【案例分享】城市地表水水源地小流域系统保护修复技术模式研究——以密云水库上游牤牛河小流域为例|北京市_新浪财经

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城市地表水水源地小流域系统保护修复技术模式研究

——以密云水库上游牤牛河小流域为例

叶芝菡，黄俊雄，李垒，薛万来，张耀方，李添雨

（北京市水科学技术研究院，100048，北京）

摘要：水源地保护是国家水安全保障的重要战略之一。密云水库是北京市重要的地表饮用水水源地，受气候变化和人类活动影响，水源安全保障面临风险与压力。以密云水库上游牤牛河小流域为对象，分析其基本情况及存在的问题，并对系统保护修复技术模式进行探索。摸清了牤牛河小流域水资源、水环境和水生态问题，特别是明确了河、库的总氮浓度，解析了陆域对水体总氮来源的贡献；从问题识别、目标确定、核算分析、关键技术、保护修复、评估反馈等六个环节，形成以水生态问题反溯陆域来源并实施土地用途管制与综合治理的技术流程。聚焦陆域土地利用管理与综合治理、河湖水生态保护修复，分别提出土地利用优化调整、施肥管控与面源防控、农村点源和面源污染控制、废弃矿区生态修复、重点土壤侵蚀区水土保持，以及河流连通性修复、微生物脱氮最宜生境营造和生境多样性提升、水库保护修复和水力调控等流域系统保护修复关键技术，并对流域修复目标可达性进行分析，形成以削减总氮为主、提升生物和生境多样性为辅的系统解决方案。

关键词：城市地表水水源地；小流域；保护修复；技术模式；密云水库

水源地保护是保障饮用水安全、维护水生态系统健康的重要工作，对于保障国家水安全具有战略意义。以流域为单元实施系统保护修复是水源地保护的重要途径，可以统筹各要素、上下游关系，协调生态、生产、生活空间。我国重视长江、黄河及其他流域生态环境问题，围绕“生态优先、绿色发展”理念出台了一系列法律法规、政策文件与专项规划，但有学者指出当前流域治理在土地利用管理、水陆共治、区域协同等方面存在不足。生态清洁小流域建设等新型小流域综合治理模式在我国广为应用并卓有成效，但也有学者认为小流域综合治理在基于自然的解决方案、山水林田湖草沙一体化保护修复等综合研究方面还需要深入。

北京市高度重视水源地保护，坚持以河流为骨架、流域为单元，统筹协调治水与治山、治林、治田、治村，加强流域的系统性治理。密云水库是北京市重要的地表饮用水水源地，北京市围绕密云水库水源保护与系统治理工作发布了一系列法规、文件和规划，提出了流域系统保护修复的目标和要求。

近年，密云水库水质总体保持稳定，满足饮用水水质标准要求，但总氮浓度呈升高趋势，存在一定程度富营养化风险。密云水库上游流域跨越京冀两地8个区县，人为活动强烈，人地关系紧张，对水源保护工作形成一定压力。由于流域内土地利用持续变化，水陆生态互为影响，从流域系统性角度来看，当前流域治理模式在统筹水陆关系方面尚有不足，难以达成山水林田湖草沙生命共同体的发展愿景。本研究以密云水库入库河流之一的牤牛河小流域为例，基于长期监测，明确生态问题并分析水陆影响，研究陆域土地用途管制与河湖水生态修复技术，建立以河流为骨架、流域为单元的流域系统保护修复技术体系，探索可复制可推广的水源地保护技术修复模式，为密云水库及类似流域水源安全保障提供技术支撑。

一、牤牛河小流域基本情况与存在问题

牤牛河位于密云水库北部密云区不老屯镇，径流直接汇入密云水库，控制流域面积134 km2，跨密云水库一级保护区、二级保护区和准保护区。牤牛河干流长36 km，有4条支流。牤牛河中游建设的半城子水库于1976年7月建成，总库容1020万m3，水域面积37.3万m2，属于中型水库。流域内有16个村，人口约1.2万人。

通过调查监测与分析研究，发现牤牛河小流域存在以下问题。

1.河库总氮浓度偏高且来源于多要素

基于2019—2022年监测数据，在不考虑总氮指标情况下，半城子水库水质非汛期为Ⅱ类，汛期为Ⅱ~Ⅳ类；河流非汛期为Ⅰ~Ⅱ类，汛期为Ⅱ~Ⅲ类。水库与河流总氮浓度均偏高（见图1、图2）。半城子水库库区总氮浓度为0.5~8.5 mg/L，平均3.7 mg/L，显著高于地表水Ⅴ类和同期密云水库浓度；总氮浓度与入库流量密切相关，强降雨下的洪水能引起水库总氮迅速升高。牤牛河干流总氮浓度为5.1~17.7 mg/L，平均8.3 mg/L，主要支沟（史庄子沟）总氮浓度为2.3~4.8 mg/L，平均3.3 mg/L，河流总氮浓度较高且空间分异明显。

通过监测分析和同位素溯源等手段综合得到牤牛河小流域总氮主要来自于暴雨洪水挟带的含氮物质，包括自然来源和人为来源。典型暴雨洪水时期流域总氮来源于林草地、大气湿沉降、废弃矿区、农业用地、村庄生活等，负荷占比分别为39.34%、25.35%、22.50%、11.38%和1.43%。人为因素中废弃矿区和农业用地负荷贡献较大；村庄生活虽然负荷贡献占比小，但在非汛期对地表水总氮浓度影响较大。该结果也说明在林草覆盖面积较大的水源地山区流域，包括自然植被及其生长的土壤、大气沉降等在内的自然因素是总氮主要来源之一，无需也无法进行干预；优化和改变人类生产生活方式、实施污染控源和生态修复是治理工作的重点，需加强科学管控、精准治理。

2.水资源禀赋不足且河流生境质量退化

气候变化条件下流域水资源量年际和年内变化大，本研究收集了1988—2022年半城子水库年入库流量数据进行距平分析，如图3所示。发现1999—2017年入库流量远低于平均值，为连续干旱年，而2018年以后极端洪水年与极端干旱年交替出现，造成了“大水不能用、小水没的用”局面。半城子水库下游河道常年断流，无水文过程，缺乏生态基流。经调查，受人为干扰，牤牛河干支流生境质量不良的河段占总长度的54%，主要原因包括河流连通性受阻、生境多样性低、缓冲带不足等。人为干扰对生物也造成了普遍影响，牤牛河中底栖动物物种丰度为6~10种，较山区自然河道偏低，其中敏感类群EPT（蜉蝣目、襀翅目和毛翅目）物种丰度不足5种，生物多样性指数为1.9~3.0；鱼类仅在保护良好、具备连通性的河段有发现，以宽稽鱲、马口鱼和麦穗鱼为主；同时建有拦水坝河段及其上游区域鱼类的种类和数量均明显减少。

3.流域生态空间管控与目标有差距

牤牛河小流域跨密云水库一级、二级和准保护区面积分别占流域面积的10%、31%和59%。根据《北京市密云水库流域水生态保护与发展规划（2021年—2035年）》和《北京市密云水库上游地区空间保护规划（2021年—2035年）》管控目标，一级保护区需实现村庄有序疏解外迁，二级保护区为水源涵养、污染治理的重点地区。牤牛河小流域当前在一级保护区内仍有村落分布，二级保护区耕地果园分布较广，占比约30%，现状与水源保护管控目标差距较大。此外，牤牛河小流域在生态保护红线、水生态空间、陡坡水土保持等管控方面也与相关要求存在差距，如流域内大于25°的陡坡仍有约10%的面积分布着果园和耕地，易发生水土流失与面源污染，生态空间亟待优化并加强管控。

二、流域保护修复总体思路与技术流程

围绕以上牤牛河小流域水资源、水环境和水生态等问题，提出了流域系统保护修复总体思路（见图4），按照山水林田湖草沙一体化保护和系统治理原则，以河流为骨架、流域为单元，由河湖水生态问题反溯陆域污染或影响要素来源，统筹陆域生态空间与水生态空间，综合实施土地利用方式管控与治山、治林、治田、治村、治水，保障流域水质安全，提升流域水生态功能，实现流域水生态健康。

遵循以上思路，提出了以牤牛河小流域为典型的流域系统保护修复技术流程（见图5），分为问题识别、目标确定、核算分析、关键技术、保护修复、评估反馈六个环节。对于牤牛河小流域，基于水源保护地的功能定位，流域修复目标首先为降低总氮，其次为提升生物多样性。以半城子水库为控制节点，其总氮浓度应在现状（近10年）平均2.9 mg/L水平上逐步降低至2 mg/L以下，相应削减入库污染负荷应不低于32%。生物恢复目标为底栖动物多样性指数达3.0以上并出现蜉蝣目、襀翅目、毛翅目等指示物种，其对应生境恢复目标为生境类型需恢复至7种以上，并且具备指示物种所需要的深潭、浅滩、急流等生境类型。在目标确定和核算分析基础上实施流域治理措施的系统布局，包括陆域土地用途管控治理和水域生态保护修复技术。陆域层面，在土地利用优化调整基础上，围绕污染削减、用地管控、水源涵养等需求配置治山、治林、治田、治村技术；水域层面，围绕河湖自净、生物恢复等需求研提基流恢复、自净增强和生境恢复技术。最后将技术体系与流程应用到工程与管理实践中，并持续跟踪监测、评估与反馈，从而实现流域山水林田湖草沙系统治理思路落地和实效取得。

三、流域系统保护修复关键技术

1.陆域土地利用管理与综合治理

针对陆域主要污染来源及影响因素，围绕控源减排目标，从土地利用优化调整、施肥管控与面源防控、农村点源和面源污染控制、废弃矿区生态修复、重点土壤侵蚀区水土保持等方面研究技术并集成。

（1）土地利用优化调整

不合理的土地利用结构改变了流域营养物富集、水文情势及栖息地环境等过程，是水生态系统退化的主要驱动力(8.800, -0.52, -5.58%)之一。调整并恢复合理的土地利用方式可以减少污染物输出，改善水生态功能。考虑土地利用对水质和水生态的影响，对标上位法律法规和政策规划要求，牤牛河小流域在水源保护区、生态保护红线内、大于25°陡坡范围、河库水生态空间内的土地利用上均存在不合理之处，而以上敏感生态空间存在着较大面积易发生水土流失和氮磷输出的耕地、果园和建设用地。本研究提出4种土地利用调整情景，采用输出系数法，基于实际监测所获得的不同土地利用类型的总氮输出系数计算相应总氮削减效果。土地利用调整优化情景及逐情景累积的总氮削减比例见表1。

（2）施肥管控与面源防控

控制流域内化肥和有机肥施用强度。模型计算和文献调研结果显示，牤牛河小流域氮肥施用强度不超过110 kg/hm2，即较现状减少40%条件下，可提高植物氮素利用效率10%以上，减少总氮流失。对临河耕地布设以草带为主要形式的过滤带，视实际空间采用分散或集中布设，对农田沟渠进行生态化提升，增强净化效果，植被过滤带或生态沟渠的总氮削减效果可达30%以上。

（3）农村点源和面源污染控制

加强流域内村级污水站运行维护和监管，保障出水稳定达标，并在出水末端加强湿地化处理，可降低总氮45%以上。完善道路生态排水沟，依地形组织排水并沿程过滤净化。对于村庄的入河排水口，在河道空间适宜区，建立边滩生态塘，有利于汛期排水污染物沉淀和总氮降解。监测显示生态塘可实现总氮平均削减约57%。

（4）废弃矿区生态修复

监测评估流域内废弃金矿导致水体总氮升高的风险，查清机制成因。探索矿山源区总氮控制的技术方法，对其径流流经的沟道采用宜塘则塘、沟塘串联的近自然方式修复，利用多塘结构延长水力停留，促进反硝化过程，达到总氮降解的目的。

（5）重点土壤侵蚀区水土保持

板栗林水土流失是密云水库上游包括牤牛河小流域的重要生态问题，产生了土壤退化和氮磷流失等环境影响。针对该问题，可对流域内25°以上的陡坡板栗林以鼓励逐步退出的方式实施保护修复；25°以下且缺乏水土保持措施的，采用免动土或少动土的方式进行林下水土流失控制，如形成生态地埂、进行林下复草等植物保护措施。监测显示，优化植被覆盖和地形条件下的水土保持措施可以实现地块总氮削减30%以上。

2.河湖水生态保护修复

围绕恢复水体自净能力和提升生物多样性目标，针对水域存在的连通性受阻、生境多样性低等问题，开展河湖水生态保护修复优化和集成。

（1）河流连通性修复

对于无功能、影响纵向连通性的拦水坝，降低坝高改造为矮型跌水，或者创造局部生物通道。保护恢复水域 -漫滩 -滨带的横向连通，改造硬质岸线，恢复自然岸线。连通性修复对水质改善效果明显，已有文献显示，河滨缓冲带的保护和恢复可削减总氮流失56%以上。

（2）微生物脱氮最宜生境营造和生境多样性提升

监测显示，河流不同生境类型下的脱氮性能存在差异，例如深潭、水生植物群等生境类型均具有较高的脱氮性能，其潜在脱氮速率可达8 µmol/（kg·h）以上，因此可在牤牛河干支流中因地制宜营造该类型生境。同时针对本土指示性生物包括马口鱼、宽稽鱲等鱼类和蜉蝣目、毛翅目等底栖动物的栖息地需求，营造深潭、浅滩、急流、跌水、卵砾石等多样化生境类型，达到水质净化与生物多样性的综合目标。

（3）水库保护修复和水力调控

半城子水库是牤牛河小流域的一个重要节点，发挥着水资源调节和水环境自净的作用，但也造成了下游河道的长期断流。开展库滨林草植被保护和恢复，修复入库口湿地或根据地形条件营造入库前置塘，以提升入库拦污减污能力。以每年3—5月为重要时段，有计划实施半城子水库向牤牛河河道生态补水，一方面降低运行水位促进库区自净，同时恢复牤牛河下游段生态基流，提升水流连通，为密云水库补充优良水源。

四、流域修复目标可达性分析

基于以流域为单元的系统保护修复思路和技术体系，水陆统筹布局牤牛河小流域的土地利用优化和治山、治林、治田、治村、治水措施，形成流域系统解决方案，并根据措施规模与效果，开展流域修复目标可达性分析（见表2）。

1.水质目标可达性分析

以半城子水库为控制节点，对流域实施保护修复措施后，预测半城子水库入库总氮每年削减16.7 t，削减比例达39.3%，可实现流域总氮指标由多年平均2.9 mg/L降至1.8 mg/L，达到预期目标。

2.生物目标可达性分析

基于牤牛河水生态现状条件，拟在河流生境退化段逐步恢复深潭、浅滩、急流、跌水、卵砾石、水生湿生植物群、自然岸滨带等多类型生境，生境类型数量较现状将增加3~5种。根据生境多样性对生物多样性的驱动作用，水生生物也将逐步恢复，预期底栖动物多样性指数将大于3.0，EPT物种丰度将提高至8种以上。山区河流鱼类指示种（包括宽稽鱲、马口鱼等）的鱼类将在大部分近自然有水河道中恢复。

五、结论与展望

1.主要结论

密云水库是北京市重要的地表饮用水水源地，受气候变化和人类活动影响，水源安全保障面临风险与压力。本研究以密云水库上游牤牛河小流域为对象，探索以河流为骨架、流域为单元，由水域问题反溯陆域来源与影响，水陆统筹建立流域山水林田湖草沙一体化治理与管理技术体系。

①摸清了牤牛河小流域的水资源、水环境、水生态问题，尤其是针对重点关注的总氮问题，明确了河流、水库的总氮浓度水平，解析了陆域对水体总氮的来源及贡献。

②形成了可复制可推广的以河流为骨架、流域为单元的流域系统保护修复总体思路和技术流程。总体思路强调了由水生态问题反溯陆域来源并进行管控和治理，技术流程分为问题识别、目标确定、核算分析、关键技术、修复实践、评估反馈六个环节。

③提出了水源地流域系统保护修复技术体系，以牤牛河小流域为典型形成系统解决方案。细化了陆域土地利用管理和综合治理技术体系、河湖水生态保护修复技术体系，从可行的技术措施分析了其预期效果，形成以削减总氮为主、提升生物和生境多样性为辅的系统解决方案。

2.未来展望

本研究是对重要城市地表水水源地建立以河流为骨架、流域为单元的流域系统保护修复技术路径的探索，其理念、思路、流程和技术体系对类似区域具有借鉴意义。未来可在以下方面进一步深化。

①增强对流域水陆关系的系统剖析。水陆关系是一个复杂而紧密的系统，包括污染物迁移转化在内的物质循环和能量流动、生物多样性等多方面因素相互交织、相互影响。建立精细化的监测体系、开展多学科的综合研究、采用数学模型等技术手段，有助于系统剖析与理解水陆关系，实现对流域问题的精准识别与科学治理。

②优化流域土地利用管理。除了针对性应用水土保持、污染控制、生态修复等综合治理技术以外，土地利用方式/强度管控是流域保护修复重要途径之一。围绕流域功能定位和保护目标，规划流域土地利用，优化生产生活生态空间，增强对陡坡开发、农业施肥、村镇建设、造林绿化等土地用途的管控与政策引导，切实发挥多要素系统性保护流域水生态的效果，是一条见实效、可持续的发展道路。

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参考文献

(生态修复网)

（转自：生态修复网）

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