内河挖入式港池水体富营养化治理技术*

刘明潇，刘琴琴,陈 建,张东立,张金榜，段传奇

4.河南水利投资集团有限公司，河南 郑州 450002)

随着社会经济与交通运输业的快速发展，一些大型内河港口年货运量超过千万吨。内河水运给人们带来丰厚经济效益与便捷的同时,港池区域水质也承担着巨大的环境压力。所以必须重视港航工程区域内的水环境保护及高质量发展问题。绿色港口建设必须是以维持水环境生态平衡、促进水生态文明建设为前提的可持续发展。挖入式港池水体相对稳定，水深一般不大，水流流速较小，水体交换非常缓慢，所以很容易产生水体富营养化问题，影响港池内的水质与水环境景观，这是具有普遍性的内河港口水环境问题。

与人类活动关系密切的水域污染多是因水体中的氮(N)、磷(P)含量过高而引起的水体富营养化[1]。世界各国学者对富营养化治理提出许多方法[2-4]：吴雪洁[5]提出采用清淤、清障措施，利用水系连通与构建水生植物群落等方法除污净水；卜久贺[6]提出各具特色的除藻剂法、混凝沉淀法、化学氧化法、非氧化型化学法等化学方法识别富营养化程度；李桂荣[7]通过试验研究，开发了EPRC(efficient phosphorus removal composite)，发现该复合材料对于污水中的磷具有明显的去除效果。也有人提出生物治理措施及生态治理技术，通过在水体中设置净化植物来吸收水中营养物质、降低水体的营养化程度。该技术在上海黄浦江两岸的治理中大量使用并取得很好的效果。针对挖入式港池[8-10]的边界与水质特征开展的诸如与水环境相关的水动力特性与泥沙淤积特性等研究较少，只有林俊龙[11]对某挖入式港池的回淤分析建立了二维潮流泥沙模型，但是并未涉及如何处理挖入式港池内水体富营养化，因此对挖入式港池中水体富营养化治理进行研究非常必要。

笔者针对挖入式港池边界条件、水体特性及工作环境，分析港池内水体富营养化产生的原因及特点；提出兼顾水体治理与景观效应的生态浮岛治理水体富营养化理念，通过在港池回旋水域外局部静水区域投放小型生态浮岛，配置高效吸收水体富养化的水生植物种植方案，并针对治理效率进行方案优化。同时，以某内河港池为例，提出生态浮岛治理水体富营养化的工程技术与费用估算。结果表明,合理配置生态浮岛能有效控制水体富营养化、改善水质并营造港池绿色景观。

1 港区内水体富营养化产生的原因和特点

1.1 富营养化产生的原因

近年来，随着集装箱航运业务的发展，内河港业务量大幅增加，进出港船舶数量和出入频率均成倍增长，给港口周边水生态环境带来巨大压力[12]。许多内河港挖入式港池因内部水体不流动，污染负荷增加，水体富营养化造成水质恶化，有些港池水环境污染严重(图1)。

图1 某内河港池内水体富营养化污染现状

港池内水体富营养化产生的原因如下：1)挖入式港池的边界条件造成水体的连通性弱、流速低。矩形港池内有4个边角属死水区，水体流动性更弱。这些都会引起不同程度的水环境污染。2)港口吞吐量大时，进出船舶很多，船舶排放的油类、毒性有害物质、船舶垃圾、船上生活废水等有大量富营养物质排入港池，进入港池边壁四角死水区后，水体流动更缓慢，特别容易促进藻类等微生物的滋生繁殖，再加上非冬季高温天气促使微生物生长，从而导致许多挖入式港池内普遍存在蓝藻爆发、水体富营养化污染。

1.2 港池内水环境特点及生态影响

内河航道的挖入式港池边界条件决定了自身水环境特征：半封闭、流速较小、水体交换很慢。因为与河流毗邻，河流泥沙等一些悬浮物质还会因侧向环流卷吸作用和异重流侧向潜入作用进入港池，造成港池淤积和水质变差。如果采用现有常用的河道内水体富营养化治理方法(底部种植水草)，则水草根部吸收底泥里的营养物质，而非水体内的营养物质。另外，水草在底部难以清除，水草腐烂后会增加水体中的营养物质。采用传统的漂浮水葫芦法治理水体富营养化虽然很好，但它吸收完水中营养物质后必须被及时清走，否则会四处漂浮生长，影响港池安全运行。

如果不及时治理港池内的富营养化，则水生植物蔓延必然对船舶进出、停靠造成阻碍，影响进出港作业效率，同时破坏港区水生态环境。如今国家大力提倡发展临港产业，港口码头附近形成的产业聚集区已不单是生产经营场所，而是区域生态的有机组成部分，是城镇绿色发展的名片。特别是围绕港口发展的工业区、服务区、行政区，逐步成长为区域产业、经济文化活动中心。港池水体富营养化造成的水质恶化及景观丑化，都是绿色港区发展的制约因素，因此有效治理港池内水体的富营养化，是绿色港区建设的水环境保障基础。

2 港池内水体富营养化解决措施

2.1 生态浮岛技术

用净化植物来吸收水中的营养物质、降低水体营养化程度的生物治理技术是目前一种生态治污措施。要解决港池死角区富营养化污染，必须能够灵活控制治污处理范围，方便施放与回收，同时与港区整体环境协调一致，符合生态文明建设要求。生态浮岛便是可以满足上述要求的新型治污技术。

生态浮岛是一种针对富营养化的水质、利用生态工学原理来降解水中COD、氮、磷的人工浮岛[13-14](图2)。生态浮岛上栽种的净水植物通常有草木犀、白三叶、夏枯草、黄花鸢尾以及野薄荷等，它们能使水体透明度大幅度提高，同时改善水质，特别是对藻类有很好的抑制效果。生态浮岛最主要的功效是利用植物的根系吸收水中的富营养化物质，例如总磷、氨氮、有机物等，使得水体的营养得到转移，减轻水体由于封闭或自循环不足带来的水体腥臭、富营养化等危害。

图2 人工浮岛

采用与景观相结合的生态浮岛技术，在解决港区挖入式港池内部水体富营养化污染问题的同时，兼顾美化港池水环境，凸显绿色港区的建设理念与特色。

2.2 生态浮岛布置及植物种类

2.2.1尺寸与布置

生态浮岛的尺寸应根据处理水体富营养化的特点和范围灵活决定，为方便使用，一般不宜太大。为解决港池死角的水体富营养化问题，生态浮岛的单体面积可以选择4～6 m2,覆盖处理水面的25%～30%；同时，从景观学角度考虑，生态浮岛布设位置应在视角10°～20°范围内，美化港池。

2.2.2植物种类

净水植物是实现富营养化治理的基本手段，必须根据水体的富营养化特点，选择针对性植物种类。对于低浓度氮磷的富营养化水质，适宜的净水植物有菖蒲、草木犀、白三叶等；对于中等或较高氮磷的富营养化水质，适宜的净水植物有夏枯草、黄花鸢尾以及野薄荷等，它们对这种水质有较好的净化功能(图3)。具有吸收营养物质能力的常见水生植物见表1。

表1 净化水质植物种类及费用

注:pH、pX、pY、 pC、pYZ、pZ分别代表黄花鸢尾、夏枯草、野薄荷、菖蒲、燕子花和泽泻的价格。

图3 净水植物

2.3 生态浮岛的特点

生态浮岛具有净化水质、美化水面景观、提供水生生物栖息空间及美化港区环境等多种功能。其特点如下:

1)尺寸可大可小，形状可以根据水域特点设计，灵活多样；

2)易于标准化制作，价格适中，方便运输、施放与回收更换；

3)无须专人管理，只须定期清理或更换水生植物，减少水污染处理的设备投资，大大节省维护保养费和设备的运行费用等；

4)不但可对港池内水环境进行优化治理，同时也是绿色港区生态文明建设的景观组成部分。

2.4 生态浮岛处理水体富营养化的费用

2.4.1生态浮岛制作费用

现今常用的人工浮岛有干式和湿式2种，港池内宜采用水和植物接触的湿式浮岛。一般要求港池内浮岛可拆卸，便于在港池死角区安置。常见的平面结构为9盆栽网孔，费用为65～95元/m2,市场也可根据需求，灵活确定浮岛规格、面积与栽种要求，此时费用会适当提高。

2.4.2净水植物费用

能够吸收氨(-NH+3)、氮(N)、磷(P)和降低COD、TN，并有一定耐盐碱能力的水生植物[15-16]的可选种类及按目前市场价格给出的费用见表1。为兼顾水面景观多样化效果与水体清洁的治污需求，可以采用不同的植物配置方案。表2给出适用于挖入式港池富营养化治理的不同生物配置方案及费用。

表2 生态浮岛水生植物种植方案对比及费用

续表2

方案种植方案(9孔∕m2式浮岛)费用估算工程造价∕(元·m-2)适用环境∕功能方案3黄花鸢尾(2)+黄花鸢尾(2)+菖蒲(2)+菖蒲(2)+燕子花(2)+燕子花(2)+燕子花(2)+泽泻(2)+泽泻(2)pH×4+pYZ×6+pC×4+pZ×492.4富营养化水体∕净化水环境,降低氨、氮、磷、COD方案4黄花鸢尾(2)pH×2×992.0富营养化水体∕去除氨、氮、磷,净化水质方案5菖蒲(2)PC×2×992.0富营养化水体∕降低COD、TP,净化水质方案6泽泻(2)PZ×2×993.8富营养化水体∕设计花型,降低COD,净化水质

注：1.浮岛采用9孔/m2的形式，在9孔中分别种植两株不同植株例如泽泻(2)，以上同理；2.费用估算中公式说明见表1注。

2.4.3方案优化

表2中所列生物浮岛都可以净化水质，但各有所长。合理选择种植方案，会提高生态浮岛净化效果，节约净化费用。对大量港池资料进行分析发现，内河航道港池内水体的常见富营养化指标主要为氨氮、总磷、COD、TN等，特别是总磷和氨氮含量高。分析表2各方案特点及费用可以看出，种植方案2比较适应现状内河港池水环境条件，浮岛的水生生物学特性良好、物种多样性较强，具备吸收港池内水体常见富养成分的能力；另外，该方案浮岛植物种类较为丰富，植物多样性不仅有利于水体快速多层次净化，而且多种植物搭配种也具有较好的观赏性，符合生态水工美学要求。这种方混搭型植物生态浮岛可以很好地兼顾水体美观与水体清洁功效，且性价比较高。某内河港口港池内选择方案2进行了生态浮岛的布设，每个港池放置4个生态浮岛，经过6～10个月的应用，水质大大改善(表3)；生态浮岛也改善了港池整体水环境质量，适应绿色港区的总体发展建设需求。

表3 采用生态浮岛治理前后水质指标对比

3 工程实例

3.1 工程及水环境概况

某内河港口在内河运输中地理位置优越，该港口以下89 km航道常年通航，航道规划等级为3级。由于航道所在河流水源充沛，航道断面具有窄深的特点，加上船闸枢纽的联合运用，现航道通航能力可达2 000吨级以上。港口共有5个挖入式港池，其中2个港池、12个千吨级泊位已建成运营，具备年吞吐量1 300万t以上的货物周转能力，目前正通过多式联运改造与绿色港区建设来提升港口发展水平。

港池平面形态均为矩形(120 m×80 m)，混凝土边壁，水深6～7 m；港池可以停泊千吨级船舶(一般宽8～12 m，长30～50 m)12艘。港池水体几乎不流动，与河道水体交换十分缓慢。随着码头货运量的快速增长，码头运营作业及周边水环境影响使得近年来港池内水质下降，死角区不同程度地出现富营养化问题，影响港区水环境质量与港区形象。

3.2 方案设计及费用

3.2.1水环境治理方案

为解决港池内水环境的富营养化污染问题，同时又不影响港池内正常运行，决定采用生态浮岛技术进行港池水污染治理。根据港池空间特征及水环境污染特点，确定浮岛布置方案。在全部停泊方位以外的港池4个角落各放置1个生态浮岛(图4)，生态浮岛单体面积为4～6 m2；平面形态设计为3种类型：矩形平面2 m×(2～3)m，圆形或扇形(直径2.0～3.0 m)；覆盖死角区水域面积的25%～30%。生态浮岛的种植类型有2大类：基于“四角区分”的原则，靠近港池内部的2个角按方案2布置，为4种搭配型水生植物；靠近港池前沿的2个角按方案4、5布置，为单一水生植物。总体上，浮岛植物高低错落有致、具有较好的观赏性，性价比较高。

图4 港区生态浮岛平面布置

3.2.2治理费用

以单个港池水体富营养化治理工程费用估算：按最大停泊方案停靠千顿级船50 m×12 m考虑，在港池内4个角落各布置1个浮岛。按圆形面计，浮岛区总面积28 m2。按方案2(混合水生植物)计，以目前市场价估算，4个生态浮岛制作费用约3 000元左右；再加上浮岛植物日常维护及人工费用，2个正在运行的港池生态浮岛的综合年费用约3.0万元；如果按5个港池全运行考虑，综合年费用约6.5万元。

3.3 水体富营养化治理初步成果

在港池4个角落布置混合生态浮岛，生态浮岛上种植夏枯草、黄花鸢尾、菖蒲、泽泻，在码头前沿非泊船区种植单一水生植物黄花鸢尾或菖蒲等。在人工机械协同处理水中藻类浮游物体后，进行生态浮岛种植布置。水生植物从种植幼苗到完全茂盛须经历5个月的时间，在此期间吸收水中N、P等物质，降低COD。从布置在港池内的生态浮岛治理前后效果对比(图5)看，生态浮岛治理后不再出现藻类浮游植物，水质得到提高，水污染状况得到初步改善。

图5 生态浮岛治理前后港池环境对比

4 结论

1)生态浮岛技术是一种比较适合港区水环境特点与生态文明建设理念的港池富营养化治理方法。

2)对某内河港池进行水环境富营养化治理方案研究，设计了采用不影响码头作业的生态浮岛净化处理方案，采用混合种植模式(植配夏枯草、黄花鸢尾、菖蒲、泽泻)、“四角区分”方法，兼顾水体景观又可有效去除水体富营养化，具有治理效果好和性价比高的优点。生态浮岛技术用于应对挖入式港池水体富营养化治理已初见成效。