林瑞峰，季建國(guó)，李鵬程，晉波燕，鄧 晨，白慧文

(北京市北運(yùn)河管理處，北京 101100)

0 引言

蓄滯洪區(qū)是江河防洪體系中的重要組成部分[1]。北京宋莊蓄滯洪區(qū)是水利部2016年批復(fù)《北京市防洪排澇規(guī)劃》確定的70個(gè)蓄洪(澇)區(qū)之一，主要工程項(xiàng)目包括：分洪控制工程、蓄滯洪區(qū)工程、退洪控制工程、生態(tài)修復(fù)工程等。在非汛期，引溫榆河水入蓄滯洪區(qū)，通過(guò)人工濕地實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)。作為北京城市副中心防洪格局的重要組成部分，通州宋莊蓄滯洪區(qū)生態(tài)景觀工程，是北京城市副中心北部“藍(lán)綠交織、清新明亮、水城共融”的綠色安全屏障[2]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京宋莊蓄滯洪區(qū)二期工程，總面積約116.7hm2。生態(tài)工程工藝流程，如圖1所示。溫榆河水通過(guò)日升泵站，首先進(jìn)入垂直流人工濕地，隨后進(jìn)入表流濕地。水質(zhì)改善后，流入蓄滯洪區(qū)湖體，合計(jì)水域面積約17萬(wàn)m2，水深1.5～2.0m。此后，利用分洪閘，最終排入溫榆河。

圖1 濕地工藝流程圖

人工濕地單元面積約25萬(wàn)m2。針對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)出水的水質(zhì)要求，通過(guò)分析濕地污染物去除量與負(fù)荷關(guān)系，并按最大使用壽命30年以上考慮，同時(shí)參照HJ 2005—2010《人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定要求，取水力負(fù)荷0.3m/d。處理工藝采用以水平流濕地為主體，輔助垂直流濕地，設(shè)計(jì)最大處理水量8萬(wàn)m3/d。目前，采用間歇運(yùn)行方式，凈化水量約7800m3/d。

濕地基質(zhì)選用：濕地植物選擇用耐污能力強(qiáng)、凈化效果好、根系發(fā)達(dá)、經(jīng)濟(jì)和觀賞價(jià)值高的水生植物。濕地工程基質(zhì)選用：以石灰石、碎石為主材料。為提高濕地脫氮除磷效果，采用比表面積大，空隙率高的火山巖、沸石、碎磚陶粒填料為補(bǔ)充材料?？紤]到常規(guī)水源比污水更清潔，微生物培養(yǎng)困難。于是，濕地中適當(dāng)布置含微生物的覆膜填料，以便引入、培育濕地微生物，提升處理效果。

1.2 運(yùn)行監(jiān)測(cè)方案

生態(tài)修復(fù)工程，水質(zhì)監(jiān)測(cè)共設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1(進(jìn)水口)，設(shè)置在溫榆河與分洪閘上游連接處，為人工濕地單元的進(jìn)水控制點(diǎn)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2(出水口)，設(shè)置在一級(jí)濕地出口處，為人工濕地單元的出水控制點(diǎn)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)3(湖西側(cè))，設(shè)置在湖區(qū)西側(cè)區(qū)域分洪道處，為湖區(qū)單元的西側(cè)水指標(biāo)控制點(diǎn)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)4(湖東側(cè))，設(shè)置在湖區(qū)東側(cè)區(qū)域處，為湖區(qū)單元的東側(cè)出水指標(biāo)控制點(diǎn)。監(jiān)測(cè)時(shí)間：2022年4—11月。

1.3 水質(zhì)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)選取了化學(xué)需氧量(以下簡(jiǎn)稱COD)、總氮(以下簡(jiǎn)稱TN)、氨氮(以下簡(jiǎn)稱NH3-N)、總磷(以下簡(jiǎn)稱TP)、葉綠素a(以下簡(jiǎn)稱Chl-a)等指標(biāo)用于水質(zhì)分析，每月中旬，取樣監(jiān)測(cè)1次。

水樣采集方法：在各個(gè)取樣點(diǎn)各采集1個(gè)水樣2L，將取樣瓶浸入水層下取中間部分，搖晃瓶體洗滌2次，攪動(dòng)水體，排除水層泡沫，快速取水，取樣后將取樣瓶放于黑色塑料袋中。

水樣處理和Chl-a的測(cè)定，均依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)方法》水樣處理標(biāo)準(zhǔn)和初級(jí)生產(chǎn)力的測(cè)定[3]。其中，COD測(cè)定采用重鉻酸鉀法，TN測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH3-N測(cè)定采用納氏試劑分光光度法，TP測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法，Chl-a測(cè)定采用熒光分光光度計(jì)法。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并進(jìn)行繪圖。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用軟件SPSS19.0進(jìn)行單因素方差分析；采用LSD，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(P<0.05)；采用ORIGIN2019，進(jìn)行繪圖。

2 運(yùn)行效果分析

2.1 COD凈化效果與變化特征

COD指水體中能被氧化的物質(zhì)，在一定條件下進(jìn)行化學(xué)氧化過(guò)程中所消耗的氧化劑的量，既包括被微生物氧化的有機(jī)物的量，也包括不能被微生物氧化的有機(jī)物和某些還原性無(wú)機(jī)物的量[4]。圖2(a)反應(yīng)了COD的空間變化特征。由圖2(a)可見(jiàn)，出水口、湖西側(cè)、湖東側(cè)分別出現(xiàn)了55.60、40.60、45.20mg/L等3個(gè)大的異常值，均出現(xiàn)在5月。這與此段時(shí)期水生植物生長(zhǎng)快速，大量耗氧有關(guān)。COD進(jìn)水口中位數(shù)為24.60mg/L，其他位置中位數(shù)分別為19.15、19.85、20.60mg/L。此外，四分位距(以下簡(jiǎn)稱IQR)：出水口為1.70mg/L；湖東側(cè)、湖西側(cè)、進(jìn)水口等3個(gè)取樣口分別為3.00、8.85、13.75mg/L。數(shù)據(jù)表明，4—11月出水口處產(chǎn)生的離散度最小，COD值穩(wěn)定性最好?？傮w上，每個(gè)監(jiān)測(cè)期各取樣處COD濃度值接近。

圖2 COD變化圖

從圖2(b)可以看出，5月出水口和蓄滯洪區(qū)水體COD平均濃度分別為55.60、47.13mg/L，為4—11月間最高峰值，6—11月COD濃度逐步降低且趨于平穩(wěn)。由于COD濃度整體處于較低的水平，人工濕地和蓄滯洪區(qū)水體對(duì)COD降低能力并不明顯。圖2(c)表明，蓄滯洪區(qū)水體COD濃度總體處于地表水Ⅳ類水平，部分月份能夠達(dá)到地表水Ⅲ類水平。

2.2 TN污染物凈化效果與變化特征

氮是水體中浮游植物生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)素，浮游植物可以吸收，溶解無(wú)機(jī)氮，一些細(xì)的有機(jī)氮含量和類別，直接或間接影響浮游植物群落生物量和組成[5]。水體中TN包括：有機(jī)氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽，以及氨等各種形態(tài)的有機(jī)、無(wú)機(jī)氮的總量[6]。由圖3(a)可見(jiàn)，TN濃度：4—11月，進(jìn)水口在3.37～8.95mg/L之間，出水口在0.37～9.42mg/L之間；數(shù)值中位數(shù)，湖西側(cè)為0.89mg/L，出水口為0.85mg/L，湖東側(cè)為0.77mg/L，蓄滯洪區(qū)3個(gè)區(qū)域水體TN濃度較為接近。由圖3(b)可見(jiàn)，4—9月出水口和蓄滯洪區(qū)水體TN平均濃度保持在低位且較為平穩(wěn)。10月和11月TN濃度出現(xiàn)較大增長(zhǎng)。TN濃度增高的現(xiàn)象與季節(jié)變換及水生植物開(kāi)始逐漸衰敗有關(guān)。4—9月出水口和蓄滯洪區(qū)水體TN濃度去除率平均為86%和83%。10月和11月間，進(jìn)水口TN濃度升高，與出水口處種植的挺水植物荷花開(kāi)始衰敗并釋放出氮類元素有關(guān)。蓄滯洪區(qū)整體TN濃度去除率依舊能保持在50%水平，說(shuō)明蓄滯洪區(qū)水體生態(tài)體系對(duì)TN有較強(qiáng)的去除能力。TN的去除率與溫度之間的關(guān)系較為緊密。4—8月，植物和微生物的活性最旺盛，TN的去除率較高[7]。由圖3(c)可見(jiàn)，4—11月溫榆河進(jìn)水TN濃度較高，處于地表水Ⅴ類及以上水平。通過(guò)潛流人工濕地凈化后，TN濃度顯著下降，5—9月能達(dá)地表水Ⅲ類水平。

圖3 TN變化圖

2.3 NH3-N污染物凈化效果與變化特征

NH3-N是水體中的主要氮污染物之一，是湖泊和水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的主要誘因，主要來(lái)自農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活污染[8]。由圖4(a)可知，NH3-N濃度：4—11月，進(jìn)水口在0.15～1.25mg/L之間；出水口在0.05～0.22mg/L之間；出水口、湖西側(cè)和湖東側(cè)NH3-N濃度中位數(shù)分別為0.14、0.17、0.20mg/L，蓄滯洪區(qū)3處取樣點(diǎn)的中位數(shù)總體接近。在IQR方面，湖西側(cè)為0.11mg/L，湖東側(cè)為0.11mg/L，出水口為0.10mg/L。由4(b)可知，4—11月，出水口NH3-N值在0.05～0.22mg/L之間，蓄滯洪區(qū)水體NH3-N平均值在0.07～0.32mg/L之間，兩者數(shù)值趨勢(shì)平穩(wěn)。NH3-N濃度在11月顯著升高，與同時(shí)期TN濃度升高成正比。在NH3-N去除率方面，出水口平均去除率在63%左右，蓄滯洪區(qū)總體去除率為47%。圖4(c)表明，4—11月溫榆河進(jìn)水口NH3-N濃度基本維持在地表Ⅲ類及以下水平。溫榆河進(jìn)水經(jīng)過(guò)蓄滯洪區(qū)潛流人工濕地處理后，匯入到蓄滯洪區(qū)后，NH3-N濃度顯著降低，穩(wěn)定保持在地表水Ⅱ類水平。7—10月，達(dá)到或接近地表水Ⅰ類水平，表明人工濕地脫氮能力顯著。

圖4 NH3-N變化圖

2.4 TP凈化效果與變化特征

磷是生物生長(zhǎng)必需的元素之一，但水體中磷的含量超過(guò)0.2mg/L，會(huì)造成藻類過(guò)度繁殖，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。因此，總磷是評(píng)價(jià)水質(zhì)的重要指標(biāo)之一[9-10]。由圖5(a)可知，TP濃度：4—11月，進(jìn)水口在0.12～0.23mg/L之間；出水口在0.02～0.06mg/L之間；蓄滯洪區(qū)出水口、湖西側(cè)和湖東側(cè)3處取樣點(diǎn)TP濃度中位數(shù)相同，均為0.05mg/L。在IQR方面，3處總體接近：湖東側(cè)為0.03mg/L，出水口為0.04mg/L，湖西側(cè)為0.06mg/L，說(shuō)明4—11月TP濃度保持在穩(wěn)定水平。蓄滯洪區(qū)對(duì)TP的去除效果十分明顯。由圖5(b)可知，4—11月，TP濃度：出水口在0.02～0.06mg/L之間，水體平均濃度在0.02～0.09mg/L之間。11月蓄滯洪區(qū)水體TP濃度有所上升，濕地對(duì)磷的去除，主要通過(guò)填料化學(xué)吸附轉(zhuǎn)化除磷及植物吸收除磷[11]。因此，與水生植物衰敗釋放出TP有關(guān)。整體上出水口TP濃度平均去除率達(dá)到77%，蓄滯洪區(qū)水體TP濃度平均去除率也達(dá)到70%水平。由圖5(c)可知，4—11月溫榆河進(jìn)水口TP濃度維持在較低水平，整體處于地表水Ⅲ類水平，蓄滯洪區(qū)水體TP濃度處于地表水Ⅱ類水平，部分月份能達(dá)到地表水Ⅰ類水平。

圖5 TP變化圖

2.5 Chl-a變化特征

Chl-a是藻類重要的組成成分之一，且所有的藻類均含Chl-a，其含量高低與該水體中藻類的種類、數(shù)量等密切相關(guān)。一般而言，Chl-a濃度與水體中的藻類含量成正比，也與水環(huán)境質(zhì)量有關(guān)。因此，Chl-a在水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中也發(fā)揮著愈來(lái)愈顯著的作用[12-13]。由圖6(a)可知，Chl-a濃度離散值：5月，溫榆河進(jìn)水口為137.00μg/L；6月，出水口、湖東側(cè)和湖西側(cè)分別為49.00、52.00、61.00μg/L。出水口、湖西側(cè)和湖東側(cè)濃度中位數(shù)分別為8.00、11.00、11.50μg/L。其他月份，蓄滯洪區(qū)水體Chl-a濃度控制在30.00μg/L以下，表明5—6月份是藻類的生長(zhǎng)期和爆發(fā)期。從圖6(c)可知，蓄滯洪區(qū)水體Chl-a濃度維持在低位水平，與溫榆河進(jìn)水口Chl-a濃度相比較，出水口和水體平均Chl-a濃度分別減少64%和55%，最高去除率能夠達(dá)到80%～90%，證明蓄滯洪區(qū)的水生植物和水生動(dòng)物對(duì)藻類的抑制起到了重要作用，與宋英偉[14]在城市景觀水體生境改善技術(shù)與機(jī)理研究中的發(fā)現(xiàn)一致。這可能是因?yàn)樗参锖退鷦?dòng)物對(duì)水下光照強(qiáng)度更為適應(yīng)，從而影響藻類的光合作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，水生植物對(duì)藻類的化感作用也會(huì)對(duì)藻類產(chǎn)生抑制作用[15]。

圖6 Chl-a變化圖

3 結(jié)語(yǔ)

北京宋莊蓄滯洪區(qū)二期生態(tài)修復(fù)工程采用間歇運(yùn)行方式以來(lái)，通過(guò)對(duì)2022年4—11月采樣點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)，工程在滿足出水的水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，有效降低了碳排放量。此外，蓄滯洪區(qū)水體Chl-a濃度，大部分時(shí)段維持在低濃度水平，這與蓄滯洪區(qū)水生動(dòng)物和水生植物逐漸豐富有關(guān)。水生態(tài)系統(tǒng)趨于平衡與穩(wěn)定，得益于生態(tài)系統(tǒng)中上行效應(yīng)與下行效應(yīng)等因素發(fā)揮了重要調(diào)節(jié)作用。未來(lái)，研究把蓄滯洪區(qū)啟用后水體理化指標(biāo)變化特征納入考量，兼顧對(duì)蓄滯洪區(qū)退水后水質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析，探究蓄滯洪區(qū)生態(tài)修復(fù)工程對(duì)水體的修復(fù)能力，在提升研究的完備性與普適性等方面有待深入。