北关人工湿地生态系统构建及水质研究

田 炜，沙洪利，沈晓强, 林瑞峰，王建军

(北京市北运河管理处，北京 101100)

1 概 况

北运河位于北京市通州区，地处永定河、潮白河冲积洪积平原，地势平坦，属大陆性季风气候区，具有春季干旱多风、夏季炎热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷干燥的气候特征，年降水量620 mm左右。北关人工湿地位于通州小中河、温榆河、运潮减河、通惠河、北运河五河交汇之处，通燕高速、龙泉广场以南。北关人工湿地始建于2008年，湿地改造前植物生长杂乱，进水提升泵站淤堵严重，水质情况恶劣，水环境标准属《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)规定的劣Ⅴ类水质，严重影响了北运河流域的文化性及景观性。

为促进北京市城市行政副中心的良好发展，充分利用五河交汇地理位置的优越性，研究以“水质净化-生态修复-水土保持-长效管理”为总设计思路，构建湿地生态系统，打造环境优美、生态和谐的多功能一体化人工湿地。研究对更好地展示人工湿地的净化与生态效应，倡导民众珍爱水资源、保护环境，共同构建生态型首都行政副中心具有重要的意义。

2 生态系统构建方案

通过实地调查及资料获取，可知，原北关人工湿地占地面积2.5万m2，其中，表流湿地3450 m2，潜流湿地8900 m2，清水池190 m2，经过十年的运行，由于上、下游水位下调和河道淤积等因素，人工湿地具有以下几点问题：(1)河水泥沙较多，泵站严重堵塞；(2)湿地周围面源污染、点源污染截污措施不完善，河道水质波动过大；(3)原潜流湿地淤堵严重，且原填料孔隙率过低，湿地无法正常运行；(4)湿地水质情况恶劣，整体为《地表水环境质量标准》规定的劣Ⅴ类。

针对以上问题及生态环境需求，需对北关人工湿地进行生态改造，研究设计北关人工湿地改造区域面积16 450 m2，其中表流湿地3450 m2，潜流湿地4585 m2，以生态系统构建为基础，利用“表流湿地+潜流湿地”的组合工艺，在保证出水水质的同时，构建水下森林和生态岛，为水生动植物构建多重生境，恢复湿地内水生态系统，提高水体自净能力，保护原有地貌、地表植被，增强水土保持能力。

3 北关人工湿地生态构建

3.1 水生植物群落

3.1.1 水生植物配置

水生植物作为生态系统中的重要组成部分，在净化水体方面发挥着至关重要的作用，主要包括光合作用、截留作用、生化作用等，因此在选择植物时，应遵循因地制宜原则，同时选取吸收净化能力高、经济、观赏价值强的植物，维持北关人工湿地生态系统的生物多样性及景观协调性[1-2]。基于此，北关人工湿地生态系统构建植物选取如表1所示，不同类型植物生长区间如图1所示。

图1 不同类型植物生长区间

表1 水生植物选择

湿地岸边配置芦苇、香蒲等湿生植物，可美化湿地环境，此外由于香蒲具有较强的耐重金属性和富集能力，还可起到净化水质的作用[3]。表流湿地浅水区种植黄花鸢尾、菖蒲等挺水植物，深水区配置苦草、金鱼藻、轮叶黑藻等沉水植物构建“水下森林”群落，增强表流湿地对氮、磷的生态去除效力。潜流湿地选择耐污与净化能力强的黄花鸢尾、花菖蒲等植物覆盖在净水生态填料上方，通过植物的吸收与净化作用，实现对氨氮、总磷和部分有机物的去除[4]。出水展示区内设计沉水植物塘，进一步去除水体中的污染物，同时丰富水系生境，主要通过配置黑藻、苦草等植物吸收水体中的氮、磷等营养物质，净化水质，提高水中溶解氧的含量，降低水体富营养化程度，有效抑制藻类生长，在保证水质达标的前提下提高水体清澈度。

3.1.2 水生植物养护

挺水植物一般在春、夏季修剪1～2次，以去除扩张性植物和已死亡的植株，挖出密度较大的植株，减小植物间的竞争。此外，还需注意平时要及时修剪枯黄、枯死和倒伏植株；生长期修剪则需要剪掉弱枝弱株，以达到通风透光、维持湿地系统的景观效果。修剪下的植株要及时清除，防止蚊蝇滋生和影响景观性。在植物生长茂盛、成熟后应及时对植物进行收割，以防枯死植物分解释放污染物质[5]。

3.2 底栖动物群落

由于北关人工湿地沉积物积累较慢，从生态系统完整性的角度来说，水底需要建立适应低溶解氧、耐有机污染的生物群落，故投入底栖动物作为生态系统分解者，包括蚌类、螺类等，加入生态系统循环。

3.3 鱼类群落

对于湿地生态系统，合理构建鱼类群落，控制鱼类数量，可减小对浮游生物的影响，充分发挥水中植物在湿地生态系统的作用，构建可有效控制浮游植物的食物网。通过资料调查可知，鲢鱼和鳙鱼均以浮游植物为食，具有很强的生存能力，它们以有毒的微囊藻为食物，对藻类分泌的毒素具有很强的抵抗能力，且生长速度快，采食量大，可有效地控制蓝藻、水华等事件的发生。故在北关人工湿地生态系统构建中，每公顷水面放养鲢、鳙鱼种1200尾，作为生态系统中的消费者，加入生态系统循环。

3.4 辅助工程

除生态系统内部重要的组成部分外，针对北关人工湿地的地理位置及气候特点，利用生态边坡工程维持北关人工湿地生态稳定，减小边坡等对湿地生态系统的影响，提高整体景观性，主要有以下几种：

鱼巢砖护坡，依靠鱼巢砖间的连接锁定及自重使岸坡稳定，并在砖空隙内栽种植物，达到固土净水的目的，同时为水生动物提供产卵场所，提高水生生物多样性。植草袋护坡，利用植草袋与植被相结合的方式，消除水流对植物和护坡的冲刷破坏，同时可起到保土渗水的作用，为植被提供良好的生长介质。石笼生态坡，在低碳钢丝编织成的网箱内填充大小不一的石块形成护坡，为鱼类及两栖动物提供栖息、繁衍的条件，通透性强，可有效提高生物多样性。自然置石生态护坡，利用植物与岩石、木桩、土体的相互作用对边坡进行防护、加固，形成由植物与置石组成的综合护坡系统的护坡技术。木桩护坡，扦插木桩或仿木桩对岸坡进行防护，可拦截入河面源污染物，防护水流侵蚀河岸。

4 水质数据分析

表2 2020年北关人工湿地水质情况

5 结 语

综上所述，北关人工湿地通过湿生、挺水、沉水、浮叶植物的种植，底栖生物和鱼类的投放，生态护坡的建设等措施，构建湿地生态系统，增强了水体自净能力，使得水体中污染物得到了更好的降解。自北关人工湿地生态系统建成后，水体清澈，透明度较高，湿地主要水质指标达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准。根据水生生态系统建成后较长时间段的水质监测结果，日后北关人工湿地可通过自身的生态调整，保持生态系统的平衡与稳定性。