1 引言（Introduction）

2020年，北京市再生水年配置量达12亿m3，除总氮外，再生水排水标准基本执行地表水Ⅳ类，全市中心城区除玉泉山水系（包括玉泉山诸泉、香山诸泉、碧云寺诸泉、樱桃沟诸泉等，泉水汇入昆明湖，经昆玉段-长河汇入内城）、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为河湖水体补给水源，再生水已成为北京城区不可或缺的重要水源。

圆明园（张玉廷，2020）坐落于北京西郊，占地350 hm²，由绮春园、长春园和圆明园3个园区组成。1997年以来，受到连续干旱和局部地下水开采的影响，区内地下水位呈持续下降趋势，加之北京市水资源严重紧缺，城市河湖景观用水显著削减，圆明园原有的地表、地下水补充水源丧失。2007年10月起，圆明园开始使用清河再生水厂的再生水（王骁等，2018；张婷等，2021；蒋丹阳，2021）作为补给水源，现有水面面积约120 hm2，年补水量600×104~900×104 m3，进水水质除总氮外基本维持在地表水Ⅳ类，总氮浓度在10 mg·L-1上下。

北京市市长陈吉宁提出“坚持科学治水、系统治水”等治水新思路，通过改善再生水补给型城市湖泊水生态环境质量是落实陈吉宁市长治水新思路的重要切入点 。圆明园作为“三山五园”的重要节点，仍存在补水氮磷负荷高、水体富营养化、透明度低、生物完整性差等问题，为了保证圆明园的生态持续发展，根据圆明园的地理、水文、水质、生物本底特征及其修复需求，课题组基于“利用生态办法解决生态问题”的治水理念，以提升水生态系统环境质量为目标，创新性地提出了“北方缺水型富营养城市河湖清水稳态水生态系统构建及管护技术体系”，并在圆明园开展了示范工程应用，通过构建“城市河湖清水稳态水生态系统”，以期为我国北方缺水型城市再生水水源补给河湖（秦伯强，2020；刘永等，2021）水生态修复（秦伯强等，2005）提供科学示范和技术支撑。 

2 材料与方法（Materials and methods）

2.1 北方缺水型富营养城市河湖清水稳态水生态系统构建及管护技术体系

2.1.1 体系结构 该体系由“浅水水域“沉水植物（严俊，2020）+贝螺+鱼”清水稳态水生态系统构建关键技术”、“深水湖区“多生境水域联动+生物操控（李元鹏等，2017）”综合集成调控技术”、“沉水植物（菹草为主）生物量管控为重点的水生态系统长效稳定维持技术”三项核心关键技术组成，见图1。

该体系通过在浅水水域（水深2 m以下）人工培育使沉水植物占据优势生态位，抑制浮游藻类生长，为底栖、鱼类提供良好栖息环境；通过水位调控、人工收割等实现对沉水植物生物量的稳定管控，由人工收割控制，维持系统稳定；针对水深在2 m以上，6 m以下，透明度低于2 m的深水水域，通过优化上游流场、下游回流净化，改善入水水质，结合水动力-水质-水生态数值模拟流场优化，多生境水域联动，高效利用外围净化空间，同时配合采用鲢鳙控藻（Lucie，2007）生物操控技术，促进深水湖区水生态稳定，提升鱼-藻-微生物循环净化效率。三项关键技术环环相扣，形成针对北方缺水型城市富营养（朱广伟，2018）河湖水域特点的生态修复模式，构建清水稳态水生态系统。 

2.1.2 工艺流程 该系统通过“沉水植物+贝螺虾+鱼”组合修复技术配合生物量管控，实现深水水域前后端浅水水域水体水环境质量提升；对前端水域流场进行优化，延长水体流动距离及水力停留时间，将后端高质量水体通过潜水泵等装置回补至深水水域，同时配合投放鲢鳙、贝螺虾等滤食性、刮食性消费者，综合调控，实现北方缺水型富营养城市河湖水生态环境质量提升，流程详见图2。

2.2 工程应用案例

工程应用地点位于北京市海淀区圆明园，以福海为园区核心看，圆明园呈现出福海西北方向最高，南方向、东方向低的地势特点，补水水源位于位于圆明园西北角紫碧山房处（图3），由进水口向南分为两股水流，经福海，向南流向南部末端绮春园凌虚亭处，向东流向长春园狮子林处，水体无外排。

课题组自 2017年开始支撑圆明园水生态修复工作，逐年增加修复面积，截至 2020年底，圆明园水生态修复区面积已接近70 hm²。

其中福海作为唯一水深超过 2 m的深水水域采用深水水域综合集成调控技术进行修复，其余均为浅水水域重点通过“沉水植物+贝螺虾+鱼”组合修复及生物量管控技术进行修复。

栽植沉水植物（何春利等，2020）包括马来眼子菜、黑藻、苦草、微齿眼子菜、金鱼藻等，种植密度 20丛·m^-2，每丛 3~5株，按 10~20 g·m^-3进行了滤食性鱼类及底栖动物投放，包括鲢鱼（陈雯等，2020）、鳙鱼（刘建康等，2003；戴学华等，2012；孙子日哈等，2021）、背角无齿蚌、中华圆田螺（肖小雨等，2014）等。

通过跌水改造等方式优化了福海前端水力，使前端水力停留时间由平均8 d增加至15 d以上；同时在水系末端增加潜水泵，功率180 m3·h^-1，使末端水体回补至福海。 

2.3 监测与评价

2.3.1 水质采样方法 根据前期工作基础得知园区水深2 m以内，确定取样水深水面下0.5m，水样的采集选择在每个月中旬上午进行，采集样品的容器为直立式采水器、聚乙烯塑料桶，样品取回后当天送检，未检测完的水体放入4 ℃冰箱冷藏，防止待测样品发生生理变化。

2.3.2 浮游生物采样方法 浮游生物调查包括定性和定量两部分，其中定性样品用孔径约 0.064 mm 的 25号浮游生物网在水面下约0.5 m处以适当的速度作“∞”字形来回拖动1~3 min，获得的浓缩样分为两份，一份立即用适量的鲁哥氏液固定，另一份活体样品于24 h内镜检。定量样品采集表层（0.5 m）样品，应在定性样品采集之前进行 。 每个样品采水大于 1 L，立即加入占水样量 1%~1.5%（V/V）的鲁哥氏液固定。 应采集平行样品，平行样品数量应为采集样品总数的 10%~20%，每批次应不少于 1 个 。取回后交由相关专家进行种类辨别。所取样品如图4所示。 

2.3.3 大型水生植物调查 大型水生植物调查主要为定性调查。采用优势种原则对群丛类型进行命名，即以各群丛优势种的名称作为该群丛的名称：

按照各优势种在群丛中所处层次的高低，将各优势种的名称从上而下地排列，同一层次的优势种之间用“+”号联结不同层次的优势种之间用“-”号联结。 

2.3.4 鱼类调查 鱼类调查以定置网具为主并附以其他可采用的方法进行，样本采集做到够用即可，尽量少捕，除保存必要样本外，其余个体应予以放生。鱼类现场调查采集渔获物过程中，进行录影、拍照作为调查结果分析的补充。

将采集到的样本进行鉴定、测量后，放入标本袋，标本袋上应注明水体名称、采集时间。所采样本应鉴定到种，并进行鱼类种类统计、鱼类生物学特征测定。所有样品经蒸馏水冲洗后，取其背部、腹部肌肉，冷冻低温（-50 ℃）干燥至恒重，经石英研钵进行充分研磨，以备稳定同位素分析。 

2.3.5 底栖动物群落调查 底栖动物采样采用定性和定量相结合的方法，每个样点至少采集3个定量重复样品。定性样品的采集同时利用了抄网搜集和人为查找的方法，以保证种类采集完全 。定量采样时，使用索伯网（0.20 m×0.25 m）采集泥样，现场在水中涮洗，将样品中多余的污泥去掉，再将水草、树枝、石块等残渣挑去，最后将样品倒入自封袋中，贴标签，放入车载冰箱内，待回实验室分检。 

2.3.6 水体健康状态评价（殷旭旺等，2015；顾晓昀等，2018；欧阳莉莉等，2020） 参照《水生态健康评价技术规范》DB11/T 1722—2020进行圆明园水体健康评价。包括生境、理化、生物3类指标。 

3 结果与讨论（Results and discussion）

3.1 景观改善效果

选取 2019—2020年完成的 5处示范区域，结合浊度、感官效果判别景观改善效果。5处示范区总面积约4×104 m²，生态修复后水体清澈见底，浊度明显降低，大多小于 3 NTU（饮用水浊度国家标准 1 NTU），见图 5，感官效果明显优于修复前（图6）。 

3.2 水质净化效果 2020年圆明园全年补水量614×104 m3，水流按照紫碧山房→月地云居→万方安和→……凌虚亭（途中水域全部为已修复区）方向前进 。表 1 及图 7 显示，从圆明园西北部入水口（紫碧山房）到南部水系末端（凌虚亭），水体中总磷含量沿程显著下降，春季（3、4、5月）去除率达71.5%，夏季（6、7、8月）去除率达83.9%，基本达到湖库Ⅲ类标准；从圆明园西部入水口（紫碧山房）到南部水系末端（凌虚亭），春季（3、4、5月）总氮去除率达到 78.2%，夏季（6、7、8 月）总氮去除率达91.4%，由入口处的劣 V 类标准（湖库）改善下降到下游端的Ⅲ类标准。图8显示，通过深水湖区综合集成调控技术，深水湖区福海 COD 由原来的地表水Ⅴ 类左右降至目前的地表水Ⅲ类左右。

3.3 水生态健康状况评价

全园修复前的生境监测数据不足，因此通过对比 2020 年同期什刹海、颐和园的水生态健康状况， 综合分析，对圆明园水生态修复工程对水生态健康影响作出评价。评价结果见表2。

根据《水生态健康评价技术规范》DB11/T 1722—2020，对圆明园、颐和园、什刹海水生态现状评价结果表明，3个水体均处于健康状态，其中得分最高的是什刹海，为88.5，最低的是圆明园，为85.25，主要因素是什刹海、颐和园补水水源均为南水北调来水，水质指标维持在Ⅲ类以上，圆明园虽因 TP、TN 等理化指标分值略低，但3个水体生物指标评分相差不大，大型水生植物指标圆明园明显高于颐和园，从总体得分看，与清水补水的什刹海、颐和园水生态现状差异不大，说明经过本系统的科学水生态修复与管护，再生水补给河湖水系圆明园的水生态健康状况已经不次于清水水源补给水体。

3.4 底栖动物多样性改善效果

底栖动物（Cuffney，2010）是能够对河流生态系统变化快速反应的指示物种之一，表 3 为 2019—2020年度圆明园底栖动物香农-威纳多样性指数H’ （Shannon ，1963；Piclou，1966）描述统计，可以看出，随着修复面积增加，2020年度圆明园水体底栖动物多样性指数 Shannon-Wiener（H’）为 0~1.41，平均分别为 1.02，较 2019 年增长 1.68 倍，底栖多样性显著增加，生态状况明显得到改善。

 4 结论（Conlusions） 

1）对河湖水系的景观改善效果明显，生态修复后水体清澈见底，浊度明显降低，大多小于 3 NTU（饮用水浊度国家标准1 NTU），感官效果明显优于修复前。

2）经过该技术对水体的修复净化，水质改善效果明显，总磷平均去除率超过70%，总氮平均去除率超过80%，CODcr浓度由Ⅴ类降至Ⅲ类，水质综合指标可以达到湖库Ⅲ类标准。效果显著。

3）经该技术修复后，再生水补给河湖水系的水生态健康状况可以达到清水水源补给水体水生态健康状况水平。

4）从底栖动物多样性角度来看，经该技术修复后，底栖动物生物多样性指数可以得到明显提升。 

5）该技术无需考虑水体流动性，可显著节约水资源 。与《城市污水再生利用景观环境用水水质》（GB/T18921-2019）要求相比，运用本创新技术，圆明园水域每年可节约水资源量约2640×104 m³。

该技术通过构建清水稳态水生态系统，实现了再生水水源补给城市河湖水系水环境质量提升，支撑了再生水利用率提升，节约水资源，可以为北方缺水性城市河湖生态治理提供借鉴和思路。

文章来源：《环境科学学报》