城市高度建成区河道生态补水治理方案研究

史 贵 君，仝 晓 辉，汪 银 龙，刘 晓 宁，张 永 宜

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710065； 2.西安中交环境工程有限公司，陕西 西安 710065)

随着城市的发展，人类对自然资源进行了大量的改造和开采，自然环境功能逐渐退化，城市环境已远远超过了它的环境容量与环境承载力。城市环境恶化中最为严重的就是水环境污染，水环境污染使得生态自然功能明显下降[1-3]。在城市高度建成区中，多数河道接收居民及工业排放的污水，此类河流径流量较小，河道水体主要依靠城区的降雨，降雨能增大河道径流，无雨则断流干枯，河道水体环境容量小、生态较脆弱[4]。河道水体流量不足往往会引起复氧和生态功能下降，导致水体黑臭，大大地降低了河道的生态功能[5]。

生态补水是治理城市黑臭水体的关键，许多河流通过生态补水进行河道生态治理修复。如英国将“最小可接受流量”作为河道生态补水总则，并通过最小流量生态补水治理了许多河流，韩国清溪川通过生态补水修复了河道生态功能[6]；国内也有许多生态补水治理河流的成功案例，如利用巢湖水对城市景观河道进行生态补水[7]、福州市台江区内河补水工程[8]、北京永定河生态补水工程[9]等。大量城市河道治理的成功案例表明，河道补水是城市水体污染治理的关键，是河道水质的长效保障措施[10]。然而，针对城市高度建成区河道生态补水的研究还相对较少。

本文以铁岗水库排洪河(铁排河)生态补水工程作为城市高度建成区河道治理修复的典型案例，以河道生态功能恢复为目标，因势利导，根据河道生态环境需水量、水质等指标，提出铁排河生态补水方案，以期为城市高度建成区河道的水体治理提供借鉴。

1 研究区概况

1.1 流域概况

铁排河位于深圳市西部的宝安区境内，处于城市高度建成区中，整个区域河流多而复杂(见图1)。河道以铁岗水库为起始，汇入珠江，河长8.05 km，河道流域总面积115.56 km2，上游水库总控制面积108 km2。河道上游地势东高西低，堤岸地面高程4.5～15.5 m，河床高程0.80～8.12 m，河宽10～15 m，河堤内地形平坦、起伏较小，多为直立浆砌石挡墙；河道下游属于海积平原地貌，地势东高西低，堤岸地面高程2.5～4.5 m，河床高程-0.5～0.8 m，河宽约20 m，河堤内地形平坦、起伏较小，多为复式断面堤岸。

铁排河缺乏自然水源补给，丰水期河道水源主要来自流域内降雨径流，枯水期河道基流较小，甚至断流。铁排河作为城区的主要排污通道，大量污水及垃圾排入河道，造成水环境严重恶化、水体重度黑臭。2017年起，深圳市开展了铁排河水环境综合整治工程，通过实施雨污分流、控源截污、生态补水及生态修复等措施，较大程度解决了水体污染问题。

图1 铁排河示意

1.2 水功能区及水质现状

根据《深圳市水功能区划报告》，铁排河流域内涉及两处水功能区，河道上游涉及铁岗水库水资源保护区，水质目标为Ⅲ类；河道终点为珠江河流，水质目标为V类。根据深圳市宝安区2015～2016年各季度的河流水质监测资料，铁排河现状水质污染非常严重，水质属于劣Ⅴ类，其中COD、BOD5、NH3-N及TP含量分别是地表Ⅴ类水标准的2.7,4.0,14.5倍及6.5倍，而溶解氧不足Ⅴ类水标准的1/6(见表1)。河道水体呈墨绿色；中游在城区漏排口的影响下，水体逐渐变为黄褐色且局部有黑色浮泥；下游及河口水质较差。总体来看，水体基本处于黑臭状态且表面有大量浮渣等污染物。

表1 2015～2016年各季度铁排河流水体水质指标

2 生态环境需水量及补水来源分析

2.1 生态环境需水量预测

根据相关研究，影响河流生态环境需水量的因素主要有河流形态、流域状况及外部环境等。因此，综合考虑铁排河的河道环境现状、沿岸排水情况以及集水区的划分，将河段分为两段：铁排河上游(铁岗水库至宝安大道段)和下游(宝安大道至入珠江口段)，其中下游主要为感潮河段，受珠江河水顶托现象严重。铁排河上、下河道信息见表2。

表2 铁排河上、下游河道特征信息

生态补水量的预测是河道补水的基础数据支撑。根据铁排河的污染现状，提出其生态补水量主要包含两个方面：① 河道生态环境修复及景观环境需水量；② 河道水体的蒸发及下渗等方面的需水量。河道总需水量[11]计算如下：

Q=max{Qb，Qe}+Qv+Qp

(1)

式中，Qb为基本生态需水量，其中Qb=λQ(λ为河道径流系数，Q为河道径流量)，采用水文学Tennant法计算河道基本生态需水量[12]，水体生物最低需水量为径流量的30%。Qe为景观环境需水量，借鉴景观工程补水量方法计算。Qv为蒸发需水量，其中Qv=A(E-P)，E>P；Qv=0，E

铁排河沿岸已全面截污且没有自然水源，河道基本丧失生态及自净功能。因此本研究基于铁排河现状，考虑将生态系统重建与自然净化能力恢复作为河道整治远期目标。综合考虑补水水质及河道水力停留时间，根据景观环境需水量计算方法[14]，以及GB/T 18921-2002 《城镇污水再生利用的景观环境用水水质》相关规定，最终确定再生水与雨水的停留时间为2 d和4 d。据式(1)和表2河道信息计算铁排河上、下游河段不同条件下的需水量,计算结果见表3。

表3 铁排河上、下游河段生态环境需水量

由表3可知，铁排河上游需水约为1.589万m3/d，下游需水约为2.516万m3/d。上游补水量较小，主要是因为河道较窄，两岸均为垂直硬质驳岸，只有河底部分为自然河道，其生态需水量相对较低；下游河道性质与上游刚好相反，其河道较为宽敞，两岸以草坡为主的自然河道，自然系统较为完善，生态需水量则相对较多。根据上、下游两段河道的生态、景观需水量的预测，对河道进行全面生态补水。

2.2 补水来源分析

近年来，已有学者对污水再生水、雨水的回用做了大量研究，为河流的生态补水工程提供了有效的科学依据[15]。因铁排河处于城市高度建成区中，所以水资源非常宝贵，根据流域内气候、地理及排水状况，在以铁岗水库最小下泄流量为基础的前提下，以固戍污水厂再生水及流域降雨作为河道生态补水水源。

2.2.1铁岗水库下泄流量分析

铁岗水库位于深圳高度建成区中，根据湿地调查，下游没有农业用地，两岸居民用水主要以城市给水厂供水为主，沿岸无其他用水。因此，最小下泄流量分析不再考虑灌溉及居民用水需求。

本文采用水文学Tennant法计算最小下泄流量，取多年平均流量的10%作为最小生态流量。统计分析铁岗水库水文站流量资料，得到铁排河年平均流量系列，计算出多年平均流量的10%约为0.14 m3/s，即日下泄量为1.2万/m3。

2.2.2再生水补水潜力分析

根据《深圳市宝安区再生水利用工程规划》(2008～2020)，固戍污水处理厂再生水近期规模为10.0万m3/d，远期规模为20.0万m3/d，目前，再生水主要用于咸水涌西乡河2条河流的景观用水与西乡街道、新安街道的市政杂用、工业回用，有富余。固戍污水厂深度处理设施及提升泵站均已建成，设计规模为24万m3/d，现状旱季再生水约15万～18万m3/d，通过泵站提升西乡河的总量仅有10万～11万m3/d，仍有4万～7万m3/d再生水直接排入海。因此，再生水资源充足，可满足铁排河的生态环境需水量。

2.2.3雨水补水潜力分析

铁排河流域经雨污分流整治后，目前流域内形成了100%的分流体制，为雨水的收集利用提供了良好条件。河道流域总汇水面积为116.30 km2，上游汇水面积为79.54 km2，下游汇水面积为36.76 km2，具有较大的雨水资源利用的潜力。雨水潜力资源量计算如下[16]：

Q=SHφαk

(2)

式中，Q为雨水资源量，万m3；S为汇水面积，km2；H为设计降雨量，mm；φ为综合径流系数，取0.67；α为季节折减系数，取0.85；k为初雨水弃流系数，取0.87[17]。

由于深圳市降雨主要集中在汛期，其中3～9月降水量占全年降水量的80.0%，因此计算只考虑3～9月份。另外，本研究以铁岗水库实测降雨量资料为准，选取近10 a月平均降雨量作为设计降雨量H，根据式(2)计算的雨水资源量如图2所示。

由图2可知，在不同月份内，铁排河流域内雨水资源量差异较大，雨水量主要集中在6，7，8三个月内，这3个月的上游雨水量满足基本生态用水，但不满足水环境的需水量；在所有月份中，下游的雨水量最高为0.703万m3/d，低于基本生态需水量。因此，铁排河需要常态补水，才能满足河道生态用水需求。

图2 铁排河上、下游河段雨水资源量

3 补水方案设计

根据对铁排河生态环境需水量、流域的污水厂再生水及雨水资源的潜力分析,可知河道需水量较大，雨水资源较少，不能够完全满足生态需水，但固戍污水厂的再生水资源潜力较大，完全可以满足铁排河生态补水。即在以铁岗水库最小下泄量为基础的前提下，总体补水来源为固戍污水处理厂再生水与流域降雨(见表4)，具体补水方案包括：

(1)以铁岗水库最小下泄生态水量为基础，将河道上、下游流域内雨水量及固戍污水厂的再生水作为生态环境需水的补水来源，且再生水为常态水源。

(2)为保证下泄生态流量，需在铁岗水库挡水坝内死水位以下1 m处设置下泄流量放水管。此外，还应在放水管出水处安装一套在线计量及视频监控设施，用于监控下泄流量情况，以维持和保障河段的生态用水。

(3)河道上游雨水资源较充足，所以主要以雨水作为生态补水，固戍污水厂再生水作为河道常态补水。利用现状已铺设到西乡河的广深高速桥下的DN1200补水管，从该管道末端西北向新铺设一条长为845 m的DN600管，至铁岗水库排洪河的溢洪道分洪闸下，在河道上游提供生态补水。

(4)河道下游雨水资源较少，补水来源主要为固戍污水厂再生水。利用宝安大道现有DN1200补水管道，从宝安大道补水管开始新建一条长为780 m的DN600管，至河道下游形成常态补水系统(见图3)。

图3 铁排河生态补水方案

表4 铁排河生态环境补水方案

4 方案分析

4.1 补水水源水质水量分析

在铁排河补水设计方案中，补水水质、水量的保障是工程的关键。根据铁排河现状及可利用水源分析，其补水来源主要为水库下泄水量、自然降雨和固戍污水厂的再生水，其中雨水作为间歇水源，下泄水量与固戍污水处理厂再生水作为常态水源。另外，铁排河处于城市中心，自身缺乏水质净化功能，补水水质将直接影响河道生态功能的修复。固戍污水处理厂再生水和汇水区径流污染应作为污染削减的重点对象。因此，补水方案应对水源采取相应的水质改善措施，保障河道补水水质达标。

4.1.1铁岗水库水质水量分析

铁岗水库正常蓄水位28.7 m，相应库容9 400万m3，设计水位28.80 m(100 a一遇)，对应库容9 570万m3；校核洪水位29.29 m(2 000 a一遇)，总库容为9 950 万m3。水库以防洪、调蓄、供水为主，是深圳市供水网络干线工程的终端水库，其库容量较大，水量充足，可以为铁排河不间断地提供下泄生态需水。另外铁岗水库作为一级保护水源地，目前水质为地表Ⅲ类水，各水质指标均满足河道补水要求(Ⅴ类)，可以直接排入河道作为生态需水。

4.1.2固戍污水厂再生水水质水量分析

固戍污水处理厂采用GB 18918-2002 《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，尾水中污染物浓度高于地表水Ⅴ类标准，COD、总氮及氨氮均超出标准的15%,30%及45%(见表5)。直接作为水源补水会加重河流污染，不利于河道水环境生态功能的恢复与提升，污水厂尾水需要进行深度处理。因此，固戍污水处理厂对其尾水经深度处理达到再生水标准后再进行排放利用。

经深度处理的再生水含有较低的污染物浓度，多数指标满足地表水Ⅴ类标准，但氮、磷营养盐指标仍然较高，再加上内源污染的影响，河道排入再生水仍然有轻度富营养化风险；另外，再生水中含有的重金属其他微量污染物等会在长期补给过程中不断积累，最终威胁水生生物及水环境系统[18]。因此，需在河流中采取一定的措施，对再生水进行进一步净化。例如，补水以跌水的形式进入河流，不仅能增加水体形态，而且能提高河流水动力和水体溶解氧含量；建设生态砾石床与植物碎石床对水质进行净化；适量投放本土优势水生生物及河底水下森林的建设，既能形成完善的生态系统又可以降低富营养化和重金属污染风险，以此来减小再生水对河流生态系统的负面影响，加强河道水环境生态的稳定性[19]。

表5 固戍污水处理厂尾水水质指标

4.1.3流域内雨水水质水量分析

利用雨水进行河道补水，最重要的是解决雨水水质水量的问题。降雨形成的径流会对地表污染物进行冲刷，经冲刷的污染物会随着径流汇入到河流，对水体造成污染[20]。根据相关规范要求，用于生态补水的雨水中COD和SS的含量应不超过30 mg/L和10 ml/L，因此对进入河流的雨水实施相应的水质改善措施。已有文献表明，径流污染物浓度主要集中在初期雨水中，但随着降雨过程的推移，污染物浓度逐渐降低，降雨后期径流水质逐步趋于稳定[21-23]。因此，雨水补水方案采取初雨弃流及调蓄净化等措施，以确保雨水符合生态补水水质要求。首先，在雨水管网末端设置初雨弃流装置，将初期雨水收集并排到市政排水管网中进行最终处理。根据GB 50014-2006 《室外排水设计规范》中雨水调蓄量规定，该方案将调蓄设计降雨量定为4 mm。其次，为保证入河雨水的水质，雨水经历生态净化后进行补水。包括生态过滤、雨水花园及生态砾石床等一体化水质深度净化系统(见图4)，该生态系统通过过滤、吸附及生物膜处理等措施，对雨水中的泥沙颗粒、有机污染物和无机盐进行了深度处理净化。

图4 铁排河雨水生态净化工艺流程

铁排河上游位于深圳市高度建成区中，建筑密集，可利用空间较小，不利于采用生态处理设施，故采用占地面积较小的初雨水集水池调蓄以及物化技术改善水质，依据GB 50400-2016 《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》，雨水处理采用的工艺为：初雨弃流池沉淀过滤补水。另外，上游部分河段岸线可利用空间不足5 m，且多为硬质河岸，不利于调蓄池建设，因此对该区域采用初雨弃流和后期雨水原位利用等措施，从而解决雨水径流入河污染水体的问题。

4.2 补水方案工程技术分析

铁排河流经深圳宝安城市中心，河流沿岸均为居民、商业及工业区域，整体水环境整治难度较大。补水方案设计遵循“少开挖、少扰民、高效率、高质量”的原则，确保工程如期保质保量完成。为此进行了以下几方面工程措施：① 保证下泄生态流量，在少开挖的前提下，以顶管的形式下放压力管，并安装在线计量及视频监控设施，确保下泄生态流量，维持和保障河段的生态用水。② 上游及下游的污水厂再生水补水均遵循“就近原则”，分别以西乡河和宝安大道补水管为基础，新建压力水管进行补水。③ 降雨作为间歇性水源，初雨水质较差，首先进行调蓄池蓄水，然后通过生态植草沟、生态砾石床等措施进行处理，最终排入到河道进行补水。根据计算及现场调研，3种补水水量和能够满足铁排河生态环境需水。

5 河道水环境治理效果分析

5.1 河道水质大幅改善

通过控源截污、清淤疏浚及生态补水三大工程综合治理后，铁排河河道水体水质得到了极大改善。河道全线的雨污分流及截污措施，阻碍了外源对河道的污染；清淤根治了河道内源污染；生态补水则提高了水体动力，大幅改善了水体水质。根据2019年7月的日水质监测数据知，河道水体溶解氧(DO)含量处于7～8 mg/L之间，平均为7.45 mg/L，远远超过Ⅴ类水质标准，另外NH3-N≤2 mg/L，COD≤20 mg/L，TN≤15 mg/L，均达到了地表Ⅴ类水质标准(见图5)。整体来看，河道水质较好，符合城市河流入海水质标准(Ⅴ类)，河道水体可以直接排放入到珠江。

图5 2019年7月河道水体DO,COD,TN及NH3-N日含量变化

5.2 河道生态修复与功能强化

河道的常态补水为生态环境、景观提供了永久的水源，有利于河道生态功能的恢复[24]。铁排河河道主要采取岸线控源截污、底泥疏浚及生态补水等措施，改善了水环境和强化河道的生态自净功能。在复式断面河道段，通过人为种植技术，以当地水生植物为主，合理配置分层植物栽植，形成有效的水底森林，修复并健全垂直水生植物群落，构建多元植被缓冲带来进一步净化河流水质在直立硬化河段。岸边增设了硬质护岸砌块，并在砌块中种植适量植物，包括紫花马樱丹、勒杜鹃、满天星及沿阶草等植物，使得硬质护岸更好地融入生态系统。在铁排河中下游宽度较大的河道段，构建了人工浮岛进行植物复氧，用以提高水体净化效率。上游河道硬化严重，水质较差，产淤较深，沿岸空间狭小，水生态环境相对薄弱，不宜进行机械开发和硬岸生态化，因此，通过堆石跌水、生态砾石床和植物碎石床措施改善水质，保障了水体生态环境稳定。

6 结 论

(1)铁排河生态补水潜力来源主要为铁岗水库水、流域内的雨水径流和固戍污水处理厂的再生水。上游雨水径流能够满足基本生态需水量，但不能满足生态环境需水；下游雨水径流量远小于基本生态需水量。因此，本次补水方案以水库下泄流量为前提，流域径流为间歇补水水源，固戍污水处理厂再生水作为常态水源。

(2)铁岗水库水和固戍污水处理厂再生水水质满足地表水Ⅴ类标准，可以直接进行河流生态补水。雨水径流污染严重，需要实施相应的水质改善措施。在可利用空间较大的铁排河下游河段，可采用生态过滤、雨水花园及生态砾石床等生态措施进行雨水水质净化；在上游建筑密集城区的河段，可采用初雨弃流与物化技术处理相结合的方式改善雨水水质，从源头对河道污染进行有效削减。

(3)铁排河生态环境系统极度脆弱，需要及时改善。在上游直立硬岸河段，设置台阶式生态砌块护坡，并种植适量景观植物；河道内铺设生态砾石床和植物碎石床进行水环境改善。在可利用空间较大的下游河段，构建人工浮岛进行植物复氧，分层栽种植物建设水下森林，同时投放适量优势水生动物，构建完整的水环境生态系统，保障了生态功能的稳定。