城市水生態(tài)修復技術與工程應用*

徐林箏，黃 超，曹瑞良，宮經成，洪勝杰

(中國建筑一局(集團)有限公司，北京 100161)

0 引言

水是人類文明發(fā)展的起源，河流作為水的載體，與城市建設和發(fā)展息息相關。河流不僅為人類提供生存所需的水源，還為城市發(fā)展提供了豐富的自然資源。隨著科技水平的提高，人類對河流進行了大規(guī)模開發(fā)，包括灌溉、航運、防洪等。但由于在開發(fā)過程中忽略生態(tài)保護，城市水生態(tài)遭到嚴重破壞：生態(tài)系統(tǒng)生境受損，人工擾動痕跡明顯，生境單一，硬質駁岸較多，多樣性差；生態(tài)系統(tǒng)結構受損，種群缺失，結構混亂，水生動物和水生植物種類稀少且有大量入侵物種；生態(tài)系統(tǒng)功能受損，水體自凈能力差；城市水體富營養(yǎng)化和黑臭現象嚴重，水體中生物不斷減少，水質不斷惡化，嚴重影響城市形象和居民生活。近年來，我國各地城市開展了大量水生態(tài)治理修復工作，以漳州市內河水環(huán)境綜合整治項目為研究對象，分析了該市水生態(tài)污染現狀，并介紹了一些常用水生態(tài)修復技術的工程應用。

1 水質狀況調查

1.1 水質檢測結果分析

通過對漳州市3個流域片區(qū)進行7次采樣，采樣時間為2017年7月—2018年7月, 總計河道采樣點為278個，排口采樣點為20個。根據2017年7月—2018年1月水質數據，3個流域片區(qū)水質現狀污染嚴重，總體黑臭比例在60%以上，3個流域片區(qū)水體主要污染因子(黑臭標準)為氨氮和COD(化學需氧量)(見表1)。

表1 水質數據

1.2 河流污染源分析(見表2)

表2 河流污染源分析 (t·年-1)

由表2數據可知，各污染源中面源污染占比最大，其次為點源污染，內源污染占比最小。污染物輸入量中氨氮和總磷大部分來自于面源污染，COD來自于點源污染和面源污染。

淤泥調查中，底泥采樣點總數為54個，檢測結果顯示，河道淤泥中富含氮磷，含有一定的有機質和重金屬。淤泥中重金屬含量較高，清出淤泥不適合用作農作物覆土。

1.3 水環(huán)境容量分析

水質目標按照消除黑臭進行計算，主要指標為氨氮，3個流域的水系現狀環(huán)境容量估值結果顯示，水系所接納的污染總量大大超出環(huán)境容量，污染非常嚴重，城市水生態(tài)急需得到治理，如表3所示。

表3 水環(huán)境容量分析

2 水生態(tài)修復技術

2.1 河道形態(tài)結構

2.1.1河道平面

河道平面形態(tài)主要有直線型和蜿蜒型。傳統(tǒng)的河道治理以防洪為主,主要通過剛性不透水材料調整洪峰，采取拓寬河道、截彎取直、挖深河道、兩岸修筑堤壩等措施保證泄洪量，使河道邊界順直固化變成直線型。因河漫灘面積小，建設用地緊張，城市河道治理中常采用直線型河道。但直線型河道固定了河道邊界，限制其自由發(fā)展，且河流內外系統(tǒng)分隔，影響河流生態(tài)系統(tǒng)功能。

自然狀態(tài)下，河道因水流的沖刷侵蝕，呈現蜿蜒曲折的形態(tài)。河流蜿蜒性創(chuàng)造了豐富多樣的生存環(huán)境，從而保障河道中生物多樣性，提高河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。河道蜿蜒性還能夠緩解洪峰流速，減輕洪水對下游河岸的沖刷，保護沿線護岸，起到防洪作用。

2.1.2河道斷面

河道斷面類型主要有矩形斷面、梯形斷面、復式斷面。

1)矩形斷面結構最為簡單，在原河床基礎上挖深即可，施工方便，占地面積小(見圖1)。正常水位以下可采用矩形干砌石斷面，正常水位以上采用毛石堆砌成斜坡，從而緩解水流對河道的沖刷，擴展水生動植物生存空間。但施工采用剛性不透水材料，破壞水生生物與陸生生物間的循環(huán)，影響生物生存，適用于人口密集、用地緊缺地區(qū)的河道。

圖1 矩形斷面

2)梯形斷面結構相對簡單，采用漿砌塊石護坡，護坡上設置有各種綠化的親水平臺，景觀性強、施工簡便、占地面積小、投資省，且能提高河道過流能力(見圖2)。岸坡親水性差，坡度較大時，會阻礙生物溝通交流，適用于人口密集、河漫灘較小地區(qū)的河道。

圖2 梯形斷面

3)復式斷面結構較為復雜，常水位以上采用緩坡，常水位以下設置矩形或梯形斷面，過水斷面面積大(見圖3)。水流量小時，主要流經主河槽，洪水期時，洪水可漫灘。復式斷面親水性強，安全性高，汛期有泄洪排澇作用，但其占地面積大，適用于河灘開闊地區(qū)的河道。

圖3 復式斷面

2.2 河道水體治理

2.2.1水生植物

水生植物根據其生活方式可分為挺水植物、浮葉植物、沉水植物和漂浮植物(見表4)。水生植物具有良好的生態(tài)功能。

表4 水生植物分類及特點

1)凈化水質

水生植物不僅能夠通過光合作用進行固碳釋氧，還能吸收水體中氮、磷、重金屬等有害元素及有機污染物，從而消除污染，凈化水質。大量研究表明，多種水生植物對COD、氨氮、總磷都有良好的去除效果，能夠提高水體透明度，恢復水體生態(tài)功能。

2)保護生物多樣性

水生植物能夠為昆蟲、鳥類等提供食物來源和棲息地，促進各生物間的溝通交流，從而保證水生態(tài)的生物多樣性。

3)景觀性良好

水生植物具有較強的造景功能，許多水生植物還能開花，美化水景效果良好。

2.2.2人工濕地

人工濕地技術是由人工建造并運行，通過人為在洼地上把土壤和填料有控制的混合作為填料床，并在填料床上種植水生植物，污水在其表面或者縫隙中流動時，通過土壤、人工介質、植物、微生物的吸附、滯留、過濾、分解等作用凈化水質。人工濕地靠物理沉淀、過濾作用去除懸浮物，利用生物脫氮和植物吸收方法去除氮磷，COD和BOD(生化需氧量)的去除主要靠微生物吸附和代謝作用。

人工濕地系統(tǒng)是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)，優(yōu)點為抗沖擊負荷能力強、建設運行成本低、工藝簡單、景觀性好；缺點為占地面積大、植物受季節(jié)影響冬季運行效果差、易受病蟲害影響、設計不當易使人工濕地成為污染源。

2.2.3生態(tài)浮島

生態(tài)浮島又稱人工浮床、生態(tài)浮床等。生態(tài)浮島是通過人工設計漂浮于水面的床體，并在床體上種植水生植物，利用水生植物根系與水體接觸從而對污染物進行降解，實現對水體的凈化作用，改善水質。

生態(tài)浮床修復技術的優(yōu)越性為不需要占地，直接利用水體面積，景觀效果好；能夠促進生物間溝通交流，保護水生態(tài)生物多樣性；建設運行成本低，凈化效果好。但生態(tài)浮床也具有局限性：適用范圍有限，難以對大面積水體進行修復；植物冬季難以存活，凈化效果不穩(wěn)定。

2.2.4旁路治理

旁路治理是在水體周邊設置合適的處理設施，將污染嚴重區(qū)段的河水抽取至旁路處理設施凈化后，再排放至另一端，從而促進水體循環(huán)流動并凈化水體。旁路處理需考慮后期綠化修復，建設成本較高，且需專業(yè)的運行維護技術。

2.2.5人工增氧

人工增氧技術是根據水體中溶解氧含量，通過曝氣設備人工向水體中充入空氣，以提高水中溶解氧含量，恢復水中好氧微生物活性，強化水體自凈能力，從而去除污染物，改善水質。

3 技術應用案例

漳州市區(qū)內河水環(huán)境綜合整治項目包含多項城市水生態(tài)修復技術應用，如表5所示。

表5 水質改善與生態(tài)修復措施應用情況

3.1 生態(tài)修復

水生態(tài)系統(tǒng)主要通過沉水植物群、挺水植物、水生動物、微生物等群落進行構建，完善食物鏈系統(tǒng)，提高水體自凈能力，使水體可通過自身的生態(tài)效益保持生態(tài)穩(wěn)定，如表6所示。

表6 水生態(tài)系統(tǒng)構建

在生態(tài)系統(tǒng)建立前期，根據水體特點，合理設置曝氣裝置對于水質凈化以及水生動植物的移植存活率有很好的輔助提高作用。該項目在3個流域共設置了317臺曝氣設備以促進造流和增氧。

3.2 凈水濕地

凈水濕地主要設置在毗鄰主河道和支流的匯集區(qū)，其中古塘溪濕地布置面積368 610m2，西洋溪濕地布置面積369 600m2，內林引水渠濕地布置面積339 018m2。

3.3 旁路強化處理

漳州市內河有大批暗涵段，暗涵內部情況復雜，底泥淤積，雨污混接、錯接嚴重，排口不易溯源，出口水質惡劣，暗涵出水對下游水質形成嚴重的斷面污染。在斷面污染河段設置旁路強化凈化裝置，結合凈水濕地進行生態(tài)深化處理，有效解決水污染問題。主要布置在九十九灣區(qū)域，共5座(見表7)。

表7 旁路強化處理

4 結語

城市水生態(tài)修復是一項全面而持久的任務，針對各城市存在的水環(huán)境問題，應在保證不破壞水生態(tài)系統(tǒng)的前提下，科學開展治理工作。城市水生態(tài)修復應從各城市水環(huán)境存在的問題入手，采取合適的修復技術，提高城市水生態(tài)修復效率。良好的城市水生態(tài)系統(tǒng)對自然環(huán)境、社會經濟、城市發(fā)展具有積極作用。通過對漳州市水體水質狀況進行分析得知，漳州市水體黑臭現象嚴重，主要超標物質為COD和氨氮，水生態(tài)修復以此為切入點，采取一系列技術措施，水生態(tài)系統(tǒng)問題逐漸改善，對當地水生態(tài)環(huán)境、社會環(huán)境、區(qū)域經濟發(fā)展具有積極作用。