1 引言（Introduction）

2020年，北京市再生水年配置量達(dá)12億m3，除總氮外，再生水排水標(biāo)準(zhǔn)基本執(zhí)行地表水Ⅳ類，全市中心城區(qū)除玉泉山水系（包括玉泉山諸泉、香山諸泉、碧云寺諸泉、櫻桃溝諸泉等，泉水匯入昆明湖，經(jīng)昆玉段-長河匯入內(nèi)城）、六海水系外（西海、后海、前海、北海、中海、南海）已全部采用再生水作為河湖水體補給水源，再生水已成為北京城區(qū)不可或缺的重要水源。

圓明園（張玉廷，2020）坐落于北京西郊，占地350 hm²，由綺春園、長春園和圓明園3個園區(qū)組成。1997年以來，受到連續(xù)干旱和局部地下水開采的影響，區(qū)內(nèi)地下水位呈持續(xù)下降趨勢，加之北京市水資源嚴(yán)重緊缺，城市河湖景觀用水顯著削減，圓明園原有的地表、地下水補充水源喪失。2007年10月起，圓明園開始使用清河再生水廠的再生水（王驍?shù)龋?018；張婷等，2021；蔣丹陽，2021）作為補給水源，現(xiàn)有水面面積約120 hm2，年補水量600×104~900×104 m3，進(jìn)水水質(zhì)除總氮外基本維持在地表水Ⅳ類，總氮濃度在10 mg·L-1上下。

北京市市長陳吉寧提出“堅持科學(xué)治水、系統(tǒng)治水”等治水新思路，通過改善再生水補給型城市湖泊水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是落實陳吉寧市長治水新思路的重要切入點 。圓明園作為“三山五園”的重要節(jié)點，仍存在補水氮磷負(fù)荷高、水體富營養(yǎng)化、透明度低、生物完整性差等問題，為了保證圓明園的生態(tài)持續(xù)發(fā)展，根據(jù)圓明園的地理、水文、水質(zhì)、生物本底特征及其修復(fù)需求，課題組基于“利用生態(tài)辦法解決生態(tài)問題”的治水理念，以提升水生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)，創(chuàng)新性地提出了“北方缺水型富營養(yǎng)城市河湖清水穩(wěn)態(tài)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建及管護(hù)技術(shù)體系”，并在圓明園開展了示范工程應(yīng)用，通過構(gòu)建“城市河湖清水穩(wěn)態(tài)水生態(tài)系統(tǒng)”，以期為我國北方缺水型城市再生水水源補給河湖（秦伯強，2020；劉永等，2021）水生態(tài)修復(fù)（秦伯強等，2005）提供科學(xué)示范和技術(shù)支撐。?

2 材料與方法（Materials and methods）

2.1 北方缺水型富營養(yǎng)城市河湖清水穩(wěn)態(tài)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建及管護(hù)技術(shù)體系

2.1.1 體系結(jié)構(gòu) 該體系由“淺水水域“沉水植物（嚴(yán)俊，2020）+貝螺+魚”清水穩(wěn)態(tài)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)”、“深水湖區(qū)“多生境水域聯(lián)動+生物操控（李元鵬等，2017）”綜合集成調(diào)控技術(shù)”、“沉水植物（菹草為主）生物量管控為重點的水生態(tài)系統(tǒng)長效穩(wěn)定維持技術(shù)”三項核心關(guān)鍵技術(shù)組成，見圖1。

該體系通過在淺水水域（水深2 m以下）人工培育使沉水植物占據(jù)優(yōu)勢生態(tài)位，抑制浮游藻類生長，為底棲、魚類提供良好棲息環(huán)境；通過水位調(diào)控、人工收割等實現(xiàn)對沉水植物生物量的穩(wěn)定管控，由人工收割控制，維持系統(tǒng)穩(wěn)定；針對水深在2 m以上，6 m以下，透明度低于2 m的深水水域，通過優(yōu)化上游流場、下游回流凈化，改善入水水質(zhì)，結(jié)合水動力-水質(zhì)-水生態(tài)數(shù)值模擬流場優(yōu)化，多生境水域聯(lián)動，高效利用外圍凈化空間，同時配合采用鰱鳙控藻（Lucie，2007）生物操控技術(shù)，促進(jìn)深水湖區(qū)水生態(tài)穩(wěn)定，提升魚-藻-微生物循環(huán)凈化效率。三項關(guān)鍵技術(shù)環(huán)環(huán)相扣，形成針對北方缺水型城市富營養(yǎng)（朱廣偉，2018）河湖水域特點的生態(tài)修復(fù)模式，構(gòu)建清水穩(wěn)態(tài)水生態(tài)系統(tǒng)。?

2.1.2 工藝流程 該系統(tǒng)通過“沉水植物+貝螺蝦+魚”組合修復(fù)技術(shù)配合生物量管控，實現(xiàn)深水水域前后端淺水水域水體水環(huán)境質(zhì)量提升；對前端水域流場進(jìn)行優(yōu)化，延長水體流動距離及水力停留時間，將后端高質(zhì)量水體通過潛水泵等裝置回補至深水水域，同時配合投放鰱鳙、貝螺蝦等濾食性、刮食性消費者，綜合調(diào)控，實現(xiàn)北方缺水型富營養(yǎng)城市河湖水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升，流程詳見圖2。

2.2 工程應(yīng)用案例

工程應(yīng)用地點位于北京市海淀區(qū)圓明園，以福海為園區(qū)核心看，圓明園呈現(xiàn)出福海西北方向最高，南方向、東方向低的地勢特點，補水水源位于位于圓明園西北角紫碧山房處（圖3），由進(jìn)水口向南分為兩股水流，經(jīng)福海，向南流向南部末端綺春園凌虛亭處，向東流向長春園獅子林處，水體無外排。

課題組自 2017年開始支撐圓明園水生態(tài)修復(fù)工作，逐年增加修復(fù)面積，截至 2020年底，圓明園水生態(tài)修復(fù)區(qū)面積已接近70 hm²。

其中福海作為唯一水深超過 2 m的深水水域采用深水水域綜合集成調(diào)控技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，其余均為淺水水域重點通過“沉水植物+貝螺蝦+魚”組合修復(fù)及生物量管控技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。

栽植沉水植物（何春利等，2020）包括馬來眼子菜、黑藻、苦草、微齒眼子菜、金魚藻等，種植密度 20叢·m^-2，每叢 3~5株，按 10~20 g·m^-3進(jìn)行了濾食性魚類及底棲動物投放，包括鰱魚（陳雯等，2020）、鳙魚（劉建康等，2003；戴學(xué)華等，2012；孫子日哈等，2021）、背角無齒蚌、中華圓田螺（肖小雨等，2014）等。

通過跌水改造等方式優(yōu)化了福海前端水力，使前端水力停留時間由平均8 d增加至15 d以上；同時在水系末端增加潛水泵，功率180 m3·h^-1，使末端水體回補至福海。?

2.3 監(jiān)測與評價

2.3.1 水質(zhì)采樣方法 根據(jù)前期工作基礎(chǔ)得知園區(qū)水深2 m以內(nèi)，確定取樣水深水面下0.5m，水樣的采集選擇在每個月中旬上午進(jìn)行，采集樣品的容器為直立式采水器、聚乙烯塑料桶，樣品取回后當(dāng)天送檢，未檢測完的水體放入4 ℃冰箱冷藏，防止待測樣品發(fā)生生理變化。

2.3.2 浮游生物采樣方法 浮游生物調(diào)查包括定性和定量兩部分，其中定性樣品用孔徑約 0.064 mm 的 25號浮游生物網(wǎng)在水面下約0.5 m處以適當(dāng)?shù)乃俣茸鳌啊蕖弊中蝸砘赝蟿?~3 min，獲得的濃縮樣分為兩份，一份立即用適量的魯哥氏液固定，另一份活體樣品于24 h內(nèi)鏡檢。定量樣品采集表層（0.5 m）樣品，應(yīng)在定性樣品采集之前進(jìn)行 。 每個樣品采水大于 1 L，立即加入占水樣量 1%~1.5%（V/V）的魯哥氏液固定。 應(yīng)采集平行樣品，平行樣品數(shù)量應(yīng)為采集樣品總數(shù)的 10%~20%，每批次應(yīng)不少于 1 個 。取回后交由相關(guān)專家進(jìn)行種類辨別。所取樣品如圖4所示。?

2.3.3 大型水生植物調(diào)查 大型水生植物調(diào)查主要為定性調(diào)查。采用優(yōu)勢種原則對群叢類型進(jìn)行命名，即以各群叢優(yōu)勢種的名稱作為該群叢的名稱：

按照各優(yōu)勢種在群叢中所處層次的高低，將各優(yōu)勢種的名稱從上而下地排列，同一層次的優(yōu)勢種之間用“+”號聯(lián)結(jié)不同層次的優(yōu)勢種之間用“-”號聯(lián)結(jié)。?

2.3.4 魚類調(diào)查 魚類調(diào)查以定置網(wǎng)具為主并附以其他可采用的方法進(jìn)行，樣本采集做到夠用即可，盡量少捕，除保存必要樣本外，其余個體應(yīng)予以放生。魚類現(xiàn)場調(diào)查采集漁獲物過程中，進(jìn)行錄影、拍照作為調(diào)查結(jié)果分析的補充。

將采集到的樣本進(jìn)行鑒定、測量后，放入標(biāo)本袋，標(biāo)本袋上應(yīng)注明水體名稱、采集時間。所采樣本應(yīng)鑒定到種，并進(jìn)行魚類種類統(tǒng)計、魚類生物學(xué)特征測定。所有樣品經(jīng)蒸餾水沖洗后，取其背部、腹部肌肉，冷凍低溫（-50 ℃）干燥至恒重，經(jīng)石英研缽進(jìn)行充分研磨，以備穩(wěn)定同位素分析。?

2.3.5 底棲動物群落調(diào)查 底棲動物采樣采用定性和定量相結(jié)合的方法，每個樣點至少采集3個定量重復(fù)樣品。定性樣品的采集同時利用了抄網(wǎng)搜集和人為查找的方法，以保證種類采集完全 。定量采樣時，使用索伯網(wǎng)（0.20 m×0.25 m）采集泥樣，現(xiàn)場在水中涮洗，將樣品中多余的污泥去掉，再將水草、樹枝、石塊等殘渣挑去，最后將樣品倒入自封袋中，貼標(biāo)簽，放入車載冰箱內(nèi)，待回實驗室分檢。?

2.3.6 水體健康狀態(tài)評價（殷旭旺等，2015；顧曉昀等，2018；歐陽莉莉等，2020） 參照《水生態(tài)健康評價技術(shù)規(guī)范》DB11/T 1722—2020進(jìn)行圓明園水體健康評價。包括生境、理化、生物3類指標(biāo)。?

3 結(jié)果與討論（Results and discussion）

3.1 景觀改善效果

選取 2019—2020年完成的 5處示范區(qū)域，結(jié)合濁度、感官效果判別景觀改善效果。5處示范區(qū)總面積約4×104 m²，生態(tài)修復(fù)后水體清澈見底，濁度明顯降低，大多小于 3 NTU（飲用水濁度國家標(biāo)準(zhǔn) 1 NTU），見圖 5，感官效果明顯優(yōu)于修復(fù)前（圖6）。?

3.2 水質(zhì)凈化效果 2020年圓明園全年補水量614×104 m3，水流按照紫碧山房→月地云居→萬方安和→……凌虛亭（途中水域全部為已修復(fù)區(qū)）方向前進(jìn) 。表 1 及圖 7 顯示，從圓明園西北部入水口（紫碧山房）到南部水系末端（凌虛亭），水體中總磷含量沿程顯著下降，春季（3、4、5月）去除率達(dá)71.5%，夏季（6、7、8月）去除率達(dá)83.9%，基本達(dá)到湖庫Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；從圓明園西部入水口（紫碧山房）到南部水系末端（凌虛亭），春季（3、4、5月）總氮去除率達(dá)到 78.2%，夏季（6、7、8 月）總氮去除率達(dá)91.4%，由入口處的劣 V 類標(biāo)準(zhǔn)（湖庫）改善下降到下游端的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。圖8顯示，通過深水湖區(qū)綜合集成調(diào)控技術(shù)，深水湖區(qū)福海 COD 由原來的地表水Ⅴ 類左右降至目前的地表水Ⅲ類左右。

3.3 水生態(tài)健康狀況評價

全園修復(fù)前的生境監(jiān)測數(shù)據(jù)不足，因此通過對比 2020 年同期什剎海、頤和園的水生態(tài)健康狀況， 綜合分析，對圓明園水生態(tài)修復(fù)工程對水生態(tài)健康影響作出評價。評價結(jié)果見表2。

根據(jù)《水生態(tài)健康評價技術(shù)規(guī)范》DB11/T 1722—2020，對圓明園、頤和園、什剎海水生態(tài)現(xiàn)狀評價結(jié)果表明，3個水體均處于健康狀態(tài)，其中得分最高的是什剎海，為88.5，最低的是圓明園，為85.25，主要因素是什剎海、頤和園補水水源均為南水北調(diào)來水，水質(zhì)指標(biāo)維持在Ⅲ類以上，圓明園雖因 TP、TN 等理化指標(biāo)分值略低，但3個水體生物指標(biāo)評分相差不大，大型水生植物指標(biāo)圓明園明顯高于頤和園，從總體得分看，與清水補水的什剎海、頤和園水生態(tài)現(xiàn)狀差異不大，說明經(jīng)過本系統(tǒng)的科學(xué)水生態(tài)修復(fù)與管護(hù)，再生水補給河湖水系圓明園的水生態(tài)健康狀況已經(jīng)不次于清水水源補給水體。

3.4 底棲動物多樣性改善效果

底棲動物（Cuffney，2010）是能夠?qū)恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)變化快速反應(yīng)的指示物種之一，表 3 為 2019—2020年度圓明園底棲動物香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)H’ （Shannon ，1963；Piclou，1966）描述統(tǒng)計，可以看出，隨著修復(fù)面積增加，2020年度圓明園水體底棲動物多樣性指數(shù) Shannon-Wiener（H’）為 0~1.41，平均分別為 1.02，較 2019 年增長 1.68 倍，底棲多樣性顯著增加，生態(tài)狀況明顯得到改善。

?4 結(jié)論（Conlusions）?

1）對河湖水系的景觀改善效果明顯，生態(tài)修復(fù)后水體清澈見底，濁度明顯降低，大多小于 3 NTU（飲用水濁度國家標(biāo)準(zhǔn)1 NTU），感官效果明顯優(yōu)于修復(fù)前。

2）經(jīng)過該技術(shù)對水體的修復(fù)凈化，水質(zhì)改善效果明顯，總磷平均去除率超過70%，總氮平均去除率超過80%，CODcr濃度由Ⅴ類降至Ⅲ類，水質(zhì)綜合指標(biāo)可以達(dá)到湖庫Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。效果顯著。

3）經(jīng)該技術(shù)修復(fù)后，再生水補給河湖水系的水生態(tài)健康狀況可以達(dá)到清水水源補給水體水生態(tài)健康狀況水平。

4）從底棲動物多樣性角度來看，經(jīng)該技術(shù)修復(fù)后，底棲動物生物多樣性指數(shù)可以得到明顯提升。?

5）該技術(shù)無需考慮水體流動性，可顯著節(jié)約水資源 。與《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/T18921-2019）要求相比，運用本創(chuàng)新技術(shù)，圓明園水域每年可節(jié)約水資源量約2640×104 m³。

該技術(shù)通過構(gòu)建清水穩(wěn)態(tài)水生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)了再生水水源補給城市河湖水系水環(huán)境質(zhì)量提升，支撐了再生水利用率提升，節(jié)約水資源，可以為北方缺水性城市河湖生態(tài)治理提供借鑒和思路。

文章來源：《環(huán)境科學(xué)學(xué)報》