某景观湖合流制溢流污染控制方案和生态修复策略

高 雅

(同济大学建筑设计研究院〈集团〉有限公司，上海 200092)

当前我国城市面源水污染的问题越来越突出，特别是合流制地区的雨季溢流污染问题，已成为进一步提升城市水环境质量的主要障碍[1-2]。溢流污水中含有大量有毒有害污染物，旱季时，生活污水及来自不同汇水区的颗粒物质进入管道系统，流量较小时，不足以将全部颗粒物冲刷进入污水处理厂而沉积在管道底部，从而导致管道过流能力的下降；强降雨条件下，伴随着初期冲刷现象的合流制溢流(CSO)携带着再悬浮沉积颗粒产生了高浓度的污染负荷[3-4]。降雨过程将大气污染、下垫面、管道沉积物上累积的污染物冲刷下来，经城市排水管网最终汇入受纳水体中，使受纳水体水质污染物浓度升高，其中SS、COD 和氨氮升高幅度最大[5]。研究表明，排水管道旱季沉积对受纳水体的污染负荷贡献达到了30%～80%[6]。不同场次降雨径流水质有较大波动，导致城市非点源对受纳水体水质的影响同样存在复杂性和随机性[5-7]。鉴于溢流污染的特殊性和复杂性，科学合理地确定工程方案并有效提升水环境质量至关重要。

发达国家对合流制的污染问题进行了大量的研究和实践，认为适宜的合流制溢流工程措施可以有效地降低雨水引起的面源污染问题。然而，我国在治理雨季合流制溢流方面的研究还相对较少，已建成合流制排水系统的雨季溢流污水往往不经处理直接排入水体，给水体造成严重污染，甚至黑臭[8-9]。为解决溢流污染引起的广州市马涌水域的黑臭问题，钟毅[10]提出了涌底调蓄方案。张洪敏等[11]考察了跌水式人工湿地应用于合流制排水系统雨季溢流污染的治理情况。尽管溢流污染型景观水体在我国许多城市普遍存在，但具体解决方案尚不多见。为此，本研究以广西某大型景观湖为研究对象，针对景观水体特征提出了一套合流制溢流污染控制和生态修复方案，以期为溢流污染型城市景观水体的治理和水环境质量改善提供借鉴。

1 工程区域概况

该工程位于广西省，水面面积为100 km2，平均水深为1.5 m，是典型的大型碟型浅水湖泊。目前，该湖泊总体水质较为稳定，平时多为Ⅴ类水质，流动性差，目前湖泊淤积程度较浅，平均厚度为8～18 cm。尽管该湖泊已经完成了环湖截污，但雨季大量污水从沿湖截流式合流制溢流口流入，导致水体透明度差，水质恶化现象严重，甚至导致鱼类死亡并散发恶臭，遭到附近居民及游客投诉，严重影响水体周边以及整体城市形象。根据溢流口出水监测记录可知，溢流口排污主要集中在雨季5月～9月，溢流的雨污水夹杂着管道中的沉积物被冲刷至湖中，排污颜色呈深黑色。雨季时，强大的降雨冲刷能力强，导致大量地表颗粒物随径流冲刷进入管道，此时溢流口出水颜色呈现混黄甚至黄浊色，SS、泥砂含量较高。降雨过后，在溢流口较大污染负荷的冲击下，湖体水质急剧下降，为典型的排水管道雨季溢流污染型湖泊。

2 合流制溢流污染控制及生态修复方案

该湖泊外源污染为溢流口溢流进入水体的大量污染物，但基于防治内涝的需求，溢流口仍需保留，故本研究提出在溢流口处建设强化处理设施以削减进入水体的污染；对雨季溢流口出水进行初步净化，入湖水质将得到初步改善。同时，该湖泊水体由于受长期排污和人为活动的影响，水体中生态系统被破坏，湖泊水体的自净能力逐年下降，可在湖中进行水生植物和水生生物生态系统构建，以配合湖泊外源污染的治理。

2.1 合流制排放口的治理

湖泊溢流口强化处理的主要思路是将旱季污水及初期雨水分流至污水管道，同时对雨季溢流于水中的污染物进行拦截，减少污水直排水体的污染。溢流口强化处理分为两个步骤：一是对截流井的改造；二是对排放口的改造。

2.1.1 截流井的改造

截流井改造主要是在现有截流井内设置浮控调流阀、浮渣挡板等，将非降雨期来水及初期雨水分流至污水管道，同时阻止降雨后期污染程度较轻的来水进入污水管网，治理方案如图1所示。

降雨开始时，污染程度较重的初期雨水及污水通过截流管排入污水管网。降雨持续时间和强度增加，管网及井室中的水位升高。当水位到达设计水位时，截流管道前的调流阀关闭，阻止雨水排入污水管道。此后，流入井室中的雨水会比较清洁，开始进入出水管，最后排放至受纳水体。来水中的沉积物、漂浮物以及轻质污染物都被截留在截流井中。降雨结束，管道中的水位降低，调流阀打开，截留的污染物随来水排入截流管，然后输送至污水处理厂进行处理。

图1 截流井治理方案示意图Fig.1 Controlling Scheme of Sewage Intercepting Well

2.1.2 排放口的改造

雨季时，伴随着初期冲刷现象的合流制溢流(CSO)携带着再悬浮沉积颗粒产生了高浓度的污染负荷进入水体，造成降雨后一段时间内水质的恶化。针对排放口上游截流井溢流出水不经处理直排水体的现象，本研究采用溢流过滤装置对溢流出水进行污染物拦截，削减经由溢流口排入水体的污染负荷。具体方案为：在排放口的过水堰之前安装溢流过滤装置，用于截留排放口的固体污染物。污水经过过滤装置时，固体垃圾将被分离取出，输送至装置的另外一侧，同时过滤装置进行旋转自清洗。过滤装置过水流量大，水头损失低，其二维过滤以及自清洗系统保证了高效的固液分离。过滤装置滤渣存留在进水侧，下游液位对滤网清理效率不会产生影响。大多数情况下，滤渣在降雨期间或之后返送回污水管道进入污水处理厂，日常维护工作量较小；当固体垃圾量较大时，可通过安装于过滤装置侧面的提渣装置将垃圾取出。在降雨过程中，当上游来水非常大时(此时来水已较清洁)，超越管前的调流阀打开，雨水可同时经排放管及超越管排放至水体(图2)。

图2 排放口治理方案示意图Fig.2 Controlling Scheme of Discharge Outlet

研究表明，初期降雨径流中的污染负荷一般占总负荷比例分别如下：COD为43.6%～54.0%；TN为17.1%～41.0%和TP为24.4%～60.8%[12]。Kayhanian等[13]对降雨径流进行了长达3年的监测，通过大量数据对不同污染物之间的相关性进行分析，发现SS和COD、TN、TP以及重金属显著相关。唐文锋等[14]研究表明我国传统开发模式下径流雨水中SS与其他污染物之间具有良好的正相关性。美国联邦交通部门对主要径流污染控制措施除污效率的研究结果表明，过滤截留对径流中的SS去除效率至少为75%[15]。根据初期雨水截留污染水量和污染物浓度估算，对截流井改造后，预计COD、TN和TP的去除率至少可达到40%、15%和20%；对合流制排放口改造治理后，通过削减SS至少再可削减一半的污染物。

2.2 水生态系统的重建及长效管理

作为城市景观型浅水湖泊，该湖泊不仅有防洪排涝的功能，还具有旅游娱乐、美化环境和改善城市生态环境的作用。针对该湖泊的典型浅水湖泊特征：封闭、半封闭状态，水流速慢，其本身的生态系统相对脆弱[16]，本研究提出从三个阶段进行水生态系统的重建并进行长效管理，即外源污染的治理；湖泊水生态系统的重建；水生态系统初步构建后，长效管理阶段。在上述工程措施的基础上，湖泊的外源污染即可得到有效控制，之后应进行水生态系统的重建，同时提出长效管理措施。

2.2.1 水生态系统的重建

水生态系统的重建采用的方法是基于生物操纵及藻-草型湖泊转化理论，以生态系统中完整的食物网链为基础，通过沉水、挺水和浮叶植被的重建以及底栖生物、浮游动物、水生动物的恢复，利用食物链原理和种群间相生相克关系，构建健康的生物群落结构和稳定的生态系统，逐步实现受污染水体生态系统结构和功能的恢复。

浮游动物群落、沉水植物群落、浮叶植物群落、挺水植物群落、大型底栖动物群落、鱼类群落构建工程是某水生态系统构建工程的核心部分。浮游动物群落构建主要能够增加浮游动物(如大型枝角类)，提高其对浮游植物的捕食力；沉水植物群落构建的范围为全湖，优选净化效果好，去污能力强，对湖泊中氮、磷等污染物有较高净化率的品种；浮叶植物对水体透明度要求较低，可做为水生态系统构建的先锋种，用以控制浮游植物、改善水体透明度，为其他群落构建创造条件，还具有较高的观赏价值；在湖边水深合适的区域选择性地少量种植具有较强去污能力的挺水植物，同时提升湖区景观效果。

本研究中相关水生动植物设计品种采用广西及该湖的本土品种，通过生态修复引入的水生动植物种类如下。

(1)水生植物

芦苇、花叶芦竹、伞草、梭鱼草、花菖蒲、水生美人蕉、菖蒲、香蒲、再力花、睡莲、穗状狐尾藻、睡莲、苦草、黑藻、竹叶眼子菜、微齿眼子菜、金鱼藻。

(2)水生动物

铜锈环棱螺、梨形环棱螺、无齿蚌、鲢、鳜、月鳢、斑鳢、黄颡鱼、鲈、鲶。

2.2.2 长效管理机制

湖泊的水生动植群落恢复后，水体从以藻类为优势的混水态转化为以水生植物为优势的草型，生物多样性增加，净化能力增强。但可能出现很多问题，如群落变化，某一种类取得优势后，抑制其他种类的发展，群落趋向单一，生物多样性降低，从而降低了整个生态系统的稳定性。因此，在湖泊水生态系统初步构建完成后，还需对水生植物进行科学的长效管理，以控制水生动植物密度和优势度，保持群落稳定。

(1)水生植物调整工程

首先对大型水生植物的种类、分布、生物量等主要指标进行监控。根据监测资料，拟定管理方式，对生长较快的种类进行收割控制，对生长缓慢或生长态势不好的种类及时疏密移植或补种。按照草型和藻型富营养化发生机制决定沉水植物的收割时间、收割面积比例等。沉水植物生物量控制主要是通过沉水植物收割(收割、绞拔和耙捞)或补种及疏密移植实现。

挺水植物和浮叶植物生长面积过大也会对湖面景观产生负面影响。需建立挺水和浮叶植物隔离带，阻止其蔓延，如果发现植物生长超过原区域，应检查隔离带的情况，进行修复和改造。挺水植物和浮叶植物有一定的生长季节，某一季节挺水植物和浮叶植物枯败，影响景观，且植物残体落入水中腐烂造成二次污染，也需要对挺水和浮叶植物进行补种或打捞管理。

(2)水生动物调整工程

鱼类群落调整：生态系统构建初期，应以肉食性鱼类群落为主，控制杂食性鱼类生物量，同时要对各种鱼类生物量与体积进行控制；生态系统构建工程完成后，根据生物量监测结果，当杂食性鱼类的比例大于20%～30%时，应集中捕捞、电杀；施工完成后，每年10月～11月集中捕捞肉食性鱼类；每年3月～4月，适时放养肉食性鱼类鱼苗。

底栖动物群落调整：主要指大型底栖软体动物的管理，大型底栖动物螺、蚌等以保护为主，控制底栖杂食性鱼类的放养等。水生植物种植后，水体附着基和其他理化环境得到改善，大型底栖动物数量会显著增加，从而增强对浮游植物的控制能力和水体的自净能力。螺、蚌等初期可以适当放养，但主要以保护为主，禁止捞螺、蚌等大型底栖动物。

3 结论和建议

本研究对广西某大型合流制溢流污染景观湖的控制方案和生态修复策略进行了探讨，在污染源负荷估算的基础上提出了有效工程方案、生态修复策略及长效管理机制，主要结论如下。

(1)湖体入湖污染控制应以合流制溢流口出水的污染拦截为主，结合景观水体特征提出了截流井和排放口协同改造的合流制溢流污染工程控制方案，根据初期雨水截留污染水量和污染物浓度估算，该工程措施可有效削减入湖污染物排放量。

(2)水生生态系统的重建采用基于生物操纵及藻-草型湖泊转化理论，有关水生动植物设计品种主要采用广西及该湖的本土品种，通过浮游动物群落、沉水植物群落、浮叶植物群落、挺水植物群落、大型底栖动物群落、鱼类群落的构建工程，逐步实现受污染水体生态系统结构和功能的恢复。

(3)基于浅水湖泊的基本理论提出了水生态系统的长效管理措施，控制水生动植物密度和优势度，保持群落稳定。本研究方案可使湖泊水体长期保持并稳定在地表水质量标准(GB 3838—2002)IV类水质，可为溢流污染型城市景观水体的治理和水环境质量改善提供借鉴。