湿地生态修复在河道面源污染治理中的工程应用

尚文 史笔函

［1.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092；2.上海市浦东新区废弃物管理事务中心，上海 200125］

1 引言

环境污染主要分为点源污染和面源污染，21 世纪以来，随着全国点源污染治理工作成效日益显现，面源污染逐步成为影响水环境质量的主要因素［1-2］。农业面源污染作为面源污染的主要组成部分，在水污染负荷输入量中占比超过50%［2-3］，农业面源污染治理已成为环保领域的重点工作之一［4］。

农业面源污染是指在农业生产和生活中，溶解的或固体的污染物，如氮、磷、农药及其他有机或无机污染物质，从非特定的地域通过地表径流、农田排水、地下渗漏等进入水体引起水质污染的过程［5］。农业面源污染进入水体后容易引起江河湖库的有机污染、水体富营养化或有毒有害污染等，并表征出水体富营养化、水生态系统破坏、自净能力下降、透明度降低及黑臭等特征［6］，农业面源污染治理工作亟待进一步开展。

人工湿地是一种绿色、经济、低碳、生态的污水处理工艺，在我国被广泛应用于污水厂尾水处理、自来水厂原水处理、黑臭水体治理、水生态修复等领域［7-8］。针对污染来源分散、水量大但浓度低、径流过程不确定性和随机性、产汇流空间异质性的农业面源污染［2］，人工湿地是一种环境整治与生态修复技术手段，通常与生态缓冲带、水生态修复、生态浮岛、曝气充氧等共同作为农业面源污染的“4R”（源头减量—过程阻断—养分再利用—生态修复）控制技术［5］。

本工程为亚洲开发银行贷款支持巢湖流域水环境综合治理的子项目之一，通过对巢湖流域一条受农业面源污染的河道进行湿地生态修复，利用分级阶梯式拦水土坝形成分段蓄水区，构建水域表面流湿地和陆域生态缓冲带，削减周边随地表径流汇入的农业面源污染，恢复并重建河道生态系统，净化达标后的河水再被回用于周边农田灌溉。

2 工程概况

2.1 河道概况

旭光十八涧是巢湖流域上游一条受农业面源污染的典型河道，治理段河道长4 745 m，河口宽40～80 m，河道纵坡2‰～2.5‰。因农业灌溉取水需要，河道被分段设置的20 多座土坝隔断形成一个个沟塘，水系流通不畅。

2.2 工程地质

旭光十八涧属于巢湖流域，周边地形为半岗半圩的滨湖平原区，位于巢湖碟形洼地的北缘，地势较为平坦。河道所处位置的微地貌单元为坳沟、河漫滩及河床，地质条件较为复杂，河道受大气降水和地表径流影响较为显著，年平均降水量879.9 mm，年平均蒸发量1 484.3 mm。

2.3 水污染现状

旭光十八涧周边为大面积农田和分散村庄，村庄生活污水经管网收集后进入污水处理站集中处理，农业面源污染（化肥、农药、固废等）随地表径流汇集入河，导致水质恶化，藻类大量生长，水体富营养化较重。河道两侧裸露土坡的水土流失严重，冲积物流入导致河床上抬，局部淤塞严重，过水断面缩小，水位雍高，排涝隐患加剧。

根据位于小贾村监测断面的水质监测数据，旭光十八涧水质为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水标准，主要超标因子为化学需氧量（CODCr）、氨氮（NH3－N）和总磷（TP），见表1。根据巢湖流域水功能区划和该河道汇入南淝河水质考核标准，旭光十八涧治理后主要水质指标达到地表Ⅳ类水标准。

表1 旭光十八涧河道水质标准 mg/L

3 河道治理工艺

3.1 河道水利计算

旭光十八涧设计防洪标准为50 年一遇，设计排涝重现期（P）为1.5 年，综合径流系数（φ）取0.6。河道主要水利设计参数见表2。

表2 河道主要水利设计参数

旭光十八涧河道设计平面见图1。

图1 旭光十八涧河道设计平面示意

3.2 河道治理工艺

河道生态修复定义为通过人工干预促进河道生态系统恢复至自然状态，在该状态下河道生态系统具有可持续性，并提高生物多样性和生态系统完整性［9］。旭光十八涧河道不通航，旱季流量较小，坡度平缓，河道断面较宽，具有良好的环境治理与生态修复基础条件。其河道治理工艺包括底泥清淤、生态护坡、筑坝拦水、生态缓冲带、表面流湿地等，其中表面流湿地工艺是河道治理的核心。旭光十八涧河道治理工艺参数见表3。

表3 旭光十八涧河道治理工艺参数

4 工程设计

4.1 底泥清淤

河道设计蓝线（设计河口线）宽度为60～85 m，红线（保护范围线）位于蓝线外10～20 m。对河道蓝线内污染底泥进行环保清淤，主要清理上层污染层和中间过渡层的沉积底泥，根据底泥探测确定平均清淤深度0.3～0.5 m，总清淤量28 464 m3，清淤方式采用非汛期分段围堰排水后的陆地环保清淤法。

根据河道底泥取样化验分析，底泥中重金属含量低于GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》中标准要求，清淤底泥就近回填池塘对土壤环境风险低。故清淤后淤泥转运至经过复合土工防渗膜物理防渗后的淤泥堆场进行自然干化，将淤泥含水率从约93%降低至约65%，然后淤泥堆场上部覆盖种植土，并撒播高羊茅、狗牙根草籽后恢复为绿地。

4.2 生态护坡

旭光十八涧河道生态护坡分为植草护坡和湿地生态护坡两种类型。

4.2.1 植草护坡

当河道断面宽度小于等于设计宽度时，采用植草护坡形式。将河底拓宽至15～20 m，两侧修整为梯形断面土坡，内侧坡比≈1 ∶3，外侧坡比≈1 ∶2，河底至设计常水位以上约50 cm 范围的坡脚采用抛块石护砌，防止水力冲刷。护岸边坡上种植常绿乔木、灌木和地被植物，构建乔灌草生态缓冲带以削减径流带来的面源污染，护岸两侧预留DN500 进水管涵将沿线灌溉排水引入河道中。植草护坡横断面示意见图2。

图2 植草护坡横断面示意

4.2.2 湿地生态护坡

当河道断面宽度大于设计宽度时，采用湿地生态护坡形式。保留河道中间15～20 m 主河槽作为行洪通道，然后拓宽主河槽以外的近岸浅水区（水深0～2.0 m）作为表面流湿地，两侧边坡坡比缓于1 ∶3，利用分段拦水土坝控制坝前水深≤2.0 m。在水陆交界面的坡脚采用抛块石护砌以防止水力冲刷，陆域生态缓冲带构建同植草护坡断面。湿地生态护坡横断面示意见图3。

图3 湿地生态护坡横断面示意

4.3 筑坝拦水

河道经清淤修整后，设计河底纵坡2‰～2.5‰，每隔200～300 m 设置一道梯形拦水土坝，坝高1.0～1.5 m，迎水面和背水面坡比1 ∶2 并用条状毛石分皮卧砌，将河道分成15 个逐级跌水的蓄水池塘串联，每个池塘水位在沿纵坡方向由浅及深。每个拦水土坝上设置3 根DN 1 000 过水管涵将上下游连通，前端闸门调节蓄水深度及水量。洪水时，水流漫过坝顶不影响防洪排涝。

4.4 表面流湿地

4.4.1 湿地构建

通过拓宽河道水陆交错带断面宽度，并利用分段拦水土坝构建表面流湿地区。植物群落由陆域向浅水区、深水区逐渐过渡，构建完整的河道湿地生态修复带：乔灌草植物带—湿生植物带—挺水植物带—浮叶/漂浮植物带—沉水植物带［9］。其中，在水深0～0.30 m 构建挺水植物区，水深0.30～1.00 m 构建浮叶/漂浮植物区，水深1.00～2.00 m 构建沉水植物区。河道表面流湿地单元纵断面示意见图4。

图4 河道表面流湿地单元纵断面示意

4.4.2 植物配置

河道两侧陆域构建乔灌草生态缓冲带，乔木以耐水湿乔木垂柳、池杉、乌桕为主，并适当点缀桂花、栾树、红叶李等观花观叶植物。灌木以红叶石楠、大叶黄杨球丛生种植。地被植物以高羊茅、狗牙根为主，起固土护坡防冲刷的作用。水位波动区种植鸢尾、美人蕉、再力花等湿生植物。

水生植物分为挺水、浮叶/漂浮和沉水植物，挺水植物选择芦苇、茭白、香蒲、水葱、黄菖蒲、纸莎草等，对氮、磷污染物去除效果较好［10］。浮叶/漂浮植物选择睡莲、四角菱、荇菜、萍逢草等，分块种植阻止其无序蔓延。沉水植物选择黑藻、苦草、竹叶眼子菜、穗状狐尾藻，起到强化去除污染物的目的。整个河道表面流湿地植物分块或组团种植，种植区分布在河道主河槽两侧，植物种植区占水面面积约20%，养护后植物覆盖度将逐步增大。

4.4.3 生物操控

为丰富水体中底栖动物、鱼类、贝类等食物链，按食物链比例适量放养本地生长的螺蛳、螃蟹、水蚯蚓、河蚌和鱼虾，通过生物操控提升河道湿地的生态系统完整性。

5 工程效益

旭光十八涧河道治理工程效益主要体现在农业面源污染削减上，建成后河道湿地修复区削减CODCr，NH3－N，TP 分别可达419.43，20.97，4.19 t/a，河道水质将逐渐提升至地表水Ⅳ类标准。

工程建成后同时将构建河道生态缓冲带56 940 m2，表面流湿地42 105 m2，恢复和重建的河道生态系统对环巢湖流域环境治理与生态修复具有重要作用，并且能实现节能降碳，估算碳汇量为20.58 tCO2/a。

6 结论

将湿地生态修复技术应用于受农业面源污染的河道治理是一种有效的技术手段，“底泥清淤、生态护坡、筑坝拦水、生态缓冲带、表面流湿地”技术组合被证明是一套切实可行的河道治理工艺。修复后旭光十八涧河道在兼顾防洪排涝和农田灌溉等原有功能的同时，提升河道水环境质量，恢复河道生态系统，提高水体自净能力。但该工艺组合的应用范围还需要进一步拓展，相应的污染削减机理和有机物去除效果仍需要进行微观化、定量化研究［2］。