城市高度建成區(qū)河道生態(tài)補水治理方案研究

史 貴 君，仝 曉 輝，汪 銀 龍，劉 曉 寧，張 永 宜

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 2.西安中交環(huán)境工程有限公司，陜西 西安 710065)

隨著城市的發(fā)展，人類對自然資源進行了大量的改造和開采，自然環(huán)境功能逐漸退化，城市環(huán)境已遠遠超過了它的環(huán)境容量與環(huán)境承載力。城市環(huán)境惡化中最為嚴重的就是水環(huán)境污染，水環(huán)境污染使得生態(tài)自然功能明顯下降[1-3]。在城市高度建成區(qū)中，多數(shù)河道接收居民及工業(yè)排放的污水，此類河流徑流量較小，河道水體主要依靠城區(qū)的降雨，降雨能增大河道徑流，無雨則斷流干枯，河道水體環(huán)境容量小、生態(tài)較脆弱[4]。河道水體流量不足往往會引起復氧和生態(tài)功能下降，導致水體黑臭，大大地降低了河道的生態(tài)功能[5]。

生態(tài)補水是治理城市黑臭水體的關(guān)鍵，許多河流通過生態(tài)補水進行河道生態(tài)治理修復。如英國將“最小可接受流量”作為河道生態(tài)補水總則，并通過最小流量生態(tài)補水治理了許多河流，韓國清溪川通過生態(tài)補水修復了河道生態(tài)功能[6]；國內(nèi)也有許多生態(tài)補水治理河流的成功案例，如利用巢湖水對城市景觀河道進行生態(tài)補水[7]、福州市臺江區(qū)內(nèi)河補水工程[8]、北京永定河生態(tài)補水工程[9]等。大量城市河道治理的成功案例表明，河道補水是城市水體污染治理的關(guān)鍵，是河道水質(zhì)的長效保障措施[10]。然而，針對城市高度建成區(qū)河道生態(tài)補水的研究還相對較少。

本文以鐵崗水庫排洪河(鐵排河)生態(tài)補水工程作為城市高度建成區(qū)河道治理修復的典型案例，以河道生態(tài)功能恢復為目標，因勢利導，根據(jù)河道生態(tài)環(huán)境需水量、水質(zhì)等指標，提出鐵排河生態(tài)補水方案，以期為城市高度建成區(qū)河道的水體治理提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域概況

鐵排河位于深圳市西部的寶安區(qū)境內(nèi)，處于城市高度建成區(qū)中，整個區(qū)域河流多而復雜(見圖1)。河道以鐵崗水庫為起始，匯入珠江，河長8.05 km，河道流域總面積115.56 km2，上游水庫總控制面積108 km2。河道上游地勢東高西低，堤岸地面高程4.5～15.5 m，河床高程0.80～8.12 m，河寬10～15 m，河堤內(nèi)地形平坦、起伏較小，多為直立漿砌石擋墻；河道下游屬于海積平原地貌，地勢東高西低，堤岸地面高程2.5～4.5 m，河床高程-0.5～0.8 m，河寬約20 m，河堤內(nèi)地形平坦、起伏較小，多為復式斷面堤岸。

鐵排河缺乏自然水源補給，豐水期河道水源主要來自流域內(nèi)降雨徑流，枯水期河道基流較小，甚至斷流。鐵排河作為城區(qū)的主要排污通道，大量污水及垃圾排入河道，造成水環(huán)境嚴重惡化、水體重度黑臭。2017年起，深圳市開展了鐵排河水環(huán)境綜合整治工程，通過實施雨污分流、控源截污、生態(tài)補水及生態(tài)修復等措施，較大程度解決了水體污染問題。

圖1 鐵排河示意

1.2 水功能區(qū)及水質(zhì)現(xiàn)狀

根據(jù)《深圳市水功能區(qū)劃報告》，鐵排河流域內(nèi)涉及兩處水功能區(qū)，河道上游涉及鐵崗水庫水資源保護區(qū)，水質(zhì)目標為Ⅲ類；河道終點為珠江河流，水質(zhì)目標為V類。根據(jù)深圳市寶安區(qū)2015～2016年各季度的河流水質(zhì)監(jiān)測資料，鐵排河現(xiàn)狀水質(zhì)污染非常嚴重，水質(zhì)屬于劣Ⅴ類，其中COD、BOD5、NH3-N及TP含量分別是地表Ⅴ類水標準的2.7,4.0,14.5倍及6.5倍，而溶解氧不足Ⅴ類水標準的1/6(見表1)。河道水體呈墨綠色；中游在城區(qū)漏排口的影響下，水體逐漸變?yōu)辄S褐色且局部有黑色浮泥；下游及河口水質(zhì)較差?？傮w來看，水體基本處于黑臭狀態(tài)且表面有大量浮渣等污染物。

表1 2015～2016年各季度鐵排河流水體水質(zhì)指標

2 生態(tài)環(huán)境需水量及補水來源分析

2.1 生態(tài)環(huán)境需水量預測

根據(jù)相關(guān)研究，影響河流生態(tài)環(huán)境需水量的因素主要有河流形態(tài)、流域狀況及外部環(huán)境等。因此，綜合考慮鐵排河的河道環(huán)境現(xiàn)狀、沿岸排水情況以及集水區(qū)的劃分，將河段分為兩段：鐵排河上游(鐵崗水庫至寶安大道段)和下游(寶安大道至入珠江口段)，其中下游主要為感潮河段，受珠江河水頂托現(xiàn)象嚴重。鐵排河上、下河道信息見表2。

表2 鐵排河上、下游河道特征信息

生態(tài)補水量的預測是河道補水的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)鐵排河的污染現(xiàn)狀，提出其生態(tài)補水量主要包含兩個方面：① 河道生態(tài)環(huán)境修復及景觀環(huán)境需水量；② 河道水體的蒸發(fā)及下滲等方面的需水量。河道總需水量[11]計算如下：

Q=max{Qb，Qe}+Qv+Qp

(1)

式中，Qb為基本生態(tài)需水量，其中Qb=λQ(λ為河道徑流系數(shù)，Q為河道徑流量)，采用水文學Tennant法計算河道基本生態(tài)需水量[12]，水體生物最低需水量為徑流量的30%。Qe為景觀環(huán)境需水量，借鑒景觀工程補水量方法計算。Qv為蒸發(fā)需水量，其中Qv=A(E-P)，E>P；Qv=0，E

鐵排河沿岸已全面截污且沒有自然水源，河道基本喪失生態(tài)及自凈功能。因此本研究基于鐵排河現(xiàn)狀，考慮將生態(tài)系統(tǒng)重建與自然凈化能力恢復作為河道整治遠期目標。綜合考慮補水水質(zhì)及河道水力停留時間，根據(jù)景觀環(huán)境需水量計算方法[14]，以及GB/T 18921-2002 《城鎮(zhèn)污水再生利用的景觀環(huán)境用水水質(zhì)》相關(guān)規(guī)定，最終確定再生水與雨水的停留時間為2 d和4 d。據(jù)式(1)和表2河道信息計算鐵排河上、下游河段不同條件下的需水量,計算結(jié)果見表3。

表3 鐵排河上、下游河段生態(tài)環(huán)境需水量

由表3可知，鐵排河上游需水約為1.589萬m3/d，下游需水約為2.516萬m3/d。上游補水量較小，主要是因為河道較窄，兩岸均為垂直硬質(zhì)駁岸，只有河底部分為自然河道，其生態(tài)需水量相對較低；下游河道性質(zhì)與上游剛好相反，其河道較為寬敞，兩岸以草坡為主的自然河道，自然系統(tǒng)較為完善，生態(tài)需水量則相對較多。根據(jù)上、下游兩段河道的生態(tài)、景觀需水量的預測，對河道進行全面生態(tài)補水。

2.2 補水來源分析

近年來，已有學者對污水再生水、雨水的回用做了大量研究，為河流的生態(tài)補水工程提供了有效的科學依據(jù)[15]。因鐵排河處于城市高度建成區(qū)中，所以水資源非常寶貴，根據(jù)流域內(nèi)氣候、地理及排水狀況，在以鐵崗水庫最小下泄流量為基礎(chǔ)的前提下，以固戍污水廠再生水及流域降雨作為河道生態(tài)補水水源。

2.2.1鐵崗水庫下泄流量分析

鐵崗水庫位于深圳高度建成區(qū)中，根據(jù)濕地調(diào)查，下游沒有農(nóng)業(yè)用地，兩岸居民用水主要以城市給水廠供水為主，沿岸無其他用水。因此，最小下泄流量分析不再考慮灌溉及居民用水需求。

本文采用水文學Tennant法計算最小下泄流量，取多年平均流量的10%作為最小生態(tài)流量。統(tǒng)計分析鐵崗水庫水文站流量資料，得到鐵排河年平均流量系列，計算出多年平均流量的10%約為0.14 m3/s，即日下泄量為1.2萬/m3。

2.2.2再生水補水潛力分析

根據(jù)《深圳市寶安區(qū)再生水利用工程規(guī)劃》(2008～2020)，固戍污水處理廠再生水近期規(guī)模為10.0萬m3/d，遠期規(guī)模為20.0萬m3/d，目前，再生水主要用于咸水涌西鄉(xiāng)河2條河流的景觀用水與西鄉(xiāng)街道、新安街道的市政雜用、工業(yè)回用，有富余。固戍污水廠深度處理設(shè)施及提升泵站均已建成，設(shè)計規(guī)模為24萬m3/d，現(xiàn)狀旱季再生水約15萬～18萬m3/d，通過泵站提升西鄉(xiāng)河的總量僅有10萬～11萬m3/d，仍有4萬～7萬m3/d再生水直接排入海。因此，再生水資源充足，可滿足鐵排河的生態(tài)環(huán)境需水量。

2.2.3雨水補水潛力分析

鐵排河流域經(jīng)雨污分流整治后，目前流域內(nèi)形成了100%的分流體制，為雨水的收集利用提供了良好條件。河道流域總匯水面積為116.30 km2，上游匯水面積為79.54 km2，下游匯水面積為36.76 km2，具有較大的雨水資源利用的潛力。雨水潛力資源量計算如下[16]：

Q=SHφαk

(2)

式中，Q為雨水資源量，萬m3；S為匯水面積，km2；H為設(shè)計降雨量，mm；φ為綜合徑流系數(shù)，取0.67；α為季節(jié)折減系數(shù)，取0.85；k為初雨水棄流系數(shù)，取0.87[17]。

由于深圳市降雨主要集中在汛期，其中3～9月降水量占全年降水量的80.0%，因此計算只考慮3～9月份。另外，本研究以鐵崗水庫實測降雨量資料為準，選取近10 a月平均降雨量作為設(shè)計降雨量H，根據(jù)式(2)計算的雨水資源量如圖2所示。

由圖2可知，在不同月份內(nèi)，鐵排河流域內(nèi)雨水資源量差異較大，雨水量主要集中在6，7，8三個月內(nèi)，這3個月的上游雨水量滿足基本生態(tài)用水，但不滿足水環(huán)境的需水量；在所有月份中，下游的雨水量最高為0.703萬m3/d，低于基本生態(tài)需水量。因此，鐵排河需要常態(tài)補水，才能滿足河道生態(tài)用水需求。

圖2 鐵排河上、下游河段雨水資源量

3 補水方案設(shè)計

根據(jù)對鐵排河生態(tài)環(huán)境需水量、流域的污水廠再生水及雨水資源的潛力分析,可知河道需水量較大，雨水資源較少，不能夠完全滿足生態(tài)需水，但固戍污水廠的再生水資源潛力較大，完全可以滿足鐵排河生態(tài)補水。即在以鐵崗水庫最小下泄量為基礎(chǔ)的前提下，總體補水來源為固戍污水處理廠再生水與流域降雨(見表4)，具體補水方案包括：

(1)以鐵崗水庫最小下泄生態(tài)水量為基礎(chǔ)，將河道上、下游流域內(nèi)雨水量及固戍污水廠的再生水作為生態(tài)環(huán)境需水的補水來源，且再生水為常態(tài)水源。

(2)為保證下泄生態(tài)流量，需在鐵崗水庫擋水壩內(nèi)死水位以下1 m處設(shè)置下泄流量放水管。此外，還應在放水管出水處安裝一套在線計量及視頻監(jiān)控設(shè)施，用于監(jiān)控下泄流量情況，以維持和保障河段的生態(tài)用水。

(3)河道上游雨水資源較充足，所以主要以雨水作為生態(tài)補水，固戍污水廠再生水作為河道常態(tài)補水。利用現(xiàn)狀已鋪設(shè)到西鄉(xiāng)河的廣深高速橋下的DN1200補水管，從該管道末端西北向新鋪設(shè)一條長為845 m的DN600管，至鐵崗水庫排洪河的溢洪道分洪閘下，在河道上游提供生態(tài)補水。

(4)河道下游雨水資源較少，補水來源主要為固戍污水廠再生水。利用寶安大道現(xiàn)有DN1200補水管道，從寶安大道補水管開始新建一條長為780 m的DN600管，至河道下游形成常態(tài)補水系統(tǒng)(見圖3)。

圖3 鐵排河生態(tài)補水方案

表4 鐵排河生態(tài)環(huán)境補水方案

4 方案分析

4.1 補水水源水質(zhì)水量分析

在鐵排河補水設(shè)計方案中，補水水質(zhì)、水量的保障是工程的關(guān)鍵。根據(jù)鐵排河現(xiàn)狀及可利用水源分析，其補水來源主要為水庫下泄水量、自然降雨和固戍污水廠的再生水，其中雨水作為間歇水源，下泄水量與固戍污水處理廠再生水作為常態(tài)水源。另外，鐵排河處于城市中心，自身缺乏水質(zhì)凈化功能，補水水質(zhì)將直接影響河道生態(tài)功能的修復。固戍污水處理廠再生水和匯水區(qū)徑流污染應作為污染削減的重點對象。因此，補水方案應對水源采取相應的水質(zhì)改善措施，保障河道補水水質(zhì)達標。

4.1.1鐵崗水庫水質(zhì)水量分析

鐵崗水庫正常蓄水位28.7 m，相應庫容9 400萬m3，設(shè)計水位28.80 m(100 a一遇)，對應庫容9 570萬m3；校核洪水位29.29 m(2 000 a一遇)，總庫容為9 950 萬m3。水庫以防洪、調(diào)蓄、供水為主，是深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線工程的終端水庫，其庫容量較大，水量充足，可以為鐵排河不間斷地提供下泄生態(tài)需水。另外鐵崗水庫作為一級保護水源地，目前水質(zhì)為地表Ⅲ類水，各水質(zhì)指標均滿足河道補水要求(Ⅴ類)，可以直接排入河道作為生態(tài)需水。

4.1.2固戍污水廠再生水水質(zhì)水量分析

固戍污水處理廠采用GB 18918-2002 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，尾水中污染物濃度高于地表水Ⅴ類標準，COD、總氮及氨氮均超出標準的15%,30%及45%(見表5)。直接作為水源補水會加重河流污染，不利于河道水環(huán)境生態(tài)功能的恢復與提升，污水廠尾水需要進行深度處理。因此，固戍污水處理廠對其尾水經(jīng)深度處理達到再生水標準后再進行排放利用。

經(jīng)深度處理的再生水含有較低的污染物濃度，多數(shù)指標滿足地表水Ⅴ類標準，但氮、磷營養(yǎng)鹽指標仍然較高，再加上內(nèi)源污染的影響，河道排入再生水仍然有輕度富營養(yǎng)化風險；另外，再生水中含有的重金屬其他微量污染物等會在長期補給過程中不斷積累，最終威脅水生生物及水環(huán)境系統(tǒng)[18]。因此，需在河流中采取一定的措施，對再生水進行進一步凈化。例如，補水以跌水的形式進入河流，不僅能增加水體形態(tài)，而且能提高河流水動力和水體溶解氧含量；建設(shè)生態(tài)礫石床與植物碎石床對水質(zhì)進行凈化；適量投放本土優(yōu)勢水生生物及河底水下森林的建設(shè)，既能形成完善的生態(tài)系統(tǒng)又可以降低富營養(yǎng)化和重金屬污染風險，以此來減小再生水對河流生態(tài)系統(tǒng)的負面影響，加強河道水環(huán)境生態(tài)的穩(wěn)定性[19]。

表5 固戍污水處理廠尾水水質(zhì)指標

4.1.3流域內(nèi)雨水水質(zhì)水量分析

利用雨水進行河道補水，最重要的是解決雨水水質(zhì)水量的問題。降雨形成的徑流會對地表污染物進行沖刷，經(jīng)沖刷的污染物會隨著徑流匯入到河流，對水體造成污染[20]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，用于生態(tài)補水的雨水中COD和SS的含量應不超過30 mg/L和10 ml/L，因此對進入河流的雨水實施相應的水質(zhì)改善措施。已有文獻表明，徑流污染物濃度主要集中在初期雨水中，但隨著降雨過程的推移，污染物濃度逐漸降低，降雨后期徑流水質(zhì)逐步趨于穩(wěn)定[21-23]。因此，雨水補水方案采取初雨棄流及調(diào)蓄凈化等措施，以確保雨水符合生態(tài)補水水質(zhì)要求。首先，在雨水管網(wǎng)末端設(shè)置初雨棄流裝置，將初期雨水收集并排到市政排水管網(wǎng)中進行最終處理。根據(jù)GB 50014-2006 《室外排水設(shè)計規(guī)范》中雨水調(diào)蓄量規(guī)定，該方案將調(diào)蓄設(shè)計降雨量定為4 mm。其次，為保證入河雨水的水質(zhì)，雨水經(jīng)歷生態(tài)凈化后進行補水。包括生態(tài)過濾、雨水花園及生態(tài)礫石床等一體化水質(zhì)深度凈化系統(tǒng)(見圖4)，該生態(tài)系統(tǒng)通過過濾、吸附及生物膜處理等措施，對雨水中的泥沙顆粒、有機污染物和無機鹽進行了深度處理凈化。

圖4 鐵排河雨水生態(tài)凈化工藝流程

鐵排河上游位于深圳市高度建成區(qū)中，建筑密集，可利用空間較小，不利于采用生態(tài)處理設(shè)施，故采用占地面積較小的初雨水集水池調(diào)蓄以及物化技術(shù)改善水質(zhì)，依據(jù)GB 50400-2016 《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》，雨水處理采用的工藝為：初雨棄流池沉淀過濾補水。另外，上游部分河段岸線可利用空間不足5 m，且多為硬質(zhì)河岸，不利于調(diào)蓄池建設(shè)，因此對該區(qū)域采用初雨棄流和后期雨水原位利用等措施，從而解決雨水徑流入河污染水體的問題。

4.2 補水方案工程技術(shù)分析

鐵排河流經(jīng)深圳寶安城市中心，河流沿岸均為居民、商業(yè)及工業(yè)區(qū)域，整體水環(huán)境整治難度較大。補水方案設(shè)計遵循“少開挖、少擾民、高效率、高質(zhì)量”的原則，確保工程如期保質(zhì)保量完成。為此進行了以下幾方面工程措施：① 保證下泄生態(tài)流量，在少開挖的前提下，以頂管的形式下放壓力管，并安裝在線計量及視頻監(jiān)控設(shè)施，確保下泄生態(tài)流量，維持和保障河段的生態(tài)用水。② 上游及下游的污水廠再生水補水均遵循“就近原則”，分別以西鄉(xiāng)河和寶安大道補水管為基礎(chǔ)，新建壓力水管進行補水。③ 降雨作為間歇性水源，初雨水質(zhì)較差，首先進行調(diào)蓄池蓄水，然后通過生態(tài)植草溝、生態(tài)礫石床等措施進行處理，最終排入到河道進行補水。根據(jù)計算及現(xiàn)場調(diào)研，3種補水水量和能夠滿足鐵排河生態(tài)環(huán)境需水。

5 河道水環(huán)境治理效果分析

5.1 河道水質(zhì)大幅改善

通過控源截污、清淤疏浚及生態(tài)補水三大工程綜合治理后，鐵排河河道水體水質(zhì)得到了極大改善。河道全線的雨污分流及截污措施，阻礙了外源對河道的污染；清淤根治了河道內(nèi)源污染；生態(tài)補水則提高了水體動力，大幅改善了水體水質(zhì)。根據(jù)2019年7月的日水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)知，河道水體溶解氧(DO)含量處于7～8 mg/L之間，平均為7.45 mg/L，遠遠超過Ⅴ類水質(zhì)標準，另外NH3-N≤2 mg/L，COD≤20 mg/L，TN≤15 mg/L，均達到了地表Ⅴ類水質(zhì)標準(見圖5)。整體來看，河道水質(zhì)較好，符合城市河流入海水質(zhì)標準(Ⅴ類)，河道水體可以直接排放入到珠江。

圖5 2019年7月河道水體DO,COD,TN及NH3-N日含量變化

5.2 河道生態(tài)修復與功能強化

河道的常態(tài)補水為生態(tài)環(huán)境、景觀提供了永久的水源，有利于河道生態(tài)功能的恢復[24]。鐵排河河道主要采取岸線控源截污、底泥疏浚及生態(tài)補水等措施，改善了水環(huán)境和強化河道的生態(tài)自凈功能。在復式斷面河道段，通過人為種植技術(shù)，以當?shù)厮参餅橹?，合理配置分層植物栽植，形成有效的水底森林，修復并健全垂直水生植物群落，?gòu)建多元植被緩沖帶來進一步凈化河流水質(zhì)在直立硬化河段。岸邊增設(shè)了硬質(zhì)護岸砌塊，并在砌塊中種植適量植物，包括紫花馬櫻丹、勒杜鵑、滿天星及沿階草等植物，使得硬質(zhì)護岸更好地融入生態(tài)系統(tǒng)。在鐵排河中下游寬度較大的河道段，構(gòu)建了人工浮島進行植物復氧，用以提高水體凈化效率。上游河道硬化嚴重，水質(zhì)較差，產(chǎn)淤較深，沿岸空間狹小，水生態(tài)環(huán)境相對薄弱，不宜進行機械開發(fā)和硬岸生態(tài)化，因此，通過堆石跌水、生態(tài)礫石床和植物碎石床措施改善水質(zhì)，保障了水體生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

(1)鐵排河生態(tài)補水潛力來源主要為鐵崗水庫水、流域內(nèi)的雨水徑流和固戍污水處理廠的再生水。上游雨水徑流能夠滿足基本生態(tài)需水量，但不能滿足生態(tài)環(huán)境需水；下游雨水徑流量遠小于基本生態(tài)需水量。因此，本次補水方案以水庫下泄流量為前提，流域徑流為間歇補水水源，固戍污水處理廠再生水作為常態(tài)水源。

(2)鐵崗水庫水和固戍污水處理廠再生水水質(zhì)滿足地表水Ⅴ類標準，可以直接進行河流生態(tài)補水。雨水徑流污染嚴重，需要實施相應的水質(zhì)改善措施。在可利用空間較大的鐵排河下游河段，可采用生態(tài)過濾、雨水花園及生態(tài)礫石床等生態(tài)措施進行雨水水質(zhì)凈化；在上游建筑密集城區(qū)的河段，可采用初雨棄流與物化技術(shù)處理相結(jié)合的方式改善雨水水質(zhì)，從源頭對河道污染進行有效削減。

(3)鐵排河生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)極度脆弱，需要及時改善。在上游直立硬岸河段，設(shè)置臺階式生態(tài)砌塊護坡，并種植適量景觀植物；河道內(nèi)鋪設(shè)生態(tài)礫石床和植物碎石床進行水環(huán)境改善。在可利用空間較大的下游河段，構(gòu)建人工浮島進行植物復氧，分層栽種植物建設(shè)水下森林，同時投放適量優(yōu)勢水生動物，構(gòu)建完整的水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，保障了生態(tài)功能的穩(wěn)定。