二道沙河及南海湿地生态治理总体方案研究

2021-11-08杨仲韬李征王小平渠元闯王彪

人民黄河 2021年10期

杨仲韬李征王小平渠元闯王彪

摘要：包头二道沙河及南海湿地近年来存在生态基流量小、入河污染物总量大、水体自净能力不足、生态系统脆弱等问题，针对上述问题提出了生态治理总体方案：以水资源循环利用为基础，将流域内污水处理厂外排的再生水收集后输送至河道及湿地进行生态补水，利用挡水堰及河道地形构建包含滞留塘、人工水草、人工物质迁移系统、生态净化床的河道走廊湿地，建设以多级多槽湿地为主的湿地生态修复区和以近自然湿地为主的湿地生态保护区。该方案可以实现再生水的循环利用，改善二道沙河及南海湿地的生态环境，削减包头市经由二道沙河及南海湿地进入黄河的污染物总量。

关键词：水资源循环利用;河道走廊湿地;多级多槽湿地;近自然湿地;二道沙河;南海湿地

中图分类号：X52;TV211.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.018

引用格式：杨仲韬，李征，王小平，等.二道沙河及南海湿地生态治理总体方案研究[J].人民黄河，2021，43（10）：93-96，118.

Abstract： In recent years， Erdaosha River and Nanhai Wetland in Baotou are facing problems such as lack of ecological flow， large amount of pollutants entering into the river， insufficient self purification capacity of water body， and fragile ecosystem. Based on the water resources recycling， the reclaimed water discharged from the sewage treatment plant in the basin was collected and transported to the river channel and wetland as ecological water supplement through the water diversion system. The channel wetland including detention pond， artificial water grass， artificial material transfer system and ecological purification bed was constructed by using water retaining weir and river topography. The wetland ecological restoration area with multi-level and multi-trough wetland as the main body and the wetland ecological protection area with near natural wetland as the main body were constructed. The implementation of this scheme could realize the resources utilization of reclaimed water， improve the ecological environment of Erdaosha River and Nanhai Wetland， give full play to its role of ecological barrier， and reduce the total amount of pollutants entering into the Yellow River through Erdaosha River in Baotou City， which was of great significance to protect the ecological security of the Yellow River.

Key words： water resources recycling; channel wetland; multi level and trough wetland; near natural wetland; Erdaosha River; Nanhai Wetland

包頭二道沙河发源于乌兰胡同，出山口以后一路向南，中间有三道沙河、西河、头道沙河等支流汇入，沿途经过包兰铁路、同官村、南绕城公路、南黄线公路等最终汇入黄河。二道沙河为黄河一级支流，全长约18.6 km，流域面积83 km2。二道沙河是包头市“四纵四横、四湖四库、三水网”城市水系布局中重要的“一纵”，现为泄洪、排涝通道。包头市南海湿地自然保护区是以保护珍稀鸟类及其赖以生存的黄河滩涂湿地生态系统为主的综合性自然保护区。南海湿地生态系统在包头地区乃至我国西部地区具有较好的生物多样性，是重要的生物基因库和保护黄河的自然生态过滤系统，也是包头市重要的景观区。黄河自西向东从包头市南部流过，包头段干流全长241 km，流经市区段共63 km，是包头市工农业生产和人民生活用水的主要水源。黄河包头段属于我国干旱半干旱生态脆弱区，生态环境极易被破坏，而且生态环境被破坏后修复难度巨大。

目前二道沙河及南海湿地主要存在如下问题：生态基流量小，现有水量不能维持生态系统正常运行，而流域内污水厂再生水未得到有效利用;在二道沙河沿线点源污染已基本控制的前提下[1]，进入河道及湿地的污染物总量仍超过其环境容量，水体局部富营养化[2]，威胁黄河包头段水环境安全;河流及湿地生态系统服务功能退化，水生生物多样性降低，生态系统脆弱[3]，其中南海湿地生态系统健康状况为“一般病态”[4]。国内众多学者对二道沙河沿河点源污染控制情况[1]，以及南海湿地水污染现状、污染防治对策、生态需水量、补水方案等[2-7]进行了研究，但是上述研究均侧重于河道或湿地治理的某一方面，尚缺乏以再生水资源循环利用为基础、对河道及湿地进行统筹考虑的综合治理方案。鉴于此，本文提出了二道沙河及南海湿地生态治理的总体方案，以再生水资源循环利用为基础，统筹实施河道及湿地生态治理工程，提升水体自净能力，促进生态系统朝着健康、稳定的方向发展。

1 总体方案设计

河道生态治理及湿地修复与保护是一项复杂的综合性工程。綜合国内外相关工程设计及实践经验，提出二道沙河及南海湿地生态治理方案设计技术路线（见图1），并拟定水资源循环利用、二道沙河生态治理、南海湿地修复与保护3部分内容。

（1）水资源循环利用。将二道沙河流域范围内现有工程再生水收集后通过调水系统输送至二道沙河及南海湿地生态修复与保护区进行生态补水，再生水经河道及湿地进一步净化后进入湿地东北侧清水池，后经传输管线输送至污水处理厂净化后作为工业及生活杂用水。

（2）二道沙河生态治理。在满足二道沙河防洪、排涝基本功能的前提下，通过挡（蓄）水建筑物结合微地形构建河道走廊湿地，并设置滞留塘、人工水草、人工物质迁移系统及生态净化床，达到水质净化及生态修复与保护的目的，并将河道走廊湿地出水作为南海湿地自然保护区的补水水源。

（3）南海湿地修复与保护。改造现存厌氧塘、接触氧化塘为湿地生态补水的预处理设施，对再生水进行深度处理，出水作为南海湿地自然保护区的补水水源。根据湿地的具体情况，将多级多槽湿地和近自然湿地作为湿地生态修复区和生态保护区的主体。

方案总体平面布置见图2。

2 水资源循环利用

当前，保证生态用水，维护生态系统平衡，实现人类-社会-经济-环境可持续发展逐渐成为人们的共识[8]。为保障二道沙河及南海湿地的生态用水，同时提高包头市再生水利用效率，参考区域水资源介循环利用模式[9]，将污水处理厂再生水引入人工调控的生态系统（如人工湿地、氧化塘、河湖景观水系等），对其净化和自然储存后转变为生态再生水，作为工业、生活和农业用水循环利用。

对南郊污水处理厂、包头钢铁（集团）有限责任公司、神华包头煤化工有限公司通过尾闾管线排放的约17.4万m3/d再生水进行分配利用，其中6.0万m3/d再生水通过调水泵房及管线输送至二道沙河与包兰铁路交汇处作为河道生态补水，其余11.4万m3/d再生水输送至南海湿地作为湿地生态修复区的补水水源。北郊水质净化厂排放的3.8万m3/d再生水通过污水干管收集后引入二道沙河同官村上游约700 m处作为补水水源，该3.8万m3/d再生水与前述6.0万m3/d再生水经河道走廊湿地净化后流至河道入黄口处，再经管道输送至南海湿地作为湿地生态保护区的补水水源。湿地生态修复区和湿地生态保护区净化后的水体均进入湿地东北侧清水池存蓄，其中10万m3/d通过传输管线输送至二道沙河净水厂，经磁混凝高效沉淀池净化处理降低水体中SS（悬浮物）含量后，通过输水泵房及管线输送至城区作为工业及生活杂用水。二道沙河净水厂位于二道沙河西岸、南黄线公路北侧，厂内有调水泵房、输水泵房、磁混凝高效沉淀池、综合加药间及附属用房等构筑物，具有调水、取水、净水等功能。水量调配设计方案见图3。二道沙河及南海湿地各分区进出水水质主控指标见表1。二道沙河净水厂磁混凝高效沉淀池进水悬浮物、总磷含量分别不大于50、5.0 mg/L，出水分别不大于10、0.5 mg/L。

工程设计的水资源循环利用方式保障了河道及湿地生态用水，并将通过工程措施得到的再生水转变为“生态再生水”，提高再生水水质的同时提高公众接受程度。该模式实现了生态用水和工业、生活用水的梯级利用，平衡了工业、生活用水与生态用水之间的矛盾[9]。

3 二道沙河生态治理

二道沙河生态治理工程北起包兰铁路南至入黄口，长约5.3 km，占地面积约48.5 hm2。工程在满足二道沙河防洪、排涝基本功能前提下，通过调水保证河道生态需水，利用挡水堰及微地形构建10级河道走廊湿地，实现来水的滞蓄，延长来水在河道走廊湿地中的停留时间并满足水生动植物生长所需水深，提升河道自净能力，河道走廊湿地示意见图4。湿地进水水质主要指标符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，出水水质主要指标符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）地表水Ⅴ类标准，湿地出水作为南海湿地生态保护区的补水水源。

通过工程技术手段在河道内修筑适宜水生植物生长的水下地形，并在河道内设置滞留塘、人工水草、人工物质迁移系统及生态净化床，达到水质净化及生态修复与保护的目的。河道走廊湿地全长约5.27 km，有效面积约18.64万m2，起点至终点水位落差约10.15 m，设计水深0.58～0.64 m。走廊湿地设计处理水量9.8万m3/d，水力停留时间27.4 h，水力负荷0.53 m3/（m2·d），COD去除负荷5.26 g/（m2·d），氨氮去除负荷1.58 g/（m2·d）。

走廊湿地设置人工水草19 500 m2，各排人工水草间距0.5 m，人工水草株距L≤100 mm，沿水流方向布置;设置人工物质迁移系统6 216 m2，厚度为0.5 m，主要由基质层及复合工程菌构成;设置生态净化床10 618 m2，净化床高0.5 m，由碎石、火山岩、铁矿石等复合生态填料和复合工程菌构成。

4 南海湿地生态修复与保护

南海湿地生态修复与保护工程范围是南海湿地引水渠以西、二道沙河以东的黄河滩地，位于包头黄河国家湿地公园南海湖西侧，属于南海湿地自然保护区核心区，其中湿地修复区占地约101.44万m2、湿地保护区占地约97.33万m2。南海湿地生态修复与保护利用环境工程和生态工程等手段[10]修复、完善和健全湿地生态系统的结构和功能，增加湿地物种和生物多样性，在此基础上利用湿地的自然净化功能以较低的成本实现对污水处理厂尾水和河道来水的净化，从而削减进入黄河的污染物总量。工程包括湿地生态补水预处理、湿地生态修复及湿地生态保护三部分，见图5。

4.1 生态补水预处理

包头市南海湿地补水方式包括黄河凌汛水补水、降水补水以及径流水补水[6]，但凌汛持续时间较短、地下水位较低、降水量不足，南海湿地缺水问题较为严重。水是湿地的生命线，南海湿地自然保护区的生存与维系依赖于水的滋润和养育，所以生态恢复要围绕“水”来进行，一是保证南海湿地具有一定的蓄水量，满足其基本生态需水量要求;二是保证南海湿地不被污染，满足其水生态功能要求。

为向湿地生态修复区及保护区进行生态补水并减少进入湿地的污染物总量，提高湿地水环境质量，改造现有的厌氧塘及接触氧化塘[7]作为湿地生态补水的预处理设施，将11.4万m3/d再生水引入其中，在好氧、厌氧微生物的共同作用下实现对来水的深度处理后，将其排入湿地生态修复区作为补水水源。针对现状厌氧塘布水不均匀、死水区范围较大、处理效果不佳等问题，采取建设布水渠、增设人工水草等措施改善处理效果。厌氧塘有效面积1.3万m2，平均水深约2.8 m，设计处理水量11.4万m3/d，水力停留时间7.7 h，表面水力负荷0.55 m3/（m2·d），COD去除负荷35.08 g/（m2·d），氨氮去除负荷7.0 g/（m2·d）。针对现状接触氧化塘溶解氧浓度差异大、微生物总量不足等问题，采取增设造流曝气机、改造填料支架、增加组合填料等措施提高接触氧化塘处理污水的能力。接触氧化塘有效面积0.61万m2，平均水深约3.2 m，设计处理水量11.4万m3/d，水力停留时间4.1 h，表面水力负荷18.7 m3/（m2·d），COD去除负荷112.13 g/（m2·d），氨氮去除负荷41.11 g/（m2·d）。

4.2 湿地生态修复

湿地生态修复区设计补水量11.4万m3/d。工程进水水质符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类标准，出水水质优于Ⅴ类标准，接近Ⅳ类标准。湿地生态修复区有效面积90.47万m2，有效水深0.5～3.0 m，水力停留时间约11.6 h，表面水力负荷0.13 m3/（m2·d），COD去除负荷1.08 g/（m2·d），氨氮去除负荷0.06 g/（m2·d）。

湿地生态修复区依托包头市黄河湿地生态修复工程建设的潜流湿地区、浮叶植物区、表面流湿地区、草滤带及贮水区等进行设计。上述区域四周筑有土质围堰，大部分区域为明水区，水深基本一致，生境异质性较低，导致水域生态系统结构与功能发生变化，特别是湿地生物群落多样性降低，生态系统逐步退化。根据各类湿地的特点及适用条件，将处理效果好、修复效果稳定的多级多槽湿地作为主体。多级多槽湿地是在常规表面流湿地基础上改良的高效人工湿地，具有处理效果好、冬季运行稳定、抗冲击负荷能力强等特点。从平面布局来看，多级多槽湿地的“多级”指湿地由多个湿地子槽串联而成，每一级为一个子槽单元;“多槽”指每一个子槽单元内交替设置浅槽（挺水植物槽及沉水植物槽）和深塘（配水区和净化塘）。多级多槽湿地的子槽由水深、溶解氧含量、边坡、基底形式、植物种类与密度各异的配水区，以及挺水植物槽、沉水植物槽、净化塘等构成，其平面布局和内部构造见图6、图7。

4.3 湿地生态保护

湿地生态保护区补水水源为二道沙河走廊湿地出水，设计水量为9.8万m3/d。工程进水水质符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类标准，出水水质优于Ⅴ类标准，接近Ⅳ类标准。湿地生态保护工程有效面积75.75万m2，有效水深1.00～1.25 m，水力停留时间约8.5 h，表面水力负荷0.13 m3/（m2·d），COD去除负荷1.11 g/（m2·d），氨氮去除负荷0.06 g/（m2·d）。湿地生态保护区位于湿地生态修复区南侧，该区域为二道沙河蜿蜒进入黄河的流经区，该段二道沙河主河槽未进行清淤疏浚，存在污水漫流现象，主河槽周边一定范围内存在生态破坏现象，但其他大部分区域生态破坏并不严重，乔、灌、草植被保存较好。

该区域受人为干扰较小，大部分区域生态破坏现象并不严重。根据各类湿地的特点及适用条件，采用对环境人工干预及影响较小的近自然湿地处理受污染河水。近自然湿地是根据生态学原理，结合流域地形地貌、水文和植被情况，模仿自然湿地的一种可持续的、保护生物多样性的生态工程技术[11]。湿地生态保护区以近自然湿地技术为核心工艺，采用“形态重塑—流量维持—水质改善—群落构建”的生态保护策略，对该区域进行水系梳理，重塑自然湿地地形地貌，打造大小不一的生态岛链浅水湿地，为生物栖息地的形成和生物多样性的恢复创造有利条件。

5 结语

二道沙河及南海湿地生态治理采用了环境工程与生态工程相结合的技术方法，在对再生水进行循环利用的基础上，选择河道走廊湿地对二道沙河进行生态治理，利用多级多槽湿地和近自然湿地对南海湿地开展生态修复与保护，从而营造良好的河道及湿地生态系统，有效保障区域生态安全，保护生物多样性，提高区域生态系统稳定性，削减包头市经由二道沙河及南海湿地进入黄河的污染物总量，并通过对再生水资源的合理配置促进包头经济社会的可持续发展。项目建成后可以大幅削减黄河包头段的污染负荷，预计可削减入黄污染物COD约1 439.27 t/a、氨氮约270.83 t/a，对保护黄河水环境安全具有重要意义。

对河道或湿地进行生态补水既可以实现对其的生态修复与保护，也可以实现工程再生水向生态再生水的转化，提高公众接受程度，平衡工业、生活用水与生态用水之间的矛盾，是当今水环境综合治理的重要方法，但需要特别注意的是对河道或湿地进行生态补水后，需采取人工调控措施使其具备进一步净化水质的功能。

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