小型河流水生态环境修复技术研究与实践

张凤英

（河北省水利工程局集团有限公司，石家庄 050000）

1 问题的提出

河北省中部地区， 特别是太行山东麓与平原交界区域的滏阳河、唐河及界河、府河、漕河、瀑河的上游区域支流分散，小型河流密布，各河汇流面积非常有限， 自然状态下， 天然径流难以维持河道全年有水， 大多呈现为季节性河流。 除非承接城镇排水任务，才能勉强维持，但部分河流水质差、水生态环境堪忧，顺平县七节河就是其中之一。七节河上游入流很少，主要承接县城污水处理厂尾水，入流污水污物及河道多年沉积污泥，再加上两岸污物作用，河道下游出境所设监测断面，每年水质均不达标。小型河流的水生态环境问题， 直接关系当地群众的生活品质与质量， 改善小型河流水生态环境是当地目前发展的重要任务之一。为此，小型河流水生态环境修复技术，成为水利和环保工作人员关注的重要课题。

2 小型河流水生态环境问题和特征

河北省中部区域两河上游小型河流众多， 水流分散，大多处于洼地上游。顺平县七节河特点是汇水面积小、基流少，呈现季节性河流特征，承担周边城镇排水任务，水质相对较差，易于淤积，河岸不规则，环境状况不理想，水生态难以持续。 其特点如下：

2.1 水源匮乏、补给量少

发源于太行山东麓迎风坡的各条支流， 大多源短流急，坡度大。 罕见的洪水年份，汛期水流陡涨陡降；多数干旱年份，水源匮乏。 究其原因是由自然气候、地形条件所决定。 该区属于半干旱半湿润地区，年均降雨量仅550mm， 并且70%～80%分布在6—9月份，非汛期均为干旱季，季节性特征十分明显。 小型河流汇水面积小， 由降雨产生的水资源量本身就非常有限；再加上河流没有发育至背风坡的地形条件，河道基流很少，地下水与地表水之间的转换关系，很少出现地下水补给河流的现象。补给量少，是河流生态环境不能持续良好的短板。

2.2 承担城镇排水任务

小型河流作为周边城镇排水河道的情况较普遍。 一方面，能够承接排水任务的河道，可以增加部分水源，不至于经常干涸裸露河床，使之维持河流最基本的流动状态；另一方面，补给水源的质量往往堪忧，特别是城镇废污水，可能会威胁河流生态环境。目前承接城镇废污水排放任务的河流是开展水生态环境治理所关注的主要因素。

2.3 无控下泄、淤积严重

由于河流发源于山区迎风坡，河长自然很短，纵坡相对较陡，不通过闸、坝控制，一般形不成水面；即便有城镇排水水源补给， 干旱季节也很难形成常年水面， 只有低洼区域存留部分河水形成散落分布的局部水面，水生态状况不佳；补给水源往往携带部分污染物，形成河道淤积，部分河段甚至堵塞。

2.4 岸坡失控、垃圾入河

小型河流周边凡有村庄， 时有河岸堆积生活垃圾， 不仅严重影响河道景观， 还有部分垃圾进入河道，是严重的河道污染源。 未经治理的河道，河道不规则，岸坡坍塌、杂草丛生，环境状况不理想，水生态难以持续。

3 小型河流水生态环境修复技术研究

水生态环境修复技术，就是针对以上问题，结合河流的具体特征， 优化布置各类设施， 有效降解污物、控制水流、维持水面、增强景观，构成整体修复方案，自上而下逐级运作，综合发挥作用，实现水质达标、景色优美、保持生态良性循环的效果。

3.1 修复技术及设施布置原则

小型河流水生态修复需要控制污染源、 降解河水污染物、 维持河道水面、 改善岸坡景观等各类措施。 各类设施配置比例、布置方位、建设规模及运用方式的确定，是修复技术所要解决的核心问题，水生态环境修复效果是衡量修复技术的标准。为此，小型河流水生态环境修复对各类设施的采纳， 以及各类设施在河道不同位置的分配布局，宜遵循如下原则：

3.1.1 治理与修复紧密结合原则

小型河流的防洪标准大多不高， 普遍存在河道治理缺失现象。 水生态环境修复最好能与河道治理结合实施，严格避免各行其是。

3.1.2 保持河道基本功能原则

在确保河道防洪、供水等基本功能的前提下，布置具有维持水生态环境功能、促进水质净化、改善河流景观的各类工程设施。

3.1.3 注重实用性和经济性原则

紧密结合周边区域地形地貌、 水源条件及群众发展需求，注重与河道沿线的整体风貌相协调，以自然修复为主、人工修复为辅，采纳实用性强、经济性相对较优的修复措施。

3.1.4 具备科学性和适应性原则

面对河流水量、水深、流速及河道断面形态、地质等众多影响因素，需综合分析，归纳提炼，慎重选用，保障总体布局的科学合理性，并适应河道不同特征，创建健康的河道生境条件。

3.1.5 突出河道自然属性原则

充分借助河流自净和生态自我修复能力， 严格控制入流污染物和岸坡固态污染物入河， 为河道提供自然属性环境，促进河道生态系统健康良性发展。

3.2 水生态环境修复核心技术设施

河流水生态环境修复，必须建设部分设施，使之实现控制水流、降解污染物、增强景观效果等。 在此基础上， 还要针对集体情况实施部分工程措施，例如，对已经淤积严重的河道，实施清淤疏浚措施。 效果相对突出的设施及其功能如下：

3.2.1 稳定塘

稳定塘又称氧化塘， 是一种天然的或经过人工修整的有机废水处理池塘。 河道周边如果具备一些废旧坑塘或具有相对宽阔的河道， 可以利用荒废的河道、河滩或河槽来建设稳定塘。

稳定塘是以太阳能为初始能量通过塘中种植水生植物形成人工生态系统， 在日光辐射提供的初始能量推动下， 通过稳定塘中的多条食物链的物质转移、转化和能量的逐级传递、转化，将进入塘水中的有机污染物进行降解和转化。

稳定塘的设计规模，即面积的大小，按所需处理负荷确定，面积规模与入流水量、入出水污染物浓度的关系，按下式计算：

式中 NA为污染物面积负荷［g/（m2·d）］；Q为稳定塘污水设计处理流量（m3/d）；S0为进水污染物浓度（g/m3）；S1为出水污染物浓度（g/m3）；A为稳定塘表面积（m2）。

稳定塘在河流水生态环境修复项目中， 布置的位置、规模大小、数量等，需紧密与河流自然地形来布置，还要重点考虑河流对稳定塘出水水质的要求。

3.2.2 人工湿地

人工湿地是人工建造和控制运行的地面， 与自然湿地相类似。人工湿地是综合生态系统，应用生态系统中物种共生、 物质循环再生原理， 增加水体活性。湿地植物能为水体输送氧气，对降解有害物质具有重要作用。

人工湿地的生态修复原理与功能： 通过控制性工程，将低质水流导向人工湿地，水流沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对低质水流中的污物进行降解处理， 同时结合生物的物质循环和能量流动体系，构建生物循环体系，完善食物链，塑造水生态系统，实现水生态系统的稳定，提高水系的自我修复、自我净化能力。

人工湿地可分为表流湿地和潜流湿地， 选址要因地制宜，利用河道原有湿地坑塘，连通水系，尽可能避免另外征用土地。 人工湿地的设置需根据来水水质及出水水质要求确定湿地系统的土地面积、设计水力负荷与系统可接受的污染负荷、 土壤渗透率等因素。设计方法主要利用湿地水文学理论，由水量平衡确定处理系统的水力负荷、 停留时间等水力参数，计算所需土地面积和污染物负荷量，同时结合经验数据进行湿地水力计算。 水力停留时间t、表面有机负荷qos表面水力负荷qs采用规范相关公式计算，之后进一步推求所需湿地面积。

3.2.3 生物措施

为了实现稳定塘或人工湿地对污染物降解的效果，无论是稳定塘还是人工湿地，都要配合栽培相应的水生植物，采取不同的生物措施。 不同水深区域，栽培不同品种，如：常用的挺水植物有芦苇、香蒲、荷花、菖蒲、菱白、黄菖蒲、灯心草、水葱、鸢尾、慈姑、千屈菜、风车草等；常用的浮水植物有睡莲、浮萍、菱等；沉水植物常用狐尾藻、金鱼藻、苦草等。

3.3 水生态环境修复技术附属设施

稳定塘和人工湿地措施是河流水生态环境修复技术的核心内容，为使核心技术措施收到实效，必须同时配合实施附属措施。 最为典型的附属设施就是水流控导设施，保证稳定塘、人工湿地保持要求的水深。 另外，还有护岸工程和清淤疏浚工程，其作用和功能各不相同，配合使用，可以收到良好效果。

3.3.1 控水设施

稳定塘和人工湿地都需要对进水和退水水流加以控制，特别是退水水流，不加控制自然下泄，难以实现要求的停留时间和稳定塘人工湿地的持水深度，污染物降解程度受到影响，也容易出现现实生活中的河槽河滩干涸现象；控制水流下泄，是保证河道维持水面景观的有效措施。

控水设施除了稳定塘、 人工湿地的周边堤埝以外，最主要的是河槽河滩截流设施，即在深水河槽和滩地修建挡水工程，抑制河水快速下泄，保持河道水面，维持滩槽所要求的水深。

控水设施包括水坝，如橡胶坝、堆石坝、滚水坝等；水闸，如平板节制闸、翻板闸、叠梁闸等。 可以根据地形地貌等自然条件，结合防洪排涝功能，具体选择不同类型。

3.3.2 护岸与清淤

护岸与清淤是水生态环境修复工作中不可或缺的措施。河流从村镇附近流过，往往出现垃圾堆放现象，汛期难免有部分垃圾冲入河道，污染河流；还有河岸坍塌也时有发生。承接乡镇废污水的河道，多数存在淤积现象，淤积底泥污染物组成复杂，遇汛期来水，冲泛底泥二次污染河水。 针对以上现象，在实施水生态环境修复工程之前， 应首先实施清淤和护岸工程，使现存河底污染物得到清除，岸上污染源得到清理和有效控制。

河道清淤要针对底泥污染物的有机或无机性质含量，决定其再利用方向或堆放掩埋处置等。岸坡保护需针对其陡缓程度，采取不同措施。陡坡以硬质材料护砌，确保岸坡稳定；缓坡实施种草植树等生物措施。 局部可以增加部分亲水平台， 增强河道景观色彩，为群众亲水提供条件。

综上所述，水生态环境修复技术，就是将以上不同设施沿河进行布置，自上而下，一级接一级、一环套一环，出入有序，逐级降解河水污染物，改良水质，增强河流生态功能。以河流自然形态、入流水质为约束边界条件，以出流水质要求为目标，关键确定不同设施的数量、 沿河布置结构和各类设施规模及各类设施之间的衔接方式。

4 七节河水生态环境修复实践

界河支流七节河发源于顺平县甘城村西，河长10.4km，其中山区河长仅2.9km，纵坡24.6%；平原区河道长7.5km， 河道纵坡1∶1000。 七节河流域面积56km2，一般年份山区来水很少，主要承接县城处理规模4万m3/d的清源污水处理厂尾水。该厂主要收集顺平县城区生活污水及部分工业废水， 经处理后，尾水排放COD浓度≤30mg/L， 氨氮浓度≤1.5mg/L，总磷浓度≤0.3mg/L，BOD浓度≤6mg/L。七节河除了污水厂尾水，还存在内外两种污染源。 外源污染，包括两岸垃圾、雨季溢流、沿线居民生活污水直排、企业污水偷排、农田污染等；内源污染主要是底泥返溶影响，底泥稍有搅动，返溶于水体，持续污染。 据河道下游出口断面子城村2019年、2020年实地采样检测， 每年除了2—3月的部分时段水质基本达标，其余时间都达不到IV类水标准。

为此，决定对七节河实施水生态环境修复治理。

本次对七节河水生态环境修复治理提出的目标是：确保七节河全年出境（顺平—满城）水质COD、氨氮、总磷稳定达到IV类水质标准，并持续改善七节河的水生态环境，提升河道水质。

七节河水生态环境修复治理， 在实施河道全线清淤外运底泥、 局部护坡、 两岸生物措施植草前提下，结合河道特征，在中下游，自上而下逐级设置稳定塘、人工湿地，并配合植物栽培生物措施。 具体布置如下：

从污水处理厂尾水入河处，到下游县界，河道长度约8.6km，河宽10～120m。 首先，河道存在一段宽阔地形，利用该宽阔段，设置1处稳定塘，位于河道K4+159～K4+375段，占用河长114m，可以形成水面面积1.07万m2。 其次，在稳定塘下游，距离1km设置2处人工湿地， 其中1处表流湿地， 位于河道K5+525～K7+253段，占用河道滩地长度1728m，面积7.14万m2；另1处潜流湿地， 位于河道K7+523～K7+976段的南侧滩地，占用河长453m，潜流湿地面积3.2万m2。

为使稳定塘和人工湿地具备所需要水深， 并形成河流水面景观，在潜流湿地上游，增建了水流节制闸工程。考虑生态修复与河道排涝功能的结合，在多种闸坝种类中，推荐采用了翻板闸，枯水期立闸板挡水，汛期翻板排涝。

七节河水生态环境修复技术的应用， 以植物栽培方式增强河道自然属性，促进河道自然修复能力，在此基础上，形成了由稳定塘、表流湿地和潜流湿地共同组成的人工修复系统， 人工设施占河道总长的25%左右。 带有水生植物的河道长度占70%以上，在翻板闸节制作用下，保持河道常年水面10.23万m2。污水处理厂尾水进入河道后，流入稳定塘，经天然河道连接继续进入人工湿地二次降解， 最终进入潜流湿地，渗出水流出县境。 这样，依次经过多次自然降解和人工降解水中污物，达到改善水质的目的。

5 结语

通过理论测算， 以上项目实施的综合效果达到了预期，即排入下游洼地的污染物进一步减少，实现COD年削减量156.9t，氨氮年削减量9.48t、总磷年削减量1.51t。 该项目已于2021年秋建设完成，至今，下游出境监测断面数据显示，水质各类指标正常，均已达到预期要求；水生态环境修复实际效果初见成效，未来结果有待继续监测。