南通中央創(chuàng)新區(qū)河道水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建研究

余 雯

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

城市水系的水生態(tài)系統(tǒng)是一個復合生態(tài)系統(tǒng)，它是以人工技術(shù)和社會行為為主導，以自然生命保障系統(tǒng)為依托，以生態(tài)過程為命脈的人工生態(tài)系統(tǒng)。單靠傳統(tǒng)單一的技術(shù)處理不能完全解決河道水生態(tài)問題，而是需要采用綜合技術(shù)手段，即通過構(gòu)建完整的水生態(tài)系統(tǒng)，充分利用生態(tài)系統(tǒng)自凈自潔(自我修復)的能力優(yōu)勢，從根本上解決城市河湖等景觀水“水清”、“水美”的問題[1- 3]。

本文結(jié)合南通中央創(chuàng)新區(qū)水系綜合整治項目，在控制河道外源污染、禁止污水直排、凈化初期雨水的基礎(chǔ)上，配合生態(tài)工程措施，科學利用水域生態(tài)學的基本原理，將整個水系按功能劃分區(qū)塊，構(gòu)建和諧的人工水生態(tài)系統(tǒng)，并通過后期的人工調(diào)控等技術(shù)措施，逐步培育水體的自我修復能力，最終脫離人工干預，還水于自然[4- 6]。

1 中央創(chuàng)新區(qū)水環(huán)境現(xiàn)狀

中央創(chuàng)新區(qū)內(nèi)河道水質(zhì)總體屬于地表Ⅳ～Ⅴ類水，現(xiàn)狀COD入河量為3790t/a，現(xiàn)狀氨氮入河量為319.4t/a。營船港水源至北部通甲河引入，水質(zhì)條件最好，創(chuàng)新區(qū)東區(qū)梁浩港、小撇港豎河、大撇港橫河區(qū)域水質(zhì)最差，部分河段存在黑臭現(xiàn)象。由于很大一部分外源污染來自于農(nóng)業(yè)面源，因此從時間上看來，水質(zhì)受到季節(jié)變化和農(nóng)耕活動影響較大。

區(qū)內(nèi)河道仍保留多處較原始的岸邊帶結(jié)構(gòu)，但由于受到人為活動的干擾，導致水土流失嚴重，現(xiàn)存的岸邊植被較為稀疏。河道水生植物較少，水體自凈能力較差。水域內(nèi)水生生物量及生物多樣性較低。

中央創(chuàng)新區(qū)規(guī)劃為一個獨立水系，在水系控制建筑物建設完成后，區(qū)內(nèi)河道將形成一個相對封閉的水體，僅在汛期進行澇水南排，枯水期進行北引補充。在這種條件下，構(gòu)建一個完善、穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)是十分必要的。

2 河道水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 水系功能分區(qū)

中央創(chuàng)新區(qū)水系補給水源為北部通呂運河，經(jīng)營船港北閘、山港河閘和中心豎河閘進入中央水系，經(jīng)通滬大道以北河道分段注入紫瑯湖，再由營船港南泵閘排入通啟運河。水源水質(zhì)未達到水生態(tài)系統(tǒng)對水質(zhì)的需求，因此需對整個水系進行凈化功能分區(qū)，如圖1所示。不同分區(qū)河道采用不同的水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建方案。

圖1 水系生態(tài)布局分區(qū)圖

2.1.1水生植物凈化區(qū)

水質(zhì)凈化區(qū)范圍北至青年路、南至通滬大道、東至快速路、西至通富南路，處于中央創(chuàng)新區(qū)水系引清活水工程“北引南排”的上游區(qū)域，水源經(jīng)北部森林、濕地注入紫瑯湖，是紫瑯湖水源的主要引水河道。

中央創(chuàng)新區(qū)水系水源主要取自北部通呂運河，通呂運河現(xiàn)狀水質(zhì)明顯劣于中央創(chuàng)新區(qū)紫瑯湖水質(zhì)目標，非常有必要對來水進行進一步凈化，并結(jié)合去污能力強的水生植物，合理搭配水生動物、微生物，打造生態(tài)河道，以降低紫瑯湖的污染負荷，確保區(qū)域水系的水質(zhì)。此外，該區(qū)域內(nèi)用地性質(zhì)多樣化，結(jié)合河流廊道生態(tài)景觀的打造，塑造結(jié)構(gòu)合理、景觀多樣性的城市生態(tài)河道。

2.1.2水質(zhì)穩(wěn)定區(qū)

水質(zhì)穩(wěn)定區(qū)北至通滬大道、南至源興路、東以河道入湖口為界、西至通富南路，處于中央創(chuàng)新區(qū)水系引清活水工程“北引-西排、南引-西排”的下游區(qū)域，向西注入褲子港，是中央創(chuàng)新區(qū)水系的主要出流河道。

作為未來片區(qū)排水的主要出流河道，在滿足防洪排澇基本要求的同時，應結(jié)合河道周邊用地性質(zhì)的多樣性(科創(chuàng)用地、人才公寓等復合類型)，以水街為景觀核心，打造具有科技感的現(xiàn)代化都市生態(tài)河道。

2.1.3水域文化教育展示區(qū)

水域文化教育展示區(qū)北至通滬大道、南至源興路、東至通盛大道、西以出湖口為界，處于中央創(chuàng)新區(qū)水系的東南片區(qū)，以親水游憩休閑、科普教育為主。

充分利用該區(qū)的游憩休閑功能，設置濕地展示區(qū)與挺水植物展示區(qū)，結(jié)合沉水植物-浮葉植物-挺水植物-濕生植物群落演替序列的構(gòu)建，展示水生植物的豐富種類、類型及其生態(tài)功能，讓居民走進自然、認識自然并參與自然，培養(yǎng)居民保護自然的生態(tài)意識。

2.1.4河道生態(tài)構(gòu)建策略

根據(jù)中央創(chuàng)新區(qū)內(nèi)水系分區(qū)，針對不同功能的河道采用相應的生態(tài)措施。

(1)生態(tài)型河道

基于自然生態(tài)河道定位，以水質(zhì)改善為目標，采用近自然生態(tài)功法，利用工程措施，在傳統(tǒng)河道整治的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)近自然、少投入并能保持優(yōu)美景觀的河流生態(tài)綜合治理，使得退化的生態(tài)系統(tǒng)恢復到具備一定結(jié)構(gòu)和功能的準原始狀態(tài)。主要采用生態(tài)清淤+高效微生物凈水系統(tǒng)+高等水生植被構(gòu)建技術(shù)+底棲生物構(gòu)建技術(shù)[7]。

(2)景觀型河道

基于自然景觀河道定位，在保障水安全、水環(huán)境的基礎(chǔ)上，結(jié)合景觀生態(tài)學原理，以“休閑、生態(tài)”作為切入點，通過河道景觀生態(tài)系統(tǒng)的建設促成“水-陸-景”三位一體的立體景觀系統(tǒng)。結(jié)合河道兩岸用地性質(zhì)變化，造就異質(zhì)性較大的植被斑塊，打造高低錯落有致的植物群落，塑造良好的河道景觀，形成“雨季防洪，旱季賞景”的親水型濱水長廊。

(3)排洪防澇型河道

基于排洪防澇河道定位，以保障水安全為前提，小尺度范圍構(gòu)建生態(tài)修筑物，以改變河床形態(tài)，重塑河流蜿蜒性，以達到改變河流平面順直、流態(tài)單一的目的，配合物理抗性較強、根系發(fā)達、去污能力較強的沉水植物和浮葉植物，對順直化河道進行生態(tài)化改造，利于河道生態(tài)系統(tǒng)的恢復。

2.2 水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建具體方案

2.2.1生態(tài)清淤工程

中央創(chuàng)新區(qū)東部的梁浩港、小撇港豎河、大撇港橫河等生態(tài)型河道屬于水質(zhì)凈化區(qū)，現(xiàn)狀黑臭情況嚴重，采取生態(tài)疏浚方式，即全河段清除表層污染底泥，疏浚完成后開展水生植物恢復，迅速修復新生底泥表層生態(tài)，抑制底泥污染物釋放，并強化與延長底泥疏浚效果。

2.2.2生態(tài)攔截網(wǎng)+微型生物凈化強化工程

考慮到生態(tài)展示區(qū)內(nèi)河流均為往復型河流，分別在幾條主要河道中游自西往東依次設置生態(tài)攔截網(wǎng)+生物格柵序列，集功能性和觀賞性一體。

生態(tài)攔截網(wǎng)為孔徑19mm的尼龍網(wǎng)，兩端固定，主要攔截漂浮垃圾，防止垃圾在河浜堆積。通過空氣壓縮機控制生態(tài)攔截網(wǎng)浮體的升降，可有效防止河流中的漂浮垃圾及可能的浮萍等漂浮植物進入內(nèi)部河道，影響景觀效果。

生物格柵選用BD- 50辮帶式水處理填料，安裝時每平方米安裝9根，以3根×3根的方式安裝，每根生物繩之間間距為30cm。水面端為直徑60mm的圓柱形可充氣式橡膠管，管長等于河道寬度，總布設面積約120m2。利用工程菌和原生動物、后生動物一類的微型動物附著在填料上生長繁育，形成膜狀生物污泥，水體與生物柵接觸時，水體中的有機污染物、藻類、氮、磷等營養(yǎng)物，被生物柵上的微生物所攝取，使水體得到凈化，微生物自身也得到繁殖。這種處理方法能夠有效的去除污水中氮磷總量，使水體得到凈化。

2.2.3水生植物種植工程

水生植物重建工程中對水生植物的選擇是關(guān)鍵。本項目考慮四季交替，擬選擇優(yōu)良的本土水生植物。挺水植物有蘆葦、香蒲、菖蒲、慈姑、鳶尾等；浮葉植物有睡蓮、菱角等；沉水植物有苦草、菹草、狐尾藻、金魚藻、伊樂藻、馬來眼子菜等[8]。上述水生植物中菹草、伊樂藻為冬、春季生長，其他為春、夏、秋季生長，故可形成四季皆有水生植物的良好狀態(tài)，強化對來水的污染去除。不同區(qū)域水生植物種植工程量見表1。

2.2.4水生動物恢復工程

底棲動物種群的恢復主要結(jié)合沉水植被的恢復進行，通過在沉水植被恢復區(qū)放養(yǎng)大型軟體動物，豐富功能攝食類群，增加物種多樣性以構(gòu)建完善的水生生物食物鏈，為恢復健康穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。放養(yǎng)的底棲動物種類以雙克蚌、螺類為主，按平均放養(yǎng)密度為蚌1只/m2、螺類50只/m2。先期以螺類放養(yǎng)為主，在湖底溶解氧量及有害氣體量達到蚌的生存條件后，適當放養(yǎng)一定量雙克蚌。不同區(qū)域水生動物投放量見表2。

水質(zhì)凈化區(qū)的防洪排澇河道不涉及水生生物(如底棲生物)物種的引入，引水過程中，土著底棲生物如螺蜆類軟體動物、搖蚊類節(jié)肢動物等將會自然進入，會自然形成一定的生物種群，與水體中浮游類生物形成生物多樣性種類達到一定程度的生態(tài)系統(tǒng)。因此，該區(qū)域不再投放底棲生物，以自然恢復為主。

2.2.5復合生態(tài)浮島工程

在景觀型河道內(nèi)沿河道中心線布設復合型凈化景觀生態(tài)浮島，通過拼裝組成具有適當景觀圖案的生態(tài)浮島群，間隔200m布置一組，單組生態(tài)浮島有效種植面積約為500m2左右，共布設28組，睡蓮、巨葉王蓮等浮水植物在浮島周邊點綴種植，形成“水景相依”的優(yōu)美景觀。不同區(qū)域生態(tài)浮島水生動植物投放量見表3。

表1 水生植物種植工程量

表2 水生動物投放工程量

在防洪排澇型河道，布置可調(diào)式生態(tài)浮床，借助水下固定樁和水面所設的浮力裝置，實現(xiàn)浮床水平方向固定、垂直方向隨水位波動而上下浮動[9]。選用蘆葦和美人蕉(面積比為1∶1)等抗污性較強的水生植物種類，通過植物自身的新陳代謝直接吸收水體中的氮和磷，從而不斷減輕水體富營養(yǎng)化程度和改善水質(zhì)。單個可調(diào)式生態(tài)浮島種植面積約為360m2，共布設18個生態(tài)浮島。

表3 生態(tài)浮島水生動植物投放量

2.2.6曝氣充氧工程

河道內(nèi)設置微孔曝氣技術(shù)，可快速有效改善水體溶解氧濃度，改善水體動力，為整個河道健康生態(tài)系統(tǒng)的建立和完善提供基礎(chǔ)條件。全河段內(nèi)設置16個曝氣機，置于生態(tài)浮島之間，采用漂浮式安裝。

3 污染負荷和削減量計算

3.1 河流污染負荷

按照規(guī)劃，中央創(chuàng)新區(qū)無污水直接排入河道，污染主要為降雨期間的初期雨水徑流污染以及天然降雨直接產(chǎn)生的污染。

(1)降雨污染負荷

南通地區(qū)自然降雨水樣中雨水中COD、氨氮、總氮、總磷濃度分別為25～200mg/L、0.11～4.9mg/L、0.83～6.25mg/L、0.038～0.250mg/L。河流天然降雨污染量采用下式計算，計算結(jié)果見表4。

W降=αhA

(1)

式中，α—雨水污染物濃度系數(shù)；h—降雨量，取941.5mm；A—河道總水面面積，取50.30ha。

(2)徑流污染負荷

中央創(chuàng)新區(qū)河道匯水面積為1182.5ha。土地利用類型主要包括居住、商業(yè)、道路、綠地、公建5種類型。

表4 河道降雨負荷 單位：t/a

根據(jù)5部分區(qū)域面積、雨水徑流污染物平均濃度、地表類型的徑流系數(shù)，計算出各區(qū)域雨水徑流污染物負荷。考慮到后期海綿城市的建設對年徑流量有所控制，并能削減部分污染負荷，本文分近、遠期計算，結(jié)果見表5—6。

表5 近期河道接納降雨徑流污染負荷

表6 遠期河道接納降雨徑流污染負荷

(3)污染負荷總量

中央創(chuàng)新區(qū)內(nèi)河網(wǎng)的污染負荷見表7。

表7 中央創(chuàng)新區(qū)河道污染負荷 單位：t/a

3.2 河道污染削減量

為使中央創(chuàng)新區(qū)內(nèi)河道達到國家地表水Ⅳ類標準，根據(jù)目標水質(zhì)削減量=全年累計污染負荷-水環(huán)境容量，可得出河流所需削減的年污染負荷[10- 11]，見表8—9。

表8 中央創(chuàng)新區(qū)河道近期污染物削減量 單位：t/a

表9 中央創(chuàng)新區(qū)河道遠期污染物削減量 單位：t/a

3.3 水生植物氮磷削減量核算

通過水環(huán)境容量與污染負荷對比分析，同時結(jié)合水體水質(zhì)要求，確定污染物削減量，計算公式如下：

W削=W0-W1-W2

(2)

式中，W削—污染物削減量，t/a；W0—污染總負荷，t/a；W1—水體水環(huán)境容量；W2—水體水質(zhì)要求。

工程建成后，將建設河道兩側(cè)挺水植物面積81441.6m2，河道浮葉植物面積15570.9m2，河道沉水植物184048.8m2，覆蓋率超過50%。河道生態(tài)浮島挺水植物種植面積14000m2，浮葉植物1800m2，將顯著改善河道水質(zhì)與生態(tài)景觀，對河道水質(zhì)改善具有顯著的促進作用。

(1)河道內(nèi)挺水植物

依據(jù)前人及“九五”、“十五”期間國家水專項研究成果[12- 13]，挺水植物群落能攔截入湖河道徑流夾帶泥沙及其它陸源污染物的25%～62%；生長挺水植物群落的底泥中氮循環(huán)微生物數(shù)量均有大幅度增加，其中反硝化細菌數(shù)量分別是硝化細菌數(shù)量的10.69倍和8.24倍，反硝化作用強烈，能夠顯著提高氮素的去除能力。挺水植物群落能使水中的磷酸鹽、有機氮、氨和懸浮物分別減少20%、60%、66%和30%。

挺水植物的去污能力以植物單位鮮重同化量計算，經(jīng)核算，本次方案單位面積挺水植物每年綜合去除總氮27.3g/m2，總磷為2.7g/m2。南通市中央創(chuàng)新區(qū)水系河道內(nèi)沉水植物總種植面積為16641.6m2，每年可去除總氮27.3g/m2×16641.6m2=0.45t，總磷2.7g/m2×16641.6m2=0.04t。

(2)河道內(nèi)沉水植物

根據(jù)南京地理與湖泊研究所相關(guān)專家在東太湖的研究成果[14- 16]，沉水植被每年可以從水體中去除總氮25.8g/m2，去除總磷2.70g/m2。據(jù)此，南通市中央創(chuàng)新區(qū)水系河道內(nèi)沉水植物總種植面積為184048.8m2，每年可去除總氮25.8g/m2×184048.8m2=4.78t，總磷2.70g/m2×184048.8m2=0.50t。

(3)河道內(nèi)生態(tài)浮島

參照前面挺水植物去污能力的計算方法，核算生態(tài)浮島去污能力。河道內(nèi)生態(tài)浮島每年可去除總氮27.3g/m2×78800=2.15t，總磷2.70g/m2×78800m2=0.21t。

4 結(jié)語

(1)綜合河道內(nèi)植物和生態(tài)浮床，合計每年去除氮磷分別是7.38、0.75t。根據(jù)河道污染削減量計算結(jié)果，中央創(chuàng)新區(qū)河道近期污染物TN、TP的削減量分別是10.46、1.37t/a，遠期則分別是0.46、0.25t/a?；谀壳八鷳B(tài)系統(tǒng)規(guī)劃，參照國標GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅳ類功能區(qū)標準，經(jīng)生態(tài)治理后遠期河道水生植物對TP、TN的削減量大于遠期所需削減量，能有效控制水體污染，對改善中央創(chuàng)新區(qū)水系生態(tài)環(huán)境有積極的促進作用；而近期，對TN、TP的削減量不足，因此對污染源進行源頭控制(海綿措施)和過程控制(人工強化)是必要的。

(2)在行洪排澇為主的河道中，在保證過水斷面的基礎(chǔ)上進行水生植物布置，并考慮水位變動下的植物分布；在景觀為主的河道中，以生態(tài)性好、觀賞性佳的水生植物為主，配合水生動物和微生物的投放與養(yǎng)護，可建立平衡發(fā)展的水生態(tài)系統(tǒng)。本文的水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建方案與污染削減量計算可為類似閘控封閉水系的水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建與恢復提供參考。

(3)水生態(tài)的建設需與生態(tài)護岸和護岸緩沖帶的建設相結(jié)合，保障水生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境基礎(chǔ)不受破壞。本文僅對水域范圍進行了研究，今后的研究應加入濕生、陸生植物對生態(tài)系統(tǒng)的作用。此外，在開展生態(tài)治理的同時，對水質(zhì)及生物進行長期監(jiān)測，可為中央創(chuàng)新區(qū)整體水環(huán)境整治提供科學的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為優(yōu)化整治方案提供數(shù)據(jù)支撐。