白洋淀入淀河道的生態治理措施及效果
——以孝義河為例

張 艷，唐 樂，阮龍燕

(1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510635；2.上海水源地建設發展有限公司，上海 201900)

1 概述

白洋淀是華北地區最大的淡水湖泊和最重要的蓄滯洪區，目前面臨入淀水量日益減少、污染日漸加重、生態環境日益惡化的危機，建設雄安新區必將白洋淀水治理及生態修復作為治理水環境、生態環境問題的突破口。

以往大量學者針對白洋淀區水環境質量評估開展了系列的工作，但是對入淀河流關注相對較少，僅有的研究也主要集中在府河[1]。雄安新區成立以來，對入淀河流的治理變得愈發迫切，社會各界對入淀河道現狀及生態治理思路進行了大量分析研討，白洋淀水專項以白洋淀水環境安全保障與水生態功能恢復為主要目標，進行了入淀濕地水環境治理與水生態恢復技術集成，提出了北方典型草型湖泊(白洋淀)生態修復策略；基于現有研究成果和探討，目前對入淀河道的生態治理策略集中在生態清淤、活水循環、原位治理、生態修復等，既有研究成果大都以實現水體自凈作為治理的關鍵，但仍需要具體的實踐案例來進行理論支撐，并豐富其治理體系[2]。

本研究針對孝義河流域的大量分析研判，開展應用研究，在孝義河雄安新區段(豐收橋～思鄉橋)設置生態治理示范段，以恢復水體的自凈能力，強調流域自我修復為主要治理思路，構建“底泥治理+原位修復+生態修復+水動力提升+面源污染控制”的生態治理體系，以孝義河雄安新區段生態治理措施的構建及項目實施前后的效果對比兩個方面為切入點，開展入淀河道的生態治理應用研究，可為今后入淀河流的生態治理提供參考。

2 項目概況

孝義河作為白洋淀“九河下梢”之一，是入淀河流中3條“有水河流”之一，流經五縣一市，在高陽入安新馬棚淀至白洋淀，由于孝義河流經城市污水或中水河道系統，河道來水以流域污水處理廠尾水為主，污水廠尾水占多年平均入淀水量的80%以上，是白洋淀上游污染源的主要入淀渠道[13]，水體污染較重。河流污染源主要來源于安國、博野、蠡縣和高陽縣，9座污水處理廠尾水排入河道，排放量約為21萬m3/d，城鎮污水處理廠污水占孝義河年入河污水量的96%。

現狀水質數據表明，孝義河干流的蒲口、郝關壩斷面長期處于Ⅴ類和劣Ⅴ類之間，主要超標水質指標為COD、氨氮、總磷等，其中，COD最大超標倍數為0.84，氨氮最大超標倍數為0.89，總磷最大超標倍數為2.03?？偭壮瑯俗顬閲乐?，直接威脅淀區水質。

2019年9月，項目對孝義河雄安新區段7個典型斷面進行加密水質采樣((項目地理位置見圖1所示，水質監測點位分布見圖2所示)。監測結果顯示，水質總體為劣Ⅴ類。主要超標因子為總氮、總磷?？臻g上，各項指標總體變化不明顯。豐收橋附近總磷相對于地表Ⅳ類水要求，超標0.03倍；總氮超地表Ⅴ類水標準0.45倍。

圖1 項目地理位置示意

圖2 孝義河水質監測點位示意(2019年9月)

3 污染成因分析

經過對該河段的長期調研跟蹤，發現孝義河主要污染成因有城鎮污水處理廠尾水、工業企業排放廢水、未納入管網的城鎮生活污水、農村生活污水、農業面源、養殖面源等。

1)上游污染——孝義河新區段上游污染以城鎮污水處理廠尾水為主，還有少量農業面源、上游養殖面源污染等。

2)農業面源污染——孝義河新區段沿岸土地利用以農業用地為主，產業類型以種植業為主，局部分布有養殖業。在農業生產過程中，化肥、養料的使用、以及養殖廢水、糞便的排放，隨自然地形匯集或通過地表徑流沖刷、攜帶進入孝義河，對水質產生污染。

3)生活污水排放——孝義河新區段居民點集中分布在河道下游的同口鎮，部分村莊尚未開展污水集中收集處理整治。另外，村莊垃圾堆放點，沒有設置防滲設施，對周邊水環境有一定影響。

4)內源污染——孝義河長期承接流域內污水、尾水、雨水等的匯入，部分污染物通過沉淀、吸附等富集于河道底泥內部。經計算，底泥污染物向河道的釋放量：COD釋放量為2.52 t/a，氨氮釋放量為0.17 t/a，總氮釋放量為2.04 t/a，總磷釋放量為0.19 t/a。

4 生態治理措施論證

根據孝義河的污染成因分析，制定了靶向解決孝義河水生態環境問題的生態治理措施(見圖3)。為實現恢復水體自凈能力，強調流域自我修復的目標，在孝義河項目的工程實踐中，對生態治理措施的擬定以削減孝義河河口污染物、提升入淀水質、增強水動力為主，兼顧恢復白洋淀區域生態環境。結合河道現狀水生態問題，生態修復措施除要保證河道上游來水水質不惡化外，也要恢復入淀口河流水生動植物群落，增強河道水生態系統功能。為此，針對性地提出了如下措施：

圖3 孝義河生態治理方案架構示意

1)面源污染控制：本項目與孝義河河口濕地水質凈化、馬棚淀退耕還淀生態濕地恢復有機結合，全面實施退耕還淀，清退淀區內的油田，從源頭清退污染排口，削減農業面源，保障污染物不入河。

2)生態護岸：結合河道現狀條件、工程措施可實施性和自然生態系統的需求，孝義河生態護岸措施主要有河心洲、灘地、生態木樁、生態巨石。在對河心洲和灘地清淤的同時依據地形進行塑造，以此恢復經過清淤后河涌現狀生態系統產生的破壞和擾動。

3)植物群落修復：微生物技術、生物載體可有效提升河道水質，本項目治理河道位于白洋淀入淀口處，與白洋淀有著重要的水力聯系，白洋淀內微生物富集且為當地菌種，去污等能力較強，因此，可通過構建穩定的水生動植物系統，逐漸富集微生物。

4)底棲動物修復：孝義河新區段河道底泥長期污染，底棲動物數量減少且底質生境受損，河道沿線水生植物群落失衡且單一，通過水生動植物群落構建，逐漸形成健康穩定的“浮游動物—水下森林—水生動物—微生物群落”立體共生系統。

5)水動力提升：針對盲腸段及坑塘處水體水動力不足，水體易發生富營養化區域，首先選用深潭淺灘構建技術并結合底泥、水質微生物原位修復技術，創造良好的基底環境，同時借助人工動力技術提高河道水體水動力，增加水體溶解氧，節點內搭配“挺水—浮葉—沉水”多種水生植物，可有效吸收河道污染物及提升河道水生態。

6)內源污染控制：現狀孝義河河道底泥淤積厚度為0.2～0.8 m，有機質、全氮、全磷超標嚴重。通過污染底泥治理和底泥原位修復，清除河道內源污染，同時通過適當的處理措施，使底泥有效二次利用，保證污染不外溢，實現資源化改造。

5 生態治理措施

5.1 內源污染控制措施

1)污染底泥治理：為全面消除底泥內源污染，在項目中結合下墊面和底泥污染情況，因地制宜采用底泥清淤措施，用沉積學法初判底泥深度，進行底泥污染監測及環?？碧綄嵤┤鶢畈蓸?，采樣底面進入正常層(C層)以下，并進行分層指標分析和化驗。結合化驗成果，項目選擇環保絞吸船、土工管袋等不同的施工工藝，通過實施污染底泥清淤+底泥輸送+底泥脫水+底泥資源化利用等一系列工藝(見圖4)，實現環保清淤，徹底消除黑臭底泥內源污染。

圖4 孝義河污染底泥治理工藝流程示意

2)原位修復：對于油氣管線等無法實施異位修復的區段，在管線穿越處的污染底泥治理采用原位修復技術。

根據現場實際情況及調研，結合底泥分析的結果，投加特殊工藝培育的有效微生物菌群，共投放4個類型：底泥分解型菌劑、泥皮消減型菌劑、絮凝型菌劑、水質調節型菌劑，各類菌群中的有益微生物經固氮、光合等一系列分解合成作用，可增加水中的溶解氧，降低底泥氨、硫化氫等有毒物質的含量，最終達到凈化底泥的目的。

微生物菌群按照2 kg/m2的設計量，按施工時段、定量人工均勻潑灑至水體中，一般調至80～100 ppm濃度投加，一日投加1～2次，每次約30 min；生物質碳填料設計參數為1塊/m2，高效微生物設計參數為2 kg/m2。兩處待治理石油管線區合計水域面積為3 000 m2，投加總工程量見表1。

表1 原位修復設計工程量清單

3)效果分析：整體而言，施工完成后，底泥的總氮相比施工前有所降低，總磷與施工前基本持平，但均處于較低水平，底泥有機質均呈現不同程度降低。結果表明，河道內的表層淤積物在施工過程中得到了一定程度的去除。

5.2 生態修復措施

1)生態護岸措施：結合河道現狀條件、生態措施可實施性和自然生態系統的需求，孝義河生態護岸修復的措施主要有河心洲、灘地、生態木樁、生態巨石、挺水植物。

2)植物措施：根據不同河段水深、汛期流速等自然水文條件及河岸邊坡、灘地等地形地貌情況，選取去污能力強或適應能力較強的水生植物，構建“挺水植物～浮葉植物～沉水植物”多層水生植物系統。

考慮河道汛期 5 年一遇洪水流速約為1.1～1.7 m/s，流速相對較大，對河道邊坡有一定的沖刷，考慮水流流速對水生植物的影響，將水生植物種植在拋石護腳及木樁護腳以上的河道岸坡上。其中挺水植物種植在水深0.5 m以內區域；浮葉植物種植在水深0.5～0.8 m范圍區域；沉水植物種植在水深0.8～2.0 m范圍區域。主要種植蘆葦、菖蒲、水蔥、荷花、鳶尾、菖蒲等本地挺水物種，輪葉黑藻、金魚藻、苦草等本地沉水物種。根據相關研究[3]，沉水植被覆蓋度超過30%時，才有顯著的環境學效應，水質才能得到初步改善；本段初步按照總面積的30%進行沉水植物種植，在有效改善湖泊水質的同時，為多種生物提供生存環境，待后期生態系統穩定后，沉水植物自然蔓延生長。

針對區域種植典型植物物種，通過其靶向去除孝義河污水主要污染因子：氮、磷、BOD5、COD(見表2)。

表2 不同植物的靶向去除污染物種類

3)底棲動物修復措施：根據前期調研，有針對性地適當投放螺類及蚌類等生態系統凈化較強的濾食性的雙殼類的軟體動物，以土著物種為主；并且適當的增加日本沼蝦等甲殼類底棲動物的投放，以保證生態系統中各類種群數量的穩定。在工程實施中累積投放水生動物包含環棱螺440 kg、圓田螺352 kg、沼蝦256 kg、無齒蚌176 kg，共計1 224 kg。

通過對水生維管植物體系的搭建、以及底棲動物的投放，恢復因底泥污染和工程實施引起的食物鏈損壞，豐富水生動物多樣性。

5.3 水動力提升措施

要實現孝義河水體的全自然化流動，對盲腸段的改造尤為重要。孝義河思鄉橋起點下游約4.3 km處(靈覺寺附近)有一長約300 m的斷頭河，與主河道形成夾角，現狀水動力差，為河道的盲腸段。主河道與盲腸段夾角處為三角狀坑塘，總面積約為1.37 hm2?？紤]此處坑塘及盲腸段水動力條件不好，水體極易富營養化，因此，本工程設計將坑塘作為生態景觀節點進行重點打造，在保證水體水質不惡化的同時，提升河道水動力。

1)水系連通方案

水系連通包括兩部分內容，坑塘與孝義河河道連通，以及大小坑塘之間連通(盲腸段水系連通及水體地形構造示意見圖5、圖6)。具體水系方案如下：

圖5 孝義河盲腸段水系連通示意

圖6 孝義河盲腸段水體地形構造示意

水體由節點東側河道經生態濾島進入大坑塘，大坑塘水體由布置在坑塘西南角的抬水泵泵至小坑塘，小坑塘水體通過穿路涵管進入孝義河河道盲腸段。通過水動力提升系統，能夠實現盲腸河段、三角坑塘與主河道之間的聯通，形成具有穩定流態的水系統，融入主河道。通過水動力提升改變盲腸河段水體不流動的現狀，盲腸河段流速可提升至0.12 m2/s，恢復流動性，消除孝義河雄安新區段死水區。

2)曝氣增氧

在孝義河盲腸段，因水流不順，考慮西南角及棧橋處可能存在死角區域，水面布置了8臺噴泉曝氣設備，可形成水動力循環，確保水域范圍內的溶解氧達標(見圖7)。

圖7 曝氣增氧設備在孝義河的應用示意

6 項目實施后效果分析

6.1 水質提升效果

2016年以來孝義河浦口斷面水質監測數據表明，孝義河水質常年處于劣V類，夏秋季節水質較差。孝義河項目完工后，總體水質情況穩定，各月平均數據均滿足Ⅳ類水質標準。孝義河濕地在2021年下半年逐步成型并發揮效益，水質穩定在Ⅲ類水質。進入2022年，孝義河尾端位置(豐收橋站)水質監測站(見圖8)連續多月錄得Ⅱ類水質，自2021年1月有長期記錄以來，水質穩定向好(水質監測數據見表3)。

表3 2021年1月—2022年4月豐收橋站水質監測數據(月份均值)

圖8 孝義河水質監測基礎設備示意

6.2 生態環境改善效果

項目實施后，生態多樣性惡化得到有效遏制，絕跡多年的芡實、白花菜等多種沉水植物和浮葉植物重現，野生魚類快速恢復和繁殖，生態環境得到了明顯改善。

根據2023年6月生態調查，共鑒定浮游藻類36屬(種)，隸屬于硅藻門、藍藻門、綠藻門、裸藻門、隱藻門、甲藻門和金藻門7門。其中，綠藻門藻類在種類組成上占優勢，有12屬(種)，占33%；綠藻門藻類有10種，各占28%，甲藻門和金藻門種類數最少，僅1種，占比 3%。

通過香農-威納指數(Shannon Wiener index)計算各調查樣點浮游藻類多樣性，結果顯示各調查樣點生物多樣性指數變化范圍為2.8～3.5，靈覺寺調查樣點香農-威納多樣性指數最高為3.5，濕地調查樣點香農-威納多樣性指數最低為 2.8(見表4)。根據調查樣點生物多樣性指數分析，孝義河新區段整體水質清潔。

表4 項目實施前后調查樣點浮游植物香農-威納指數對比

表5 孝義河示范段起、終點分時段水質監測數據對比 mg/L

根據項目實施后的河道生態調查，河道的生態修復效果明顯，對比于項目實施前(2020年夏季)生態調查，膳馬廟、府河閘和南劉莊調查樣點的浮游植物多樣性香農-威納指數都有所不同程度升高，平均升高 24.8%，表明隨著工程完工及生態修復措施的實施，河道生境得到改善，水域及周邊濱水地帶的環境逐漸層次化、多樣化，隨著生態群落的構建，水下食物鏈、食物網逐漸完整。

6.3 水體自凈效果

通過項目中已實施的在孝義河起點(K2+067樁號)和孝義河終點河道(豐收橋站)布設的常規站監測數據，孝義河出口河道監測設備錄得氨氮、溶解氧等數值均小于起點(K2+067樁號)錄得的長期數值，表明在孝義河雄安新區段，污染物負荷達標，在該段河道內實現了污染負荷削減，治理后水體能夠充分接納水污染負荷，達到了水體自凈。

7 結語

1)采用上述內源污染控制、生態修復、水動力提升等措施進行示范段生態治理后，長期水質監測表明，2021年1月—2022年4月孝義河末端斷面出水水質主要指標均不劣于孝義河上游來水斷面水質，河道水質從2021年1月份開始基本維持在Ⅳ類水水質標準，達到了項目既定目標；項目實施后，生態環境得到明顯改善。

2)治理后，通過對孝義河新區段一頭一尾設置的兩個水質監測站的數值進行具體分析，孝義河尾端出水COD、氨氮、總磷污染物濃度大幅下降，水質得到顯著提升，達到地表IV類水標準；在孝義河河道及淀區濕地段，治理后水體能夠充分接納水污染負荷，實現了水體自凈。

3)通過多渠道治污、聯合靶向生態措施對孝義河河道進行治理后，在運行期內實現了孝義河河道的自我修復，在少人工干預下，河道水質和生態環境在近幾年得到了初步改善，其成果可為今后入淀河流的治理提供參考。