忻 飛 邵一奇 尹樹捷 沈 翔,2 嚴(yán)敏哲 王婧妍 張 鵬 楊棠武 安樹青,3*

（1 南京大學(xué)常熟生態(tài)研究院，南大（常熟）研究院有限公司，江蘇 蘇州 215501 ；2 南京大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210024；3 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046；）

西部干旱區(qū)由于氣候條件和自然地形條件的限制，水資源非常短缺（馮慧娟等, 2007）。河流的過度開發(fā)利用、工業(yè)生產(chǎn)污水排放以及河道持續(xù)性破壞等，給流域生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的破壞，導(dǎo)致河流流域環(huán)境面臨嚴(yán)重的危機(jī)（李建寶等,2023）。面對水資源短缺和生態(tài)環(huán)境破壞問題，目前主要通過節(jié)約用水、實(shí)施水權(quán)交易、污水廠提標(biāo)改造、調(diào)整農(nóng)作物結(jié)構(gòu)及改進(jìn)灌溉方式等途徑來改善水資源短缺和生態(tài)環(huán)境破壞問題。其中，城市集中處理后的尾水具有量大而集中、水質(zhì)水量相對穩(wěn)定的特點(diǎn)（阮國嶺, 2002），但其尾水仍存在水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、污染物超標(biāo)等問題，使得無法實(shí)現(xiàn)再生水利用，尾水直排河流后也加重流域污染負(fù)荷。因此，探索再生水資源化利用對解決西北地區(qū)水資源不足問題和改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

永二干溝是銀川市東郊的一條主要排水溝，接納的水體為上游兩座污水處理廠的尾水和周邊2.57萬hm2農(nóng)田的排水，現(xiàn)狀水質(zhì)無法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，將會加重下游平羅黃河大橋斷面的考核壓力；同時(shí)，銀川地處西北干旱內(nèi)陸區(qū)，水資源緊缺是目前面臨的主要生態(tài)問題之一（王炳亮, 2014）。根據(jù)永二干溝永北橋水文站的流量監(jiān)測資料，2016—2020年平均年徑流量為3 435.39萬m3，全部未進(jìn)行回用，造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。通過構(gòu)建人工濕地對再生水進(jìn)行深度凈化處理，處理后的回水用于區(qū)域內(nèi)生態(tài)補(bǔ)水、工業(yè)生產(chǎn)和市政用水，提高水資源利用率，節(jié)約水資源；同時(shí)，經(jīng)過多水塘活水鏈濕地處理之后的水再回到永二干溝（楊棠武等, 2021），可減緩永二干溝的水污染負(fù)荷，為下游入黃水質(zhì)的達(dá)標(biāo)提供有力保障。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于銀川市永二干溝及興慶區(qū)掌政鎮(zhèn)污水處理廠南側(cè)、鳴翠湖國家濕地公園北側(cè)，總占地面積約43 hm2。來水水源主要為永二干溝排水，永二干溝排水主要包括沿線農(nóng)田排水和掌政鎮(zhèn)污水處理廠的尾水。項(xiàng)目區(qū)土壤類型主要有灌於土和灌於草土，局部地區(qū)有湖土分布，土壤經(jīng)多年灌溉耕種，熟化土層較厚，一般在0.6～1.0 m，有機(jī)質(zhì)含量高，熟效養(yǎng)分含量高，適宜農(nóng)作物生長。研究區(qū)引黃河水灌溉，植被覆蓋率高，以人工灌溉的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物為主要類型。永二干溝為黃河左岸的排水溝，溝道的水質(zhì)情況將直接影響黃河的水環(huán)境質(zhì)量，增加下游平羅黃河大橋斷面的考核壓力。

2 修復(fù)目標(biāo)及修復(fù)思路

本研究的修復(fù)目標(biāo)為人工濕地出水主要污染物指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類，有效削減永二干溝排入黃河的污染物總量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，提高再生水資源利用率。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)及周邊的土地利用現(xiàn)狀，通過建設(shè)工程對掌政鎮(zhèn)污水處理廠尾水和永二千溝的排水進(jìn)行深度處理，處理后的水可回用于區(qū)域內(nèi)生態(tài)補(bǔ)水、景觀綠化和市政用水，提高水資源利用率；同時(shí)，經(jīng)過生態(tài)濕地處理之后的水再回到永二干溝，可減緩永二干溝的水污染負(fù)荷，為下游入黃水質(zhì)的達(dá)標(biāo)提供有力的保障。

3 濕地修復(fù)工程總體設(shè)計(jì)

在工程設(shè)計(jì)時(shí)，針對來水超標(biāo)特征污染物（氮磷）及水質(zhì)凈化目標(biāo)需求，充分考慮項(xiàng)目區(qū)特有的生態(tài)環(huán)境（陳佳秋等, 2020），并結(jié)合項(xiàng)目區(qū)域的氣候條件和地形條件，因地制宜地選擇成熟的濕地水質(zhì)凈化和濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)，提升濕地水質(zhì)凈化功能和恢復(fù)趙家湖濕地生態(tài)系統(tǒng)。

濕地修復(fù)工程主體包括引退水工程2 km、潛流濕地工程3 hm2、多水塘濕地工程40 hm2及生態(tài)修復(fù)工程（圖1），具體如下：1）引退水工程。主要作用是引水及配水，通過管道將掌政鎮(zhèn)污水處理廠巴氏槽尾水引至潛流濕地中。2）潛流濕地工程。通過“基質(zhì)—植物—微生物”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)去除廢水中的懸浮物、有機(jī)物、氮等污染物后，自流進(jìn)入一級多水塘活水鏈濕地；永二干溝來水通過管道直接引至一級多水塘濕地。3）多水塘濕地工程。永二干溝河水及掌政鎮(zhèn)污水處理廠尾水通過引水管道進(jìn)入一級多水塘濕地進(jìn)一步深度凈化后，經(jīng)強(qiáng)化凈化區(qū)高效提升水質(zhì)后，分別進(jìn)入二級、三級、四級多水塘濕地，并在四級多水塘濕地設(shè)置一道導(dǎo)流墻，延長水力流程，并通過太陽能微泡曝氣系統(tǒng)，增加水體溶氧量，為水生生物提供生存環(huán)境，促進(jìn)水質(zhì)凈化效果。經(jīng)四級多水塘濕地穩(wěn)定水質(zhì)后排出項(xiàng)目區(qū)，進(jìn)入永二干溝。4）生態(tài)修復(fù)工程。在濕地生態(tài)恢復(fù)中充分利用鄉(xiāng)土物種，提高生物多樣性，充分利用不同生態(tài)位和物質(zhì)多層分級，形成錯綜復(fù)雜的食物鏈關(guān)系，提高系統(tǒng)的能量利用率，增強(qiáng)濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我維持功能和生態(tài)穩(wěn)定性（陳佳秋等, 2020），實(shí)現(xiàn)再生水的處理利用和水生態(tài)修復(fù)的有機(jī)融合，減少維護(hù)費(fèi)用的投入。

圖1 濕地總平面布置圖Fig.1 General layout of wetland

3.1 引退水工程

引退水工程由引水工程和退水工程組成，主要是將掌政鎮(zhèn)污水處理廠尾水及永二干溝河水引入到潛流濕地及多水塘濕地中，并使工程凈化后的出水再進(jìn)入永二干溝：1）引水工程。在永二干溝內(nèi)建設(shè)1座溢流堰，在掌政鎮(zhèn)污水處理廠出水口處新建1座截流井，新建1座提升泵站（圖1）。運(yùn)營期通過管道把永二干溝及掌政鎮(zhèn)污水處理廠來水引入到調(diào)節(jié)池，并通過提升泵站注入到濕地配水渠；汛期開啟溢流堰閘門，按原河道泄洪，不影響行洪。2）退水工程。在四級多水塘濕地末端新建1座強(qiáng)排泵站，正常情況下采用重力流出水，當(dāng)四級多水塘濕地水位低于排水管起點(diǎn)管內(nèi)底標(biāo)高時(shí)，無法重力流出水。為避免此時(shí)濕地內(nèi)存水水力停留時(shí)間過長，引起水體富營養(yǎng)化后水質(zhì)惡化，開啟強(qiáng)排泵站，將存水提升至排水管起端閘門井內(nèi)后再重力流排出。

3.2 潛流濕地工程

3.2.1 工程設(shè)計(jì) 依據(jù)現(xiàn)狀地形及條件，在趙家湖南湖構(gòu)建潛流人工濕地，總占地面積約為3 hm2，停留時(shí)間為1.5 d，水力負(fù)荷0.3 m3/（m2·d），潛流濕地共分為A、B兩個(gè)區(qū)，其中A區(qū)32個(gè)單元，B區(qū)18個(gè)單元，共計(jì)50個(gè)單元，每個(gè)單元尺寸為40 m×15 m，每個(gè)單元填料有效深度為1.2 m。潛流人工濕地內(nèi)部配水干渠1條，配水支渠5條，集水渠6條（圖2）。

圖2 潛流濕地平面布置圖Fig.2 Floor plan of subsurface flow wetland

3.2.2 進(jìn)出水水質(zhì)凈化 潛流濕地通過管道引水至配水干渠，再進(jìn)入到配水支渠，隨后進(jìn)入兩側(cè)的潛流濕地床體，經(jīng)過濕地床體處理后，出水由集水渠排入多水塘濕地內(nèi)，潛流濕地進(jìn)出水通過水位高差形成重力流。潛流濕地單體以規(guī)則長方體為主，濕地內(nèi)部經(jīng)開孔管道均勻布水，流經(jīng)濕地礫石、火山巖床體，經(jīng)收水渠管道收水排入集水渠，完成潛流濕地凈化。

3.2.3 填料及植物材料 設(shè)計(jì)人工濕地時(shí)，填料首選對污染物去除能力強(qiáng)的本地材料，提高人工濕地對污水的凈化能力，保證水質(zhì)凈化效果（楊逢樂等,2014）；減少成本投入，并能延長工程的使用壽命。另外，由于不同填料的滲透系數(shù)存在比較大的差異，根據(jù)不同人工濕地設(shè)計(jì)選用不同的填料，如對于表面流人工濕地，可選擇土壤、礫石作為填料，而潛流人工濕地對填料的滲透系數(shù)要求比較高，選用礫石、沸石、火山巖和鋼渣等。潛流濕地內(nèi)部填料主要采用不同粒徑的礫石和火山巖，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、微生物同化分解和植物吸收等協(xié)同作用凈化水質(zhì)，主要去除氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）等。潛流濕地主要種植挺水植物，根系長期處于礫石填料中，需要具有一定的抗逆性，結(jié)合景觀需求，潛流濕地植物一般為蘆葦（Phragmites australis）、黃花鳶尾（Iris wilsonii）、西伯利亞鳶尾（Iris sibirica）和千屈菜（Lythrum salicaria）。

3.3 多水塘濕地工程

多水塘濕地工程主要凈化永二干溝來水，同時(shí)承接潛流濕地出水。潛流濕地凈化后出水，水質(zhì)及表觀效果較佳，多水塘濕地主要功能為穩(wěn)定水質(zhì)、水流流態(tài)、生態(tài)提升和景觀展示。

3.3.1 工程設(shè)計(jì) 多水塘濕地區(qū)面積約40 hm2，停留時(shí)間為21 d，水力負(fù)荷0.13m3/(m2·d)，主要利用原有趙家湖進(jìn)行優(yōu)化改造，為營造多樣化水下生境，營造深水區(qū)濕地泡，總構(gòu)建面積3 hm2，邊坡1:5與周邊銜接?？紤]深水區(qū)的水質(zhì)凈化效果，鋪設(shè)填料層，為微生物提供良好的載體，強(qiáng)化水質(zhì)凈化。同時(shí)在一級多水塘濕地和二級多水塘濕地、二級多水塘濕地和三級多水塘濕地連通區(qū)處設(shè)置2處強(qiáng)化凈化區(qū)，建設(shè)規(guī)模0.77 hm2。強(qiáng)化凈化采用“石籠網(wǎng)+礫石+火山巖”形式，使水體經(jīng)流強(qiáng)化凈化區(qū)，起到過濾、吸附、沉淀等作用，有效削減污染物，進(jìn)一步提升出水水質(zhì)。為延長四級多水塘濕地水力流程，使來水充分交換，提升水體流動性和濕地水質(zhì)凈化能力，在四級多水塘濕地中部設(shè)置一處東西向?qū)Я鲏?，?dǎo)流墻采用“石籠網(wǎng)+礫石”的網(wǎng)箱搭建，使部分水體從墻體濾過，強(qiáng)化過濾凈化，部分水體則繞過導(dǎo)流墻，有效提升末端水體水質(zhì)穩(wěn)定性，同時(shí)通過太陽能微泡曝氣系統(tǒng)，增加水體溶氧量，為水生生物提供生存環(huán)境，提高水質(zhì)凈化效果。

3.3.2 植物配置 多水塘濕地種植濕地植物多以生態(tài)島邊坡和岸線邊坡帶為主，依據(jù)水深分布由淺至深分別種植挺水植物、浮葉植物和沉水植物。挺水植物有荷花（Lotus flower）、香蒲（Typha orientalis）、西伯利亞鳶尾、黃菖蒲（Iris pseudacorus）、千屈菜等，浮葉植物有水鱉（Hydrocharis dubia）、睡蓮（Nymphaea）等，沉水植物有輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）、菹草（Potamogeton crispus）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）和狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）等。

3.4 生態(tài)修復(fù)工程

3.4.1 工程設(shè)計(jì) 生態(tài)修復(fù)工程內(nèi)容主要包括水生植物、水生動物的選擇配置及生物棲息地的修復(fù)。在充分調(diào)研項(xiàng)目周邊水系的前提條件下，根據(jù)濕地進(jìn)水水流方向、水質(zhì)和水量等情況，利用原有的優(yōu)勢條件，通過合理的技術(shù)生態(tài)重塑，使生態(tài)恢復(fù)和永二干溝水系水質(zhì)改善工程有機(jī)銜接，建立完善、健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)，保障永二干溝水系水質(zhì)，優(yōu)化周邊生態(tài)環(huán)境。

3.4.2 地形改造 根據(jù)現(xiàn)狀生態(tài)修復(fù)生物多樣性恢復(fù)的要求，改造項(xiàng)目區(qū)的地形，構(gòu)建潛流濕地區(qū)、多水塘濕地區(qū)、深潭淺灘濕地泡、強(qiáng)化凈化區(qū)等不同凈化功能單元，恢復(fù)濕地植物，營造鳥類、魚類棲息地等多種類型的濕地生境。水生植物設(shè)計(jì)總面積5.9 hm2，其中，挺水植物5.3 hm2、浮葉植物0.25 hm2、沉水植物0.35 hm2（圖3）。

圖3 水生植物種植典型剖面圖Fig.3 Typical section of aquatic plant cultivation

3.4.3 水生動物配置 水生動物配置主要分析現(xiàn)狀食物網(wǎng)，重構(gòu)食物鏈。增加對生產(chǎn)者的干擾，增加數(shù)量與種類，豐富生產(chǎn)者結(jié)構(gòu)；增加頂級消費(fèi)者，增加次級消費(fèi)者數(shù)量；減少入侵種，增加本地種數(shù)量。增加鰱（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Aristichthys nobilis）等濾食性魚類，投放銅銹環(huán)棱螺（Bellamyaaeruginosa）、三角帆蚌（Hyriopsis cumingii）等底棲動物，增加初級消費(fèi)者。同時(shí)吸引水鳥等頂級消費(fèi)者前來?xiàng)⒁捠常黾诱w能量流動速度，使生態(tài)系統(tǒng)能量加速循環(huán)。

3.4.4 水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建 湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在植物配置恢復(fù)完成后，投放適量魚苗作為構(gòu)建健康水生態(tài)系統(tǒng)的啟動因子。根據(jù)能量塔原理和食物鏈?zhǔn)澄锞W(wǎng)的物質(zhì)流動原理，在湖區(qū)配置不同品種的野生魚類及其他水生動物（曹蒙蕾, 2023）。通過在水體中配置不同的魚類、底棲動物等，可逐步修復(fù)水生態(tài)環(huán)境，激活水生生物食物鏈，通過食物鏈，將水體中營養(yǎng)物質(zhì)移除（潘志坤, 2019）。

考慮到濕地建設(shè)初期，湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)不完善，水生植物群落尚未完全恢復(fù)，為減少植食性魚類和雜食性魚類對水生植物的影響，可投放烏鱧（Channaargus）等肉食性魚類，并對湖區(qū)小型魚類數(shù)量進(jìn)行控制?？紤]到夏季容易出現(xiàn)藻類爆發(fā)，可投放鰱、鳙、底棲動物等，既可濾食水體中的藻類，又可滿足珍稀鳥類的覓食要求。通過捕撈、鳥類覓食等方式，將水中魚類移除，從而將氮、磷等污染物質(zhì)從水體中徹底清除。

4 濕地水質(zhì)凈化預(yù)期效果

本工程定位是水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)相結(jié)合的功能型濕地。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，濕地進(jìn)水水質(zhì)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）（中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會等, 2012）一級A，即主要污染物考核指標(biāo)CODCr、BOD5、NH3-N和TP分別為50 mg/L、10 mg/L、5 mg/L和0.5 mg/L。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，使人工濕地出水主要污染物指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類，有效削減永二干溝排入黃河的污染物總量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，提高再生水資源利用率。因此，出水主要考核指標(biāo)CODCr、BOD5、NH3-N和TP分別達(dá)到預(yù)測目標(biāo)值30 mg/L、6 mg/L、1.5 mg/L和0.3 mg/L。

項(xiàng)目完成后，預(yù)計(jì)水體中的CODCr去除率可達(dá)到50%以上，NH3-N及TP去除率可達(dá)到60%以上，在保證進(jìn)水水質(zhì)滿足設(shè)計(jì)水質(zhì)要求的情況下，主要出水指標(biāo)CODCr、BOD5、NH3-N和TP能夠穩(wěn)定達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。在保證濕地全年運(yùn)行的情況下，CODCr、BOD5、NH3-N和TP年削減量分別達(dá)到283.6 t、67.1 t、20.4 t、2.0 t。本項(xiàng)目的實(shí)施極大地緩解了城市用水短缺問題，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，使水資源循環(huán)再利用，同時(shí)也有效削減了入黃污染物總量，對黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要作用。

5 結(jié)語

本文主要針對銀川干旱、少雨，水資源緊缺，且再生水資源利用低，造成水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，通過構(gòu)建人工建濕地工程對銀川市掌政鎮(zhèn)污水處理廠尾水和永二干溝的排水進(jìn)行深度處理，經(jīng)過人工濕地處理之后的再生水回到永二干溝，可減緩永二干溝的水污染負(fù)荷，同時(shí)也可用于區(qū)域內(nèi)生態(tài)補(bǔ)水、工業(yè)生產(chǎn)和市政用水，為下游入黃水質(zhì)的達(dá)標(biāo)提供有力保障。探索再生水資源化利用對解決西北地區(qū)水資源不足問題和改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。