西咸新区沙河湿地试验段水生态修复技术

刘元元

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016）

1 引言

西咸新区作为首个以创新城市发展方式为主题的国家级新区，且处于“一带一路”国际交流合作的重要区位，是当前发展工作任务中的重中之重。为将西咸新区打造成大西北地区一张靓丽的名片，必须清醒认识保护生态环境、治理生态环境、恢复生态环境的紧迫性和艰巨性，清醒认识加强生态文明建设的重要性和必要性。沙河湿地水生态修复工程必须树立十九大提出的“绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策”及省生态环保大会精神，全面推进生态文明建设，为人民创造良好生产生活环境，为地区营造良好的发展环境，为国家生态安全作出贡献。文章以多方位生态修复技术为基础，通过技术集成对沙河片区先期试验段水生态进行修复，力争做到“长治久清”的效果。

2 项目概况

2.1 基本信息

沙河湿地水生态修复项目位于西咸新区国际文化教育园内，南起沣河108国道大桥下游约50 m处，北至沣渭大道，由东南向西北呈带状分布，总长约7 km，总水域面积51万m2。此次仅对沙河中游试验段水生态进行修复，河道长1 km，水域面积4.77万m2，平均水深1 m，总水量4.77万m3，如图1所示。

图1 项目区域位置示意图

2.2 生物影响因素分析

项目补水水源于东侧的沣河，补水流量为0.50 m3/s，该河道属于渭河水系西咸片区支流。根据陕西省生态环境厅发布的沣河月度水质监测资料，其河道水质整体在地表Ⅳ类水标准，且主要表现为枯水期时氮、磷含量较其他季节高。现场调查及相关学术研究表明，沣河存在少量凤眼莲及浮萍，但未形成典型的种群，不存在水生植物入侵风险；河道鱼类群落主要以草食性为主的鲫鱼、鲤鱼种类为主，要重点控制鲤科鱼类入侵；底栖动物以椭圆萝卜螺、卵萝卜螺、半球多脉扁螺等软体动物为主，对生态系统的直接牧食破坏影响较大，因此需要重点控制。

2.3 污染源分析

试验段属于沙河湿地水系的一部分，此次污染物分析将从整个湿地公园层面考虑。根据现场调研，沙河湿地片区主要污染源类型主要包括补水污染、地表径流污染及大气沉降污染。

补水污染计算公式：

式中：W—补水污染总量，kg/a；Q—年补水量，m3；Cs—补水平均水质，mg/L；C0—目标水质，mg/L。项目补水主要从沣河取水，补水流量为0.50 m3/s；年均补水水质指标：氨氮0.51 mg/L，总磷0.08 mg/L；水质目标为地表Ⅲ类水质标准。

流域径流计算公式：

式中：Q—年径流量，m3/s；S—集水面积，m2；C—雨量径流系数，P—降雨量，mm。由于项目内土地多为绿地和居住用地，雨量径流系数取0.40；参考西安市径流污染研究可知，主要污染物综合排放分别为氨氮6.21 mg/L，总磷0.64 mg/L；根据国家气象局相关统计数据，西安市多年平均降雨量为719 mm；项目范围径流总面积约518万m2。

大气沉降污染计算公式：

式中：W—大气沉降污染总量，kg/a；P—降雨量，mm；S—河道水域面积，m2；K—污染沉降系数。根据西安市大气直接沉降相关研究，氨氮4.50 mg/L，总磷0.17 mg/L；项目范围内总水域面积51万m2。

综上可知，沙河流域补水、地表径流及大气沉降物总量为氨氮10 901.56 mg；总磷1 015.78 mg，见表1。

表1 沙河流域污染物汇总表

3 水生态修复技术

3.1 技术适宜性分析

对于常规地表水治理，主要包括纯生态、引水换水和人工净化系统三种技术体系。由于沙河主要补水水源为沣河，受整体水量受限，其试验段的水环境治理无法采用引水换水技术体系。为了保障沙河试验段的水体景观效果及低运维成本，单独采用人工净化治理技术措施不太合适。借助“多方位生态修复技术体系”，适合此项目的水生态修复技术包括“纯生态”和“水生态+人工净化”两种治理体系，其优缺点详见表2。

表2 沙河湿地试验段水生态修复技术对比表

通过上述水生态修复技术对比，并结合沙河湿地试验段现状基本特征，采用“水生态系统为主，人工净化系统为辅”的多方位生态修复技术体系对其水环境进行综合治理。

3.2 技术必要性分析

3.2.1 环境承载能力分析

河道整体水生态系统承载能力有限，无法单纯通过生态系统净化外源性污染物，需要辅助性的净化措施。

水生态系统净化能力主要依靠动植物的同化吸收及微生物的降解，其净化能力与沉水植物的盖度具有较强的相关性。根据沉水植物恢复的环境效应研究，水生态系统的净化效率数学模型如下：

式中：C—沉水植物构建盖度；A—削减的氮、磷污染负荷；ρ—系统变化系数，为增加本系统稳定性，此次设计系数取值1.20；G—每平米沉水植物增重（2.50～4.50 kg）；K—以沉水植物生物量为表征，每克沉水植物鲜重综合净化氮、磷效率，氮效率10.00 mg/（g·a），磷效率0.90 mg/（g·a）；S—常水位下水域面积。

由于受水深限制，根据项目水域基本情况，水生态系统初步设计面积约为17万m2，通过上述数学模型可计算出生态系统净化能力，见表3。

水生态系统的环境承载能力相对有限，在受到超过其环境阈值的干扰情况下（如暴雨）易发生退化，从而导致整体生态净化能力消弱，易造成水质恶化等问题。由表3可知，单纯构建水生态系统的环境容量无法消减全部外源性污染物，多余污染物需借助人工辅助措施进行消减，才能保证河道水质稳定达标。对于沙河湿地试验段而言，其本身能构建的水生态面积比整体工程水域面积少的多；在项目启动初期需要承受流域内所有外源性污染，显然超过其环境容量，将导致区域水质急剧恶化。因此，为了保障试验段水质稳定达标，人工辅助净化措施显得尤为必要。

3.2.2 季节性影响

河道水生态系统存在典型的季节性，水环境容量自身无法满足净化外源性污染物的基础上，加剧了水质恶化的风险，辅助净化措施尤为重要。

沙河湿地整体水环境容量有限，无法充分消减外源性污染物；加之生态系统各级营养级具有典型的季节性：整个系统净化效率表现为夏高冬低的特征，尤其在冬季，生态系统净化能力显著降低，无法满足水环境净化需求。沙河湿地试验段项目地处西安，冬季较长且气温低，故水生态系统的局限性会更加明显，因此人工辅助净化措施是必要的。

3.2.3 河道水动力影响

补水河道水量呈现典型的季节性，导致河道水动力不足，富营养化风险高，需要人工辅助措施保障水动力，降低水华及黑臭风险。

目前沙河湿地试验段周边污染负荷较大，长期径流沉降后逐级累计，导致水体出现富营养化等问题；由于水源水量的典型季节性，冬季可能出现无水补给的情况，极易造成沙河水力滞留时间过长，导致水动力不足引起水体缺氧发臭及水华现象。因此，增加人工净化系统不仅可有效净化沙河湿地水体水质，同时可使沙河的水体循环流动，增强水动力，提高水体的自净能力。

综上所述，生态系统和人工净化系统相结合的多方位生态修复技术体系适宜沙河湿地试验段水生态修复。

4 水生态修复技术治理方案

4.1 水生态系统构建

沙河湿地试验段水生态系统构建主要包括土壤基底改良、沉水植物群落构建、鱼类群落构建、底栖动物群落构建及浮游动物群落构建等。

土壤基底改良工程包含土壤翻整、土壤灭菌消毒、土质改良、微量元素调整等，以达到沉水植物构建要求，土壤基底改良在全河道范围内实施，总实施面积4.77万m2。

沉水植物群落是水域生态系统中重要的初级生产者，可直接吸收水体营养物（氮、磷等），进而净化水质；可固定沉积物，减少再悬浮，降低河道内源负荷；为水生动物群落、清水型微生物功能菌群提供生活、繁殖、觅食和躲避天敌的场所，从而增强生态系统对浮游植物的控制和系统的自净能力；可为降解微生物提供良好的栖息场所，有利于微生物的生存；沉水植物庞大的根系为细菌提供了多样性的生境，为微生物的好氧呼吸提供有利条件，进一步增加水生态系统食物链长度和复杂性，从而形成稳定、平衡的生态系统。项目在河道水深超过0.30 m的水域范围内构建4.50万m2的沉水植物群落，主要植物品种为矮型苦草、密刺苦草和轮叶黑藻。

水生动物调控群落采用生物操纵技术，通过改变捕食者的种类组成来操纵浮游动物群落结构，促进滤食效率高的大型浮游动物种群的发展，进而改善水质。通过水体中上层鱼类对藻类的摄食及水生植物对营养物的吸收、水生动物对营养物质的转移及富集达到净化水质目的。项目全水域构建鱼类群落，通过乌鳢、黄颡鱼捕食入侵的鲫鱼、鲤鱼等种群；青鱼捕食控制椭圆萝卜螺、卵萝卜螺、半球多脉扁螺等软体动物。

底栖动物群落通过摄食附着藻类、有机碎屑等来控制内源污染，根据其摄食习性选择螺、贝类作为群落调控主要种类。本项目选取的底栖动物品种包括梨形环棱螺、黄蚬、无齿蚌，全水域投放。

浮游动物群落通过摄食蓝绿藻、水体细微腐屑物等，提高水生态系统构建效率，完善食物链，实现水质净化和富营养物质资源化。该项目选取枝角类滤食性浮游动物为主要品种，全水域投放。

4.2 人工净化系统构建

人工净化系统采用目前比较流行的超微净化水处理工艺，它是一种大面积的气、液相界面技术，通过采用超高压气水混合方法，在超饱和状态下产生大量微米、亚微米级氧气泡，可有效氧化有机物、去除氮磷、重金属、粘附胶体及藻类、增加含氧量等作用，可大幅提高水体能见度，是适应河道水体净化的高效水处理工艺。通过超微净化系统，有效控制突发污染或暴雨等突发事件时水质急剧恶化，保障水生态系统的稳定性。

项目依据河道水量及藻类爆发时间（一般为七至十天）等因素，选取一套处理量为300 m3/h的超微净化水处理设备，置于地下机房内，不影响地表景观效果。此外，通过构建最佳水力循环管网模式，促使沙河湿地水体水动力活水循环，起到水域无死角净化水质的作用。

5 结论

通过对沙河湿地植物、鱼类及底栖动物入侵等生物影响因素和补水、地表径流及大气沉降等污染源进行本底分析，提出合理的水生态修复技术体系。从技术适宜性和必要性两方面阐述“水生态系统和超微净化系统”相结合的多方位生态修复技术体系可有效保障河道水质稳定性和长效性。下一步将构建沙河湿地智慧水务系统，对其水文、水质、补水设施、水处理设施等进行实时监测，确保水生态系统顺利实施。