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(1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.元氏縣水務(wù)局，石家莊 051130)

0 引 言

永年洼濕地是繼白洋淀、衡水湖之后的華北第三大洼淀，為國家濕地公園試點單位，因其獨特的濕地生態(tài)景觀而有“北國小江南”之美稱，具有重要的生態(tài)功能和觀賞價值[1]。永年洼濕地的主要水源為滏陽河水，但滏陽河接納了沿程城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)排水，近年來水質(zhì)較差，多種污染因子指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重。其中，蓮花口、蘇里監(jiān)測斷面常年為劣Ⅴ類水[2]，對濕地生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，生態(tài)功能逐漸退化。因此，控制滏陽河水主要污染因子濃度，對改善河道水環(huán)境健康、促進(jìn)永年洼自然濕地生態(tài)恢復(fù)具有很大的現(xiàn)實意義。

人工濕地具有高效率、低投資、低運轉(zhuǎn)費用等優(yōu)點，是近年來發(fā)展較快的生態(tài)污水處理技術(shù)[3-4]。其中，表面流人工濕地因具有建設(shè)成本低、運行維護(hù)方便和水力條件好的特點，而被廣泛用于處理受污染的河流水和湖泊水等[5-7]。為改善永年洼退化濕地進(jìn)水水質(zhì)、實現(xiàn)濕地生態(tài)恢復(fù)，擬構(gòu)建永年洼人工濕地示范工程處理滏陽河水，研究人工濕地出水改善退化濕地生態(tài)恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。

本文以表面流人工濕地系統(tǒng)為研究對象，采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評價法，評價分析其水質(zhì)凈化效果，考察表面流人工濕地對滏陽河水質(zhì)凈化的可行性，從而為永年洼人工濕地示范工程的建設(shè)及運行提供技術(shù)支撐，為人工濕地出水改善退化濕地生態(tài)恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 表面流人工濕地概況

1.1 表面流人工濕地構(gòu)建

表面流人工濕地系統(tǒng)建設(shè)于河北工程大學(xué)人工濕地試驗場，其實景圖及結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖1和圖2。

圖1 表面流人工濕地實景圖Fig.1 Surface Constructed wetland

圖2 表面流人工濕地結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Surface Constructed wetland sectional view

試驗池設(shè)計規(guī)模長80 m、寬4 m，深1.5 m，包括8個矩形磚混區(qū)域并植有不同的水生植物：配水區(qū)、空白區(qū)、蘆葦區(qū)1、荷花區(qū)1、蘆葦區(qū)2、荇菜+水芹菜區(qū)、荷花區(qū)2、香蒲區(qū)和集水池。系統(tǒng)前端設(shè)有配水區(qū)用以調(diào)蓄進(jìn)水流量，由布水槽均勻布水，保證進(jìn)入濕地的流量穩(wěn)定；系統(tǒng)末端設(shè)有集水池，濕地出水通過落差跌落于集水池。構(gòu)建人工濕地的植物均取自滏陽河兩岸河灘地；基質(zhì)取自滏陽河沿岸的河沙，深度約為1 m，分為2層：底層為深約0.2 m的黏土、上層為深約0.8 m的壤土。

1.2 運行方式

濕地系統(tǒng)后續(xù)穩(wěn)定運行階段植物長勢情況：空白區(qū)長有少量雜草和蘆葦；蘆葦和香蒲區(qū)長勢良好；荷花區(qū)荷花枯萎凋零，長滿雜草；荇菜+水芹菜區(qū)荇菜耐旱性較差，逐漸枯萎凋零，現(xiàn)狀為雜草、少量水芹和少量香蒲雜生。濕地床逐漸變?yōu)樘J葦香蒲床。

人工濕地中試系統(tǒng)距離滏陽河河道較遠(yuǎn)，從滏陽河監(jiān)測斷面直接引水不合理。為保證試驗用水與滏陽河水質(zhì)一致，采用水罐車調(diào)取蓮花口斷面河水至試驗場蓄水池，再用帶濾網(wǎng)的水泵把河水從蓄水池抽至配水區(qū)。人工濕地在水力停留時間0.16～1.84 d、水力負(fù)荷0.17～2.39 m3/(m2·d-1)的工況下運行，平均水位維持在基質(zhì)表面以上0.3 m。

工藝流程為河水從配水區(qū)通過多孔透水性磚依次流入蘆葦區(qū)1、蘆葦區(qū)2、雜草區(qū)1、蘆葦區(qū)3、雜草區(qū)2、雜草區(qū)3和香蒲區(qū)，最后流入集水池，集水池設(shè)有至配水區(qū)的回流管道，構(gòu)成一個可控制循環(huán)系統(tǒng)。

2 濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果評價

2.1 評價方法

本文采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評價法[8]。該評價方法簡便易行，可以清晰直觀地了解水質(zhì)質(zhì)量與所選評價標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系、監(jiān)測斷面沿程水質(zhì)變化狀況及污染最突出的水質(zhì)指標(biāo)。依據(jù)表面流人工濕地運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評價法對濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果進(jìn)行評價，了解濕地沿程凈化情況及主要污染因子，從而為永年洼人工濕地示范工程的建設(shè)及運行提供指導(dǎo)參考。

1) 水質(zhì)參數(shù)i在j點的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)Sij公式：

(1)

式中：Sij為水質(zhì)參數(shù)i在j點的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Cij為水質(zhì)參數(shù)i在j點的濃度值，mg/L；Csi為水質(zhì)參數(shù)i點的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L。

2) pH值的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)：

(2)

(3)

3) DO的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)：

(4)

(5)

式中：SDOj為溶解氧在j點的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；DOij為溶解氧在j點的濃度值，mg/L；DOs為溶解氧地面水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；DOf為飽和溶解氧濃度，mg/L。

2.2 評價模型應(yīng)用

1) 評價標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)永年洼人工濕地示范工程出水水質(zhì)優(yōu)于Ⅳ類水(參照《地表水環(huán)境質(zhì)量》GB3838-2002)相關(guān)要求)考核指標(biāo)要求，本文評價標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB 3838-2002)Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。鑒于近兩年滏陽河蘇里和蓮花口斷面水質(zhì)典型污染物主要為NH3-N和CODMn，超標(biāo)倍數(shù)范圍分別為3～6倍和1～3倍，所以本水質(zhì)評價體系指標(biāo)選取pH、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)5個指標(biāo)，其對應(yīng)的Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)代表值見表1。

表1 地表水評價標(biāo)準(zhǔn)代表值Table 1 Surface water evaluation standard representative value

2) 監(jiān)測數(shù)據(jù)。于2017年7月份進(jìn)行現(xiàn)場取水樣監(jiān)測，pH值利用便攜儀器現(xiàn)場檢測，其他指標(biāo)于實驗室2小時內(nèi)檢測完畢，具體檢測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)國際方法[8]。沿程取樣點劃分為8個斷面節(jié)點，其中將配水池作為沿程第1個取樣點，其檢測結(jié)果作為進(jìn)水水質(zhì)。取各指標(biāo)每天8個斷面節(jié)點濃度的平均值為本日濃度日均值，濕地出水各指標(biāo)濃度日均值見表2。取各斷面6日濃度的平均值為該斷面節(jié)點濃度均值，濕地沿程各指標(biāo)濃度變化值見表3。

表2 濕地出水各指標(biāo)濃度日均值監(jiān)測結(jié)果Table 2 Daily average monitoring results of various indicators of wetland effluent

表3 濕地沿程各指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果Table 3 Monitoring results of various indicators along the wetland

2.3 評價結(jié)果分析

將表2和表3的檢測數(shù)據(jù)分別代入上述公式，得到濕地出水各指標(biāo)濃度日均值單因子評價指數(shù)和濕地沿程各指標(biāo)單因子評價指數(shù)，見表4和表5。對表各項指標(biāo)的單因子評價指數(shù)進(jìn)行分析，水質(zhì)指標(biāo)的單因子評價指數(shù)計算結(jié)果小于1，說明水質(zhì)達(dá)標(biāo)，結(jié)果大于1則為水質(zhì)超標(biāo)。

表4 濕地出水各指標(biāo)濃度日均值單因子評價指數(shù)Table 4 Wetland effluent concentration index daily average single factor evaluation index

表5 濕地沿程各指標(biāo)單因子評價指數(shù)Table 5 Single factor evaluation index for each indicator along the wetland

綜合表4和表5可知，經(jīng)過濕地凈化5天后，濕地出水pH、TP、NH3-N和CODMn單因子評價指數(shù)均小于1，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其中，TP和NH3-N基本在凈化1天后即可達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；TN在這5天凈化過程中，單因子評價指數(shù)都大于1，超標(biāo)倍數(shù)范圍為2～6，超標(biāo)最大點為3監(jiān)測斷面，在凈化過程中隨著水流向前推進(jìn)呈先上升再下降的趨勢。濕地出水未完全達(dá)到永年洼近自然濕地示范區(qū)出水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的考核指標(biāo)要求，因此永年洼近自然濕地示范區(qū)在建設(shè)規(guī)劃時需進(jìn)一步采取相關(guān)措施，加大濕地對總氮污染因子的控制與治理，提高污染物的去除效能。

濕地出水pH、TP、NH3-N和CODMn指標(biāo)都達(dá)到了Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，初始濃度下TP累積去除率達(dá)到74.19%，NH3-N累積去除率達(dá)到87.82%，CODMn累積去除率為38.73%；TN由8.987 mg/L下降至3.271 mg/L，去除率63.60%?？偟膩碚f，經(jīng)過表面流人工濕地5天的凈化，濕地出水各指標(biāo)(pH除外)單因子評價指數(shù)在濕地凈化過程中隨著凈化時間的推移基本呈下降趨勢，說明表面流人工濕地對滏陽河多種污染物的綜合治理起到較好的凈化效果，水質(zhì)均有明顯的好轉(zhuǎn)。

3 結(jié) 論

1) 基于表面流人工濕地系統(tǒng)運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用綜合評價法，構(gòu)建表面流人工濕地水質(zhì)凈化綜合評價指標(biāo)體系。

2) 通過對表面流人工濕地凈化滏陽河水體效果評價分析，結(jié)果表明pH、TP、NH3-N和CODMn指標(biāo)都滿足Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，TN是主要超標(biāo)因子，濕地出水未完全達(dá)到永年洼人工濕地示范工程Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)考核指標(biāo)要求。因此，示范工程的規(guī)劃建設(shè)應(yīng)針對來水總氮污染因子超標(biāo)嚴(yán)重情況，仍需要進(jìn)一步采取措施提高污染物的去除效能。

3) 濕地出水各指標(biāo)(pH除外)單因子評價指數(shù)在濕地凈化過程中隨著凈化時間的推移基本都呈下降趨勢，該濕地系統(tǒng)對滏陽河水主要污染物去除率符合《人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范》(HJ 2005-2010)中表面流人工濕地相應(yīng)的要求，對主要污染物發(fā)揮出良好的去除效能，對滏陽河水的凈化效果初步顯示出一定的技術(shù)可行性，為永年洼人工濕地示范工程的建設(shè)及運行提供技術(shù)支撐。