仿自然人工湿地系统构建模式与效果初探

战楠 黄炳彬 李光远 王利军 刘学燕 赵立新

(1 北京市水科学技术研究院,流域水环境与生态技术北京市重点实验室，北京 100048；2 北京市官厅水库管理处，河北 怀来 075441；3 北京市水利规划设计研究院，北京 100048)

湿地是形成于陆地和水域之间的生态系统，兼具两者特征(李益敏等, 2013)，高频率长时期被水淹没是其独特之处，也使其成为生产力最高的生态系统之一。由于湿地系统所具备的水源涵养、水质净化、气候调节和生物多样性保护等多重生态功能和经济价值(姚鑫等, 2009)，使其在近年来的生态修复和水质改善中得到了广泛应用(汪仲琼等, 2011)。

人工湿地是以基质材料、湿地植物和微生物为主(陶敏等, 2012)，经设计、建造和运行的复合生态系统(于少鹏等, 2004)。目前我国多以水质改善为目的，应用于农村生活污水处理、污水厂退水深度净化、河湖水质改善及农田面源污染治理等诸多领域当中(黄炳彬等, 2018)。人工湿地从构建形式可区分为表面流湿地、潜流湿地和氧化塘。目前我国人工湿地的应用，以采用潜流和表流等单一形式构建或进行简单组合为主。就运行效果而言，表流人工湿地虽具备富氧程度高的优势，但存在占地面积大、水力负荷低、TP 去除效率低及夏季蚊虫滋生的问题；潜流人工湿地在水质净化效果和水力负荷上较前者有明显提升，但系统结构相对复杂、长期运行中基质层易出现堵塞现象(张清, 2011)，运行稳定性仍存在短板。不同形态湿地工艺的组合、基质材料改善和运行方式调控，虽有利于系统运行效率的提高，但与天然湿地相比，结构形态仍显单一，人工构造的痕迹明显，在重建受损生境、构建生物群落和提升生物多样性等方面仍存在问题。在生态文明建设可持续发展的大背景下，秉承生态自然理念，建立近自然湿地系统，促进其水质改善和生态修复功能的综合提升和良性发展是人工湿地技术发展的必然趋势。

北京永定河八号桥湿地工程于2019 年9 月建成通水，作为模拟自然湿地特征构建而成的大型仿自然人工湿地系统，目前在北京地区尚属首例。本文以八号桥仿自然湿地系统构建模式入手，并对其运行初期效果进行评述，旨在为人工湿地技术的推广应用提供新思路。

1 仿自然湿地系统构建模式

永定河是串联京津冀地区的生态大动脉，同时也是北京延庆2019 年世园会及2022 年北京—张家口冬奥会的关键节点。八号桥仿自然复合功能湿地位于官厅水库八号桥永定河入库口，在长约3.5 km，宽约700 m 的河道及滩地建设而成，总面积2.1 km2，其中湿地系统面积1.651 km2。基于水文站监测结果，八号桥断面2006—2017 年平均流量3.24 m3/s，流量为1.0 m3/s 和3.0 m3/s 的保障率分别为81.7%和36.7%。八号桥湿地工程净水规模1 ～3 m3/s，约8.6 ～26 万m3/d。

1.1 工程目标

八号桥湿地工程旨在针对永定河河道来水水质波动大以及氮磷污染物超标等问题，建成集水质保障、生态修复及景观建设为一体的仿自然复合型湿地系统。强化净化永定河上游来水，保障官厅水库入库水质，同时促进周边区域生态环境的整体改善。

2018 年3 月—2019 年9 月，八号桥断面主要水质污染物指标监测结果如表1 所示。对照该区域水体功能要求和《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水质标准，存在CODCr和TP 污染物超标的问题；TN 虽不计入水质断面考核要求，但也存在持续偏高的情况；上游来水、河滩地水土流失对断面水质影响较大。八号桥湿地工程预期对N、P 净化效率达30%，在上游来水水质持续改善的同时，力争永定河入库水质达到地表水Ⅲ类，为永定河生态廊道建设及冬奥会区域水环境保障提供支撑。

表1 工程建设前水质现状Table 1 Status of water quality before construction

图1 湿地系统布置平面图Fig.1 Layout plan of wetland system

1.2 总体布局

八号桥仿自然复合功能湿地工程遵循河道现状进行总体布置，充分利用河滩地空间及地形，综合溪流、生态塘、表流湿地、潜流湿地等多种形态，以仿自然湿地形式进行总体设计进行总体布置，工程平面布置如图1 所示。

1.3 工艺流程

3 个处理区相互联系形成湿地网络，其中第1 处理区相对独立，上游永定河来水经处理后从下游排入永定河主河道。第2处理区与第3处理区串联运行，来水经处理后最终经末端出水渠汇入永定河主河道，为湿地最终出水(图2)。

图2 工艺流程图Fig.2 Process flow chart

表2 湿地系统分区设计Table 2 Zoning design of wetland system

1.4 分区布置

湿地系统顺永定河河道方向整体划分为3 个处理区(表2)。第1、第2 处理区以漫流式表流湿地为主布置，第3 处理区主体采用单元式表流湿地形式。

第1 处理区模拟天然湿地特征由左一、左二、左三区勾连形成，疏挖若干溪流，形成交错的线条式湿地，构建形成溪流特征湿地，总面积35.2 万m2。

第2 处理区由右一、右二、右三区整体构成，利用田埂及局部地形调整，右一、右二区以溪流形式为主，右三区为生态塘、溪流等形式交错相连的岛屿滩涂特征湿地。总体包括岛屿湿地、鱼鳞湿地、生物塘和连通溪流，总面积49.3 万m2。

第3 处理区即为右四区，利用场地内坑塘，疏挖形成配水生物塘，其余地块建设表流湿地单元，构建形成梯田特征,总面积52.4 万m2。

此外，永定河主河道流经湿地系统，作为湿地系统辅助处理区，面积19.2 万m2。

1.5 系统布置要点

该湿地工程区别于传统人工湿地的布置形式，秉承自然生态理念，基于自然湿地形态多样性的特征，同时结合表流、塘、潜流等人工湿地的技术要点，构建形成生境空间丰富、形态自然和水质高效净化的仿自然复合功能湿地系统。

针对水质净化功能的需求，优化湿地功能分区。首端蜿蜒型溪流和生态塘相连，构成自然输水渠道和沉沙区。中下段采用生态塘串联，并与表流、潜流、鱼鳞等多种湿地形态，构成水质净化区。其中鱼鳞湿地的布置，借鉴潜流湿地构建经验，以近自然渗滤丁坝形式，促使水流折返流动，延长水流路径；碎石作为丁坝主体材料，兼具截留、过滤和生物富集作用。湿地系统整体形成深水—浅水空间格局，延长水流路径和水体停留时间，水位、流速的不断变化促进物理、化学和生物协同净水效果的发挥。

针对生态修复功能，基于水生动植物及鸟类不同生境的需求，通过溪流、生态塘、表流湿地等交错分布，形成浅滩与深潭交错、急流与缓流相间的格局，为底栖、鱼类等水生动物群落提供多样的产卵、发育、繁衍、迁徙及避难场所。深槽与边滩、塘和岛屿的多样化结构，促进水生、湿生、草本、木本等植被交错分布和自然过渡，为水禽和鸟类提供了觅食和休憩场所。

湿地系统构建初期，基于水深的差异，以人工引导为主，构建以沉水植物为主的水生植物群落，水深1 m 以上的深水区优选以净水效果好、易于管护的苦草、金鱼藻、狐尾藻等植物，同时综合考虑空间生态位及时间生态位的互补衔接；水深0.5 m以下的浅水区配置挺水植物,以芦苇为主，搭配千屈菜等兼具水质净化与景观的植物。

2 湿地系统初期成效

2.1 水质改善效果

八号桥仿自然湿地系统从2019 年9 月起开始第2、3 两处理区的通水运行。初期系统运行区域面积共101.7 万m2，平均进水量约0.8 m3/s，水力负荷0.076 m3/(m2·d)，水力停留时间约16 d(表3)。

湿地系统建成后，近4 个月的连续运行周期内进行水质取样监测，主要污染物浓度改善效果如图3 所示。湿地系统运行期间，进水主要污染物指标CODCr、TN、TP 和氨氮等平均浓度分别为24.3 mg/L、2.89 mg/L、0.4 mg/L 和0.55 mg/L，各水质指标介于地表水Ⅳ～Ⅴ类。经仿自然湿地净化后，出水中上述污染物指标平均浓度分别降低至20.4 mg/L、1.5 mg/L、0.224 mg/L 和0.39 mg/L，各项指标基本达到优于地表Ⅳ类的标准。

运行期间各项污染物的沿程去除效果如图4 所示，CODCr、TN、TP 和氨氮等指标的平均去除率分别达22.64%、47.78%、51.67%和21.58%。仿自然湿地系统现阶段的运行效果优于传统表流湿地对微污染水体中TN 和TP 的净化效果(张俊, 2016; 卿杰等, 2015)。

表3 湿地系统运行参数Table 3 Operation parameters of wetland system

图3 系统净化效果Fig.3 Removal effect by wetland system

湿地系统进水后依次流经第2 处理区的溪流湿地、岛屿湿地、鱼鳞湿地及生物塘；经分水闸后，流入第3 处理区单元表流湿地，最终出水汇入下游永定河主河道。

湿地系统首端溪流和岛屿湿地单元的水力停留时间约6.5 d，对CODCr、TN 、TP 和氨氮的平均去除率分别达17.6%、29.73%、46.73%和21.9%，超过湿地系统总去除率的50%。

流经鱼鳞湿地和生物塘的水力停留时间分别为1.31 d 和1.32 d，这2 个湿地单元对CODCr、TN 、TP和氨氮的平均去除率分别为1.96%、7.24%、19.78%、11.88%和6.84%、15.1%、-48.5%、1.96%。与溪流和岛屿湿地单元相比，鱼鳞湿地和生物塘的水力停留时间和污染物去除效果明显降低。第3 处理区单元表流湿地水力停留时间为6 d，以上各项污染物平均去除率分别为-23.27%、7.48%、-5.63%和6.85%。

从以上系统运行初期的净化效果来看，溪流和岛屿湿地是清除CODCr、TN、TP 和氨氮等污染物的主要净化单元。溪流和岛屿湿地可形成系统内水位的自然波动，有利于水体富氧作用的改善。而且水体在岛屿湿地内的停留时间相对较长，有助于沉降作用对难降解污染物质的去除，进一步降低了后续湿地单元的污染物负荷。

鱼鳞湿地旨在强化对污染物的拦截、吸附以及基质—微生物的协同净化，对TN、TP 和氨氮等污染物表现出一定的清除效果，但湿地系统建成后，微生物的生长及稳定尚需一定周期，该单元生物净水作用还需进一步观测。

图4 单元水质净化效果Fig.4 Removal effect by units

第3 处理区单元表流湿地对污染物的净化作用相对较弱，可能与微生物系统尚未完善有一定关系。同时，系统通水后不足2 个月进入低温期(水温低于15℃)，微生物活性进一步降低，加上冬季挺水植物腐烂导致污染物的释放(左倬等, 2015)，对该单元的净化效果造成不利影响。

2.2 生态改善效果

仿自然湿地系统基于多种形态湿地单元的搭配，有效改善了永定河裸露滩地现状，形成多样化生境格局。目前，水生植物群落已初步形成，包括狐尾藻、菹草及金鱼藻等沉水植物，荷花和芦苇等挺水植物，千屈菜和鸢尾等湿生植物，形成从深水区、浅水区至浅滩区植物群落的自然过渡。系统建成初期，湿地系统内已出现麦穗、银鲴、波氏吻虾虎鱼及鳊鱼等多种鱼类，野鸭、白鹭及长腿鹬等水禽和鸟类，生物种类显著增加。

2.3 景观提升效果

利用河道滩地建设的八号桥湿地系统，融入多种水生湿生植物等自然元素，通过合理的地形塑造、植物配置等，形成溪流、湖泊、跌水等不同水力形态构建而成的芦苇荡、荷花塘和生物岛等湿地景观(图5)。塘、溪流等护岸采用层栽柳条、扦插柳枝等形式；植物种类的选择和配置须综合考虑水质净化和景观提升功能，非湿地区域亦选择季相特征明显、景观效果较好的粉枝柳、灌木柳、红蓼及灯芯草等乡土植物营建植物景观。系统内部道路选用碎石路面及其他自然路面替代透水砖路面，突出与自然景致的和谐一致，营造自然生态景观。

Fig.5 Landscape improvement effect(a Before implementation; b After implementation)

仿自然湿地系统不仅发挥了水质净化和生态修复功能，同时营造了自然生态景观，有效促进了官厅水库周边生态环境的整体改善。

3 结论

(1)永定河八号桥湿地工程是模拟自然湿地形态多样性特征，并结合人工湿地构建经验，建造的大型仿自然人工湿地系统。区别于传统的人工湿地，该系统秉承自然生态理念，综合集成溪流、表流、塘、潜流等多种湿地的优点，突破传统人工湿地形态功能单一、运行稳定性等技术短板，构建形成生境空间丰富、形态自然、水质高效净化的仿自然复合功能湿地系统，形成“可观赏、可借鉴、可推广”的人工湿地构建模式，为北京及其他地区的推广应用提供新思路。

(2)八号桥仿自然复合功能湿地建设总面积2.1 km2，其中湿地系统面积1.651 km2，净水规模1 ～3 m3/s。湿地系统初期运行区域面积共1.017 km2，水力 负荷0.076 m3/(m2·d)，上游来水CODCr、TN、TP和氨氮等主要污染物指标介于地表水Ⅳ～Ⅴ类条件下，平均去除率分别达22.64%、47.78%、51.67%和21.58%，系统出水基本稳定达到优于地表Ⅳ类的标准；其中首端溪流和岛屿湿地单元内对污染物的去除率超过湿地系统总去除率的50%。

(3)基于仿自然湿地系统构建的多样化的生境格局，有效改善了区域生态现状，促进水生植物群落的自然恢复，并为水生动物、水禽和鸟类等生物提供适宜的繁殖和栖息空间，生物种类显著增加，促进了永定河流域和官厅水库周边生态环境的整体改善。