；低温期（水温低于15℃时）湿地系统持续运行，对N、P平均去除率分别达到了52%、54%，取得了显著的污染物去除效果。

结语

本工程结合国家“十三五”重大水专项“妫水河世园会及冬奥会水质保障与流域生态修复技术和示范”课题，开展低温仿自然水质强化净化湿地构建技术研究，因地制宜地进行预处理、主处理以及深度处理功能分区建设，其中，预处理、主处理以漫流式表流湿地为主，仅在深度处理区的局部区域增设潜流湿地进行工程示范，预处理、主处理可实现对汛期上游来水的消能，最大限度地将潜流湿地的受冲击负荷降到最低，有效化解了湿地水质净化与汛期行洪影响的矛盾冲突；同时项目着力研究了鱼鳞湿地、多技术复合低温水质强化净化潜流湿地技术两大关键技术，并通过采取水位调控、菌群筛选、填料优化等多重技术手段，成功破解了低温条件对湿地污染物去除能力的不利影响，并取得了显著水质净化效果，具有很好的示范作用。