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1 引言（Introduction）
2020年，北京市再生水年配置量達12億m3，除總氮外，再生水排水標準基本執(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，經昆玉段-長河匯入內城）、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)內地下水位呈持續(xù)下降趨勢，加之北京市水資源嚴重緊缺，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（王驍等，2018；張婷等，2021；蔣丹陽，2021）作為補給水源，現有水面面積約120 hm2，年補水量600×104~900×104 m3，進水水質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，根據圓明園的地理、水文、水質、生物本底特征及其修復需求，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)境質量為目標，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)構建及管護技術體系”，并在圓明園開展了示范工程應用，通過構建“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（秦伯強等，2005）提供科學示范和技術支撐。?
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)構建及管護技術體系
2.1.1 體系結構 該體系由“淺水水域“沉水植物（嚴俊，2020）+貝螺+魚”清水穩(wěn)態(tài)水生態(tài)系統(tǒng)構建關鍵技術”、“深水湖區(qū)“多生境水域聯動+生物操控（李元鵬等，2017）”綜合集成調控技術”、“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”三項核心關鍵技術組成，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；通過水位調控、人工收割等實現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，結合水動力-水質-水生態(tài)數值模擬流場優(yōu)化，多生境水域聯動，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，促進深水湖區(qū)水生態(tài)穩(wěn)定，提升魚-藻-微生物循環(huán)凈化效率。三項關鍵技術環(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)修復模式，構建清水穩(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”組合修復技術配合生物量管控，實現深水水域前后端淺水水域水體水環(huán)境質量提升；對前端水域流場進行優(yōu)化，延長水體流動距離及水力停留時間，將后端高質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，綜合調控，實現北方缺水型富營養(yǎng)城市河湖水生態(tài)環(huán)境質量提升，流程詳見圖2。
2.2 工程應用案例
工程應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），由進水口向南分為兩股水流，經福海，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)修復工作，逐年增加修復面積，截至 2020年底，圓明園水生態(tài)修復區(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控技術進行修復，其余均為淺水水域重點通過“沉水植物+貝螺蝦+魚”組合修復及生物量管控技術進行修復。
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 水質采樣方法 根據前期工作基礎得知園區(qū)水深2 m以內，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號浮游生物網在水面下約0.5 m處以適當的速度作“∞”字形來回拖動1~3 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內鏡檢。定量樣品采集表層（0.5 m）樣品，應在定性樣品采集之前進行 。 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。 應采集平行樣品，平行樣品數量應為采集樣品總數的 10%~20%，每批次應不少于 1 個 。取回后交由相關專家進行種類辨別。所取樣品如圖4所示。?
2.3.3 大型水生植物調查 大型水生植物調查主要為定性調查。采用優(yōu)勢種原則對群叢類型進行命名，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“+”號聯結不同層次的優(yōu)勢種之間用“-”號聯結。?
2.3.4 魚類調查 魚類調查以定置網具為主并附以其他可采用的方法進行，樣本采集做到夠用即可，盡量少捕，除保存必要樣本外，其余個體應予以放生。魚類現場調查采集漁獲物過程中，進行錄影、拍照作為調查結果分析的補充。
將采集到的樣本進行鑒定、測量后，放入標本袋，標本袋上應注明水體名稱、采集時間。所采樣本應鑒定到種，并進行魚類種類統(tǒng)計、魚類生物學特征測定。所有樣品經蒸餾水沖洗后，取其背部、腹部肌肉，冷凍低溫（-50 ℃）干燥至恒重，經石英研缽進行充分研磨，以備穩(wěn)定同位素分析。?
2.3.5 底棲動物群落調查 底棲動物采樣采用定性和定量相結合的方法，每個樣點至少采集3個定量重復樣品。定性樣品的采集同時利用了抄網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（0.20 m×0.25 m）采集泥樣，現場在水中涮洗，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，貼標簽，放入車載冰箱內，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)健康評價技術規(guī)范》DB11/T 1722—2020進行圓明園水體健康評價。包括生境、理化、生物3類指標。?
3 結果與討論（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（飲用水濁度國家標準 1 NTU），見圖 5，感官效果明顯優(yōu)于修復前（圖6）。?
3.2 水質凈化效果 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區(qū)）方向前進 。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71.5%，夏季（6、7、8月）去除率達83.9%，基本達到湖庫Ⅲ類標準；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）總氮去除率達到 78.2%，夏季（6、7、8 月）總氮去除率達91.4%，由入口處的劣 V 類標準（湖庫）改善下降到下游端的Ⅲ類標準。圖8顯示，通過深水湖區(qū)綜合集成調控技術，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
全園修復前的生境監(jiān)測數據不足，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)修復工程對水生態(tài)健康影響作出評價。評價結果見表2。
根據《水生態(tài)健康評價技術規(guī)范》DB11/T 1722—2020，對圓明園、頤和園、什剎海水生態(tài)現狀評價結果表明，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來水，水質指標維持在Ⅲ類以上，圓明園雖因 TP、TN 等理化指標分值略低，但3個水體生物指標評分相差不大，大型水生植物指標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)現狀差異不大，說明經過本系統(tǒng)的科學水生態(tài)修復與管護，再生水補給河湖水系圓明園的水生態(tài)健康狀況已經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）是能夠對河流生態(tài)系統(tǒng)變化快速反應的指示物種之一，表 3 為 2019—2020年度圓明園底棲動物香農-威納多樣性指數H’ （Shannon ，1963；Piclou，1966）描述統(tǒng)計，可以看出，隨著修復面積增加，2020年度圓明園水體底棲動物多樣性指數 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 結論（Conlusions）?
1）對河湖水系的景觀改善效果明顯，生態(tài)修復后水體清澈見底，濁度明顯降低，大多小于 3 NTU（飲用水濁度國家標準1 NTU），感官效果明顯優(yōu)于修復前。
2）經過該技術對水體的修復凈化，水質改善效果明顯，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，水質綜合指標可以達到湖庫Ⅲ類標準。效果顯著。
3）經該技術修復后，再生水補給河湖水系的水生態(tài)健康狀況可以達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，經該技術修復后，底棲動物生物多樣性指數可以得到明顯提升。?
5）該技術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》（GB/T18921-2019）要求相比，運用本創(chuàng)新技術，圓明園水域每年可節(jié)約水資源量約2640×104 m3。
該技術通過構建清水穩(wěn)態(tài)水生態(tài)系統(tǒng)，實現了再生水水源補給城市河湖水系水環(huán)境質量提升，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)境科學學報》
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