再生水补给永定河生态用水的环境影响及保障关键技术研究

摘要：水是城市河湖水系生态与环境治理核心和关键，利用再生水补充河湖生态用水已成为缓解城市河湖生态危机问题的有力措施之一。再生水中含有的大量营养盐分、微量有机污染物、固体悬浮微粒和微生物，可能使回用区及临近区域水生态环境面临一定的污染风险。在对国内外将再生水回用于景观生态环境用水的应用现状，以及地表水—包气带—地下含水层系统对再生水中污染物的自净及削减作用进行阐述的基础上，重点对再生水回用于河湖景观生态用水存在的主要问题进行了分析，提出了再生水补给永定河生态用水目前急需解决的技术问题与研究重点，为永定河绿色生态走廊建设规划的顺利实施以及再生水回用于河湖景观用水研究提供参考依据。

关键词：永定河；再生水；生态用水；影响；保障

中图分类号：TV213 文献标识码：A 文章编号：1000-1123（2012）05-0030-05

城市是国家经济社会发展的中心，水是城市的命脉和灵魂。随着城市规模的不断扩大和高强度的人类活动不断增加，作为城市水资源、水环境重要载体的河湖，水系逐渐萎缩，富营养化不断加重，水环境质量日益恶化，城市水生态系统日趋衰退，水生态系统服务功能日渐丧失。这些变化严重影响了城市功能的完善和人们生活水平的提高，成为制约经济社会发展的重要因素。城市水环境综合治理及水生态系统修复已成为当今社会特别关注的热点问题之一。

水是城市河湖水系生态与环境治理核心和关键，生态用水不足是产生上述问题的直接原因，因此给河湖生态用水补充足够的水量已成为目前急需解决的问题。但在水资源本已匮乏的城区，河湖生态用水很大程度上需要通过充分挖掘再生水等非常规水资源来解决。利用再生水补充河湖生态用水已成为缓解城市河湖生态危机问题的有力措施之一，国内外已有大量的应用案例。

北京属于水资源严重短缺的城市，加之连续干旱少雨，河湖普遍缺少新水补充，水体自净能力下降，大部分河道几乎没有环境容量和纳污能力。北京市不失时机地广泛利用再生水补充河湖生态用水。目前北京市共有再生水厂13 座，每天可提供71万m3 再生水，确保优质的清水源源不断地向城市河湖补充，再生水已经成为北京城市河湖主要补水水源，2009 年占整个河湖用水量的75%。预计到2011 年，随着北京市8 座再生水厂陆续改造完工，全市每年将有3亿m3再生水输送到河湖水系。再生水补给永定河生态用水后，对水生态系统与水环境的影响及其保障关键技术已成为目前广受关注的问题。

永定河是北京地区的第一大河、北京的母亲河与重要的水源地，同时也是京西绿色生态走廊与城市西南的生态屏障。但目前永定河面临极大的生态危机：长期以来缺乏河道生态用水，河流水陆生态系统严重退化，河流生态服务价值功能未得到有效发挥，原有的水文化景观也名存实亡。永定河生态修复已引起北京市政府及沿河五区政府的高度重视，2009年北京市通过了《永定河绿色生态走廊建设规划方案》。规划在2010—2014 年间投资170 亿元建设永定河生态走廊。利用再生水补充生态用水已成为缓解永定河生态危机问题的有力措施之一，也将是该区域最主要的补给水源，届时每年将有1.3 亿m3的再生水补充永定河生态用水。但永定河地处北西向地质断裂带，是北京市平原区地下水主要补给区。再生水虽然达到系列的排放标准，但其中仍含有大量的营养盐分、微量有机污染物、固体悬浮微粒和微生物，这可能使得回用区临近区域生态环境面临一定的污染风险。

在对国内外再生水回用于景观生态用水的应用现状进行分析的基础上，对回用技术目前存在的主要问题进行了详细分析，最后提出了再生水补给永定河生态用水目前急需解决的技术问题，可为再生水安全回用于城市河湖生态用水提供技术支撑与借鉴。

一、国内外将再生水回用于景观生态环境用水的应用现状与发展态势

城市污水经过处理后再生利用已成为缓解全球水资源紧缺、水生态系统破坏等水问题的重要途径之一。在美国，再生水回用于景观生态环境用水以加利福尼亚、佛罗里达、俄勒冈、得克萨斯、内华达、亚利桑那等州的工程实践较多，美国加利福尼亚州是世界上开展污水处理回用较早的地区，1932 年美国在加州旧金山建立了世界上第一个将污水处理后回用于公园湖泊观赏用水的污水处理厂，到1947 年为公园湖泊和景观灌溉供水已达3.8 万m3/d，至此开始了真正意义上的城市景观环境水回用。日本于1962 年开始了污水处理再利用，20 世纪70 年代初见规模；大部分地区利用处理后的再生水回用为城市河道景观用水；80 年代东京市利用Tamajyo 污水处理厂的再生水重新恢复了东京郊外的Nobidome 河流，完全达到景观环境再利用的要求，经多年运行Nobidome 河流已恢复了原有生态。澳大利亚Adelaide 市也将污水和屋顶雨水收集起来经过处理再生利用于湖泊补给水、水景、景观灌溉，以缓解该市用水紧张的局面。南非的Hsrtbeespoort 水库接纳了该区约50%的再生水，回用作为观赏性湖泊用水和饮用水水源。

我国将城市污水回用于景观水体的研究最早始于“七五”国家科技攻关计划。“十五”期间，在天津、泰安、西安、合肥和石家庄等城市建成了一系列再生水用于景观水体的示范工程。天津市补充生态居住区的景观水体工程将大约2 万m3 的再生水补充到人工湖中，同时纪庄子污水处理厂二级处理出水部分回用于卫津河；石家庄桥西再生水厂将再生水用于民心河和沿河公园，再生水生产量一般为3 万m3/d，最大水量为10 万m3/d；合肥市再生水回用工程一期规模10 万m3/d，主要用于包河、银河、雨花塘、黑池坝补充水；西安市北石桥污水再生利用工程，为西安丰庆公园提供景观用水及绿化喷灌用水，湖中换水一次就可节约30 万m3 自来水。北京的高碑店湖、南护城河、昆玉河也取得了良好的成效。

从上述工程实例来看，再生水的利用可有效改善城市景观环境，恢复城市河道、湖泊应有的景观水体功能。近年，水利部提出了实行最严格的水资源管理制度、保障经济社会可持续发展的重大发展战略，城市污水经过处理后回用于河湖景观生态用水有着良好的发展前景。

二、地表水—包气带—地下含水层系统对再生水中污染物的自净及削减作用

1.地表水体的自净机理

水体自净过程复杂，受到多种因素的影响，根据净化机理可分为物理自净过程、化学自净过程和生物化学自净过程。物理自净过程是指通过污染物在水体中进行混合、稀释、扩散、挥发、沉淀等作用，使水体得到一定程度净化的过程；物理自净能力的强弱取决于污染物自身的物理性质（密度、形态、粒度等）、水体的水文条件（如温度、流速、流量、河道的深度、河床的形式等）等。化学自净过程是指水体中的污染物质通过氧化、还原、中和、吸附、凝聚等反应使其浓度降低的过程，影响这种自净能力的因素有污染物质的形态和化学性质、水体的温度、氧化还原电位、酸碱度等。生物化学自净过程是指进入水体的污染物经过水生生物吸收、降解作用，使其浓度降低或转变为无害物质的过程，影响生物化学净化过程快慢和程度主要是与污染物的性质和数量、微生物的种类、水体的温度及供氧状况等条件有关。在地表水体自净中物理、化学以及生物自净过程相互交织、相互影响，但任何一个水生态系统的自净能力都是有限的，当排入的污染物超过了它的容量，水生态系统就会被破坏，污染也会日益加重。

2.包气带对污染物的自然削减作用

污染物质在包气带以垂向运移为主，包气带是地下水环境保护的天然屏障。污染物在包气带中的自然衰减可使污染物浓度降低，起到削弱污染、保护含水层的作用。包气带介质对再生水中污染物的阻隔和净化作用主要是通过机械过滤、物理吸附、离子交换、生物或化学作用进行的，同时也与包气带介质本身的物理、化学性质有密切的关系。当含污染物的再生水经过包气带介质时，介质颗粒首先对其中的大分子物质发生拦截过滤作用；其次由于介质颗粒具有巨大的表面能，它能够借助于分子引力把某些呈分子态的物质吸附在介质表面；同时，包气带介质中的胶体物质具有双电层，其扩散的补偿离子可以和水中带相同电荷的离子进行等当量代换。此外，在适宜的条件下，包气带介质中的微生物会对再生水中的有机污染物进行水解和降解，使其中的有机污染物浓度降低。

3.污染物在地下含水层中的自然衰减行为

再生水回用于河湖景观生态环境用水对环境的主要威胁之一就是再生水中污染物对地下水的污染。研究再生水中污染物在地下含水层中的自然衰减过程可为回用区地下水污染的风险评价奠定数据基础，同时也为控制和治理回用区及邻近区域地下水污染提供理论依据。污染物质进入地下含水层后以侧向运移为主，它在含水层中的自然衰减受多种因素控制，如地下水对污染物的稀释作用，污染物与含水层介质之间的各种物理、化学和生物化学作用等，稀释作用与回用区地下水位抬升、包气带出流的黏滞度和密度等。

三、再生水回用于河湖景观生态用水存在的主要问题

1.编制完成的再生水回用标准虽为有效利用城市污水再生水提供了技术依据，但尚处于研究探索阶段，需进行回用区及邻近区域环境污染问题的跟踪研究，完善再生水回用准则体系

为配合我国开展城市污水再生利用工作，我国颁布了若干与景观水体有关的水质标准，如《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水体考虑了景观娱乐水体的水质要求。从该标准中可以看到，天然景观水体的水质标准中对CODCr、BOD5、DO 以及N、P 等指标控制极为严格。住房和城乡建设部颁布的《城市污水再生利用景观环境用水水质标准》（GB/T 18921—2002），与GB3838—2002 中的景观娱乐用水的标准相比，主要的水质指标要求偏低，其中N、P 指标要求更低。另外也有城市颁布了一些地方性标准，如2005年北京市颁布了《水污染物排放标准》（DB 11/307—2005），规定排入Ⅲ类、Ⅳ类水体及其汇水范围的污水执行二级限值，但此标准的要求也远远低于GB 3838—2002 中的水质标准。

总体而言，景观及生态环境用水研究在我国刚刚起步，也缺乏这方面的工程性实践；同时我国再生水水质标准的制定还处在研究探索阶段，在沉积物、地表水和地下水的环境影响方面更缺乏足够的研究支持。我国地域辽阔，环境条件复杂，因此一时一地的研究不足以说明问题，只有使用标准的各方持之以恒地在回用地点对使用再生水的河道进行水体水质、底泥等污染问题进行跟踪研究，才能获得令人信服的数据，及时发现再生水回用中的问题，进一步完善景观及生态环境回用标准的准则体系，为以后的深入研究提供基础资料，积累我国在这方面的经验，从而更好地指导实践活动。

2.天然河床介质渗滤及河流水动力学条件极大地增加了河道自净能力，但对其自净机理、天然河床中水流状态及其对水质净化、滤床渗透性影响的研究还较少，综合考虑自净能力的入河入湖再生水控制指标更缺乏具有指导意义的理论依据

河床渗滤系统被认为是河道天然的净化器，河床沉积层中有机质丰富，粒度细小，通过一系列物理、化学与生物作用，可以使渗流水中的N、P、颗粒污染物（如泥沙）、胶体、微生物（细菌、病毒、病原体生物、原生生物）等污染物部分或完全去除。德国应用河道渗滤净化地表污水已有100多年的历史，美国也有50 多年的历史。20 世纪50—70 年代，苏联学者以渗滤入渗池为研究对象对人工补给水质改善进行大量的试验和理论研究，如茨维金采夫通过试验研究砂层中微生物与固体颗粒的附着关系，指出微生物在水质改善中具有重要的作用。莫洛扎娃娅的研究结果表明，对于最常见的多环芳香类碳氢化合物——有致癌作用的苯哗啉，当渗透速率为1.1 m/d 时，可以在砂层中滤去92.2%～98.25%。别尔达洛夫对水在砂层中渗滤对水质的影响进行了很有意义的实验室试验，研究揭示了砂层表层的生物膜和淤填层对水质改善起着重要的作用，并分析了水质变化的特征。实践与研究表明，河流渗滤对污水的净化是一种经济、高效的治理技术，得到越来越多的国家与研究者的高度重视，促进了河流渗滤系统的研究，积累了经验，为我国提供了借鉴。

但受污染的地表水体在入渗的过程中会发生哪些物理、化学、生物等作用？受污水体对地下水的污染程度如何？不同的污染物入渗过程中决定其净化程度的是哪些因素？污染物的浓度对其净化率有无影响？由于对于这些天然河床的渗透净化机理研究还不多，对滤床中的水流状态及其对水质净化、滤床渗透性影响的研究仅有零星报道。天然河床渗滤取水由于滤床表层有河水的水平水流作用，使其与地下水人工补给和传统慢滤水处理工艺在净化过程中的滤膜形成、滤床淤塞情况有明显的不同。利用天然河床作为滤床在渗滤取水过程中会不会发生淤塞?淤塞的机理是什么?这些问题尚不清楚。

3.再生水回用作为河道生态用水在一定程度上增加了永定河地下水污染风险，需要进行有效的跟踪监测及评价，预报再生水入渗对周边地下水环境影响

与地表水相比，地下水一旦被污染，存在着水质恢复费用昂贵、技术难度大、恢复周期漫长等突出特点，因此世界各国在地下水保护方面都奉行“预防为主，重在保护”的原则。再生水回用作为河道生态用水，将通过河床渗滤系统过滤后参与地下水循环。再生水的水质及其回用技术将直接影响地下水和含水层的状态，其不良影响往往具有滞后性和长期性，为此需要进行有效的监测与评价，预报再生水河道入渗对周边地下水环境影响效应。永定河是北京市重要供水水源河道和水源保护区。同时由于地处北西向地质断裂带，使永定河成为北京平原区地下水主要补给区，年入渗补给量约1 亿m3。但据北京市水文地质工程地质大队研究结果表明，永定河地区地下水环境总体较差，地下水水位下降，包气带增厚，地下水水质基本超过了Ⅲ类标准（GB/T 14848—2007 《地下水质量标准》）；由于集中开采地下水，导致地下水水位下降，包气带增厚，并形成以水源地为中心的降落漏斗，部分农村生产用井出现吊泵等现象；人类的不良活动导致各类污染物排放量不断增加和扩散，造成了不可忽视的地下水污染。永定河两岸地下水水质均已达到了Ⅳ类水标准，超标的主要离子为总硬度、溶解性总固体和硝酸盐氮。

为此有必要在再生水回用作生态用水的河段区域范围内，以现有的地下水网络为基础，增补部分观测井，建立地表水和地下水水质监测网络，建立污染物在地下饱和多孔介质中的迁移转化模拟模型，分析再生水河道入渗对周边地下水环境影响。

4.再生水的污染物本底值一般含量较高，进入水体后存在一定的富营养化以及污染风险，因此在将再生水作为水源直接补给河湖景观生态用水前可以考虑进行强化处理

由于城市污水处理厂再生水是来自经过一定处理的生活污水和与生活污水相近的城市污水，使得再生水的污染物本底值TN、TP、COD 等一般含量较高，一般都难以满足补充水的水质要求。根据《北京市水污染物排放标准》（DB 11/307—2005）中有关要求，排入北京市Ⅱ类水体及其汇水范围的污水执行一级限值，排入北京市Ⅲ、Ⅳ类水体及其汇水范围的污水执行二级限值，排入北京市Ⅴ类水体及其汇水范围的污水执行三级限值。但是，即使现行的污水处理厂全部满负荷达标排放，其出水排入地表水体后，许多情况下受纳地表水体仍无法满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）规定的水域功能区划要求；由于地下水多年超采，土壤含水层被疏空，包气带变厚，水质不高的再生水入河后大量补给地下水时，有可能无法满足《地下水质量标准》（GB/T 14848—1993）规定的水域功能区划要求。为达到地表水水域功能区划及地下水水域功能区域的要求，需要对这些再生水做进一步深度处理，满足受纳水体规定的水域功能区划要求。

在利用再生水补给河道时，应对排入地表水体的N、P 指标进行严格的限制，控制富营养化、水华的发生。由于河床渗透性能较好，地下水水位低，再生水会通过河流入渗补给地下水，再生水中的组分和干涸河道中残留的组分均可能随入渗水影响地下水的水质，而地下水的水质问题与人体健康密切相关。根据地下水质量标准和再生水的特点，分析再生水通过河流入渗到达地下水时可能造成的环境影响，需要重点考虑NH3-N 和CODMn这两个指标。

四、再生水补给永定河生态用水目前急需解决的技术问题与研究重点

1.再生水中微量有毒有机污染物等在地表水体—包气带—地下含水层中的自净与衰减机制

在深化现有关于有毒有机污染吸附、降解等自净关键过程研究的基础上，以清河和小红门两个再生水厂中新型微量有机污染物——药品和个人护理用品（PPCPs）为研究对象，系统研究PPCPs 在再生水中这种多物质共存体系中的河道多介质的吸附—解吸特征及动力学行为，PPCPs与微生物间的相互作用及其生物转化降解机制，探索回用条件下河道内多介质表面微生物膜的形成规律及其对污染物自净行为。摸清再生水中微量有毒有机污染物等在地表水体—包气带—地下含水层中的自净与衰减机制。

2.再生水回用对地下水环境影响的跟踪监测及影响区域预报

建立回用区密集的地下水水质监测网络，分析回用区域内地下水水质动态变化特征。根据抽水试验计算含水层的渗透系数和给水度，联合应用水文地质钻探资料和地质统计学方法建立研究区的三维地层模型；构建地下水中污染物运移模拟模型，预报再生水河道入渗对周边地下水环境影响程度及范围；提出回用区水流进入地下水的水质控制目标体系，建立回用区基于地下水安全的长期跟踪监测网络优化布置方案。

3.包气带对污染物的削减行为与过程模拟以及河道合理的减渗需求目标

基于永定河为北京市区地下水源补给区的事实，需要考虑地下水环境的保护及水源补给的双重约束，重点研究不同河道减渗处理措施对包气带中水流及污染物运移过程的影响效应，分析河湖减渗条件下包气带对污染物的削减机制。研究不同粒径水体颗粒物在包气带中的滞留与运移规律，探索包气带堵塞机制及其对污染物削减行为的影响。建立综合考虑包气带堵塞效应的包气带—地下水系统中水分及污染物运移过程模拟的联合模式，提出典型回用区域内合理的河湖减渗需求，提出回用区河湖地表水—包气带—地下水各界面水质控制指标体系及其合理阈值。

4.再生水回用河湖新型生态减渗材料开发及减渗关键技术

在对国内广泛应用的膨润土防水毯、土工膜等减渗材料性能进行系统测试的基础上，重点考虑膨润土的改性以满足不同减渗需求目标。引入有机—无机复合杂化技术，突破满足不同防污减渗目标需求的膨润土、凹凸棒黏土等改性及制备方法，研究各种改性土中结构特征与污染物吸附去除效应之间的相关关系。选择不同改性土作为反应型材料，建立再生水回用区不同减渗目标需求控制下的河湖膨润土或凹凸棒黏土等土壤夹层减渗方法及其施工技术。

5.回用区河湖水质改善与水生态系统修复技术以及水生态系统健康评价

开展与河道整治、景观营造、生态建设相结合的城市地表水体综合整治技术研究，重点突破多自然型河道形态与生境恢复、湿地—坑塘复合系统水质净化、生态缓冲带建设、重要功能水生植物物种选择及群落结构优化配置与组建、生物浮床和沉床构建等河湖水质原位净化与水生态修复关键技术，形成集污水深度处理—低污染水生态处理—水生态净化三位一体的回用区水质改善与生态修复成套技术。研究再生水回用条件下多介质表面附生生物膜提取、形态与结构定量表征方法，建立基于生物膜法的河湖水生态系统健康评价方法。

6.基于地下水安全的再生水作为永定河生态用水技术方案

以永定河平原区段为研究对象，分析回用区地下水安全调控途径及其机制，提出统筹考虑河道自净能力、地下水水质安全需求等多重目标的代表性调控手段及方案集。耦合地下水模拟、包气带污染物运移过程模拟以及地表水水质等模型，开发基于地下水安全的再生水作为河湖生态用水的技术方案评价系统，并在此基础上提出再生水作为“四湖一线”生态用水的主要使用制度及总体技术方案。

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作者简介：李云开，副教授。

（李云开 杨培岭 刘培斌 林健李建民 郑凡东 刘澄澄 姜银光）