某景觀湖合流制溢流污染控制方案和生態(tài)修復(fù)策略

高 雅

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092)

當(dāng)前我國城市面源水污染的問題越來越突出，特別是合流制地區(qū)的雨季溢流污染問題，已成為進(jìn)一步提升城市水環(huán)境質(zhì)量的主要障礙[1-2]。溢流污水中含有大量有毒有害污染物，旱季時(shí)，生活污水及來自不同匯水區(qū)的顆粒物質(zhì)進(jìn)入管道系統(tǒng)，流量較小時(shí)，不足以將全部顆粒物沖刷進(jìn)入污水處理廠而沉積在管道底部，從而導(dǎo)致管道過流能力的下降；強(qiáng)降雨條件下，伴隨著初期沖刷現(xiàn)象的合流制溢流(CSO)攜帶著再懸浮沉積顆粒產(chǎn)生了高濃度的污染負(fù)荷[3-4]。降雨過程將大氣污染、下墊面、管道沉積物上累積的污染物沖刷下來，經(jīng)城市排水管網(wǎng)最終匯入受納水體中，使受納水體水質(zhì)污染物濃度升高，其中SS、COD 和氨氮升高幅度最大[5]。研究表明，排水管道旱季沉積對(duì)受納水體的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)達(dá)到了30%～80%[6]。不同場次降雨徑流水質(zhì)有較大波動(dòng)，導(dǎo)致城市非點(diǎn)源對(duì)受納水體水質(zhì)的影響同樣存在復(fù)雜性和隨機(jī)性[5-7]。鑒于溢流污染的特殊性和復(fù)雜性，科學(xué)合理地確定工程方案并有效提升水環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。

發(fā)達(dá)國家對(duì)合流制的污染問題進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，認(rèn)為適宜的合流制溢流工程措施可以有效地降低雨水引起的面源污染問題。然而，我國在治理雨季合流制溢流方面的研究還相對(duì)較少，已建成合流制排水系統(tǒng)的雨季溢流污水往往不經(jīng)處理直接排入水體，給水體造成嚴(yán)重污染，甚至黑臭[8-9]。為解決溢流污染引起的廣州市馬涌水域的黑臭問題，鐘毅[10]提出了涌底調(diào)蓄方案。張洪敏等[11]考察了跌水式人工濕地應(yīng)用于合流制排水系統(tǒng)雨季溢流污染的治理情況。盡管溢流污染型景觀水體在我國許多城市普遍存在，但具體解決方案尚不多見。為此，本研究以廣西某大型景觀湖為研究對(duì)象，針對(duì)景觀水體特征提出了一套合流制溢流污染控制和生態(tài)修復(fù)方案，以期為溢流污染型城市景觀水體的治理和水環(huán)境質(zhì)量改善提供借鑒。

1 工程區(qū)域概況

該工程位于廣西省，水面面積為100 km2，平均水深為1.5 m，是典型的大型碟型淺水湖泊。目前，該湖泊總體水質(zhì)較為穩(wěn)定，平時(shí)多為Ⅴ類水質(zhì)，流動(dòng)性差，目前湖泊淤積程度較淺，平均厚度為8～18 cm。盡管該湖泊已經(jīng)完成了環(huán)湖截污，但雨季大量污水從沿湖截流式合流制溢流口流入，導(dǎo)致水體透明度差，水質(zhì)惡化現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致魚類死亡并散發(fā)惡臭，遭到附近居民及游客投訴，嚴(yán)重影響水體周邊以及整體城市形象。根據(jù)溢流口出水監(jiān)測記錄可知，溢流口排污主要集中在雨季5月～9月，溢流的雨污水夾雜著管道中的沉積物被沖刷至湖中，排污顏色呈深黑色。雨季時(shí)，強(qiáng)大的降雨沖刷能力強(qiáng)，導(dǎo)致大量地表顆粒物隨徑流沖刷進(jìn)入管道，此時(shí)溢流口出水顏色呈現(xiàn)混黃甚至黃濁色，SS、泥砂含量較高。降雨過后，在溢流口較大污染負(fù)荷的沖擊下，湖體水質(zhì)急劇下降，為典型的排水管道雨季溢流污染型湖泊。

2 合流制溢流污染控制及生態(tài)修復(fù)方案

該湖泊外源污染為溢流口溢流進(jìn)入水體的大量污染物，但基于防治內(nèi)澇的需求，溢流口仍需保留，故本研究提出在溢流口處建設(shè)強(qiáng)化處理設(shè)施以削減進(jìn)入水體的污染；對(duì)雨季溢流口出水進(jìn)行初步凈化，入湖水質(zhì)將得到初步改善。同時(shí)，該湖泊水體由于受長期排污和人為活動(dòng)的影響，水體中生態(tài)系統(tǒng)被破壞，湖泊水體的自凈能力逐年下降，可在湖中進(jìn)行水生植物和水生生物生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，以配合湖泊外源污染的治理。

2.1 合流制排放口的治理

湖泊溢流口強(qiáng)化處理的主要思路是將旱季污水及初期雨水分流至污水管道，同時(shí)對(duì)雨季溢流于水中的污染物進(jìn)行攔截，減少污水直排水體的污染。溢流口強(qiáng)化處理分為兩個(gè)步驟：一是對(duì)截流井的改造；二是對(duì)排放口的改造。

2.1.1 截流井的改造

截流井改造主要是在現(xiàn)有截流井內(nèi)設(shè)置浮控調(diào)流閥、浮渣擋板等，將非降雨期來水及初期雨水分流至污水管道，同時(shí)阻止降雨后期污染程度較輕的來水進(jìn)入污水管網(wǎng)，治理方案如圖1所示。

降雨開始時(shí)，污染程度較重的初期雨水及污水通過截流管排入污水管網(wǎng)。降雨持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度增加，管網(wǎng)及井室中的水位升高。當(dāng)水位到達(dá)設(shè)計(jì)水位時(shí)，截流管道前的調(diào)流閥關(guān)閉，阻止雨水排入污水管道。此后，流入井室中的雨水會(huì)比較清潔，開始進(jìn)入出水管，最后排放至受納水體。來水中的沉積物、漂浮物以及輕質(zhì)污染物都被截留在截流井中。降雨結(jié)束，管道中的水位降低，調(diào)流閥打開，截留的污染物隨來水排入截流管，然后輸送至污水處理廠進(jìn)行處理。

圖1 截流井治理方案示意圖Fig.1 Controlling Scheme of Sewage Intercepting Well

2.1.2 排放口的改造

雨季時(shí)，伴隨著初期沖刷現(xiàn)象的合流制溢流(CSO)攜帶著再懸浮沉積顆粒產(chǎn)生了高濃度的污染負(fù)荷進(jìn)入水體，造成降雨后一段時(shí)間內(nèi)水質(zhì)的惡化。針對(duì)排放口上游截流井溢流出水不經(jīng)處理直排水體的現(xiàn)象，本研究采用溢流過濾裝置對(duì)溢流出水進(jìn)行污染物攔截，削減經(jīng)由溢流口排入水體的污染負(fù)荷。具體方案為：在排放口的過水堰之前安裝溢流過濾裝置，用于截留排放口的固體污染物。污水經(jīng)過過濾裝置時(shí)，固體垃圾將被分離取出，輸送至裝置的另外一側(cè)，同時(shí)過濾裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)自清洗。過濾裝置過水流量大，水頭損失低，其二維過濾以及自清洗系統(tǒng)保證了高效的固液分離。過濾裝置濾渣存留在進(jìn)水側(cè)，下游液位對(duì)濾網(wǎng)清理效率不會(huì)產(chǎn)生影響。大多數(shù)情況下，濾渣在降雨期間或之后返送回污水管道進(jìn)入污水處理廠，日常維護(hù)工作量較?。划?dāng)固體垃圾量較大時(shí)，可通過安裝于過濾裝置側(cè)面的提渣裝置將垃圾取出。在降雨過程中，當(dāng)上游來水非常大時(shí)(此時(shí)來水已較清潔)，超越管前的調(diào)流閥打開，雨水可同時(shí)經(jīng)排放管及超越管排放至水體(圖2)。

圖2 排放口治理方案示意圖Fig.2 Controlling Scheme of Discharge Outlet

研究表明，初期降雨徑流中的污染負(fù)荷一般占總負(fù)荷比例分別如下：COD為43.6%～54.0%；TN為17.1%～41.0%和TP為24.4%～60.8%[12]。Kayhanian等[13]對(duì)降雨徑流進(jìn)行了長達(dá)3年的監(jiān)測，通過大量數(shù)據(jù)對(duì)不同污染物之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)SS和COD、TN、TP以及重金屬顯著相關(guān)。唐文鋒等[14]研究表明我國傳統(tǒng)開發(fā)模式下徑流雨水中SS與其他污染物之間具有良好的正相關(guān)性。美國聯(lián)邦交通部門對(duì)主要徑流污染控制措施除污效率的研究結(jié)果表明，過濾截留對(duì)徑流中的SS去除效率至少為75%[15]。根據(jù)初期雨水截留污染水量和污染物濃度估算，對(duì)截流井改造后，預(yù)計(jì)COD、TN和TP的去除率至少可達(dá)到40%、15%和20%；對(duì)合流制排放口改造治理后，通過削減SS至少再可削減一半的污染物。

2.2 水生態(tài)系統(tǒng)的重建及長效管理

作為城市景觀型淺水湖泊，該湖泊不僅有防洪排澇的功能，還具有旅游娛樂、美化環(huán)境和改善城市生態(tài)環(huán)境的作用。針對(duì)該湖泊的典型淺水湖泊特征：封閉、半封閉狀態(tài)，水流速慢，其本身的生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)脆弱[16]，本研究提出從三個(gè)階段進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)的重建并進(jìn)行長效管理，即外源污染的治理；湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的重建；水生態(tài)系統(tǒng)初步構(gòu)建后，長效管理階段。在上述工程措施的基礎(chǔ)上，湖泊的外源污染即可得到有效控制，之后應(yīng)進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)的重建，同時(shí)提出長效管理措施。

2.2.1 水生態(tài)系統(tǒng)的重建

水生態(tài)系統(tǒng)的重建采用的方法是基于生物操縱及藻-草型湖泊轉(zhuǎn)化理論，以生態(tài)系統(tǒng)中完整的食物網(wǎng)鏈為基礎(chǔ)，通過沉水、挺水和浮葉植被的重建以及底棲生物、浮游動(dòng)物、水生動(dòng)物的恢復(fù)，利用食物鏈原理和種群間相生相克關(guān)系，構(gòu)建健康的生物群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)受污染水體生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)。

浮游動(dòng)物群落、沉水植物群落、浮葉植物群落、挺水植物群落、大型底棲動(dòng)物群落、魚類群落構(gòu)建工程是某水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工程的核心部分。浮游動(dòng)物群落構(gòu)建主要能夠增加浮游動(dòng)物(如大型枝角類)，提高其對(duì)浮游植物的捕食力；沉水植物群落構(gòu)建的范圍為全湖，優(yōu)選凈化效果好，去污能力強(qiáng)，對(duì)湖泊中氮、磷等污染物有較高凈化率的品種；浮葉植物對(duì)水體透明度要求較低，可做為水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的先鋒種，用以控制浮游植物、改善水體透明度，為其他群落構(gòu)建創(chuàng)造條件，還具有較高的觀賞價(jià)值；在湖邊水深合適的區(qū)域選擇性地少量種植具有較強(qiáng)去污能力的挺水植物，同時(shí)提升湖區(qū)景觀效果。

本研究中相關(guān)水生動(dòng)植物設(shè)計(jì)品種采用廣西及該湖的本土品種，通過生態(tài)修復(fù)引入的水生動(dòng)植物種類如下。

(1)水生植物

蘆葦、花葉蘆竹、傘草、梭魚草、花菖蒲、水生美人蕉、菖蒲、香蒲、再力花、睡蓮、穗狀狐尾藻、睡蓮、苦草、黑藻、竹葉眼子菜、微齒眼子菜、金魚藻。

(2)水生動(dòng)物

銅銹環(huán)棱螺、梨形環(huán)棱螺、無齒蚌、鰱、鱖、月鱧、斑鱧、黃顙魚、鱸、鯰。

2.2.2 長效管理機(jī)制

湖泊的水生動(dòng)植群落恢復(fù)后，水體從以藻類為優(yōu)勢(shì)的混水態(tài)轉(zhuǎn)化為以水生植物為優(yōu)勢(shì)的草型，生物多樣性增加，凈化能力增強(qiáng)。但可能出現(xiàn)很多問題，如群落變化，某一種類取得優(yōu)勢(shì)后，抑制其他種類的發(fā)展，群落趨向單一，生物多樣性降低，從而降低了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在湖泊水生態(tài)系統(tǒng)初步構(gòu)建完成后，還需對(duì)水生植物進(jìn)行科學(xué)的長效管理，以控制水生動(dòng)植物密度和優(yōu)勢(shì)度，保持群落穩(wěn)定。

(1)水生植物調(diào)整工程

首先對(duì)大型水生植物的種類、分布、生物量等主要指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)監(jiān)測資料，擬定管理方式，對(duì)生長較快的種類進(jìn)行收割控制，對(duì)生長緩慢或生長態(tài)勢(shì)不好的種類及時(shí)疏密移植或補(bǔ)種。按照草型和藻型富營養(yǎng)化發(fā)生機(jī)制決定沉水植物的收割時(shí)間、收割面積比例等。沉水植物生物量控制主要是通過沉水植物收割(收割、絞拔和耙撈)或補(bǔ)種及疏密移植實(shí)現(xiàn)。

挺水植物和浮葉植物生長面積過大也會(huì)對(duì)湖面景觀產(chǎn)生負(fù)面影響。需建立挺水和浮葉植物隔離帶，阻止其蔓延，如果發(fā)現(xiàn)植物生長超過原區(qū)域，應(yīng)檢查隔離帶的情況，進(jìn)行修復(fù)和改造。挺水植物和浮葉植物有一定的生長季節(jié)，某一季節(jié)挺水植物和浮葉植物枯敗，影響景觀，且植物殘?bào)w落入水中腐爛造成二次污染，也需要對(duì)挺水和浮葉植物進(jìn)行補(bǔ)種或打撈管理。

(2)水生動(dòng)物調(diào)整工程

魚類群落調(diào)整：生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建初期，應(yīng)以肉食性魚類群落為主，控制雜食性魚類生物量，同時(shí)要對(duì)各種魚類生物量與體積進(jìn)行控制；生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工程完成后，根據(jù)生物量監(jiān)測結(jié)果，當(dāng)雜食性魚類的比例大于20%～30%時(shí)，應(yīng)集中捕撈、電殺；施工完成后，每年10月～11月集中捕撈肉食性魚類；每年3月～4月，適時(shí)放養(yǎng)肉食性魚類魚苗。

底棲動(dòng)物群落調(diào)整：主要指大型底棲軟體動(dòng)物的管理，大型底棲動(dòng)物螺、蚌等以保護(hù)為主，控制底棲雜食性魚類的放養(yǎng)等。水生植物種植后，水體附著基和其他理化環(huán)境得到改善，大型底棲動(dòng)物數(shù)量會(huì)顯著增加，從而增強(qiáng)對(duì)浮游植物的控制能力和水體的自凈能力。螺、蚌等初期可以適當(dāng)放養(yǎng)，但主要以保護(hù)為主，禁止撈螺、蚌等大型底棲動(dòng)物。

3 結(jié)論和建議

本研究對(duì)廣西某大型合流制溢流污染景觀湖的控制方案和生態(tài)修復(fù)策略進(jìn)行了探討，在污染源負(fù)荷估算的基礎(chǔ)上提出了有效工程方案、生態(tài)修復(fù)策略及長效管理機(jī)制，主要結(jié)論如下。

(1)湖體入湖污染控制應(yīng)以合流制溢流口出水的污染攔截為主，結(jié)合景觀水體特征提出了截流井和排放口協(xié)同改造的合流制溢流污染工程控制方案，根據(jù)初期雨水截留污染水量和污染物濃度估算，該工程措施可有效削減入湖污染物排放量。

(2)水生生態(tài)系統(tǒng)的重建采用基于生物操縱及藻-草型湖泊轉(zhuǎn)化理論，有關(guān)水生動(dòng)植物設(shè)計(jì)品種主要采用廣西及該湖的本土品種，通過浮游動(dòng)物群落、沉水植物群落、浮葉植物群落、挺水植物群落、大型底棲動(dòng)物群落、魚類群落的構(gòu)建工程，逐步實(shí)現(xiàn)受污染水體生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)。

(3)基于淺水湖泊的基本理論提出了水生態(tài)系統(tǒng)的長效管理措施，控制水生動(dòng)植物密度和優(yōu)勢(shì)度，保持群落穩(wěn)定。本研究方案可使湖泊水體長期保持并穩(wěn)定在地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)IV類水質(zhì)，可為溢流污染型城市景觀水體的治理和水環(huán)境質(zhì)量改善提供借鑒。