城市特征河流水質(zhì)提升及健康水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建—以常熟市楓涇河為例

邵一奇 嚴(yán)敏哲 忻 飛 楊宇挺 張 鵬 戈萍燕 楊棠武,2* 安樹(shù)青,2

(1 南京大學(xué)常熟生態(tài)研究院，南大（常熟）研究院有限公司，江蘇 蘇州 215501；2 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046)

近年來(lái)，在城市高速發(fā)展的背景下，原生態(tài)系統(tǒng)完善的自然河道正逐步向具有典型特征的城市河道演變（蔡杭安, 2018）。城市河道的典型特征包括河道硬質(zhì)化率高、水系連通性差、外源污染眾多等，這些因素導(dǎo)致河道原有的生態(tài)空間逐漸壓縮（Chi,2016），動(dòng)植物多樣性減少，河道的健康水生態(tài)過(guò)程停滯，出現(xiàn)水體自凈功能下降等問(wèn)題（宋孫娟,2022），城市黑臭水體現(xiàn)象頻發(fā)（楊棠武，2021；戴天驕, 2020）。城市河道常規(guī)治理思路包括清淤、曝氣、浮床等，雖暫時(shí)消除了河道水環(huán)境問(wèn)題，但河道生態(tài)功能未能充分發(fā)揮，一旦缺少后期管理，問(wèn)題將再次出現(xiàn)（房斌, 2019）。本文以常熟市楓涇河為例，依托楓涇河水質(zhì)提升EPC項(xiàng)目的實(shí)施，探究基于自然的處理方案（NbS）理念下典型城市河道水環(huán)境治理的新思路。

1 楓涇河概況

楓涇河地處常熟繁華老街，人口稠密。項(xiàng)目區(qū)位于嵩山路以東，環(huán)城河以西，楓涇河北路以南，楓涇河南路以北。河道總長(zhǎng)約800 m，水面寬15～80 m ，水域面積約3.2 hm2，常規(guī)蓄水量約6.5萬(wàn) m3（圖1）。河道現(xiàn)狀來(lái)水主要通過(guò)東側(cè)的環(huán)城河經(jīng)雙向排澇站控制水體交換和水位，西側(cè)無(wú)出水通道，屬于典型的城市斷頭河。楓涇河全段硬質(zhì)化，改造初期河道兩岸風(fēng)景優(yōu)美，水環(huán)境良好。但周邊排口眾多，水體流動(dòng)差，水質(zhì)逐年惡化，局部逐步轉(zhuǎn)向黑臭。為解決楓涇河水環(huán)境問(wèn)題，常熟市近年實(shí)施了包括清淤、活水以及水景觀提升等多項(xiàng)治理工程，但長(zhǎng)期效果不佳。為保障楓涇河水質(zhì)，現(xiàn)主要依靠排澇站每日換水，每日換水量2.26萬(wàn) m3。河道東側(cè)單側(cè)進(jìn)出水，造成西段河道水動(dòng)力嚴(yán)重不足，為根治楓涇河水環(huán)境問(wèn)題，需找到工程效益可持續(xù)發(fā)揮的河道治理技術(shù)方案。

圖1 楓涇河區(qū)域圖Fig.1 Location of Feng Jing River

2 生態(tài)問(wèn)題分析

2.1 水文現(xiàn)狀分析

楓涇河現(xiàn)狀每日水體交換量2.26萬(wàn) m3，水位變幅達(dá)0.7 m ，難以形成穩(wěn)定的水生植物生長(zhǎng)環(huán)境，現(xiàn)狀僅存少量抗逆性較強(qiáng)的植物如蘆葦（Phragmites australis）、菖蒲（Acorus calamus）等。基于現(xiàn)行的日常換水?dāng)?shù)據(jù)，利用Mike21工程軟件對(duì)楓涇河進(jìn)行水動(dòng)力模擬（Zavattero et al., 2016）（圖2），換水期間僅在楓涇橋東段以及西段靠近楓涇橋小范圍區(qū)域有較好的水體流動(dòng)性，剩余水域水體流動(dòng)性仍較差，水體流速≤0.002 m/s（張文杰，2022）。楓涇河西段水動(dòng)力不足造成了污染物的長(zhǎng)期累計(jì)，形成具有內(nèi)源釋放風(fēng)險(xiǎn)的淤泥層，楓涇河水體自凈能力未能得到充分的發(fā)揮。

圖2 楓涇河換水現(xiàn)狀水動(dòng)力模擬結(jié)果Fig.2 Result of Hydrodynamics Simulation of the water replacement measures on Feng Jing River

2.2 水環(huán)境問(wèn)題分析

2021年8月31日（項(xiàng)目建設(shè)前）在楓涇河具有代表性的7處取樣點(diǎn)采樣進(jìn)行TP、NH3-N、COD、葉綠素a和透明度的測(cè)定。采樣點(diǎn)由東往西分別為東1、東2、西1、西2、西3、西4、西5。結(jié)果顯示：TP和COD超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較大，其中取樣點(diǎn)西4 TP為劣Ⅴ類，剩余點(diǎn)位基本達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察確定，西4處有一雨水排口，采樣期間連續(xù)降雨造成局部TP的上升。各取樣點(diǎn)COD指標(biāo)較為穩(wěn)定，基本處于Ⅳ～Ⅴ類水范圍。NH3-N指標(biāo)能穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。另外，葉綠素a可表征水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，當(dāng)指標(biāo)值超過(guò)10μg/L時(shí)，水華爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較大（郭宇龍，2021）。西段河道葉綠素a大于10μg/L，水體爆發(fā)水華風(fēng)險(xiǎn)較高，而東段河道葉綠素a小于10 μg/L?？傮w來(lái)看，楓涇河現(xiàn)狀水環(huán)境不容樂(lè)觀，在日常換水措施下，西段河道水質(zhì)依然較差，局部為劣Ⅴ類。東段河道水質(zhì)相對(duì)較好，基本能夠達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，水體主要超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)為COD和TP。

2.3 水生態(tài)問(wèn)題分析

楓涇河全程硬質(zhì)化，水生動(dòng)植物匱乏，生物多樣性較低，食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，生境單一、整體能量流動(dòng)速度較慢，河道生態(tài)功能與景觀功能缺失。近年來(lái)開(kāi)展了多次整治，但水環(huán)境改善效果不佳，主要原因是未充分融入生態(tài)理念，基于自然的解決方案（NbS, Nature based Solution）未落實(shí)到河道治理中（忻飛, 2021）。健康的生態(tài)過(guò)程未能有效構(gòu)建，生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力弱（朱廣偉,2021）。與自然生態(tài)河道的多樣化水下地形不同，楓涇河河床斷面基本為“U”字型，駁岸垂直入水，河床底水下生境單一（趙亮, 2021）。由于日常換水，楓涇河水位漲落頻繁，進(jìn)一步限制了動(dòng)植物數(shù)量及種類的多樣性（胡艷欣, 2022），導(dǎo)致水體自凈能力減弱，在缺少人為輔助的情況下，楓涇河難以自然演替形成良好的水生生態(tài)系統(tǒng)。

3 楓涇河水質(zhì)治理目標(biāo)

楓涇河水質(zhì)提升EPC項(xiàng)目最終治理目標(biāo)是楓涇河水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到地表Ⅳ類水?；贜bS理念，項(xiàng)目目標(biāo)為：1）提升水動(dòng)力，基于現(xiàn)狀水動(dòng)力模擬，合理定位安置水動(dòng)力提升設(shè)備，加強(qiáng)河道西段水體交換，加速全河的物質(zhì)交換、能量流動(dòng)速率；2）打造健康生態(tài)基底，通過(guò)水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)，人為引導(dǎo)生態(tài)過(guò)程可持續(xù)運(yùn)行；3)控源截污,多源污染物的整治消除。

4 河道治理措施

4.1 河道污染源治理

4.1.1 內(nèi)源污染治理 楓涇河河床底泥多年未清理，平均淤泥深度0.5 m，局部淤泥深度達(dá)1.5 m，全河淤泥計(jì)算面積3.0 hm2，淤泥量約1.5萬(wàn) m3。受場(chǎng)地條件限制，干法清淤外運(yùn)難度大，經(jīng)濟(jì)效益差，本項(xiàng)目采取內(nèi)部消納的方式，將淤泥集中堆放于5處緩流片區(qū)，以生態(tài)滲濾擋墻與主河道隔斷，穩(wěn)定淤泥形態(tài)，表層種植荷花（Nelumbosp.），兼顧景觀提升（圖3）。該措施實(shí)施后，顯著降低底泥內(nèi)源釋放風(fēng)險(xiǎn)，河道上覆水與底泥接觸面從3.0 hm2降至0.34 hm2，楓涇河內(nèi)源污染釋放速率降低約10倍。且底泥消納區(qū)水體流動(dòng)較緩，進(jìn)一步削減了內(nèi)源污染對(duì)河道水質(zhì)的影響。

圖3 內(nèi)源污染治理典型剖面圖Fig.3 Typical section of the treatment for authigenic pollution

4.1.2 外源截污治理 楓涇河沿岸共計(jì)9處雨水排口，由于歷史原因，雨污管網(wǎng)老舊，生活污水混接雨水管現(xiàn)象普遍，排查整治難度較大。因此，本工程采取攔截與滲濾堰凈化相結(jié)合的方式，最大限度減少入河污染物的輸入。水量較大、污染濃度較高的排口，通過(guò)攔截、導(dǎo)流，將污染接入污水管網(wǎng)；水量較小、水污染濃度較低的排口，出水口處設(shè)置石籠網(wǎng)滲濾堰，經(jīng)滲濾堰凈化后入河（圖4）。排口石籠網(wǎng)滲濾堰采用多層格賓網(wǎng)箱搭建成型，格賓網(wǎng)則由鋼筋骨架和鍍鋅鐵絲網(wǎng)構(gòu)建，內(nèi)部填充具有TP高效吸附的多孔陶粒。

圖4 石籠網(wǎng)滲濾堰典型設(shè)計(jì)Fig.4 Typical design of the ercolation weir builted by Gabion

4.2 河道水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

4.2.1 生境基底改造 楓涇河現(xiàn)狀灘面高程高于常水位，河床整體剖面形態(tài)平緩，整體呈“U”型，生境單一，不能滿足多樣性生物的棲息需求。本工程通過(guò)河床地形整理，恢復(fù)多樣化生境基底。河床生境基底改造如圖5顯示，灘面降至水下0.3～0.7 m，以滿足水生植被生長(zhǎng)需求，提升河道水體自凈能力，豐富水生植被多樣化和景觀豐富度；在清淤的基礎(chǔ)上，恢復(fù)自然河道深潭、淺灘等多變形態(tài)河床，營(yíng)造0.3～0.7 m淺水灘面，緩坡入水，滿足水生植物穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境。

圖5 楓涇河河床整治典型設(shè)計(jì)Fig.5 Typical design of the riverbed renovation on Feng Jing River

4.2.2 水生植被恢復(fù)

1）根據(jù)河道地理形狀、駁岸特征、陸域景觀特點(diǎn)，營(yíng)建帶狀及點(diǎn)狀挺水植物景觀區(qū)。本項(xiàng)目選用挺水植物主要包括香蒲（Typha orientalis）、梭魚(yú)草（Pontederia cordata）、花菖蒲（Irisensatavar.hortensis）、旱傘草（Cyperus involucratus）、水蔥（Schoenoplectus tabernaemontani）、黃菖蒲（Iris pseudacorus）、荷花等植物，恢復(fù)挺水植物6 000 m2。

2）浮葉植物在生長(zhǎng)期間，可有效吸收總磷和氨氮，同時(shí)也是微生物良好的載體。本項(xiàng)目選用睡蓮（Nymphaea）、荇菜（Nymphoides peltata）等植物，恢復(fù)浮葉植物2 700 m2。

3）沉水植物作為水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者之一，能夠吸收營(yíng)養(yǎng)鹽和攔截沉淀污染物，增加水體溶氧和固持沉積物，改善水體光照及生態(tài)環(huán)境。本項(xiàng)目選用菹草（Potamogeton crispus）、苦草（Vallisneria natans）、金魚(yú)藻（Ceratophyllum demersum）、狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）等植物，恢復(fù)沉水植物2 500 m2。

4.2.3 健康水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建 為構(gòu)建健康水生態(tài)系統(tǒng)，引導(dǎo)食物鏈生態(tài)過(guò)程延續(xù)，提高水體自凈能力，項(xiàng)目在植物配置和恢復(fù)的基礎(chǔ)上，配置水生動(dòng)物（表1）。配置濾食性魚(yú)類密度約2 100尾/hm2，肉食性魚(yú)類80尾/hm2，鄉(xiāng)土淡水底棲動(dòng)物250 kg/hm2。依據(jù)擬恢復(fù)目標(biāo)水生動(dòng)物的生活習(xí)性，提升水體各層水生動(dòng)物的豐富度。

表1 水生動(dòng)物配置表Table 2 Variety of animal the stock enhancement

4.3 水動(dòng)力提升

楓涇河整體呈東寬西窄形態(tài)，西端寬約15 m，東端寬80 m，東側(cè)閘站日常換水對(duì)西端水體交換效益較小，局部呈常年死水狀態(tài)，易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化等水質(zhì)惡化現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)狀水動(dòng)力模擬結(jié)果，篩選典型死水區(qū)域，合理布置應(yīng)急水動(dòng)力提升設(shè)備。將楓涇河西段分成3段水系循環(huán)單元，每段循環(huán)單元對(duì)向布置水下推流設(shè)備，達(dá)到區(qū)域水體加速物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)的目的。逐步提升水域中溶解氧（DO），提高好氧微生物的活性，加速水中污染物的降解。

5 河道治理效果評(píng)價(jià)

5.1 初始水質(zhì)

將楓涇河概化成表流濕地。依據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)采樣檢測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，考慮最不利工況下水質(zhì)能否達(dá)標(biāo)是穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的前提。以現(xiàn)狀污染指標(biāo)最高值的點(diǎn)位水質(zhì)作為設(shè)計(jì)初始水質(zhì)，主要考核指標(biāo)NH3-N、COD、TP進(jìn)水值分別為1.18 mg/L、30.0 mg/L和0.43 mg/L。

5.2 設(shè)計(jì)水量

依據(jù)楓涇排澇站日常換水要求，每日下午4—8時(shí)排水，次日上午6時(shí)開(kāi)閘引水。按機(jī)排流量1.57 m3/s計(jì)算，日交換水量2.26萬(wàn)m3。

5.3 凈化單元規(guī)模及運(yùn)行參數(shù)

依據(jù)設(shè)計(jì)方案中河道各凈化單元凈化能力的不同，將河道概化分成淺水濕地區(qū)、沉水植物凈化區(qū)和深水區(qū)（表2）。根據(jù)表2的凈化單元參數(shù)，河道總蓄水量80 361 m3，其中深水區(qū)儲(chǔ)水量占比較大，保證了河道緩沖能力，淺水濕地及沉水植物區(qū)發(fā)揮核心凈化功能。依據(jù)設(shè)計(jì)水量及各凈化單元規(guī)模，各功能區(qū)設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)如表3所示，以現(xiàn)排澇站現(xiàn)日常換水量2.26萬(wàn) m3計(jì)，總換水周期（停留時(shí)間）為3.56 d。

表2 凈化單元規(guī)模參數(shù)表Table 2 Scale parameter of each Purification unit

表3 功能區(qū)運(yùn)行參數(shù)表Table 3 Operating parameter of each functional area

5.4 水質(zhì)凈化效果計(jì)算

依據(jù)《污水自然處理工程技術(shù)規(guī)程CJJT54-2017》中污水自然處理工程所在地區(qū)按平均溫度劃分，常熟市屬于Ⅲ區(qū)，平均溫度高于16℃。凈化單元各運(yùn)行參數(shù)取值參考Ⅲ區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)，河道主要考核水質(zhì)指標(biāo)在各凈化單元中的參數(shù)取值及去除效果計(jì)算見(jiàn)表4。根據(jù)污染物去除效果計(jì)算，出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)到地表Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，其中NH3-N、COD和TP去除率分別達(dá)到23.79%、22.96%和40.14%。結(jié)合年換水總水量測(cè)算，工程完工后，該河道年可消納的NH3-N、COD、TP環(huán)境容量分別達(dá)2.32 t、54.55 t和1.42 t。

表4 河道水質(zhì)凈化效果計(jì)算表Table 4 Effect calculation of the water purification of the river

6 結(jié)語(yǔ)

城市河道普遍存在硬質(zhì)化水平高、水動(dòng)力不足、水生態(tài)退化嚴(yán)重、水景觀單一、黑臭現(xiàn)象頻發(fā)等問(wèn)題。本文基于NbS理念，深入分析城市河道生態(tài)退化底層邏輯問(wèn)題，通過(guò)污染源治理、生境基底打造、動(dòng)植物恢復(fù)和水動(dòng)力提升等措施，構(gòu)建城市河道的健康河道水生態(tài)系統(tǒng)。城市河道治理的首要任務(wù)是內(nèi)、外源污染的控制，以匹配該河道可承受的水環(huán)境容量。豐富的生境基底打造是健康河道水生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，以此拓寬多樣化水生動(dòng)植物的棲息空間；動(dòng)植物的恢復(fù)需考慮食物鏈層級(jí)的完善，以保障生態(tài)過(guò)程物質(zhì)交換、能量流動(dòng)的速率；為保障水體自凈功能的充分發(fā)揮，在緩流區(qū)域可采用輔助設(shè)備提升河道水動(dòng)力。