汾河入黄口建人工表流湿地的必要性和可行性

郝国蓉 苏 宸 李晓东 张引栓

（运城市水务局 山西运城 044000）

1 汾河运城段河道概况

汾河发源于宁武县管涔山，在万荣县庙前村汇入黄河，干流长716 km。运城段位于汾河下游，流经新绛、稷山、河津、万荣4县（市），境内河长129.1 km，区段流域面积2 943 km2。

该河段共涉及14个乡（镇、办），141个村庄，32.7万人口，河谷内滩地面积约25 333 hm2。万荣段位于运城段最下游，北起裴庄乡远停村，南至荣河镇庙前村，长29 km，区段流域面积532.4 km2，河堤内滩地面积1 240 hm2。目前该段河道为季节性河道，2017年底前水质为劣V类。

2 修建湿地的必要性分析

2.1 水功能区划

根据《山西省水功能区划》，汾河运城段分三个功能区，从南梁至稷山，长54.5 km，属农业用水区，水质目标Ⅴ类；从稷山至新店，长8.0 km，属稷山排污控制区，水质目标Ⅴ类；从新店至入黄口，长66.6 km，属河津缓冲区，水质目标Ⅳ类。

2.2 污水达标整治

河段内各级政府为了改善水质，要求沿河企业、城镇、农村污水处理厂（站）提标改造，入河排污口执行相应水功能区水质排放标准。山西省人民政府2010年《关于进一步加强水污染防治工作的通知》中明确规定:“2011年起，直接向重点流域河道排放工业废水的企业，执行相应河段地表水功能水质排放标准。”运城市政府2017年也出台了《关于加强汾河涑水河沿线污水排放管理的通知》，要求所有直接向汾河河道排放污水的企业，从2018年6月开始，执行地表水Ⅴ类标准；要求进一步提高城镇污水处理厂排放标准，通过建设深度处理设施，确保入河水质要达到地表水Ⅴ类标准；要求修建农村污水处理站，确保入河水质达到地表水Ⅴ类标准。

据统计，汾河运城段入河排污口共34处，主要集中在新绛、稷山、河津3个县城附近。2017年以来，封堵违规排污口14处，保留经提标改造、污水处理的排污口20处（新绛煤化园污水处理厂、东环路污水站、新纺污水站、桥南路污水站、县污水处理厂、浍河7个农村污水处理站，稷山县污水处理厂，河津曙光集团、阳光华泰、县污水处理厂，方圆胶业、汇源果汁、中鲁果汁、万荣污水处理厂），经整治，2018年底入河水质基本达到地表Ⅴ类水质标准。

2.3 修建湿地必要性

枯水期流量是维持河道自净能力和污染物稀释能力的决定因素。汾河运城段地处下游，枯水期时常干涸，成为季节性河道。通过分析汾河百底水文站1988—2016年最枯月平均流量资料:最近10年，最枯月平均流量均值为2.30 m3/s，最小值为0，经频率计算，P=90%最枯月平均流量为0.03 m3/s。可见，该段河道既无自净能力又无污染物稀释能力，已丧失河道生态功能。另外，近10年来从万家寨向汾河上游调水，年调水量1.5亿m3，但限于目前的管理水平，沿途提引失控，运城段时常断流。所以即使新店以上河道达到Ⅴ类水质标准，靠河道的自我修复能力无法把新店以下河道水质提高到Ⅳ类，完全有必要在汾河入黄口段修建人工湿地，以达到水功能区划要求的水质标准。

3 人工湿地可行性分析

汾河入黄河口人工湿地工程，拟选定在汾河万荣段西范扬水站以下至入黄口21 km河段防洪堤范围内，占地面积973.3 hm2。建设表流人工湿地903.9 hm2，修建生态塘2处，设置液压升降坝、闸门、引水明渠、隔水土埂等，并配套布水设施及自动控制设施。总投资5.55亿元。分两期建设，一期完成右侧湿地，面积518.9 hm2；二期完成左侧湿地，面积 385.0 hm2。如图1。

图1 人工湿地总体布置示意图

3.1 设计规模

3.1.1 生态基流

统计汾河百底水文站1988-2016年逐日平均流量，计算多年平均流量为16.44 m3/s。生态基流计算方法较多，可分为水文学法、水力学法、生境模拟法和地形结构法等。其中水文学法和水力学法比较常用。而Tennant法属于水文学计算法的一种，即将河流多年平均流量的10%～30%作为生态基流。由于汾河为北方季节性河流，生态基流宜取低值，故本湿地按多年日平均流量的10%确定生态基流为1.64 m3/s。

3.1.2 设计流量

由于汾河河道来水量和污染物浓度变化均较大，在污染物排放总量不变的情况下，河道流量越小污染物浓度越大，据监测资料，污染物浓度超标都是在枯水季节，考虑湿地功能的充分发挥与湿地动物植物等生态系统的需要，以多年平均流量的75%作为湿地的基础河水流量，为12.33 m3/s。再扣除生态基流1.64 m3/s和渗漏水量 0.23 m3/s，湿地设计流量为10.46 m3/s。

3.1.3 湿地面积确定

人工湿地主要有表流湿地和潜流湿地两种，考虑汾河来水含沙量较大，湿地又在堤防之内，河水漫滩后易造成潜流湿地堵塞，无法正常运行，因此，采用表流人工湿地。根据《人工湿地污水处理技术规范》（DGTJ08-2100-2012），表流人工湿地水力负荷为0.1 m3/（m2·d），按湿地设计流量计算，需要湿地面积903.9 hm2。

3.2 布置方案

该湿地是通过抬高河道水位，自流进入主槽两侧滩地生态塘，进行预处理，再引入湿地对污染物进行生物降解。

系统采用生态塘和表面流湿地串联的形式，表面流湿地由引水渠和集水渠上下游衔接。在距离西范扬水站1.4 km处主槽新建液压升降坝，将水位抬高50 cm，利用回水进行初次沉沙，后水流溢入生态塘，布设植物、动物等形成生态系统，进行二次沉沙与预处理。左右两侧新建土埂30.5 km，防止河道内洪水进入湿地。新建闸门7座控制湿地进出水；在左右两侧分别布置明渠进行引水和退水，明渠总长63.7 km，并建设相应管道、电闸门等配套设施实现自动控制。水流经过湿地处理后汇入退水明渠，最终通过河道下游设置的闸阀排入河道。

3.3 植物比选

湿地植物的选择主要依据如下几个原则:1）生态的可接受性，所选用的植物不是有害杂草，对周边自然环境生态遗传的整体性不构成危害；2）能适应当地气候条件及湿地水深设计要求，具有一定的抗病虫害能力；3）对污染物和水生态环境忍耐度高；4）速生、易繁殖、净化能力强等。

为此，主要选择菖蒲、慈姑、莲藕、观赏莲、毛茛、狐尾藻等植物。菖蒲对总磷、总氮、游离态氨、浊度以及COD的净化效果最佳，去除率分别可达99.7%、85.8%、99.5%、99.3%和83.2%；慈姑可有效减少水体中氮、磷含量，对其耐受力很强，氮、COD去除率达46.3%、60%以上；莲藕对COD、BOD、悬浮物、游离态氨、总磷、重金属等净化效果显著；观赏莲可在黑臭河水中生长良好，对总氮、氨态氮、硝态氮、总磷、COD处理效果较好；毛茛对水中氮、磷等富营养化物质也有很好的修复效果，在较长水力停留时间下，氮的去除率达89.6%；狐尾藻适应性较强，生物量积累较快，在生长过程中能够通过根系吸收和根际环境的改变使沉积物和间隙水中的氮磷含量明显下降。根据以上植物对流速大小、水深浅，以及冬夏温差等适应性，取长补短，合理配置湿地内植物的植比结构。

3.4 湿地水质净化效果

人工湿地利用其生态系统中的物理、化学和生物的协同作用，通过吸附、过滤、植物吸收以及微生物降解等作用实现对污染物降解和水质净化。本湿地净化效果采用湿地污染物降解一级动力学模型（k-C*模型），计算如下式:

其中:C0—出水浓度，mg/L；Ci—进水浓度，mg/L；C*—目标水质指标的环境背景值，mg/L；K—一级反应速率常数，m/a；Q—进水流量，m3/d；A—湿地面积，hm2。

设计来水水质为V类水时，经湿地处理出水COD浓度为:

由此计算去除率为56%。

设计来水水质为V类水时，经湿地处理出水氨氮浓度为:

由此计算去除率为35%。出水水质达到IV类水标准，满足水功能区划要求。

参考《人工湿地污水处理技术规范》，COD去除率在50%～60%，氨氮去除率在20%～50%，模型计算的去除率在规范的范围内，故结果是可信的。

此外，该湿地可以调蓄河道径流、涵养地下水、改善生态环境、调节区域气候、保护生物多样性，使水生态环境进入良性循环。而且本工程兼顾自然观光、优化农牧渔业等功能，将有力促进区域经济发展，具有重大的生态效益，和较好的经济、社会效益。

4 结论

通过以上分析可以得出如下结论:

1）河道水功能区划要求汾河新店以下为IV类水质，高于上游的V类，但该段为季节性河道，无自净能力，需要修建人工湿地方能满足要求。

2）充分利21 km长河滩地形，修建主河槽蓄水、生态塘、堤内表流人工湿地等配套工程，达到去污目的。

3）以河道多年平均流量75%计算出湿地基础河水流量为12.33 m3/s。扣除生态基流1.64 m3/s和渗漏水量0.28 m3/s，湿地设计流量为10.46 m3/s。按表流人工湿地水力负荷0.1 m3/（m2·d），确定湿地面积为903.9 hm2，建成后将成为国内最大的人工湿地。

4）当来水为地表V类时，COD处理后浓度为17.77 mg/L，去除率56%，氨氮处理后浓度为1.31 mg/L，去除率35%。