城市黑臭河道生態(tài)治理規(guī)劃及工程應(yīng)用

王 鵬 蘇妍妹 王全鋒

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

1 引 言

國務(wù)院于 2015年4月16正式發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡稱“水十條”)。住建部、環(huán)保部在落實(shí)“水十條”全國城市黑臭水體專項(xiàng)檢查活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)，我國有近 70% 的城市仍存在大量黑臭水體，因此，明確提出“到 2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除”的目標(biāo)[1]。

東郊溝位于開封市東部片區(qū)，是開封市老工業(yè)基地，規(guī)劃為汴東產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。作為東部片區(qū)的一條重要排澇河道，承擔(dān)著整個(gè)東部片區(qū)的排澇任務(wù)，本次工程計(jì)劃將該黑臭溝道打造為集行洪排澇、生態(tài)、人文等功能于一體的生態(tài)幸福河，水質(zhì)目標(biāo)為地表水Ⅴ類。

本次工程規(guī)劃應(yīng)用研究以生態(tài)文明建設(shè)思想為指導(dǎo)，以創(chuàng)建黑臭水體治理示范城市為契機(jī)，以規(guī)劃為引領(lǐng)，做到清水潤城；以河南省“四水同治”為導(dǎo)向，加速推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化；整體規(guī)劃目標(biāo)以“控源截污、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)、活水補(bǔ)源”為治理方針，推進(jìn)黑臭水體整治、改善人居環(huán)境，打造北方水城，以經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，提升人民群眾的獲得感和幸福感。

2 東郊溝現(xiàn)狀分析

開封市東郊溝現(xiàn)狀北起鐵牛村，向南流經(jīng)龍亭區(qū)、順河區(qū)、禹王臺(tái)區(qū)、祥符區(qū)，全長9km。

鐵牛支渠段：河道長度3km，河道開口3～4m，兩岸為農(nóng)田和村莊。河道上游沒有其他匯流，河道現(xiàn)狀處于干溝狀態(tài)，附近村莊有部分生活污水排入，河道內(nèi)堆積大量生活垃圾。

新曹路至隴海鐵路段：河道長度約2.7km，河道開口約10m，兩岸為村莊和工廠。該段河道緊鄰工業(yè)園區(qū)，有污水排入，水質(zhì)較差，水體黑臭，河道淤積嚴(yán)重，部分裸露的河床有黑臭底泥。

隴海鐵路—惠濟(jì)河段：河道長度約3.3km，河寬約10～15m，兩岸為農(nóng)田和村莊。河道堆放有大量枯萎植物廢棄物和粉塵垃圾等。河段水較深，水體黑臭，開始出現(xiàn)富營養(yǎng)化。黑臭水體現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 東郊溝現(xiàn)狀黑臭水體

根據(jù)《開封市黑臭水體治理示范城市工作方案》(汴政辦[2019]35號(hào))，開封市創(chuàng)建黑臭水體治理示范城市的目標(biāo)是：2020年底前，城市建成區(qū)全面消除黑臭水體?；矩炌ㄈ泻雍?，保持生態(tài)基流，水環(huán)境質(zhì)量明顯改善，城市水體達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除，并做到黑臭不反彈。

3 東郊溝黑臭成因及機(jī)理分析

近年來隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市內(nèi)河與城市郊區(qū)河流的自身承載力面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。大量超過水體自凈能力的含高濃度氮、磷、有機(jī)物的污廢水直排進(jìn)入河道，外源有機(jī)污染物進(jìn)入水體，在好氧微生物的作用下，分解消耗水中的溶解氧，以致水體轉(zhuǎn)化為缺氧或厭氧狀態(tài)。水體中的鐵、錳等金屬離子與硫離子易形成硫化亞鐵、硫化錳，吸附在水體懸浮物表面，致使水體發(fā)黑；有機(jī)污染物的腐敗、分解的過程，會(huì)產(chǎn)生氨、硫化氫等散發(fā)惡臭的物質(zhì)，致使水體黑臭[2-4]。

為了更精準(zhǔn)地把握東郊溝黑臭問題的根源，主要針對(duì)BOD、COD、NH3-N、TP、SS、TN等指標(biāo)進(jìn)行了水質(zhì)采樣并進(jìn)行了分析，結(jié)果見表1。

東郊溝現(xiàn)狀河道污染嚴(yán)重，與我國大部分城市的情況一致。經(jīng)過分析，污染源主要是沿線的村莊生活污水和化工企業(yè)排放的廢水，沿線還發(fā)現(xiàn)了較多的雨污混流管道排放口。由于東郊溝位于開封市北部片區(qū)，目前正在快速發(fā)展中，企業(yè)及村莊較多，大部分管道均未納入市政雨水及污水管網(wǎng)，還是傳統(tǒng)的混流管道，并且就近排放進(jìn)入河道內(nèi)，造成了現(xiàn)狀的黑臭水環(huán)境。

表1 實(shí)測(cè)東郊溝水質(zhì)指標(biāo) 單位：mg/L

4 綜合治理規(guī)劃及工程方案

4.1 截污工程

隴海鐵路上游河段截污：以隴海鐵路為界，將東郊溝分成上游及下游兩個(gè)部分進(jìn)行截污規(guī)劃與設(shè)計(jì)。其余上游段已有的截污管線，收集污水后進(jìn)入東區(qū)污水處理廠，處理達(dá)標(biāo)后排放。上游段還有4處村莊的生活污水未經(jīng)處理排入河道內(nèi)，因此需要新建污水處理廠站及截污管線進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放。

隴海鐵路下游河段截污：沿岸存在較多的污水排放口，對(duì)于現(xiàn)狀已建污水處理廠站附近的排污口，本次擬新建污水管線可就近接入污水處理廠站。已建污水處理廠站較遠(yuǎn)的污水排放口，擬新建污水處理廠站及截污管線，進(jìn)行收集處理，達(dá)標(biāo)排放。截污工程布置如圖2所示。

圖2 東郊溝截污工程布置

4.2 底泥清淤工程

現(xiàn)狀溝道因常年污水排放以及垃圾傾倒，河道淤積嚴(yán)重，底泥黑臭。經(jīng)過初步估算，底泥存量約為10萬m3，如果全部運(yùn)走進(jìn)入填埋場(chǎng)地，距離大約為10km，成本較高。本次擬對(duì)河道進(jìn)行疏浚，將黑臭底泥清理，同時(shí)可以加大溝道的排澇斷面。通過對(duì)目前國內(nèi)外常用的底泥處理方式進(jìn)行綜合比選，本次設(shè)計(jì)擬采用土工管袋脫水固化環(huán)保疏浚技術(shù)將環(huán)保疏浚技術(shù)與土工管袋脫水固化工藝優(yōu)化集成，成功實(shí)現(xiàn)河湖污染底泥的清淤處理。利用土工管袋的孔隙和袋內(nèi)液體壓力，添加凈水藥劑促進(jìn)泥和水分離，水滲出管袋外，污泥存留在管袋內(nèi)，滲出水完全達(dá)到相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)且可以收集循環(huán)利用。

4.3 河道生態(tài)治理工程

本次河道整治在滿足東郊溝20年一遇排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下進(jìn)行，現(xiàn)狀河道比降為0.3‰，河道自上游向下游開口寬度約為5～30m，河底寬度3～10m，現(xiàn)狀為土質(zhì)邊坡，部分河段邊坡有崩塌和裂縫，嚴(yán)重影響東郊溝沿岸企業(yè)及村莊的安全。

東郊溝河道流速為0.2～0.6m/s，水流流速低。本著打造“會(huì)呼吸河道”的生態(tài)治理原則，本次邊坡防護(hù)的材料比選在生態(tài)、無污染、水體交換的原則下進(jìn)行，通過對(duì)再生護(hù)坡磚、植生毯、格賓石籠、生態(tài)混凝土、土工固袋等進(jìn)行生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的綜合比選，擬選用土工固袋作為本次設(shè)計(jì)的邊坡防護(hù)材料。土工固袋中的填充材料可直接利用開挖土方，無須外購?fù)练?，?shí)現(xiàn)了資源的合理利用。生態(tài)土工固袋填充的現(xiàn)狀開挖土，有利于植物的生長，而且還可根據(jù)需要進(jìn)行不同水深的植物搭配，植物的生長不僅有利于固土護(hù)坡，而且還有利于水質(zhì)的凈化，對(duì)整個(gè)溝道的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建均具有促進(jìn)作用。生態(tài)河道斷面如圖3所示。

圖3 生態(tài)河道橫斷面 (單位：m)

在滿足抗沖要求的同時(shí)，又滿足生態(tài)要求，經(jīng)濟(jì)合理，后期管理方便。綜合考慮到后期河道打造水景觀、水文化的要求，擬在河道入惠濟(jì)河口修建1座生態(tài)溢流壩，擋水高度擬定為3m，以滿足河道生態(tài)蓄水的要求。

東郊溝上游溝道現(xiàn)狀較窄，擬按照生態(tài)溪流的設(shè)計(jì)方案，在上游設(shè)置12級(jí)高度為0.5～1.0m的生態(tài)堰，為不影響河道排澇，所有生態(tài)堰均采用下挖式布置，堰體材料選用格賓石籠，本次設(shè)計(jì)擬采用建筑垃圾等材料加工成的大孔隙、吸附作用強(qiáng)的再生材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石料，并在堰體的頂部種植具有凈化作用的水生植物，以達(dá)到初步凈化水質(zhì)的要求，同時(shí)也可形成小型濕地群，還可形成局部水面小氣候。堰體和水生植物共同作用，過濾截留水體中的污染物，由填料上附著的微生物分解、去除水中污染物。同時(shí)堰體上下形成兩種不同流態(tài)的生態(tài)環(huán)境，生態(tài)堰上游水流減緩，水力停留時(shí)間增加，能夠增加上游水生生物對(duì)水質(zhì)的要求，有利于生物多樣性的提升；同時(shí)水體流經(jīng)生態(tài)堰后產(chǎn)生跌水曝氣效果，對(duì)水體進(jìn)行復(fù)氧。通過人工強(qiáng)化處理，加速河道生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，提高水體自凈能力，進(jìn)一步提升來水水質(zhì)。生態(tài)堰橫斷面如圖4所示。

圖4 生態(tài)溢流堰結(jié)構(gòu)

4.4 活水補(bǔ)源工程

河道沿線截污、河道底泥清除、河道生態(tài)治理3項(xiàng)工程結(jié)束后，需要對(duì)東郊溝引入清水，以更好地促進(jìn)水流的流動(dòng)，以及外來污染源的擴(kuò)散和分解，使河道具有一個(gè)可持續(xù)的流動(dòng)性系統(tǒng)，同時(shí)也會(huì)對(duì)整個(gè)河道的水生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建起到積極作用。對(duì)于水源的選擇，也從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面進(jìn)行了綜合的比選，本次設(shè)計(jì)擬采用雙水源的設(shè)計(jì)思路。根據(jù)開封北部城市總體規(guī)劃，該區(qū)域內(nèi)擬建北區(qū)污水處理廠1座，在污水處理廠未建成以前，采用引黃東干渠的黃河水經(jīng)鐵牛支渠進(jìn)入東郊溝補(bǔ)水，補(bǔ)水流量0.5m3/s。遠(yuǎn)期北區(qū)污水處理廠建成后，將采用中水進(jìn)行補(bǔ)給，以滿足東郊的水量需求?；钏a(bǔ)源工程布置如圖5所示。

圖5 活水補(bǔ)源工程布置

4.5 水下生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

水生態(tài)建設(shè)所選用的動(dòng)植物品種能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，避免出現(xiàn)因?yàn)椴糠制贩N死亡造成系統(tǒng)崩潰。根據(jù)河道的斷面形態(tài)，不同的高程處根據(jù)水深情況，種植不同屬性的植物，自上到下依次為沿岸植物、挺水植物、沉水植物，水下生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建完成并且達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后，為整個(gè)底棲動(dòng)物、魚類、浮游動(dòng)物等提供生存的場(chǎng)所和空間，促進(jìn)整個(gè)水域?qū)崿F(xiàn)自凈，并且具備一定抗污能力，除暴雨期外，水體清澈透亮，全面構(gòu)建“清水型生態(tài)系統(tǒng)”。擬構(gòu)造的水下生態(tài)系統(tǒng)如圖6所示。

4.6 河道沿線生態(tài)廊道構(gòu)建

為了更好地重塑河道的自然屬性，河道的平面設(shè)計(jì)在河道現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同功能分區(qū)的特點(diǎn)，局部進(jìn)行外擴(kuò)，以便形成蜿蜒的河道形態(tài)及水景觀形態(tài)，為促進(jìn)生物多樣性、創(chuàng)造生物棲息地提供條件。河道在橫向設(shè)計(jì)上采用斷面自然化，引入“海綿”設(shè)計(jì)理念將河道沿岸的雨水進(jìn)行收集再利用，采取生態(tài)植草溝、雨水花園等工程措施，下雨時(shí)進(jìn)行吸水、蓄水、滲水、凈水。整個(gè)海綿系統(tǒng)的構(gòu)造中，選用透水性、生態(tài)性優(yōu)先的新型材料，將場(chǎng)地內(nèi)的雨水進(jìn)行初步過濾和凈化，有效減少面源污染。

結(jié)合整個(gè)片區(qū)規(guī)劃，以及東郊溝的人文歷史積淀，將東郊溝沿線進(jìn)行綠廊打造，形成北部片區(qū)的天然綠色防護(hù)帶，并在沿線設(shè)置各種能夠滿足人們近水、親水、嬉水的緩沖地帶，滿足人水和諧、人水共生的需要。海綿雨水凈化系統(tǒng)如圖7所示。

4.7 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為保障東郊溝水環(huán)境安全，全面把控和實(shí)時(shí)掌握水質(zhì)信息，為水環(huán)境管理工作提供科學(xué)可信、詳盡高效的水質(zhì)資料，提高突發(fā)水環(huán)境事件的預(yù)警速度和響應(yīng)水平，本次方案對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其主要結(jié)構(gòu)由各水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)子站和監(jiān)控中心組成。

圖7 海綿系統(tǒng)斷面

5 結(jié) 語

城市黑臭水體治理是一項(xiàng)綜合性強(qiáng)、難度大、多學(xué)科交叉的系統(tǒng)性工程。對(duì)于不同的黑臭河道治理，應(yīng)進(jìn)行充分的調(diào)研和分析，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行整體的規(guī)劃，對(duì)于近期和遠(yuǎn)期的治理目標(biāo)統(tǒng)籌考慮。黑臭問題的解決不能只是一時(shí)的，構(gòu)造河道整體的水生態(tài)系統(tǒng)才是可持續(xù)發(fā)展的核心。本工程目前正處于實(shí)施階段，希望通過本次黑臭治理工程規(guī)劃的實(shí)踐和探索，將整體的規(guī)劃和擬應(yīng)用的措施付諸實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)東郊溝水清岸綠，成為生態(tài)河、幸福河，同時(shí)為中原地區(qū)乃至國內(nèi)的黑臭水體綜合治理工程提供一定的借鑒和參考。