南通中央创新区河道水生态系统构建研究

余 雯

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

城市水系的水生态系统是一个复合生态系统，它是以人工技术和社会行为为主导，以自然生命保障系统为依托，以生态过程为命脉的人工生态系统。单靠传统单一的技术处理不能完全解决河道水生态问题，而是需要采用综合技术手段，即通过构建完整的水生态系统，充分利用生态系统自净自洁(自我修复)的能力优势，从根本上解决城市河湖等景观水“水清”、“水美”的问题[1- 3]。

本文结合南通中央创新区水系综合整治项目，在控制河道外源污染、禁止污水直排、净化初期雨水的基础上，配合生态工程措施，科学利用水域生态学的基本原理，将整个水系按功能划分区块，构建和谐的人工水生态系统，并通过后期的人工调控等技术措施，逐步培育水体的自我修复能力，最终脱离人工干预，还水于自然[4- 6]。

1 中央创新区水环境现状

中央创新区内河道水质总体属于地表Ⅳ～Ⅴ类水，现状COD入河量为3790t/a，现状氨氮入河量为319.4t/a。营船港水源至北部通甲河引入，水质条件最好，创新区东区梁浩港、小撇港竖河、大撇港横河区域水质最差，部分河段存在黑臭现象。由于很大一部分外源污染来自于农业面源，因此从时间上看来，水质受到季节变化和农耕活动影响较大。

区内河道仍保留多处较原始的岸边带结构，但由于受到人为活动的干扰，导致水土流失严重，现存的岸边植被较为稀疏。河道水生植物较少，水体自净能力较差。水域内水生生物量及生物多样性较低。

中央创新区规划为一个独立水系，在水系控制建筑物建设完成后，区内河道将形成一个相对封闭的水体，仅在汛期进行涝水南排，枯水期进行北引补充。在这种条件下，构建一个完善、稳定的水生态系统是十分必要的。

2 河道水生态系统构建

2.1 水系功能分区

中央创新区水系补给水源为北部通吕运河，经营船港北闸、山港河闸和中心竖河闸进入中央水系，经通沪大道以北河道分段注入紫琅湖，再由营船港南泵闸排入通启运河。水源水质未达到水生态系统对水质的需求，因此需对整个水系进行净化功能分区，如图1所示。不同分区河道采用不同的水生态系统构建方案。

图1 水系生态布局分区图

2.1.1水生植物净化区

水质净化区范围北至青年路、南至通沪大道、东至快速路、西至通富南路，处于中央创新区水系引清活水工程“北引南排”的上游区域，水源经北部森林、湿地注入紫琅湖，是紫琅湖水源的主要引水河道。

中央创新区水系水源主要取自北部通吕运河，通吕运河现状水质明显劣于中央创新区紫琅湖水质目标，非常有必要对来水进行进一步净化，并结合去污能力强的水生植物，合理搭配水生动物、微生物，打造生态河道，以降低紫琅湖的污染负荷，确保区域水系的水质。此外，该区域内用地性质多样化，结合河流廊道生态景观的打造，塑造结构合理、景观多样性的城市生态河道。

2.1.2水质稳定区

水质稳定区北至通沪大道、南至源兴路、东以河道入湖口为界、西至通富南路，处于中央创新区水系引清活水工程“北引-西排、南引-西排”的下游区域，向西注入裤子港，是中央创新区水系的主要出流河道。

作为未来片区排水的主要出流河道，在满足防洪排涝基本要求的同时，应结合河道周边用地性质的多样性(科创用地、人才公寓等复合类型)，以水街为景观核心，打造具有科技感的现代化都市生态河道。

2.1.3水域文化教育展示区

水域文化教育展示区北至通沪大道、南至源兴路、东至通盛大道、西以出湖口为界，处于中央创新区水系的东南片区，以亲水游憩休闲、科普教育为主。

充分利用该区的游憩休闲功能，设置湿地展示区与挺水植物展示区，结合沉水植物-浮叶植物-挺水植物-湿生植物群落演替序列的构建，展示水生植物的丰富种类、类型及其生态功能，让居民走进自然、认识自然并参与自然，培养居民保护自然的生态意识。

2.1.4河道生态构建策略

根据中央创新区内水系分区，针对不同功能的河道采用相应的生态措施。

(1)生态型河道

基于自然生态河道定位，以水质改善为目标，采用近自然生态功法，利用工程措施，在传统河道整治的基础上，实现近自然、少投入并能保持优美景观的河流生态综合治理，使得退化的生态系统恢复到具备一定结构和功能的准原始状态。主要采用生态清淤+高效微生物净水系统+高等水生植被构建技术+底栖生物构建技术[7]。

(2)景观型河道

基于自然景观河道定位，在保障水安全、水环境的基础上，结合景观生态学原理，以“休闲、生态”作为切入点，通过河道景观生态系统的建设促成“水-陆-景”三位一体的立体景观系统。结合河道两岸用地性质变化，造就异质性较大的植被斑块，打造高低错落有致的植物群落，塑造良好的河道景观，形成“雨季防洪，旱季赏景”的亲水型滨水长廊。

(3)排洪防涝型河道

基于排洪防涝河道定位，以保障水安全为前提，小尺度范围构建生态修筑物，以改变河床形态，重塑河流蜿蜒性，以达到改变河流平面顺直、流态单一的目的，配合物理抗性较强、根系发达、去污能力较强的沉水植物和浮叶植物，对顺直化河道进行生态化改造，利于河道生态系统的恢复。

2.2 水生态系统构建具体方案

2.2.1生态清淤工程

中央创新区东部的梁浩港、小撇港竖河、大撇港横河等生态型河道属于水质净化区，现状黑臭情况严重，采取生态疏浚方式，即全河段清除表层污染底泥，疏浚完成后开展水生植物恢复，迅速修复新生底泥表层生态，抑制底泥污染物释放，并强化与延长底泥疏浚效果。

2.2.2生态拦截网+微型生物净化强化工程

考虑到生态展示区内河流均为往复型河流，分别在几条主要河道中游自西往东依次设置生态拦截网+生物格栅序列，集功能性和观赏性一体。

生态拦截网为孔径19mm的尼龙网，两端固定，主要拦截漂浮垃圾，防止垃圾在河浜堆积。通过空气压缩机控制生态拦截网浮体的升降，可有效防止河流中的漂浮垃圾及可能的浮萍等漂浮植物进入内部河道，影响景观效果。

生物格栅选用BD- 50辫带式水处理填料，安装时每平方米安装9根，以3根×3根的方式安装，每根生物绳之间间距为30cm。水面端为直径60mm的圆柱形可充气式橡胶管，管长等于河道宽度，总布设面积约120m2。利用工程菌和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在填料上生长繁育，形成膜状生物污泥，水体与生物栅接触时，水体中的有机污染物、藻类、氮、磷等营养物，被生物栅上的微生物所摄取，使水体得到净化，微生物自身也得到繁殖。这种处理方法能够有效的去除污水中氮磷总量，使水体得到净化。

2.2.3水生植物种植工程

水生植物重建工程中对水生植物的选择是关键。本项目考虑四季交替，拟选择优良的本土水生植物。挺水植物有芦苇、香蒲、菖蒲、慈姑、鸢尾等；浮叶植物有睡莲、菱角等；沉水植物有苦草、菹草、狐尾藻、金鱼藻、伊乐藻、马来眼子菜等[8]。上述水生植物中菹草、伊乐藻为冬、春季生长，其他为春、夏、秋季生长，故可形成四季皆有水生植物的良好状态，强化对来水的污染去除。不同区域水生植物种植工程量见表1。

2.2.4水生动物恢复工程

底栖动物种群的恢复主要结合沉水植被的恢复进行，通过在沉水植被恢复区放养大型软体动物，丰富功能摄食类群，增加物种多样性以构建完善的水生生物食物链，为恢复健康稳定的水生态系统奠定基础。放养的底栖动物种类以双克蚌、螺类为主，按平均放养密度为蚌1只/m2、螺类50只/m2。先期以螺类放养为主，在湖底溶解氧量及有害气体量达到蚌的生存条件后，适当放养一定量双克蚌。不同区域水生动物投放量见表2。

水质净化区的防洪排涝河道不涉及水生生物(如底栖生物)物种的引入，引水过程中，土著底栖生物如螺蚬类软体动物、摇蚊类节肢动物等将会自然进入，会自然形成一定的生物种群，与水体中浮游类生物形成生物多样性种类达到一定程度的生态系统。因此，该区域不再投放底栖生物，以自然恢复为主。

2.2.5复合生态浮岛工程

在景观型河道内沿河道中心线布设复合型净化景观生态浮岛，通过拼装组成具有适当景观图案的生态浮岛群，间隔200m布置一组，单组生态浮岛有效种植面积约为500m2左右，共布设28组，睡莲、巨叶王莲等浮水植物在浮岛周边点缀种植，形成“水景相依”的优美景观。不同区域生态浮岛水生动植物投放量见表3。

表1 水生植物种植工程量

表2 水生动物投放工程量

在防洪排涝型河道，布置可调式生态浮床，借助水下固定桩和水面所设的浮力装置，实现浮床水平方向固定、垂直方向随水位波动而上下浮动[9]。选用芦苇和美人蕉(面积比为1∶1)等抗污性较强的水生植物种类，通过植物自身的新陈代谢直接吸收水体中的氮和磷，从而不断减轻水体富营养化程度和改善水质。单个可调式生态浮岛种植面积约为360m2，共布设18个生态浮岛。

表3 生态浮岛水生动植物投放量

2.2.6曝气充氧工程

河道内设置微孔曝气技术，可快速有效改善水体溶解氧浓度，改善水体动力，为整个河道健康生态系统的建立和完善提供基础条件。全河段内设置16个曝气机，置于生态浮岛之间，采用漂浮式安装。

3 污染负荷和削减量计算

3.1 河流污染负荷

按照规划，中央创新区无污水直接排入河道，污染主要为降雨期间的初期雨水径流污染以及天然降雨直接产生的污染。

(1)降雨污染负荷

南通地区自然降雨水样中雨水中COD、氨氮、总氮、总磷浓度分别为25～200mg/L、0.11～4.9mg/L、0.83～6.25mg/L、0.038～0.250mg/L。河流天然降雨污染量采用下式计算，计算结果见表4。

W降=αhA

(1)

式中，α—雨水污染物浓度系数；h—降雨量，取941.5mm；A—河道总水面面积，取50.30ha。

(2)径流污染负荷

中央创新区河道汇水面积为1182.5ha。土地利用类型主要包括居住、商业、道路、绿地、公建5种类型。

表4 河道降雨负荷 单位：t/a

根据5部分区域面积、雨水径流污染物平均浓度、地表类型的径流系数，计算出各区域雨水径流污染物负荷。考虑到后期海绵城市的建设对年径流量有所控制，并能削减部分污染负荷，本文分近、远期计算，结果见表5—6。

表5 近期河道接纳降雨径流污染负荷

表6 远期河道接纳降雨径流污染负荷

(3)污染负荷总量

中央创新区内河网的污染负荷见表7。

表7 中央创新区河道污染负荷 单位：t/a

3.2 河道污染削减量

为使中央创新区内河道达到国家地表水Ⅳ类标准，根据目标水质削减量=全年累计污染负荷-水环境容量，可得出河流所需削减的年污染负荷[10- 11]，见表8—9。

表8 中央创新区河道近期污染物削减量 单位：t/a

表9 中央创新区河道远期污染物削减量 单位：t/a

3.3 水生植物氮磷削减量核算

通过水环境容量与污染负荷对比分析，同时结合水体水质要求，确定污染物削减量，计算公式如下：

W削=W0-W1-W2

(2)

式中，W削—污染物削减量，t/a；W0—污染总负荷，t/a；W1—水体水环境容量；W2—水体水质要求。

工程建成后，将建设河道两侧挺水植物面积81441.6m2，河道浮叶植物面积15570.9m2，河道沉水植物184048.8m2，覆盖率超过50%。河道生态浮岛挺水植物种植面积14000m2，浮叶植物1800m2，将显著改善河道水质与生态景观，对河道水质改善具有显著的促进作用。

(1)河道内挺水植物

依据前人及“九五”、“十五”期间国家水专项研究成果[12- 13]，挺水植物群落能拦截入湖河道径流夹带泥沙及其它陆源污染物的25%～62%；生长挺水植物群落的底泥中氮循环微生物数量均有大幅度增加，其中反硝化细菌数量分别是硝化细菌数量的10.69倍和8.24倍，反硝化作用强烈，能够显著提高氮素的去除能力。挺水植物群落能使水中的磷酸盐、有机氮、氨和悬浮物分别减少20%、60%、66%和30%。

挺水植物的去污能力以植物单位鲜重同化量计算，经核算，本次方案单位面积挺水植物每年综合去除总氮27.3g/m2，总磷为2.7g/m2。南通市中央创新区水系河道内沉水植物总种植面积为16641.6m2，每年可去除总氮27.3g/m2×16641.6m2=0.45t，总磷2.7g/m2×16641.6m2=0.04t。

(2)河道内沉水植物

根据南京地理与湖泊研究所相关专家在东太湖的研究成果[14- 16]，沉水植被每年可以从水体中去除总氮25.8g/m2，去除总磷2.70g/m2。据此，南通市中央创新区水系河道内沉水植物总种植面积为184048.8m2，每年可去除总氮25.8g/m2×184048.8m2=4.78t，总磷2.70g/m2×184048.8m2=0.50t。

(3)河道内生态浮岛

参照前面挺水植物去污能力的计算方法，核算生态浮岛去污能力。河道内生态浮岛每年可去除总氮27.3g/m2×78800=2.15t，总磷2.70g/m2×78800m2=0.21t。

4 结语

(1)综合河道内植物和生态浮床，合计每年去除氮磷分别是7.38、0.75t。根据河道污染削减量计算结果，中央创新区河道近期污染物TN、TP的削减量分别是10.46、1.37t/a，远期则分别是0.46、0.25t/a。基于目前水生态系统规划，参照国标GB3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅳ类功能区标准，经生态治理后远期河道水生植物对TP、TN的削减量大于远期所需削减量，能有效控制水体污染，对改善中央创新区水系生态环境有积极的促进作用；而近期，对TN、TP的削减量不足，因此对污染源进行源头控制(海绵措施)和过程控制(人工强化)是必要的。

(2)在行洪排涝为主的河道中，在保证过水断面的基础上进行水生植物布置，并考虑水位变动下的植物分布；在景观为主的河道中，以生态性好、观赏性佳的水生植物为主，配合水生动物和微生物的投放与养护，可建立平衡发展的水生态系统。本文的水生态系统构建方案与污染削减量计算可为类似闸控封闭水系的水生态系统构建与恢复提供参考。

(3)水生态的建设需与生态护岸和护岸缓冲带的建设相结合，保障水生态系统的环境基础不受破坏。本文仅对水域范围进行了研究，今后的研究应加入湿生、陆生植物对生态系统的作用。此外，在开展生态治理的同时，对水质及生物进行长期监测，可为中央创新区整体水环境整治提供科学的基础数据，为优化整治方案提供数据支撑。