典型城區(qū)水系生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計與實(shí)施
——以杭州塘河水系為例

梅靜梁 ，李鵬翔，桂和榮

1.南京市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江蘇南京，210000；2.北控(杭州)環(huán)境工程有限公司，浙江杭州，310000；3.安徽理工大學(xué)，安徽淮南，232000

近年來國家相續(xù)出臺了水污染防治計劃、提質(zhì)增效三年行動計劃等，對水體污染的治理提出了時間上和治理水質(zhì)上的要求，習(xí)近平總書記在十九大報告中也提出“綠水青山就是金山銀山”，各地陸續(xù)開展了黑臭水體治理，河道消除劣V類工程[1-2]。本文以杭州塘河水系為例，就典型城區(qū)水系生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計與實(shí)施開展研究。

1 項(xiàng)目概況

塘河位于浙江省杭州市余杭區(qū)，塘河水系屬于運(yùn)河水系，水系覆蓋杭州余杭區(qū)余杭街道、倉前街道、五常街道、未來科技城，塘河為市級河道，西起余杭東門頭，東至繞城高速橋，全長11.17 km，塘河以南為南片水系，南片水系共有支流22條，流域面積24.76 km2。南片水系涉及區(qū)域?yàn)榈湫偷慕?jīng)濟(jì)發(fā)展新區(qū)，隨著工業(yè)企業(yè)、高新技術(shù)企業(yè)入駐，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，環(huán)境問題突出，因此河道水體治理河水質(zhì)提升勢在必行。水系南高北低，由南向北匯入塘河。支流區(qū)域內(nèi)為分流提質(zhì)，存在大量的雨污水混接，導(dǎo)致晴天污水下河，通過支流最終匯入塘河。根據(jù)2017年斷面監(jiān)測，塘河自西向東水質(zhì)逐漸惡化，河道水質(zhì)為劣V類，支流水質(zhì)較差，主要超標(biāo)指標(biāo)為氨氮，清水港、楓樹港等支流污染嚴(yán)重(表1)。南片水系在2016年部分河道進(jìn)行了消除劣V類工程治理，但沿岸依然存在污水下河。2018年，啟動了新一輪的水系綜合治理工程，包含南片水系區(qū)域市政管網(wǎng)和區(qū)塊管網(wǎng)零直排工程，解決管網(wǎng)混接、管網(wǎng)破損等問題，同時對南片水系內(nèi)的10條河道開展生態(tài)修復(fù)工程，力爭在2020年全面消除劣V類水體，2021年主要水質(zhì)指標(biāo)提升至IV類。

表1 塘河主要斷面水質(zhì)檢測指標(biāo)

2 存在問題

2.1 河道水質(zhì)劣

塘河南片水系地處平原河網(wǎng)地區(qū)，地勢較平坦。主要的補(bǔ)水水源為西邊的南湖和西北邊的南苕溪，補(bǔ)水水質(zhì)較好，基本達(dá)到地表IV類標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)塊水系通過25處水利閘站控制流向。

由于水系沿岸存在混接雨水口、部分農(nóng)居點(diǎn)存在散排污水直排口造成塘河部分?jǐn)嗝嫣幱诹覸類。塘河其他支流南渠河、清水港、楓樹港來水是塘河?xùn)|門頭——東西大道段劣V類水體主要污染源。寶林港現(xiàn)狀為劣V類，主要來源為老余杭鎮(zhèn)雨污混接、污水直排，最終支流水匯入塘河造成塘河水質(zhì)污染，其他支流河道水質(zhì)詳見表2。

表2 塘河支流水系水質(zhì)

2.2 水系沿岸外源污染嚴(yán)重

經(jīng)過排查，區(qū)域內(nèi)共有排口205個，其中晴天出水排口60個，經(jīng)過污染源初步排查周邊農(nóng)居點(diǎn)污水散排口17個，污水直排口2個，雨污混接排口11個，工地排口2個，其余出水口水質(zhì)較好，初步判斷為地下水或者園林綠化用水。

2.3 水動力條件差

塘河水系基本不通航，平時只有保潔船行駛，河道流速緩慢，根據(jù)MIKE21二維水動力模型分析結(jié)果，水系的整體流速在0.01～0.04 m/s，水動力條件差，不利于河道自凈，主要原因?yàn)楹拥烙俜e導(dǎo)致河道庫容減少、引水量不足，換水周期較長以及城市開發(fā)造成水系格局破壞。

2.4 水系水生態(tài)退化

據(jù)現(xiàn)場踏勘，塘河南片水系22條河段中，河道水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)退化，僅寶林港的施橋河-清水港段水生態(tài)修復(fù)設(shè)施完善，河道內(nèi)均勻設(shè)置了生態(tài)浮島并沿河道設(shè)置了曝氣管。其余河道中，清水港上設(shè)置了生態(tài)浮島，長勢良好，其它駁岸已建成的河段河岸上局部片植挺水植物，但缺少維護(hù)，新橋港上每隔50 m設(shè)置了一處微生物處理裝置。

3 生態(tài)工程設(shè)計

3.1 生態(tài)修復(fù)河道的選擇和擬采用的工藝

根據(jù)塘河水系的治理目標(biāo)，針對現(xiàn)狀問題以及水系特點(diǎn)，上游老城區(qū)的管網(wǎng)改造工程、截污控源工程以及引水補(bǔ)水工程，極大地改善了外源污染入河和水系的水動力，同時為了重新構(gòu)建河道水生態(tài)系統(tǒng)，提高河道自凈能力，達(dá)到水系持續(xù)提升以及后期河道的長治久清的目的[3-6]。

針對南片水系共22條河道，水質(zhì)和水動力來選擇河道進(jìn)行生態(tài)修復(fù)設(shè)計。水質(zhì)方面，截污控源與底泥清除將大幅減輕河道污染來源，為保證水質(zhì)目標(biāo)，針對當(dāng)前水質(zhì)未達(dá)到地表水Ⅳ類水水質(zhì)的河道進(jìn)行生態(tài)修復(fù)；水動力方面，主要配水路徑和主要行洪河道不進(jìn)行生態(tài)修復(fù)設(shè)計。最后確定進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的河道共11條，分別為：清水港、楓樹港、寶林港(清水港-楓樹港段)、朱廟港、朱廟港支流、紅衛(wèi)港、新橋港、永勝港、汪橋港、前進(jìn)港與北部園區(qū)河道。生態(tài)修復(fù)工程主要針對河道三大問題：雨水口較多；河道水質(zhì)差；自凈能力差，河道生態(tài)系統(tǒng)缺失。這三個問題分別采取排口原位強(qiáng)化凈化工程、河道原位強(qiáng)化凈化、曝氣增氧、水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工程，來削減污染物入河、凈化河道水質(zhì)、維持河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

根據(jù)河道水質(zhì)、水文水動力、硬化岸線以及周圍環(huán)境情況，確定各個河道采取的生態(tài)修復(fù)措施，其中清水港、紅衛(wèi)港、汪橋港、永勝港、前進(jìn)港、新橋港、北部園區(qū)港采用強(qiáng)化浮動濕地+沿河曝氣+水生動植物體系構(gòu)建技術(shù)，寶林港、朱廟港采用浮動濕地+沿河曝氣技術(shù)。

3.2 排口原位凈化工程設(shè)計

初期雨水、突發(fā)性污水混入以及服務(wù)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)源污染物混流帶入(約占區(qū)域污水總量的5%)是當(dāng)前項(xiàng)目片區(qū)河道面臨的最主要污染問題。

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強(qiáng)化浮動濕地作為主要的凈水措施[7]，應(yīng)用于直徑大于等于600 mm的雨水排放口，降低直排水對全河段水質(zhì)的影響。南片水系雨水排口最大管徑為DN2000，DN600以上的排口74個，其中DN600排口29個，DN800排口21個，DN1000排口12個，DN1000以上的排口24個。

強(qiáng)化浮動濕地系統(tǒng)組成包括：根系發(fā)達(dá)的漂浮植物+生物掛膜填料+穿孔曝氣+固化微生物模塊，如圖1。強(qiáng)化浮動濕地具有大面積的生物膜，在河道水質(zhì)改善工程中，生物膜法對于水質(zhì)水量具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，對每一個雨水口設(shè)置強(qiáng)化浮動濕地進(jìn)行處理，對于直徑大于等于1 500 mm的排口，水量對浮動濕地沖擊過大，采用超細(xì)纖維人工水草+強(qiáng)化浮動濕地系統(tǒng)。超細(xì)纖維人工水草表面積大，能提供約8 000平方米/立方米以上的生物附著表面積[8]，來水先經(jīng)過人工水草進(jìn)行緩沖、吸附后，再由強(qiáng)化浮動濕地進(jìn)行處理[7]。

圖1 浮動濕地(左)與強(qiáng)化浮動濕地(右)示意圖

各排口對應(yīng)強(qiáng)化浮動濕地的面積根據(jù)雨水口匯流面積、面源污染負(fù)荷以及強(qiáng)化浮動濕地有機(jī)負(fù)荷進(jìn)行計算。經(jīng)計算，雨水管管徑與匯流面積的對應(yīng)關(guān)系如表3。

表3 雨水管管徑與匯流面積的對應(yīng)關(guān)系

強(qiáng)化浮動濕地的污染負(fù)荷為0.25～0.3 kg COD/(m2·d)、0.01 kg NH4+/(m2·d)。

針對直徑大于等于1 500 mm的排口，采用超細(xì)纖維人工水草+強(qiáng)化浮動濕地系統(tǒng)，來水先經(jīng)過超細(xì)纖維人工水草緩沖過濾后，再由強(qiáng)化浮動濕地進(jìn)行處理。超細(xì)纖維人工水草每平米設(shè)置10根，吸附降解的污染物負(fù)荷為0.25～0.3 kg COD/(m2·d)。

強(qiáng)化浮動濕地對污染物的降解效果主要由微生物完成，所需曝氣量經(jīng)計算為41.81 m3/min，結(jié)合曝氣量進(jìn)一步測算，需浮動濕地2 983 m2、超細(xì)纖維人工水草400 m2。

3.3 水質(zhì)凈化工程設(shè)計

3.3.1 曝氣增氧設(shè)計

曝氣復(fù)氧被認(rèn)為是治理河道污染的一種有效措施，可以提高水體中的溶解氧含量，強(qiáng)化水體的自凈功能，促進(jìn)水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[9]。除恢復(fù)溶解氧外，不同的曝氣形式還為河道帶來不同形式擾動，增大河道紊流程度，抑制藻類生長。河道曝氣復(fù)氧的主要方式有推流曝氣增氧、葉輪式曝氣、噴泉曝氣增氧、微氣泡曝氣增氧及固定式微孔曝氣增氧等。

為保證河道水生動植物生長穩(wěn)定，水體溶解氧應(yīng)穩(wěn)定在5.5 mg/L(維持魚類良好生長的溶解氧濃度)以上。曝氣裝置提供的氧氣按照維持水體合適溶解氧，并滿足微生物降解污染物的需氧量進(jìn)行計算。采用組合推流反應(yīng)器模型計算河道的需氧量[10]。

3.3.2 自然駁岸河段浮動濕地設(shè)計

非建成區(qū)河道，主要為寶林港、朱廟港(文一西路至何過港段)、朱廟港支流，暫無雨水管網(wǎng)規(guī)劃，按照常規(guī)雨水管網(wǎng)分區(qū)方法估算匯水面積。

自然駁岸兩側(cè)多為農(nóng)田，入河面源污染濃度高，采用方便移動且凈水效果好的浮動濕地提供微生物附著與生長的基質(zhì)。 浮動濕地面積根據(jù)河道需要消納的污染物總量除以浮動濕地污染負(fù)荷進(jìn)行計算[6]。

3.4 水生動植物生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計

3.4.1 水生植物系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計

水生植物修復(fù)技術(shù)主要通過在污染水體中種植適宜的水生植物，吸收、富集、轉(zhuǎn)化水體中的污染物，同時又可以為水生動物和微生物提供氧氣、食物和棲息環(huán)境，進(jìn)而建立完善的生物網(wǎng)，達(dá)到水生態(tài)恢復(fù)的目的[11]。水生植物包括浮葉植物、挺水植物、沉水植物等類型。大量研究表明，選用適宜的水生植物品種，并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)拇钆?，可?shí)現(xiàn)對營養(yǎng)元素的高效去除。

水生植物對污染物的去除主要有以下幾條途徑：(1)吸收作用。水生植物在生長過程中需要吸收大量的N、P等營養(yǎng)元素，通過植物收割，可將被吸收的營養(yǎng)物質(zhì)從水體中輸出；(2)強(qiáng)化生物降解作用。水生植物群落為微生物和微型生物提供了附著基質(zhì)和棲息場所，從而強(qiáng)化污染物的生物降解；(3)吸附、過濾、沉淀作用。水生植物發(fā)達(dá)的根系與水體接觸面積很大，可攔截、吸附、過濾懸浮性污染物；(4)對藻類的抑制作用。水生植物個體大、生命周期長，吸收和儲存營養(yǎng)鹽的能力強(qiáng)，可通過對營養(yǎng)物質(zhì)和光能的競爭利用抑制浮游藻類的生長，此外某些水生植物根系還能分泌出克藻物質(zhì)，達(dá)到抑制藻類生長的作用。

沉水植物是構(gòu)建水生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，因此在南片水系中有條件的河段均進(jìn)行栽種設(shè)計。位置的布置主要遵循：(1)光照充足河道；(2)流速小于0.05 m/s；(3)駁岸未整治河段暫不設(shè)計；(4)種植面積為河道水域面積的60%。沉水植物選擇過程中盡量選取本土植株，適當(dāng)增加工程實(shí)踐效果佳、四季常綠的改良型沉水植物，點(diǎn)綴景觀效果佳的沉水植物，形成生態(tài)適應(yīng)性良好、凈化效果佳、景觀效果佳、易于維護(hù)管理的水下生態(tài)系統(tǒng)。

為強(qiáng)化系統(tǒng)對營養(yǎng)物質(zhì)的凈化吸收能力和水景效果，健全水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選用矮生苦草、穗狀狐尾藻、輪葉黑藻、金魚藻等沉水植被作為建群種，構(gòu)建水下森林系統(tǒng)，其中矮生苦草為改良品種，具有適應(yīng)能力強(qiáng)、凈化效果佳、景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)，是構(gòu)成沉水植物的主要建群種(表4)。

表4 沉水植物特性表

良好的底質(zhì)條件能夠提高沉水植物的成活率，促進(jìn)沉水植物生長，且不會向水體中釋放污染物。清淤完成后，采用底質(zhì)改良劑對殘余的底泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理，底質(zhì)改良劑主要為生石灰與生物酶兩種組分先后潑撒，生石灰能殺滅原來富營養(yǎng)化水體底質(zhì)中病原體，改善底質(zhì)酸堿度，生物酶能快速激活土著有益微生物，消減底質(zhì)中的污染物質(zhì)。底質(zhì)改良劑按照每畝50 kg進(jìn)行拋灑。

對當(dāng)前種植挺水植物的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)種，主要集中在楓樹港、紅衛(wèi)港、新橋港、永勝港、前進(jìn)港、北部園區(qū)河道，河灣地區(qū)藻類容易聚集，在河灣處種植部分挺水植物，主要布置在水深小于0.5 m的區(qū)域。

3.4.2 水生動物系統(tǒng)構(gòu)建

水生動物種群的恢復(fù)主要結(jié)合沉水植被的恢復(fù)進(jìn)行。通過在沉水植被恢復(fù)區(qū)放養(yǎng)大型軟體動物(如螺、青蝦)，以及肉食性魚類黑魚，豐富功能攝食類群，增加物種多樣性，從而構(gòu)建完善的水生生物食物鏈，恢復(fù)健康穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)。

本工程底棲動物根據(jù)其攝食習(xí)性選擇底棲軟體動物作為群落調(diào)控的主要種類，底棲生物的投放量不宜過高，環(huán)棱螺密度為3～15 kg/畝，蝦類(青蝦)密度為0.4～0.8 kg/畝，黑魚2尾/km2。

4 工程實(shí)施效果

工程2018年開始實(shí)施，上游老城區(qū)的管網(wǎng)改造工程、截污控源工程以及引水補(bǔ)水工程的基礎(chǔ)上，通過開展水系生態(tài)工程，到2020年5月份主要工程基本結(jié)束河道水質(zhì)逐步提升，河道透明度基本保持在60～80 cm，氨氮含量維持在V類到IV類之間，汪橋港、北部園區(qū)河、前進(jìn)港河道水生態(tài)系統(tǒng)已建立，透明度清澈見底，呈現(xiàn)出魚翔淺底的美好景色，周邊老百姓親水近水幸福感提升。

5 結(jié)論與建議

上游的雨污管網(wǎng)改造、截污控源以及引水補(bǔ)水的工程基本解決河道污染匯入提升水動力狀況，河道依然需要構(gòu)建自凈能力，通過生態(tài)工程，對排口、河道本身，采用原位凈化措施和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)，最大程度地提升河道自凈能力，使河道水質(zhì)能持續(xù)提升，確保了河道的長治久清。

塘河水系地處江南多雨地區(qū)并且臺風(fēng)頻發(fā)，通過人工構(gòu)建的水生態(tài)系統(tǒng)在初期需要定期維護(hù)，沉水植物構(gòu)建初步完成后，植物系統(tǒng)比較脆弱，植物的生長需要一定的透明度，尤其在雨后水體透明度降低，需要采取透明度提升工程，并且嚴(yán)格控制食草性魚類的數(shù)量，確保植物快速恢復(fù)，沉水植物經(jīng)過三年左右的生長、演替以及不同品種之間交叉生長形成多樣性沉水植物系統(tǒng)，輔以曝氣增氧措施，水生態(tài)系統(tǒng)基本穩(wěn)定，具備一定的抗沖擊能力。