南方山區(qū)河道生態(tài)治理設(shè)計(jì)典型問題探討

陳家林

(北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)院有限公司，北京102600)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，人類的生產(chǎn)生活行為所導(dǎo)致的環(huán)境污染問題越來(lái)越普遍，與人類生活息息相關(guān)的河道水環(huán)境也日益受到影響。我國(guó)從20世紀(jì)90年代開始對(duì)河流綜合治理進(jìn)行探索并取得了一定成果。2015年《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(“水十條”)發(fā)布實(shí)施以來(lái)，各地的流域綜合治理工作也邁入新階段。近年來(lái)，隨著河道治理工作的推進(jìn)，河道治理技術(shù)逐步發(fā)展成熟，在眾多河道治理措施中，生態(tài)治理措施優(yōu)勢(shì)明顯，工程設(shè)計(jì)也積累了較多的經(jīng)驗(yàn)[1-2]。

1 河道常用生態(tài)治理措施與適用條件

1.1 底泥疏浚

底泥疏浚是指清除水體的表層底泥，減小底泥中污染物的總量，控制污染物釋放，以此改善水質(zhì)的一種水體修復(fù)技術(shù)[3]。該技術(shù)在國(guó)外如荷蘭的Geerplas湖、日本的手賀沼，國(guó)內(nèi)如杭州西湖、安徽巢湖、大理洱海、昆明滇池等[4]生態(tài)治理中都取得了很大成效。底泥疏浚應(yīng)用廣泛，適用于多種水體，主要作為其他河道治理措施的輔助手段或者前置措施。但底泥疏浚通常工程量巨大，造價(jià)也較高，且要求疏浚深度合理，否則易破壞水體生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 投加微生物制劑

微生物對(duì)污染物具有降解作用，當(dāng)水體受到污染時(shí)，微生物的降解能力不足，需要人為創(chuàng)造條件強(qiáng)化其對(duì)污染物的降解。目前有兩種途徑，一是直接向污染水體中投加微生物菌劑或酶制劑；另一種是向污染水體投加微生物促生劑，促進(jìn)水體中“土著”微生物的生長(zhǎng)。微生物制劑主要應(yīng)用于黑臭水體和高污染物濃度的水體內(nèi)，原本的微生物活性受限或者微生物系統(tǒng)潰敗的情況。但會(huì)有業(yè)主對(duì)微生物制劑的安全性持懷疑態(tài)度，不允許在備用水源地等敏感水體內(nèi)應(yīng)用。

1.3 生物膜技術(shù)

生物膜技術(shù)使微生物群體附著于某些載體的表面呈膜狀，膜上的微生物通過(guò)與污水接觸，截留、吸附或降解污染物，從而降低污水中污染物的含量。胡一珍等[5]對(duì)污染河道采用蜂窩陶瓷作為載體進(jìn)行了生物修復(fù)，對(duì)COD和氨氮有良好的去除效果。曹蓉等[6]對(duì)污染河道采用軟性填料作為載體，掛膜成功并取得了一定的處理效果。生物膜技術(shù)在日本的京都、韓國(guó)的良才川和泰國(guó)的河水凈化中都有研究和應(yīng)用，并且取得成效[7]。生物膜技術(shù)主要應(yīng)用于中小河道、河道污染物濃度較低時(shí)，作為一個(gè)輔助治理手段，配合其他工程使用。

1.4 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)主要通過(guò)水生植物吸收水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物和重金屬，以及植物根系寄居的微生物對(duì)水中的有機(jī)污染物進(jìn)行降解去除[8-9]。例如在污染河道中種植對(duì)重金屬具有較強(qiáng)耐性和富集能力的“超富集植物”，可以將大量污染物迅速吸收和富集到植物體中，利用植物自身的主動(dòng)運(yùn)輸作用運(yùn)送到其地上部分。最后收割植物地上部分就可以將大量的重金屬污染物從水中和底泥中帶走，達(dá)到去除污染物、改善河道水質(zhì)的效果。植物修復(fù)技術(shù)具有生態(tài)可持續(xù)、可恢復(fù)完整健康水生態(tài)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)水域自凈等優(yōu)勢(shì)，在生態(tài)治理工程中應(yīng)用廣泛。

1.5 人工濕地凈化技術(shù)

人工濕地主要由人工基質(zhì)和生長(zhǎng)在其上的水生植物組成，利用基質(zhì)填料、微生物、植物和水生動(dòng)物之間的協(xié)同作用，通過(guò)一系列物理、化學(xué)、生物作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中絕大部分有機(jī)物、重金屬等有害物質(zhì)的分解吸收，達(dá)到凈化水體的目的。人工濕地的運(yùn)行方式包括表面流濕地、水平潛流濕地和垂直流濕地，大量工程實(shí)踐表明人工濕地對(duì)河道污染物能實(shí)現(xiàn)很好的去除效果[10-11]。人工濕地主要應(yīng)用于污水處理廠尾水水質(zhì)提標(biāo)以及河湖水體的水質(zhì)維持，對(duì)水質(zhì)的提升效果明顯，但人工濕地占地面積較大，需要單獨(dú)協(xié)調(diào)用地，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中往往受到場(chǎng)地限制。

1.6 生態(tài)浮島

生態(tài)浮島是以水生植物群落為主體，根據(jù)物種間的共生關(guān)系，充分利用水體營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位和空間生態(tài)位的原則建立起來(lái)的人工生態(tài)系統(tǒng)。其利用植物根部的吸收、吸附作用和不同物種間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，將水體中的氮、磷以及有機(jī)物作為自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用，并最終通過(guò)對(duì)植物體的收獲將其帶離水體，達(dá)到凈化水體的目的，對(duì)污染物的處理效果明顯[12-13]。一般在城市河道、水體流速較慢，不具備在水體內(nèi)進(jìn)行植物修復(fù)的條件下，進(jìn)行生態(tài)浮島建設(shè)，在發(fā)揮凈化作用的同時(shí)具有一定的景觀效果，但由于生態(tài)浮島規(guī)模受限，凈化作用也相對(duì)有限。

2 項(xiàng)目概況

2.1 水環(huán)境概況

鶴市河支流河道寬度約為15 m，平均水深約為20～30 cm，河道流速約為0.5 m/s。河道兩側(cè)建設(shè)有垂直護(hù)岸，河道底質(zhì)以泥沙為主，河道內(nèi)有少量挺水植物；河道周邊有大面積稻田，稻田退水通過(guò)溝渠排入河道內(nèi)，河道周邊還零星分布生活廢水和畜禽養(yǎng)殖廢水排口。

鶴市河干流河道寬度約為70 m，常水位水深約為50 cm，河道流速約為0.5 m/s，河道兩側(cè)已建設(shè)生態(tài)護(hù)岸。河道內(nèi)大型水生植物較少，部分河段生長(zhǎng)蘆葦?shù)韧λ参?、沉水植物，河中有鯉魚、草魚等水生動(dòng)物；河道內(nèi)存在大面積灘地，灘地上雜草茂盛。鶴市河干流主要污染源為某污水處理廠尾水排口，尾水排放量為1.5×104m3/d，尾水污染物濃度限值：CODCr，40 mg/L；NH3-N，5 mg/L；TP，0.5 mg/L。

2.2 水質(zhì)現(xiàn)狀

鶴市河2018年水質(zhì)在Ⅲ類和Ⅴ類之間，超標(biāo)因子為CODCr、NH3-N和TP，其水質(zhì)見表1。

表1 鶴市河2018年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.1 Monitoring results of water quality of Heshi River in 2018

2.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過(guò)合理的治理措施，完善鶴市河支流和干流完整的水生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)水體的自凈能力，使鶴市河水質(zhì)常年保持在Ⅲ類。

3 生態(tài)治理工程設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

鶴市河支流主要污染物為農(nóng)田面源和零星生活、養(yǎng)殖廢水，在源頭控制和過(guò)程阻斷都不具備條件的前提下，只能通過(guò)末端強(qiáng)化治理的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，即選擇在河道內(nèi)通過(guò)生態(tài)治理措施來(lái)實(shí)現(xiàn)污染物降解的目的。鶴市河為山區(qū)河道，降雨后河水泥沙含量較大，并且南方多雨，河道內(nèi)很容易堆積泥沙，設(shè)計(jì)時(shí)選擇泥沙疏浚作為生態(tài)治理措施的首要步驟并且作為常態(tài)化管護(hù)措施?？紤]到支流泥沙沉積會(huì)掩埋河道內(nèi)掛膜載體，影響掛膜效率和凈化效果，因此支流不考慮河道生物膜措施。其他微生物制劑、生態(tài)浮島、人工濕地等措施在支流治理中不太適用，通過(guò)對(duì)比分析，優(yōu)選植物修復(fù)技術(shù)作為支流的生態(tài)治理措施。

鶴市河干流主要污染源為1.5×104m3/d市政尾水，在污水處理廠自身不具備提標(biāo)改造條件的前提下，通過(guò)生態(tài)治理措施的對(duì)比分析，首選采取人工濕地凈化技術(shù)對(duì)尾水進(jìn)行深度凈化后再排入河道內(nèi)，降低河道內(nèi)的外源污染物負(fù)荷。

3.2 設(shè)計(jì)問題分析與優(yōu)化處理

直接在支流河岸兩側(cè)種植水生植被時(shí)，在雨后流速過(guò)快的情況下，水生植被很容易被連根拔起，并且在河道彎曲段勢(shì)必沉積大量泥沙，會(huì)掩埋水生植被。因此，采用單一的植物修復(fù)措施很難保證工程實(shí)施效果，影響植被修復(fù)功能的發(fā)揮。此外，河道常水位較低，大部分河段不具備沉水植被的生長(zhǎng)條件。

基于以上問題，考慮在不影響河道行洪的前提下，在適當(dāng)位置建設(shè)生態(tài)透水壩(圖1)。設(shè)置生態(tài)透水壩能在上游形成一個(gè)緩沖區(qū)，通過(guò)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，促進(jìn)水中泥沙和營(yíng)養(yǎng)鹽的沉降。生態(tài)透水壩的攔蓄作用也提高了上游緩沖區(qū)常水位，為沉水植物提供了生長(zhǎng)條件，從而很好地發(fā)揮水生植物的吸收、吸附等凈化水質(zhì)的作用。生態(tài)透水壩自身的濾料也具有快速滲濾作用，能進(jìn)一步凈化河水。

圖1 生態(tài)透水壩Fig.1 Ecological permeable dam

在河道流速較快的河段，通過(guò)松木樁圍護(hù)的方式，在河道兩側(cè)構(gòu)建挺水植被種植池(圖2)，防止河水對(duì)植被的沖刷，保證種植挺水植被的成活和生長(zhǎng)，同時(shí)不影響水生植被對(duì)河道污染物降解作用的發(fā)揮。

在鶴市河干流段，污水處理廠尾水的水質(zhì)凈化措施優(yōu)選垂直潛流濕地，但由于干流兩側(cè)遍布村鎮(zhèn)及農(nóng)田，不具備建設(shè)垂直流人工濕地的條件。基于以上分析，考慮利用河床內(nèi)灘地，通過(guò)灘地改造(圖3)，將河道原有的單槽流淌狀態(tài)改造成多水路網(wǎng)狀水系脈絡(luò)，增加水生植被的種植，將河道灘地改造成大型的表流濕地，通過(guò)土壤-植被系統(tǒng)發(fā)揮河道水體污染物吸附、降解、吸收作用，達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。

圖2 挺水植物種植池Fig.2 Planting pool of emerged plant

同時(shí)，在不影響河道行洪的原則下，在灘地改造段下游建設(shè)橡膠壩(圖4)，發(fā)揮攔蓄水效能，為上游濕地維持生態(tài)水位，為水生植物、水生動(dòng)物營(yíng)造良好的生境，使其更好地發(fā)揮生態(tài)凈化作用，以達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。

圖3 灘地改造示意Fig.3 Reconstrcution of beach land

圖4 橡膠壩意向圖Fig.4 Concept image of rubber dam

3.3 工程效果

工程實(shí)施后，支流生態(tài)透水壩發(fā)揮了良好的緩流沉砂作用，河道兩岸的植被也逐漸穩(wěn)定生長(zhǎng)，河道內(nèi)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)逐漸趨于完善，穩(wěn)定發(fā)揮了水體自凈能力。干流河道內(nèi)河灘地改造完成后，加上橡膠壩對(duì)水位的保持作用，逐漸形成大面積的自然濕地，水生植被茂盛；河道內(nèi)局部也形成連續(xù)的氧化塘，在河道內(nèi)植被微生物代謝、維管束植物、浮游生物，以及稀釋、沉淀和絮凝等多方面的綜合作用下，干流水質(zhì)逐步提升，得到明顯改善，如表2所示。目前鶴市河水質(zhì)已維持在Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到工程設(shè)計(jì)的水質(zhì)目標(biāo)。

表2 工程實(shí)施后鶴市河水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Monitoring results of water quality of Heshi River after the implementation of project

4 結(jié)語(yǔ)

河道治理是一個(gè)多專業(yè)交叉、系統(tǒng)性的工程，治理措施多樣，其中生態(tài)治理措施以可持續(xù)、可循環(huán)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的健康營(yíng)造，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在多種生態(tài)治理措施的選擇上，要充分考慮項(xiàng)目的特點(diǎn)，采取針對(duì)性強(qiáng)、效果明顯、投資造價(jià)低的措施。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，河道特征、污染源類別、場(chǎng)地條件、投資預(yù)算等多重因素可能使常規(guī)處理辦法無(wú)法實(shí)施，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)思路，通過(guò)多重保障措施來(lái)保證原有設(shè)計(jì)愿景的實(shí)現(xiàn)成為設(shè)計(jì)的必然選擇。