白洋淀入淀河道的生态治理措施及效果
——以孝义河为例

张 艳，唐 乐，阮龙燕

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510635；2.上海水源地建设发展有限公司，上海 201900)

1 概述

白洋淀是华北地区最大的淡水湖泊和最重要的蓄滞洪区，目前面临入淀水量日益减少、污染日渐加重、生态环境日益恶化的危机，建设雄安新区必将白洋淀水治理及生态修复作为治理水环境、生态环境问题的突破口。

以往大量学者针对白洋淀区水环境质量评估开展了系列的工作，但是对入淀河流关注相对较少，仅有的研究也主要集中在府河[1]。雄安新区成立以来，对入淀河流的治理变得愈发迫切，社会各界对入淀河道现状及生态治理思路进行了大量分析研讨，白洋淀水专项以白洋淀水环境安全保障与水生态功能恢复为主要目标，进行了入淀湿地水环境治理与水生态恢复技术集成，提出了北方典型草型湖泊(白洋淀)生态修复策略；基于现有研究成果和探讨，目前对入淀河道的生态治理策略集中在生态清淤、活水循环、原位治理、生态修复等，既有研究成果大都以实现水体自净作为治理的关键，但仍需要具体的实践案例来进行理论支撑，并丰富其治理体系[2]。

本研究针对孝义河流域的大量分析研判，开展应用研究，在孝义河雄安新区段(丰收桥～思乡桥)设置生态治理示范段，以恢复水体的自净能力，强调流域自我修复为主要治理思路，构建“底泥治理+原位修复+生态修复+水动力提升+面源污染控制”的生态治理体系，以孝义河雄安新区段生态治理措施的构建及项目实施前后的效果对比两个方面为切入点，开展入淀河道的生态治理应用研究，可为今后入淀河流的生态治理提供参考。

2 项目概况

孝义河作为白洋淀“九河下梢”之一，是入淀河流中3条“有水河流”之一，流经五县一市，在高阳入安新马棚淀至白洋淀，由于孝义河流经城市污水或中水河道系统，河道来水以流域污水处理厂尾水为主，污水厂尾水占多年平均入淀水量的80%以上，是白洋淀上游污染源的主要入淀渠道[13]，水体污染较重。河流污染源主要来源于安国、博野、蠡县和高阳县，9座污水处理厂尾水排入河道，排放量约为21万m3/d，城镇污水处理厂污水占孝义河年入河污水量的96%。

现状水质数据表明，孝义河干流的蒲口、郝关坝断面长期处于Ⅴ类和劣Ⅴ类之间，主要超标水质指标为COD、氨氮、总磷等，其中，COD最大超标倍数为0.84，氨氮最大超标倍数为0.89，总磷最大超标倍数为2.03。总磷超标最为严重，直接威胁淀区水质。

2019年9月，项目对孝义河雄安新区段7个典型断面进行加密水质采样((项目地理位置见图1所示，水质监测点位分布见图2所示)。监测结果显示，水质总体为劣Ⅴ类。主要超标因子为总氮、总磷。空间上，各项指标总体变化不明显。丰收桥附近总磷相对于地表Ⅳ类水要求，超标0.03倍；总氮超地表Ⅴ类水标准0.45倍。

图1 项目地理位置示意

图2 孝义河水质监测点位示意(2019年9月)

3 污染成因分析

经过对该河段的长期调研跟踪，发现孝义河主要污染成因有城镇污水处理厂尾水、工业企业排放废水、未纳入管网的城镇生活污水、农村生活污水、农业面源、养殖面源等。

1)上游污染——孝义河新区段上游污染以城镇污水处理厂尾水为主，还有少量农业面源、上游养殖面源污染等。

2)农业面源污染——孝义河新区段沿岸土地利用以农业用地为主，产业类型以种植业为主，局部分布有养殖业。在农业生产过程中，化肥、养料的使用、以及养殖废水、粪便的排放，随自然地形汇集或通过地表径流冲刷、携带进入孝义河，对水质产生污染。

3)生活污水排放——孝义河新区段居民点集中分布在河道下游的同口镇，部分村庄尚未开展污水集中收集处理整治。另外，村庄垃圾堆放点，没有设置防渗设施，对周边水环境有一定影响。

4)内源污染——孝义河长期承接流域内污水、尾水、雨水等的汇入，部分污染物通过沉淀、吸附等富集于河道底泥内部。经计算，底泥污染物向河道的释放量：COD释放量为2.52 t/a，氨氮释放量为0.17 t/a，总氮释放量为2.04 t/a，总磷释放量为0.19 t/a。

4 生态治理措施论证

根据孝义河的污染成因分析，制定了靶向解决孝义河水生态环境问题的生态治理措施(见图3)。为实现恢复水体自净能力，强调流域自我修复的目标，在孝义河项目的工程实践中，对生态治理措施的拟定以削减孝义河河口污染物、提升入淀水质、增强水动力为主，兼顾恢复白洋淀区域生态环境。结合河道现状水生态问题，生态修复措施除要保证河道上游来水水质不恶化外，也要恢复入淀口河流水生动植物群落，增强河道水生态系统功能。为此，针对性地提出了如下措施：

图3 孝义河生态治理方案架构示意

1)面源污染控制：本项目与孝义河河口湿地水质净化、马棚淀退耕还淀生态湿地恢复有机结合，全面实施退耕还淀，清退淀区内的油田，从源头清退污染排口，削减农业面源，保障污染物不入河。

2)生态护岸：结合河道现状条件、工程措施可实施性和自然生态系统的需求，孝义河生态护岸措施主要有河心洲、滩地、生态木桩、生态巨石。在对河心洲和滩地清淤的同时依据地形进行塑造，以此恢复经过清淤后河涌现状生态系统产生的破坏和扰动。

3)植物群落修复：微生物技术、生物载体可有效提升河道水质，本项目治理河道位于白洋淀入淀口处，与白洋淀有着重要的水力联系，白洋淀内微生物富集且为当地菌种，去污等能力较强，因此，可通过构建稳定的水生动植物系统，逐渐富集微生物。

4)底栖动物修复：孝义河新区段河道底泥长期污染，底栖动物数量减少且底质生境受损，河道沿线水生植物群落失衡且单一，通过水生动植物群落构建，逐渐形成健康稳定的“浮游动物—水下森林—水生动物—微生物群落”立体共生系统。

5)水动力提升：针对盲肠段及坑塘处水体水动力不足，水体易发生富营养化区域，首先选用深潭浅滩构建技术并结合底泥、水质微生物原位修复技术，创造良好的基底环境，同时借助人工动力技术提高河道水体水动力，增加水体溶解氧，节点内搭配“挺水—浮叶—沉水”多种水生植物，可有效吸收河道污染物及提升河道水生态。

6)内源污染控制：现状孝义河河道底泥淤积厚度为0.2～0.8 m，有机质、全氮、全磷超标严重。通过污染底泥治理和底泥原位修复，清除河道内源污染，同时通过适当的处理措施，使底泥有效二次利用，保证污染不外溢，实现资源化改造。

5 生态治理措施

5.1 内源污染控制措施

1)污染底泥治理：为全面消除底泥内源污染，在项目中结合下垫面和底泥污染情况，因地制宜采用底泥清淤措施，用沉积学法初判底泥深度，进行底泥污染监测及环保勘探实施全柱状采样，采样底面进入正常层(C层)以下，并进行分层指标分析和化验。结合化验成果，项目选择环保绞吸船、土工管袋等不同的施工工艺，通过实施污染底泥清淤+底泥输送+底泥脱水+底泥资源化利用等一系列工艺(见图4)，实现环保清淤，彻底消除黑臭底泥内源污染。

图4 孝义河污染底泥治理工艺流程示意

2)原位修复：对于油气管线等无法实施异位修复的区段，在管线穿越处的污染底泥治理采用原位修复技术。

根据现场实际情况及调研，结合底泥分析的结果，投加特殊工艺培育的有效微生物菌群，共投放4个类型：底泥分解型菌剂、泥皮消减型菌剂、絮凝型菌剂、水质调节型菌剂，各类菌群中的有益微生物经固氮、光合等一系列分解合成作用，可增加水中的溶解氧，降低底泥氨、硫化氢等有毒物质的含量，最终达到净化底泥的目的。

微生物菌群按照2 kg/m2的设计量，按施工时段、定量人工均匀泼洒至水体中，一般调至80～100 ppm浓度投加，一日投加1～2次，每次约30 min；生物质碳填料设计参数为1块/m2，高效微生物设计参数为2 kg/m2。两处待治理石油管线区合计水域面积为3 000 m2，投加总工程量见表1。

表1 原位修复设计工程量清单

3)效果分析：整体而言，施工完成后，底泥的总氮相比施工前有所降低，总磷与施工前基本持平，但均处于较低水平，底泥有机质均呈现不同程度降低。结果表明，河道内的表层淤积物在施工过程中得到了一定程度的去除。

5.2 生态修复措施

1)生态护岸措施：结合河道现状条件、生态措施可实施性和自然生态系统的需求，孝义河生态护岸修复的措施主要有河心洲、滩地、生态木桩、生态巨石、挺水植物。

2)植物措施：根据不同河段水深、汛期流速等自然水文条件及河岸边坡、滩地等地形地貌情况，选取去污能力强或适应能力较强的水生植物，构建“挺水植物～浮叶植物～沉水植物”多层水生植物系统。

考虑河道汛期 5 年一遇洪水流速约为1.1～1.7 m/s，流速相对较大，对河道边坡有一定的冲刷，考虑水流流速对水生植物的影响，将水生植物种植在抛石护脚及木桩护脚以上的河道岸坡上。其中挺水植物种植在水深0.5 m以内区域；浮叶植物种植在水深0.5～0.8 m范围区域；沉水植物种植在水深0.8～2.0 m范围区域。主要种植芦苇、菖蒲、水葱、荷花、鸢尾、菖蒲等本地挺水物种，轮叶黑藻、金鱼藻、苦草等本地沉水物种。根据相关研究[3]，沉水植被覆盖度超过30%时，才有显著的环境学效应，水质才能得到初步改善；本段初步按照总面积的30%进行沉水植物种植，在有效改善湖泊水质的同时，为多种生物提供生存环境，待后期生态系统稳定后，沉水植物自然蔓延生长。

针对区域种植典型植物物种，通过其靶向去除孝义河污水主要污染因子：氮、磷、BOD5、COD(见表2)。

表2 不同植物的靶向去除污染物种类

3)底栖动物修复措施：根据前期调研，有针对性地适当投放螺类及蚌类等生态系统净化较强的滤食性的双壳类的软体动物，以土著物种为主；并且适当的增加日本沼虾等甲壳类底栖动物的投放，以保证生态系统中各类种群数量的稳定。在工程实施中累积投放水生动物包含环棱螺440 kg、圆田螺352 kg、沼虾256 kg、无齿蚌176 kg，共计1 224 kg。

通过对水生维管植物体系的搭建、以及底栖动物的投放，恢复因底泥污染和工程实施引起的食物链损坏，丰富水生动物多样性。

5.3 水动力提升措施

要实现孝义河水体的全自然化流动，对盲肠段的改造尤为重要。孝义河思乡桥起点下游约4.3 km处(灵觉寺附近)有一长约300 m的断头河，与主河道形成夹角，现状水动力差，为河道的盲肠段。主河道与盲肠段夹角处为三角状坑塘，总面积约为1.37 hm2。考虑此处坑塘及盲肠段水动力条件不好，水体极易富营养化，因此，本工程设计将坑塘作为生态景观节点进行重点打造，在保证水体水质不恶化的同时，提升河道水动力。

1)水系连通方案

水系连通包括两部分内容，坑塘与孝义河河道连通，以及大小坑塘之间连通(盲肠段水系连通及水体地形构造示意见图5、图6)。具体水系方案如下：

图5 孝义河盲肠段水系连通示意

图6 孝义河盲肠段水体地形构造示意

水体由节点东侧河道经生态滤岛进入大坑塘，大坑塘水体由布置在坑塘西南角的抬水泵泵至小坑塘，小坑塘水体通过穿路涵管进入孝义河河道盲肠段。通过水动力提升系统，能够实现盲肠河段、三角坑塘与主河道之间的联通，形成具有稳定流态的水系统，融入主河道。通过水动力提升改变盲肠河段水体不流动的现状，盲肠河段流速可提升至0.12 m2/s，恢复流动性，消除孝义河雄安新区段死水区。

2)曝气增氧

在孝义河盲肠段，因水流不顺，考虑西南角及栈桥处可能存在死角区域，水面布置了8台喷泉曝气设备，可形成水动力循环，确保水域范围内的溶解氧达标(见图7)。

图7 曝气增氧设备在孝义河的应用示意

6 项目实施后效果分析

6.1 水质提升效果

2016年以来孝义河浦口断面水质监测数据表明，孝义河水质常年处于劣V类，夏秋季节水质较差。孝义河项目完工后，总体水质情况稳定，各月平均数据均满足Ⅳ类水质标准。孝义河湿地在2021年下半年逐步成型并发挥效益，水质稳定在Ⅲ类水质。进入2022年，孝义河尾端位置(丰收桥站)水质监测站(见图8)连续多月录得Ⅱ类水质，自2021年1月有长期记录以来，水质稳定向好(水质监测数据见表3)。

表3 2021年1月—2022年4月丰收桥站水质监测数据(月份均值)

图8 孝义河水质监测基础设备示意

6.2 生态环境改善效果

项目实施后，生态多样性恶化得到有效遏制，绝迹多年的芡实、白花菜等多种沉水植物和浮叶植物重现，野生鱼类快速恢复和繁殖，生态环境得到了明显改善。

根据2023年6月生态调查，共鉴定浮游藻类36属(种)，隶属于硅藻门、蓝藻门、绿藻门、裸藻门、隐藻门、甲藻门和金藻门7门。其中，绿藻门藻类在种类组成上占优势，有12属(种)，占33%；绿藻门藻类有10种，各占28%，甲藻门和金藻门种类数最少，仅1种，占比 3%。

通过香农-威纳指数(Shannon Wiener index)计算各调查样点浮游藻类多样性，结果显示各调查样点生物多样性指数变化范围为2.8～3.5，灵觉寺调查样点香农-威纳多样性指数最高为3.5，湿地调查样点香农-威纳多样性指数最低为 2.8(见表4)。根据调查样点生物多样性指数分析，孝义河新区段整体水质清洁。

表4 项目实施前后调查样点浮游植物香农-威纳指数对比

表5 孝义河示范段起、终点分时段水质监测数据对比 mg/L

根据项目实施后的河道生态调查，河道的生态修复效果明显，对比于项目实施前(2020年夏季)生态调查，膳马庙、府河闸和南刘庄调查样点的浮游植物多样性香农-威纳指数都有所不同程度升高，平均升高 24.8%，表明随着工程完工及生态修复措施的实施，河道生境得到改善，水域及周边滨水地带的环境逐渐层次化、多样化，随着生态群落的构建，水下食物链、食物网逐渐完整。

6.3 水体自净效果

通过项目中已实施的在孝义河起点(K2+067桩号)和孝义河终点河道(丰收桥站)布设的常规站监测数据，孝义河出口河道监测设备录得氨氮、溶解氧等数值均小于起点(K2+067桩号)录得的长期数值，表明在孝义河雄安新区段，污染物负荷达标，在该段河道内实现了污染负荷削减，治理后水体能够充分接纳水污染负荷，达到了水体自净。

7 结语

1)采用上述内源污染控制、生态修复、水动力提升等措施进行示范段生态治理后，长期水质监测表明，2021年1月—2022年4月孝义河末端断面出水水质主要指标均不劣于孝义河上游来水断面水质，河道水质从2021年1月份开始基本维持在Ⅳ类水水质标准，达到了项目既定目标；项目实施后，生态环境得到明显改善。

2)治理后，通过对孝义河新区段一头一尾设置的两个水质监测站的数值进行具体分析，孝义河尾端出水COD、氨氮、总磷污染物浓度大幅下降，水质得到显著提升，达到地表IV类水标准；在孝义河河道及淀区湿地段，治理后水体能够充分接纳水污染负荷，实现了水体自净。

3)通过多渠道治污、联合靶向生态措施对孝义河河道进行治理后，在运行期内实现了孝义河河道的自我修复，在少人工干预下，河道水质和生态环境在近几年得到了初步改善，其成果可为今后入淀河流的治理提供参考。