构建内源污染削减与水动力提升成套技术为白洋淀水生态恢复提供科技支撑

特别感谢

感谢国家水专项管理办公室，河北省生态环境厅，雄安新区党工委、管委会，三县政府，新区生态环境局、公共服务局、农业农村局、改革发展局，雄安集团及其生态建设公司等单位在白洋淀项目及课题实施中的大力支持。

课题背景

实施水体污染控制与治理科技重大专项(即“水专项”)是党中央、国务院做出的重大战略决策部署，对于深入打好水污染防治攻坚战、改善流域水环境质量起到了重要作用。白洋淀项目是水专项京津冀板块中的重要内容，对于保障区域生态安全和支撑京津冀协同发展意义重大。

白洋淀作为雄安新区生态核心，是华北地区唯一大型平原湖泊，由143 个淀泊和3700 多条沟壕组成，呈现明显的破碎化生境，具有开阔水体、养殖水体、河流、航道、沟壕等多种地貌特征。白洋淀底泥中氮、磷营养盐以及难降解的有毒有害物质等污染物含量较高，已经成为白洋淀的主要污染源之一，影响淀区水质。为有效提升白洋淀整体水环境水生态质量，国家及地方政府进行了全面规划，相关工作的推进也提出了内源治理、围堤围埝清除、生物多样性恢复等一系列科技支撑需求。为此，“十三五”水专项白洋淀项目设置了“白洋淀生态清淤关键技术研究与资源化工程示范”课题（编号2018ZX07110004，以下简称“课题”）。课题由中国科学院生态环境研究中心、北京师范大学、中国地质大学（武汉）、河北大学、河北省水利科学研究院、中交（天津）生态环保设计研究院有限公司、中国雄安集团生态建设投资有限公司和中国成套设备进出口集团有限公司等8家单位共同参与。

在项目主持单位中国雄安集团有限公司和项目技术负责人王洪杰教授的大力支持下，课题负责人王东升研究员带领8个单位两百余名科研人员突破了白洋淀精准生态清淤关键技术、科学清除围堤围埝关键技术、芦苇平衡收割及管护长效机制构建技术和底泥处理处置及资源化利用关键技术等4项技术，形成内源污染削减与水动力提升成套技术体系，并在淀区进行了技术验证与示范，建设了3项工程示范，为淀区水质主要指标达到地表水Ⅲ类~Ⅳ类标准和雄安新区“无废城市”的建设提供技术支撑。

研发生态清淤系列关键技术

助力白洋淀内源污染源头削减

雄安新区在采取白洋淀全面截污、河口湿地建设措施后，淀区水质明显好转，但夏季水质并不理想，污染物主要来源于淀泊鱼塘和内生性有机质的累积，能否消除内源污染，是决定断面水质稳定达标的关键所在。

课题面向白洋淀生态修复的需求，以“内源污染负荷的存量核算与水质演化关系”的科学判断为重点，重存量、重演化、重分质，通过确定淀区143个淀泊的内源污染清单和污染物空间分布特征，明确了白洋淀内源污染重点区域和污染类型；开展对沉积环境、沉积年份、沉积特性、垂向污染分布、垂向微生物分布、反复干涸影响等研究，阐明白洋淀沉积特征与污染分布成因；基于对白洋淀底栖生物特征和环境污染状况的系统分析结果，对白洋淀底栖生态环境健康状态进行了总体评价。针对白洋淀水体空间景观多破碎、水体堤埝分割不连续和沉积物污染空间差异显著等问题，研发并构建了基于沉积物营养盐深度分布与水体营养态势多期耦合相关清淤范围与清淤深度同步确定模型。构建了包括水体单元、水质（营养状况）和沉积物（底泥）沉积结构与污染特征三个层次12项指标的白洋淀清淤区划指标体系。综合计算了白洋淀不同水体单元清淤指数和清淤等级，形成了分区分质分阶段的科学清淤规划方案。采用沉积物氮、磷垂向分布拐点法与吸附解吸平衡浓度对生态清淤深度进行设计；发现沉积物结构（含水率分层）与污染关联机制，提出采用浅剖反射波信号对沉积物含水率变化的响应，识别设计清淤层。

针对白洋淀不同区域底泥污染特征，基于生命周期评价（LCA）系统评估了不同类型底泥处理处置及资源化利用的生态环境影响，研发了底泥絮凝调理—脱水集成技术、底泥絮凝调理—深度脱水—两步法制免烧砖新工艺、底泥调理—脱水—好氧堆肥制绿化土工艺，优选出了适用可行的快速脱水药剂和高有机质清淤底泥脱水—好氧发酵—园林利用技术，形成了基于底泥分质分类处理处置与资源化利用技术体系，开发了免烧建材、绿植土等底泥资源化利用途径，为白洋淀清淤底泥的无害化处理与资源化利用提供了保障。研发清淤后底泥余水高效处理处置技术，控制清淤工程不造成二次污染。研制了一体化智能清淤船，实现耙吸疏浚底泥、底泥脱水压滤成块等功能模块的集成。装备可实时获取淤泥污染层高分辨率三维空间信息，识别高含水率污染层，指导清淤船进行精准清淤。水质在线监测设备可实时监测pH值、溶解氧、氨氮等水质指标的变化，为清淤过程二次污染防控提供保障。一体化智能清淤船做到了清淤—淤泥浓缩—固化—脱水等技术链条的一体化集成，改变了将淤泥通过管道输送系统输送到岸上堆场后再逐步浓缩、脱水的传统做法，可实现河道、开阔水面、鱼塘等多种复杂地区的底泥清除。

针对清淤后透明度和水质下降、沉积物—水界面溶解氧浓度低等问题，建立了黏土快速净化—河蚌笼养稳定—食藻虫生态修复技术、底层绿色多功能释氧材料增氧技术、土著微生物修复多项协同技术，可实现水质净化，透明度、底栖溶解氧提高，为沉水植物和底栖动物恢复提供了有利生境条件。针对清淤后的底栖环境修复，遵循自然规律，优选本土物种，分别建立了基于水下光场和植物特点的沉水植物修复方案和基于底栖动物习性和食物网技术的底栖动物修复优化方案。利用生态系统的自我恢复能力，通过人工优化使生态系统向良性循环方向发展。针对清淤工程示范区采蒲台和南刘庄，建立了清淤后底栖生态修复技术方案。通过利用白洋淀本土微生物制备功能型菌剂，配合本土沉水植物和水生动物的原位生态修复技术，构建一定污染负荷下的水生态自净化体系。原位治理后，水体水质明显改善，微生物群落结构得到优化，底栖生态呈现多样性，水质指标长期稳定达到地表Ⅲ类～Ⅳ类标准。

为了将课题成果可视化，课题还将白洋淀底泥污染程度、空间分布特征、生态风险级别等各项信息进行数字化。结合建筑信息化模型（BIM），将底泥污染程度、空间分布特征、生态风险级别等各项信息进行数字化，录入数据库管理系统，建立底泥污染风险分布信息数据库。通过BIM模型形成白洋淀底泥污染虚拟三维模型和空间可视化图像，模拟优化清淤与生态修复工程的施工组织设计，成功构建了“白洋淀科学清淤规划与管理决策系统”。

构建淀区围堤围埝科学清除关键技术

支撑淀泊连通恢复与水动力提升

白洋淀大量淀边村、淀中村长期以淀为生，人为修建了大量的围堤围埝从事养殖活动，建设了许多道路和桥梁，围垦出了大量耕地、台田，这些将淀区分割为大大小小的封闭水体，降低了淀区的防洪、蓄洪能力，导致了淀区景观生态破碎化，造成了水体之间连而不通、通而不畅、畅而不流，形成了水动力受阻和污染多元化的现状。

课题组成员本着“有堤必进，有埝必测”的工作原则，“冬踏冰，夏入水”的工作态度，于2018年11月~2019年6月，历时8个月，完成了对白洋淀全淀区空间分布及水下地形的勘测。测量范围北起新安北堤，西至四门堤，冬至千里堤，南至任高公路，实测面积368.74平方公里。围堤围埝总长度约1090公里。绘制了1∶2000的白洋淀空间分布结构图，形成了由近60万个高程点组成的淀区地形数据库，为后续研究工作提供了扎实的数据支撑。

通过实地勘测的白洋淀空间分布结构图与淀区地形数据库，构建了由61万个单元格、31万个计算节点组成的淀区高度精细化与全地形地貌结合的多工况水动力数学模型，提出了“农田、稻田整体高堼地势区域合理概化，围堤围埝与重要水流通道局部加密”的模型概化处理原则。考虑了不同补水路径工况条件下，围堤围埝拆除对水动力提升的效果。总结了多参数判定淀区阻水方法，归纳了围堤围埝清除效果评估原则。编制了《白洋淀典型示范区围堤围埝科学清除实施方案》，提出了阻水区围堤围埝科学清除实施原则，即围堤围埝拆除深度根据“科学模拟，兼顾生态，因地制宜，分区考虑”原则进行；围堤围埝拆除顺序按照“先内后外，先顺后垂，由远及近，因埝施策”组织实施；围堤围埝拆除工艺遵循“清表彻底，轻挖慢放，防护到位，跟踪监测”的原则开展施工，同时采取工程措施减少二次污染，确保工程实施效果。

通过围堤围埝拆除前后流场、流速、流线和水体交换能力等多参数对比，寻找了淀区圈头区域等7个主要阻水点区域，通过对阻水点拆除前后效果的分析，拆除阻水点区域围堤围埝等，可显著提升白洋淀整体活水面积，对实现水域连通有明显作用。同时，这项技术在白洋淀南刘庄地区和采蒲台地区开展了工程示范，同时支撑了白洋淀生态清淤扩大试点和白洋淀生态清淤三期围堤围埝拆除相关工作。根据对阻水点的判定与打通阻水点后效果模拟评估，受河北雄安新区管理委员会公共服务局委托，牵头编制了《白洋淀内部水流通道疏浚（百淀联通）试点工程预可行性研究报告》、《藻苲淀水系疏通工程》和《淀区枣林庄开卡除堼》项目建议书。同时牵头申报立项和编制了河北省地方标准—《淀泊污染塘围堤围埝清除技术规程》。准确模拟了围堤围埝清除后淀泊联通修复与水动力提升效果，为雄安新区—白洋淀百淀联通、水系疏通、开卡除堼和围堤围埝科学清除等相关工作提供了强有力的技术支撑。

构建芦苇平衡收割及管护长效机制

支撑雄安新区“无废城市”建设

白洋淀自古就有“一淀芦苇一淀金”的说法。20世纪80年代，芦苇是当地重要的生产物资。但是受气候、用水量等多种因素影响，白洋淀湿地面积不断减少；同时芦苇产业市场受经营成本和产品需求等因素影响，逐步失去市场竞争优势，农民逐步放弃了苇地的种植管理，芦苇面积不断减少，质量不断下降。不能按时收割的芦苇品质出现退化，降低了对水质的净化功能，部分芦苇残体倒伏在水中腐烂，影响了白洋淀水质。

针对因芦苇收割减少而产生的芦苇退化、氮磷循环失衡等问题，课题在淀区芦苇和水质间关系的动态分析工作基础上，结合淀区景观需求和现有芦苇资源化利用方式，制定了白洋淀芦苇平衡收割实施方案，依托安新县芦苇试验性平衡收割项目（2019年）和雄县芦苇平衡收割项目（2020年），完成淀区芦苇收割4.2万亩；收割区域水体透明度提升，总氮和化学需氧量等污染物的浓度均低于未收割区（下降约20%），芦苇收割对淀区水体水质的改善起到了重要促进作用。

白洋淀水生植物资源分布不平衡且生长情况存在较大差异，单一利用方式难以实现水生植物资源化利用产业化。依据白洋淀芦苇的特点设计开发了“统一处理、分级利用”的芦苇产业化技术路线，充分利用芦苇的组成特性，提升芦苇的资源化价值，制定了芦苇收割—储运技术规范，研发了系列具有高附加值的芦苇产品生产技术，包括芦苇基生物质颗粒、芦苇基木塑品、温控阻燃电热苇编品、芦苇基水性涂料等芦苇基产品等。基于分级利用原则，开发了全产业链的“初级产品+高值产品”的芦苇资源化利用关键技术，改进了芦苇粉碎装置，提高了芦苇粉生产效率，对芦苇初级产品（芦苇基生物质复配颗粒，0.8吨/每吨芦苇，成本1000元）进行了改进，开发了具有阻燃功能的温控电热苇编品（阻燃等级达到2级），芦苇基木塑制品（优于木塑制品国家要求）等高值产品，并对芦苇利用技术开展了工程示范，进行产业化推广。

建立了基于芦苇资源可持续利用生态补偿方案制定的系统动力学模型，初步构建了芦苇资源可持续利用的政策保障体系。建议由企业、高校、相关政府部门构成创新联盟，由联盟按照实际运行情况，制定动态管理方案，对芦苇等水生植物的收割、储置储运、粗碎、细碎、运输和转化利用等环节进行全产业链条管理，以保障水生植物平衡收割和转化利用的可持续性。通过提升水生植物的经济价值，带动水生植物收割及管护积极性，改善淀区水质，形成良性生态循环，实现生态和经济的双赢，推动雄安新区“无废城市”的建设。

“白洋淀生态清淤关键技术研究与资源化工程示范”课题组供稿