高旺河流域水環(huán)境治理

朱華剛，張孟穎，廖 濤，宋翠萍

(江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

當(dāng)前，我國一些地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量差、水生態(tài)受損重、環(huán)境隱患多等問題十分突出，影響和傷害群眾健康，不利于經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展。水環(huán)境保護(hù)事關(guān)人民群眾切身利益，事關(guān)全面建成小康社會，事關(guān)中華民族復(fù)興中國夢。為切實(shí)加大水污染防治力度，保障國家水安全，2015年4月國務(wù)院《關(guān)于印發(fā)水污染防治行動計劃的通知》(國發(fā)〔2015〕17號文件)要求，“到2020年，全國總體水環(huán)境質(zhì)量得到階段性改善，污染嚴(yán)重水體較大幅度減少，水環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)中趨好”[1]。

目前，區(qū)域水環(huán)境綜合治理是國內(nèi)外環(huán)境治理領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，相關(guān)研究和應(yīng)用尚處于摸索階段，成果地域差異性很大。高旺河水環(huán)境治理項目為浦口區(qū)消除劣Ⅴ類水體及入江支流達(dá)標(biāo)整治工作重點(diǎn)推進(jìn)的項目之一。高旺河流域兼有山丘和平原河網(wǎng)特征，項目區(qū)又屬于城鄉(xiāng)結(jié)合地帶，污染類型、污染程度、污染成因具有一定的代表性；區(qū)域干、支流水質(zhì)管理目標(biāo)銜接不合理，在區(qū)域支流消除劣V類的前提下，干流并不能達(dá)到水質(zhì)管理目標(biāo)(Ⅲ類)的要求，而干支流水質(zhì)管理目標(biāo)銜接不合理而導(dǎo)致水功能區(qū)“達(dá)標(biāo)難”，也是目前普遍存在的問題。因此，本論證方案旨在對類似項目的論證或?qū)嵤┨峁┙梃b。

1 研究區(qū)域概況

1.1 流域概況

高旺河為南京市浦口區(qū)境內(nèi)的重要通江支流，流域面積68.5 km2，其中山丘區(qū)位42.1 km2，圩區(qū)26.4 km2；流域發(fā)源于長江北岸浦口區(qū)老山南麓的天井山和西華山，流域北部基本為山丘區(qū)，山丘區(qū)的4條主要支流于山圩分界處的高旺橋匯合后成為高旺河主河道，穿沿江圩區(qū)匯入長江，山圩分界點(diǎn)距入江口滾水壩5.6 km，見圖1。

根據(jù)《江蘇省水功能區(qū)劃》，項目內(nèi)涉及的水功能區(qū)包括：高旺河中支保留區(qū)(紀(jì)家洼至高旺老橋)，水質(zhì)管理目標(biāo)為III類；高旺干流開發(fā)利用區(qū)(高旺老橋至解放涵)，水質(zhì)管理目標(biāo)為III類。

1.2 水環(huán)境現(xiàn)狀及存在的問題

高旺河在區(qū)域防洪排澇、水資源開發(fā)利用與配置、水環(huán)境保護(hù)等方面占有重要地位。由于多年來缺乏合理保護(hù)和整治，高旺河及周邊水系存在明顯的水環(huán)境問題，主要包括：①支流非汛期生態(tài)基流明顯不足，水體流動性差，水質(zhì)嚴(yán)重惡化；②干流兩側(cè)圩區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)常年處于劣Ⅴ類水平；③濱水空間環(huán)境品質(zhì)不佳，沿岸缺乏基本的親水平臺建設(shè)。

2 治理方案

2.1 治理思路

本次方案論證在充分調(diào)研和分析現(xiàn)狀與規(guī)劃年研究區(qū)域水環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)情況的基礎(chǔ)上，堅持問題導(dǎo)向，以水質(zhì)改善為核心，以控源截污污染減排為前提，以水質(zhì)凈化提質(zhì)增容為基礎(chǔ)，以清水補(bǔ)給動力改善為補(bǔ)充，以生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)重建為輔助，統(tǒng)籌考慮全面布局，分期實(shí)施逐步提升，實(shí)現(xiàn)活水循環(huán)與水資源的高效利用與調(diào)配，助推河流自凈能力恢復(fù)。

2.2 方案概況

總體方案主要工程措施包括：控源截污、引水補(bǔ)水、水位控制、凈水活水、生態(tài)修復(fù)等。工程措施框架圖如圖2所示。

圖2 高旺河水環(huán)境提升體方案工程措施

控源截污工程主要包括河道清淤疏浚、支流沿河生活污水的截污納管等。在控源截污的基礎(chǔ)上，計劃在紀(jì)家洼西北空地處新建生態(tài)礫石床，并將解放涵泵站南邊的水塘改造成人工濕地(西江濕地)，利用濕地和生態(tài)礫石床兩級凈化高旺干流、支流(包括部分補(bǔ)水至東支觀橋河的中水)的水質(zhì)，凈化后的清潔水反補(bǔ)河道。主要生態(tài)補(bǔ)水點(diǎn)為中支紀(jì)家洼和高旺老橋。紀(jì)家洼生態(tài)補(bǔ)水主要來自生態(tài)礫石床的出水，高旺老橋的補(bǔ)水由一體化泵站從西江濕地抽取。

流水不腐，戶樞不蠹，高旺河及周邊水系水環(huán)境惡化與其間各支流水系連通程度不足、只外排不循環(huán)有極大關(guān)系。水系聯(lián)通性不足導(dǎo)致水體流動性差，水體靜止不動對藍(lán)綠藻生長有利，進(jìn)一步導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化，這種情況在非汛期尤為明顯，需要進(jìn)一步提升高旺河及周邊水系的水力連通性。因此，本方案在控源截污、水質(zhì)提升、生態(tài)修復(fù)等措施的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀水利工程建設(shè)情況及水系特點(diǎn)，通過管網(wǎng)、提泵站及水位控制工程穿針引線，溝通水系，形成互聯(lián)互通的巨大網(wǎng)絡(luò)，形成“水潤高旺”的壯美圖景。

利用高旺老橋及解放涵翻板壩，提升干流上游段及中游段水位(高旺老橋節(jié)點(diǎn)最高水位控制在8.5 m，解放涵節(jié)點(diǎn)最高水位控制到7.5 m)，形成逐級跌水，促進(jìn)水體流動，并且抬高水位有利于非汛期干流水體自流進(jìn)入團(tuán)結(jié)圩內(nèi)。工程建成后的主要活水循環(huán)路線有2條，其一為高旺老橋和觀橋河水經(jīng)一體化泵站抽送至生態(tài)礫床，水體凈化后進(jìn)入中支紀(jì)家洼，然后匯入干流；其二為，高旺干流水體自流進(jìn)入人工濕地，水體凈化后通過提水泵站輸送至高旺老橋，最終形成凈水、活水循環(huán)。

另外，考慮到生態(tài)礫石床和人工濕地的建設(shè)周期長、工程投入大，而項目區(qū)又急需進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，建議先期引調(diào)長江水對高旺干流進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，補(bǔ)水點(diǎn)為高旺老橋和西江泵站。西江泵站補(bǔ)水為一級補(bǔ)水，引水規(guī)模根據(jù)河道為5萬t/d，富余水量調(diào)入西江濕地作為高旺老橋補(bǔ)水水源；高旺老橋補(bǔ)水為二級補(bǔ)水，設(shè)計引水規(guī)模5萬t/d。待生態(tài)礫石床和濕地工程實(shí)施生效后，二級補(bǔ)水泵站和輸水管道仍繼續(xù)使用，作為活水系統(tǒng)的有機(jī)組成，水源為水質(zhì)凈化后的河水(含部分中水補(bǔ)水)，長江引水措施作為應(yīng)急備用措施。

2.3 水質(zhì)提升工程

高旺河干流水質(zhì)管理目標(biāo)要求較高，項目區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀支流及圩區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)惡化嚴(yán)重，即使經(jīng)消劣整治后，支流退水仍無法穩(wěn)定滿足高旺河干流的水質(zhì)管理目標(biāo)。另一方面，根據(jù)浦口區(qū)再生水規(guī)劃，項目區(qū)內(nèi)可以利用中水進(jìn)行補(bǔ)水，但水質(zhì)不能完全滿足高旺河干流水質(zhì)管理目標(biāo)要求。因此，項目內(nèi)河水在很長一段內(nèi)時間仍屬于微污染水體，需要進(jìn)一步提升水質(zhì)。

根據(jù)微污染水體水質(zhì)再提升需求，篩選了目前較為常用的微污染水體處理技術(shù)，詳見表1[4-8]。綜合對比各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮水質(zhì)要求及土地使用要求，初步推薦采用占地面積較小的生態(tài)礫石床技術(shù)。另外，原位投加多孔礦物介質(zhì)可作為河道早期生態(tài)重建的先導(dǎo)技術(shù)，為微生物繁殖提供空間。

表1 微污染水處理技術(shù)比選

生態(tài)礫石床凈化工藝開發(fā)于20世紀(jì)70年代，由于對污水尤其是低污染水的處理效果顯著，自80年代起該技術(shù)在東亞的日本、韓國和中國臺灣等國家和地區(qū)得到了大量的工程應(yīng)用，并獲得了令人滿意的水質(zhì)凈化效果和環(huán)境效益[2-3]。我國臺灣地區(qū)的一些工程實(shí)例顯示，設(shè)計、施工和運(yùn)行得當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)礫石床凈化對于主要污染物的削減成效顯著，如其中BOD5、NH3-N的平均去除率分別可達(dá)70%和90%以上。

生態(tài)礫石床凈化工藝的構(gòu)造核心為生態(tài)礫床凈化槽，其凈化機(jī)理由物理、化學(xué)和生化等多重作用組成。生態(tài)礫石床凈化槽內(nèi)填充有形狀圓滑及粒徑均勻的礫石，由于礫石間存在許多大小不同的孔隙，孔隙率一般保持在40%左右，形成連續(xù)的水流通道，當(dāng)污水流經(jīng)這些孔隙時，水流受礫石阻擋而致流速減緩，水中的懸浮物質(zhì)與礫石接觸并在很短的孔隙距離內(nèi)沉降；同時，礫石粗糙的表面亦作為生物膜附著生長的載體，表面黏性的生物膜一方面負(fù)責(zé)吸附懸浮物質(zhì)，另一方面水中溶解性的有機(jī)物在流經(jīng)這些生物膜時，被其中包含的大量微生物攝取和利用，從而使水質(zhì)獲得凈化。而經(jīng)由沉降、吸附及生物氧化實(shí)現(xiàn)固液分離的污泥，則被阻留于礫石中進(jìn)行生物分解，通常系統(tǒng)設(shè)計賦予污泥較長的自降解時間。

生態(tài)礫石床的規(guī)模分析主要依據(jù)水質(zhì)凈化需求確定。初步估計活水循環(huán)內(nèi)的槽蓄水量約30萬m3，以V類水為假設(shè)初始水體水質(zhì)，生態(tài)礫石床污染去除率按50%考慮，循環(huán)處理1次后，CODMn質(zhì)量濃度為7.5 mg/L，NH3-N質(zhì)量濃度為1.0 mg/L，考慮其他生態(tài)修復(fù)措施的處理效果，保守估計循環(huán)1.5次，水質(zhì)基本可以滿足要求(相當(dāng)于處理45萬m3)，控制一次凈化的時間在15～20 d，所需規(guī)模為2.25～3萬m3/d。綜合考慮生態(tài)流量和水質(zhì)凈化的需求，建議處理規(guī)模為2.5萬m3/d。

工程穩(wěn)定運(yùn)行后，在凈化能力有富余的情況下，可處理團(tuán)結(jié)圩內(nèi)的微污染水，促進(jìn)水體流動，全面凈化干流及周邊水系水質(zhì)，改善水環(huán)境，為水生態(tài)恢復(fù)奠定基礎(chǔ)。

本方案推薦的生態(tài)礫石床除了技術(shù)上的優(yōu)勢，通過合理布局優(yōu)化，有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：①解決非汛期中支補(bǔ)水水源問題；②解決非汛期觀橋河污水出路問題，削減入高旺河污染量；③利用團(tuán)結(jié)圩內(nèi)污水，減輕圩內(nèi)排污壓力；④避免洪水影響；⑤占地少，主體建筑上方可做景觀綠化。

另外，高旺河干流及支流布置了植物修復(fù)和人工噴泉曝氣措施，其中植物措施主要為浮葉植物和沉水植物，主要布置在水流相對平緩、水面較為寬闊的下游入江口段，以增強(qiáng)水體的凈化能力及景觀效果。

3 結(jié) 語

本方案從研究區(qū)域內(nèi)的水污染現(xiàn)狀、防洪排澇、水資源合理配置與高效利用、水質(zhì)達(dá)標(biāo)與保持、生態(tài)修復(fù)等方面出發(fā)，進(jìn)行了綜合論證。主要工程措施包括控源截污、引水補(bǔ)水、水位控制、凈水活水、生態(tài)修復(fù)等。核心理念為對水網(wǎng)內(nèi)的微污染水體(包括污水處理廠的再生水)進(jìn)行處理再利用，是人水和諧自然觀、綠色發(fā)展觀、整體系統(tǒng)觀等的具體體現(xiàn)。本方案所推薦采用的技術(shù)基本為能耗較低的生態(tài)技術(shù)，核心工藝生態(tài)礫石床主要依靠微生物凈化水質(zhì)，屬生態(tài)生物處理范疇。另外，本方案推薦的技術(shù)基本成熟可靠，建設(shè)成本較低，應(yīng)用案例豐富，具有一定的可行性。