項目概況

水體污染控制與治理科技重大專項（以下簡稱水專項）是根據(jù)《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》設立的十六個重大科技專項之一，按照國務院批復的水專項實施方案和重大專項聚焦調整要求，“十三五”重點聚焦“京津冀協(xié)同發(fā)展區(qū)域綜合調控重點示范”。

在水專項一級標志性成果專家、清華大學教授王凱軍和北京市水科學技術研究院教授級高級工程師孟慶義的指導下，水專項“白洋淀與大清河流域（雄安新區(qū)）水生態(tài)環(huán)境整治與水安全保障關鍵技術研究與示范（2018ZX07110）”項目（以下簡稱白洋淀項目）技術負責人、河北大學教授王洪杰和“媯水河世園會及冬奧會水質保障與流域生態(tài)修復技術和示范 （2017ZX07101004）”獨立課題（以下簡稱媯水河獨立課題）負責人、教授級高級工程師王利軍分別受白洋淀項目牽頭單位——中國雄安集團有限公司總經理劉中林和北京市水利規(guī)劃設計研究院院長沈來新委托，帶領由500多位一線科技人員組成的國家級科研團隊，圍繞京津冀河湖水環(huán)境質量保障和水生態(tài)修復重大科技需求，針對北方地區(qū)城市尾水水量大且水質難以滿足地表水環(huán)境質量標準、北方濕地生態(tài)系統(tǒng)退化、生態(tài)景觀格局破碎等問題，研發(fā)了生態(tài)塘群預處理—功能濕地強化污染削減—近自然濕地生態(tài)景觀提升成套技術。

技術突破了大尺度近自然濕地構建技術體系，實現(xiàn)了大城市再生水規(guī)?；鷳B(tài)利用；突破了“生態(tài)塘群—功能濕地—退耕還濕”梯級水質凈化技術，實現(xiàn)了尾水補給型河水的水力負荷和污染負荷全控制；突破了“水系連通優(yōu)化—立地條件改善—微生境營造”近自然生態(tài)修復技術，實現(xiàn)退耕、退塘、退漁、退養(yǎng)全面還濕；構建了最大規(guī)模的近自然濕地生態(tài)系統(tǒng)，為京津冀河湖水體近自然生態(tài)修復提供系統(tǒng)解決方案，有效支撐北方河湖水體的大尺度近自然生態(tài)修復和水質提升。

技術開發(fā)

針對城市尾水不能滿足流域地表水環(huán)境質量要求、河道和濕地水質凈化能力低下、水體生態(tài)系統(tǒng)脆弱等問題，水專項研發(fā)了生態(tài)塘群預處理—功能濕地強化污染削減—近自然濕地生態(tài)景觀提升成套技術，主要包括尾水補給型河道水質提升技術、生態(tài)塘群預處理技術、功能濕地污染強化削減技術、近自然濕地低溫強化技術和近自然濕地生態(tài)修復技術（具體技術流程見圖1）。

基于水環(huán)境質量和水生態(tài)安全需求，分析河流水環(huán)境容量；根據(jù)河道沉積物污染特征，明確河道底泥環(huán)保清淤范圍和方式；結合“斑塊—廊道—基質”生態(tài)河道重塑理念，構建河道濕地系統(tǒng)；篩選生態(tài)護岸措施，構建河道生態(tài)護岸系統(tǒng)。

根據(jù)上游來水污染特征，設置“生態(tài)滯留塘+潛流濕地”配置的濕地緩沖區(qū)，沉淀生態(tài)塘有效削減來水中的懸浮物，并通過生態(tài)塘的好氧、兼性和厭氧微生物改善水質；潛流濕地通過基質（碎石、鋼渣和沸石）攔截、植物吸收和微生物降解，高效去除水中的氮磷等污染物。

根據(jù)濕地生態(tài)環(huán)境特征，依據(jù)深潭—淺灘—溝渠—生態(tài)島等的復合生態(tài)景觀設計，規(guī)劃和優(yōu)化入淀濕地空間格局；根據(jù)入淀濕地地形進行水力模擬，優(yōu)化上游來水引入濕地的路徑和濕地內部的水系連通，強化濕地水動力過程對污染物的去除；通過基底微地形整理和立地條件改善，促進水動力優(yōu)化、生態(tài)系統(tǒng)恢復和污染物削減；通過濕地植物、動物和微生物優(yōu)化，修復或者重構脆弱濕地的生態(tài)系統(tǒng)，形成近自然濕地水質凈化和生態(tài)修復關鍵技術。

（1）近自然濕地生態(tài)修復和水質凈化關鍵技術

基本原理：利用基質固定、植物吸收和微生物降解，強化城市尾水中污染物的去除；優(yōu)化近自然濕地的空間格局，形成深潭、淺灘、溝渠和生態(tài)島等復合生態(tài)景觀格局；集成水環(huán)境和水生態(tài)與水動力的聯(lián)合模擬，優(yōu)化近自然濕地的水系連通；合理配置濕地植物、動物和微生物，修復脆弱濕地的生態(tài)系統(tǒng)；實施藻苲淀近自然濕地和馬棚淀退耕還濕濕地建設。

工藝流程：城市尾水由河道引入前置生態(tài)塘群進行預處理，經過植物強化攔截去除河水中顆粒污染物，經過微生物水解，提升有機物的可生化性；生態(tài)塘群預處理后，出水進入河口功能濕地，經過基質（碎石、鋼渣和沸石）攔截、植物吸收和微生物降解，強化去除河水中主要污染物；功能濕地處理后，出水進入近自然濕地，經過深潭、淺灘、溝渠、生態(tài)島等近自然生態(tài)系統(tǒng)的深度凈化，實現(xiàn)河道、濕地和淀泊水質的互融互通。生態(tài)塘群預處理—功能濕地污染強化削減—近自然濕地生態(tài)景觀提升工藝流程如圖2所示。

（2）低溫河道近自然濕地氮磷削減關鍵技術

基本原理：綜合運用物理、化學、生物等凈化原理，實現(xiàn)北方低溫水體氮磷削減率達到30%的預期目標。利用河道灘地、順延河流形態(tài)、結合自然濕地形態(tài)和生物多樣性特征，建成以塘為主體的多形態(tài)近自然人工濕地系統(tǒng)，通過延長水流路徑、促進水位變動、構建深潭—淺灘格局等措施強化物理凈水作用。借鑒生物脫氮除磷原理，集成植物濾網截留凈化、多生境控碳脫氮、底質調節(jié)緩釋除磷、地溫—冰蓋協(xié)同增溫保溫等技術，形成低溫河道近自然梯級濕地氮磷削減關鍵技術。

工藝流程：以溪流和島嶼濕地、魚鱗濕地串聯(lián)構成自然輸水渠道和沉沙區(qū)，結合沉水植物濾網構建，強化物理截留沉降、植物富碳補給、微生物富集作用。出水自流進入由生物塘、單元表流濕地、潛流濕地等不同濕地形態(tài)優(yōu)化組合的水質凈化區(qū)，綜合發(fā)揮植物—微生物等的協(xié)同脫氮、抑藻控碳作用凈化來水。實施以人工引導為主的水生植物群落構建，配置分泌小分子有機物能力強、氮磷吸附效率高、攔截吸附能力強、時間生態(tài)位互補的沉水植物群落，構建沉水植物生態(tài)濾網，同時配置兼具水質凈化與景觀提升的挺水植物。構建短程硝化反硝化潛流濕地深度凈化區(qū)，強化對含氮污染物的凈化效果；布設新型緩釋除磷填料，強化表流濕地底質對磷的吸附效果。優(yōu)化取水方式，并配合水位調控措施，形成冰下運行方式；局部實施冷季型水生植物配置、耐低溫生物菌群強化和保溫基質材料配置措施，強化低溫期穩(wěn)定運行效果。截留沉降—富碳補給—生物富集和抑藻控碳—生物富集—強化脫氮工藝過程如圖3所示。

圖1 成套技術流程圖

圖2 近自然濕地生態(tài)修復和水質凈化關鍵技術流程圖

圖3 低溫河道近自然濕地氮磷削減關鍵技術流程圖

工程應用

（1）府河河口濕地水質凈化工程

府河河口濕地水質凈化工程項目建設單位為中國雄安集團生態(tài)建設投資有限公司，工程總承包單位為中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司（牽頭單位）、中國電建北京勘測設計研究院有限公司、中國電建華東勘測設計研究院有限公司聯(lián)合體。

工程在府河新區(qū)段實施16.3千米的河道清淤和環(huán)境整治工程（構建了7塊共10.6萬平方米河道生態(tài)濕地），主要包括河道疏通工程、存量垃圾清運處置工程、污染底泥治理工程、生態(tài)修復工程。在藻苲淀的府河、漕河、瀑河三河入淀口建設了府河河口水質凈化工程，采用“前置沉淀生態(tài)塘+潛流濕地+水生植物塘”近自然工藝，主要包括功能濕地工程、生態(tài)濕地恢復工程、配套設施及公共工程及智慧濕地工程，建設面積4.23平方千米，處理規(guī)模25萬立方米/天。濕地出水水質優(yōu)于地表水環(huán)境IV類標準，對于白洋淀水質達標、生態(tài)系統(tǒng)恢復、綠色生態(tài)空間構建、“葦海荷塘”壯闊勝景重現(xiàn)和雄安新區(qū)生態(tài)文明建設保障有著重要的現(xiàn)實意義和長遠意義。

府河河口濕地水質凈化工程效果圖

府河河口濕地部分生態(tài)圖

（2）孝義河河口濕地水質凈化工程

孝義河河口濕地水質凈化工程項目建設單位為中國雄安集團生態(tài)建設投資有限公司，工程總承包單位為中交第二航務工程勘察設計院有限公司（牽頭單位）、北京京水建設集團有限公司、中交天航環(huán)保工程有限公司聯(lián)合體。孝義河新區(qū)段實施了6.4千米的河道清淤和環(huán)境整治工程，孝義河河口濕地水質凈化工程采用“前置沉淀生態(tài)塘+潛流濕地+多塘系統(tǒng)”工藝，工程建設面積2.11平方千米，處理規(guī)模20萬立方米/天。

孝義河河口濕地水質凈化工程效果圖

（3）官廳水庫八號橋水源凈化濕地工程

官廳水庫八號橋水源凈化濕地工程的建設單位為北京市官廳水庫管理處，工程設計和技術支持單位為北京市水利規(guī)劃設計研究院和北京市水科學技術研究院。工程在河北省懷來縣官廳水庫八號橋永定河入庫口，利用長約3.5千米、寬約700米的河道及灘地，建設近自然復合功能濕地示范項目，建設面積約2.1平方千米，處理8.6萬~26.0萬立方米/天上游來水。常溫期COD、氮和磷平均去除率分別達到15.7%、64.1%和75.6%；低溫期（水溫低于15℃時）濕地系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行，氮和磷削減率分別達到50.4%和64.4%，有效破解了北方地區(qū)近自然濕地越冬運行難題。

官廳水庫八號橋水源凈化濕地工程效果圖

技術創(chuàng)新

在污水人工濕地處理技術領域，我國在基質和植物配置、微生物結構優(yōu)化、構筑物結構設計與工藝運行管理等方面的技術水平與國外基本相當；但在退耕、退塘、退漁、退養(yǎng)還濕等領域的起步較晚，相應成熟的濕地修復技術較少，較國外發(fā)達地區(qū)基本完成近自然濕地生態(tài)修復差距較大。本成套技術在理論基礎和實際應用方面取得的重大進展體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）突破了大尺度近自然濕地構建技術體系，實現(xiàn)了大城市再生水規(guī)?；鷳B(tài)利用。突破了城市尾水生態(tài)塘群預處理—功能濕地強化污染削減—近自然濕地生態(tài)景觀提升一體化濕地構建技術體系，首次累計建設了京津冀地區(qū)8平方千米大規(guī)模近自然濕地系統(tǒng)，實現(xiàn)了每年2億立方米以上城市尾水的全收集、全處理和全補給，出水水質達到地表水IV類以上標準，可支撐600萬以上人口城市再生水的生態(tài)利用。

（2）突破了“生態(tài)塘群—功能濕地—退耕還濕”梯級水質凈化技術，實現(xiàn)了尾水補給型河水的水力負荷和污染負荷全控制。研發(fā)了河道生態(tài)斑塊水質凈化技術，篩選出格賓石籠/雷諾護墊和松木樁生態(tài)護岸模式，水生植物及微生物豐度提高20%~40%，使得狹窄型河道水質凈化能力提升10%以上；優(yōu)化了前置生態(tài)塘植物配置，顆粒污染物去除效率提高50%以上、有機物水解率達到25%以上；系統(tǒng)優(yōu)化了分區(qū)分級濕地基質級配，提出了濕地基質緩釋長效除磷技術，實現(xiàn)溶解性磷削減50%以上；建立了“挺水+沉水”和“冷季+暖季”本土植物復合配置模式，首次突破底棲動物傳質促進技術，水生植物生長速率提高20%以上，水體藻類及污染物去除率提升30%以上；突破了地溫—冰蓋協(xié)同增溫保溫技術，降低生物溫度脅迫，實現(xiàn)低溫期（水溫低于10℃）氮磷削減率20%以上。

（3）突破了“水系連通優(yōu)化—立地條件改善—微生境營造”近自然生態(tài)修復技術，實現(xiàn)退耕、退塘、退漁、退養(yǎng)全面還濕。首次聯(lián)合運用ENVI、ArcGIS和Fragstats遙感解譯和統(tǒng)計分析，篩選出連接度、斑塊內聚力、破碎化、分離度4項近自然濕地生態(tài)水文連通評價指標，建立了北方大型濕地近自然生態(tài)水文連通模式，實現(xiàn)溝渠、生態(tài)塘、植物塘、生態(tài)島等生態(tài)景觀格局優(yōu)化；首次集成了水環(huán)境、水生態(tài)與Delft3D水動力的聯(lián)合模擬，確定了府河和孝義河河口濕地水質凈化工程的引水方案，濕地水文連通性提高30%以上、水體污染削減30%以上；營造出良好的水生動物和鳥類等的棲息地，連通河流—濕地—淀泊生態(tài)系統(tǒng)，首次發(fā)現(xiàn)了成群小天鵝、疣鼻天鵝、鴻雁等國家二級重點野生保護鳥類，實現(xiàn)了破碎化濕地藍綠生態(tài)風貌的恢復。

（4）構建了最大規(guī)模的近自然濕地生態(tài)系統(tǒng)，促進入淀濕地和白洋淀主淀區(qū)的互通互融。針對大水量尾水補給、入淀濕地生態(tài)系統(tǒng)退化、水質凈化功能低下等問題，突破沼澤化和農田化濕地污染評估與清除、水系聯(lián)通、水動力優(yōu)化、動物植物和微生物生態(tài)修復等技術，形成基于“水系聯(lián)通+微地形整理+本土物種利用和生態(tài)修復”的近自然濕地生態(tài)深度凈化關鍵技術，經濟有效地提升入淀濕地的水質凈化功能，并促使入淀濕地逐步形成良好的自然生態(tài)系統(tǒng)。

工程成效

大型近自然濕地系統(tǒng)構建技術及其工程示范實現(xiàn)了城市尾水的全收集、全處理和全利用，有效恢復了河流和濕地生態(tài)系統(tǒng)，提升了水體自凈能力。以污水廠尾水為主的微污染河水通過近自然生態(tài)深度凈化，實現(xiàn)了河水水質的大幅度提升，支撐了京津冀流域超凈排放體系，保障了白洋淀和官廳水庫等重要水體環(huán)境質量穩(wěn)定達標。

同時，濕地和淀泊作為京津冀河流生態(tài)廊道的關鍵生態(tài)節(jié)點，其水環(huán)境質量提升和水生態(tài)穩(wěn)定為流域河流生態(tài)廊道的構建提供了重要支撐。河道和濕地生態(tài)修復工程通過水質凈化，減少了污水深度處理和水體環(huán)境治理的投入，保障了生態(tài)健康前提下的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

此外，生態(tài)環(huán)境的改善也為附近居民帶來了良好的濱水自然游憩空間，有利于河流、濕地和淀泊的生態(tài)旅游開發(fā)；府河河口濕地已獲批河北省生態(tài)環(huán)境教育基地，成為華北區(qū)域集展示、宣傳、教育、科研為一體的重要濕地科普宣教基地和生態(tài)文明教育基地，也成為華北地區(qū)優(yōu)良的鳥類棲息地、白洋淀游客的網紅打卡地，逐步促進全社會共同參與生態(tài)環(huán)境保護的良好風尚。

（本版內容由本報記者陳彬整理）

本項目技術來源

水專項白洋淀項目和媯水河獨立課題技術完成單位：河北大學、北京林業(yè)大學、河北工業(yè)大學、中國人民大學、中國雄安集團生態(tài)建設投資有限公司、中電建水環(huán)境治理技術有限公司、北京市水利規(guī)劃設計研究院、北京市水科學技術研究院、中國雄安集團有限公司。

感謝國家水專項管理辦公室、河北省生態(tài)環(huán)境廳和雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境局的大力支持！