江苏省河道水生态环境治理关键技术和设备研究

谢 忱，丁 瑞，潘小保，柳 杨，蔡秋鹏，范子武

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210098)

江苏地处长江下游平原河网地区，经济发达，城市密布，河湖纵横，水域面积大，河道流量小、河网水体流动性差，水环境容量小，河流自净能力差[1]。随着工业化与城镇化的快速发展，城市河道被挤占，河网分割、水系畅通性差，城市河道淤积严重，外部污染日益增加，使得河道水环境污染日益加剧，水功能区达标率低，河道水体感官差[2]。城市河道水生态环境治理成为亟待解决的重要环境问题，因此有必要研究适用于江苏省河道的水生态环境治理技术和设备，以期为江苏省河道水生态环境治理提供借鉴。

1 江苏省城市河道特点与分类

1.1 江苏省城市河道特点

江苏跨江滨海，平原辽阔，水网密布，大小河道有100多万条[3]。水系分属长江、淮河两大流域，按习惯又将淮河流域分为淮河和沂沭泗两个水系，长江流域分为长江和太湖两个水系(流域)。江苏河道稠密，相互交织，纵横成网；海陆相邻，滩涂较大。主要河道将江海湖库连接起来，形成江苏水系的主要框架，如图1所示。

1.2 江苏省城市河道分类

1.2.1地貌类型

江苏地形以平原为主，平原面积7万km2，占江苏省面积的70%以上，比例居中国各省首位，主要由苏北平原、黄淮平原、江淮平原、滨海平原、长江三角洲平原组成。江苏地势低平，河湖较多，平原、水面所占比例占江苏省的90%以上，比例居中国各省首位。

江苏河道最常用的分类，依据流经的区域不同，将流经地势险峻、地形复杂的山区的河流称作山丘区河流；将流经地势平坦、土质疏松的冲积平原的河流称作平原河流。平原河流再细分为平原水网、圩区河流。江苏省河流以平原水网、圩区河流为主[4]。

1.2.2河网格局

河网格局与该地区的地质构造、地貌特征和发育历史有关，城市河网格局易受人类活动影响。随着历史变迁和城市化发展，每个城市形成了自己独特的河网格局特征。Leopold和Wolman[5]按照平面形态将河流划分为顺直河、曲流河、辫状河3种类型；Rust[6]根据河道分叉指数和弯曲度将上述3种河型补充成为顺直河、曲流河、辫状河及网状河4种类型。

江苏省典型城市河网格局类型如图2所示。苏州古城的河网格局主要呈现回字形，且在历史上，河网水系是受到园林设计的导向和影响；常熟市城区河网呈现环形辐射状，以古城区为核心，护城河、环城河、东环河为三环，通过青墩塘、白茆塘、耿泾塘、常浒河等十条大河与三环沟通，形成三环十射的水系格局，主干河道的分布格局也影响了内部圩区的划分，形成了18个小圩区；吴江松陵老城区河网呈现X型的交叉状；南通通城区河网受潮汐影响，是典型的强感潮型河网，随着外河水位变化，片区内水流往复、水位剧烈变化，潮汐增加了调度的难度，同时也带来了增流提质的契机。

图1 江苏省水系图

图2 典型城市河网格局示意图

1.2.3水质现状和污染物特征

根据2016、2017年江苏省水资源公报，2016年江苏省监测870条河流，1707个水质断面，控制河长19171km。全年综合评价结果，优于Ⅲ类水的断面770个，占45.1%，控制河长9552km，占49.8%。河长水质类别比例如图3所示。2017年江苏省监测904条河流，1765个水质断面，控制河长19991km。全年综合评价结果，优于Ⅲ类水的断面818个，占46.3%；控制河长10329km，占51.7%。河长水质类比比例如图4所示。2016、2017年江苏省河道主要超标项目均为氨氮、化学需氧量、五日生化需氧量。

2016年全省587个重点水功能区，监测553个，417个达标，达标率75.4% 。江苏各省辖市重点水功能区水质达标率如图5所示，除徐州、盐城外，达标率基本达到70%及以上；2017年全省监测587个重点水功能区，465个达标，达标率79.2%，比上年提高3.8个百分点；江苏省各省辖市重点水功能区水质达标率如图6所示，除连云港外达标率均达到70%以上。

图3 2016年江苏省河长水质类别占比

图4 2017年江苏省河长水质类别占比

2 城市河道活水畅流与水生态修复技术

依据江苏省河道河网格局、水质现状及水量丰裕程度等分类标准，结合具体河道面临的水环境问题，因地制宜确定活水畅流、生态修复等水环境治理技术。

图5 2016年江苏省各省辖市重点水功能区达标率图

图6 2017年江苏省各省辖市重点水功能区达标率图

图7 各城区多源供水活水畅流示意图

2.1 丰水型城市河道

对于丰水型城市河道，应该因地制宜，寻找多处优质水源，尽可能地提高水源保障能力，进行引水和活水畅流，加强水体交换，提高水体溶解氧和其自净能力，从而提高水环境容量，改善水环境。该项技术在常州、无锡、苏州、常熟、上海得到了有效利用[7- 10]。常州主城区利用德胜河、澡港河双源供水；无锡城区利用长江、太湖双源供水；苏州中心城区利用西塘河、阳澄西湖双源供水；常熟城区利用海洋泾、山前塘双源供水；上海淀北片利用黄浦江、苏州河、淀浦河趁潮引水。如图7所示。

同时丰水型城市河道往往水系密布，水位差小，水体流动性差，引水时常常面临水从骨干河道流走而难以惠及中小河道的局面，因此需要根据不同水系河网格局，寻找河网关键控制节点，利用控导工程人工重构水位差，调节河道流量和水位，从而实现水位水量按需分配、精准控制的畅流活水格局，达到精细化、高效化配水的目标。

2.2 水质型缺水城市河道

对于水质型缺水城市河道，由于其河道水质较差，宜采取人工湿地、强化净化、水生生物生境恢复、一体化处理设备、高压灭藻等工艺，对高含沙、高含藻或有其他水质问题的水源进行处理后作为清洁水源。

2.2.1垂直流人工湿地水质净化技术

垂直流人工湿地从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直流人工湿地由于其独特的结构和水流方式，使得其脱氮、除磷能力显著高于其它人工湿地形式。有投资小，运行维护费用低，出水水质好，抗冲击能力强，操作简单和美化环境等优点[11]。

垂直流人工湿地净化技术在苏州宝带桥-澹台湖景区水环境整治提升工程中得到了充分的应用。采用高效垂直流人工湿地处理运河补水，有效净化水中悬浮物和氮磷污染物等，净化输入补水水源，优质出水作为澹台湖和玳玳河的清水水源，提升澹台湖和玳玳河水环境，促进水体流动。

2.2.2河道强化净化技术

主要是利用引水泵站从水源处提水，通过在引水泵站出水段投加混凝剂，利用水泵叶轮高速转动，实现混凝剂与河水的快速混合，经天然河道净化处理，在内河上完成沉淀过程，最后悬浮物含量降低，水体清澈透明，感官指标得到有效改善。

2.2.3水生生物生境恢复技术

水域生态系统中生产者(水生植物)、消费者(水生动物等)、分解者(微生物)的平衡配置是实现富营养化水体生态修复的关键。水生生物生境恢复技术以大型浮游动物为先锋，通过大型浮游动物摄食消化水体中的藻类、有机颗粒和悬浮物，同时产生弱酸性的排泄物，进一步抑制水体藻类的生长，再配以水生植物，构建水下草皮，恢复水域生产者群落，实现自然界生态食物链的基层建设[12]。此外，投加一定比例的初级、高级消费者对植物生物量进行控制，调控整个生态系统中各组成成分，保证生态平衡，最终形成自稳型生态系统，恢复水域正常自我净化能力。

2.3 水量型缺水城市河道

对于水量型缺水城市河道，宜采用中水回用、雨水截留、活水自循环等方式[13]，江苏省大部分城市河道水量丰沛，但可以借鉴部分措施，达到节约水资源、提高水体利用率和水源保障率的目的。

3 城市河道水环境治理设备

3.1 装配式景观溢流堰

装配式景观溢流堰考虑近期与远期、临时与永久相结合，兼顾美观需求，采用活动可调节形式，通过调节堰顶高程，汛期可降低堰顶高程排水，水质提升调度可调节水位，能满足汛期防洪排涝与水环境调度需求。溢流堰设计靠近河岸两侧用挡水钢板桩，河道中间布置可调节的活动溢流堰，底部布置集装箱，将溢流堰的液压启闭等装置布置在集装箱中。如图8所示。该装置适用于宽度30m左右的城市中小河道，箱体可升降范围2m左右。

溢流堰采用钢板桩+活动升降门的组合，在活动升降门的上游侧，可布置一排钢板桩，加固活动升降门的门体，钢板桩高度与门库内闸门未顶升时的高度一致，提高活动升降门的整体稳定性。活动升降门门槽高度与河道两侧钢板桩高度一致，门库内闸门顶升到位后与门槽、钢板桩高程一致，在需要调节水位时，可通过控制箱自动降低门库内闸门的顶升高度，从而实现调节围堰挡水高度的功能。

图8 装配式活动溢流堰设计图

图9 装配式活动溢流堰现场图

装配式景观溢流堰可快速安装和拆卸，安装周期从普通的水闸安装90～180d缩短为1～2d，同时采用可升降调节的型式，可快速实现水位自由调节，用于形成梯级水位差，保持水体持续流动，形成瀑布的跌水景观；在溢流堰两侧布设绿化，与周围护岸景观融为一体，更加贴近自然，达到较好的景观效果。该装置全国首创，价格低、工期短、见效快、需求广，易于复制推广。如图9所示。

装配式景观溢流堰成功应用于两届进博会水质提升工程[14]，工程布局如图 10所示。通过在布置徐灵路溢流堰、谢卫路溢流堰、徐泾江溢流堰等三座溢流堰，在进博会研究区域内实现水体封闭和梯级水位，促使内部水体有序循环，水量精准按需配置。通过精细化数学模型模拟预测以及现场原型观测调试，控制80%水量在重点区内循环流动，20%水量惠及延展区，营造有序流动的水系格局。

图10 进博会活水自循环工程布置图

3.2 一体化处理设备

一体化处理设备有超磁分离水体净化技术、膜技术等[15]。其中超磁分离水体净化技术技术是将河道的水引入至于河道岸边的“超磁分离成套净化设备”，河水进入超磁净化分离机后，利用超磁分离机产生的高磁场，实现污泥与水体的快速分离，干净的水体直接回到河道的另一端，使水体在河道内自然形成循环，磁盘吸附上来的泥输送到超磁分离机污泥处理设备，压制成泥饼后外运处理。

图11 无锡水环境联控联调平台界面

膜技术如RD-F系列一体化污水处理设备，利用铁基质生物耦合填料强化接触氧化反应，填料内零价铁、炭形成微电解原电池，通过与微生物的协同作用，实现含氮有机物的短程硝化和反硝化；动态膜系统池内设置PTFE平板微滤膜组件，在负压作用下，悬浮物被膜截留在表面，清水透过膜输送至清水池。

由于一体化处理设备一般处理能力较小，且耗能大、成本高，一般常态化使用较少，而更多用于水环境应急情况，如杭州G20峰会生活污水处理项目、深圳坪山三洋湖排洪渠污水处理项目等。

3.3 高压灭藻设备

在水体中收集打捞蓝藻，并利用深潜式高压控藻成套设备对藻水进行加压处理，压力达到0.7MPa。经过加压后的蓝藻细胞活性降低，其囊团破裂，会下沉至水体底部，自然消亡，抑制蓝藻的快速繁殖，从而起到控制水体蓝藻大面积爆发的作用[16- 18]。

深潜式高压控藻成套设备的工作原理主要依靠压力降低蓝藻细胞活性，主要功能是收集打捞水体中的蓝藻，将藻水导流流入70m深井，利用深井产生的0.7MPa自然压力进行加压处理，经过加压后的蓝藻细胞活性降低，其囊团破裂，会下沉至水体底部，自然消亡，抑制蓝藻的快速繁殖，从而起到控制水体蓝藻大面积暴发的作用，该技术在太湖、巢湖、星云湖等呵护水环境治理中均得到成功应用。

3.4 水环境联控联调系统

针对目前平原河网区城市日常调度主要依赖人工调度，决策主要依靠调度人员经验，水环境调度不精准，很难充分发挥水动力调控对水环境的改善作用等问题，为实现城市河网水质提升智慧化运行，需要建设全覆盖、全要素立体监测预警、调度和智能决策的联控联调系统，实现智慧水务服务。

联控联调平台基于通信网络及信息交换平台，利用先进的传感器技术、计算机测控技术、自动化控制技术、视频监控技术、现代通信技术、数学模型技术、GIS技术、大数据分析、云平台等技术建成一个以城区活水为中心的“先进实用、安全可靠”的智能平台，系统构架主要包括监测站点层、支撑平台层和业务应用层。

监测站点层采用物联网感知技术，建设统一的水位、流量、水质、工情、视频监测站网，并采用远程控制技术，并根据畅流活水的功能需要，对新建工程和原有闸站工程进行远程控制，增加调控手段；支撑平台层按照技术统一、架构平台统一的总体要求，建立集统一数据库、统一用户管理、统一认证服务、统一安全保护、统一平台展示的应用支撑平台，以城市河网水文-水动力数值模型为核心，关联物联网监测数据，结合水利工程远程控制，实现区域工程调度优化；业务应用层面向用户，提供可视化的界面实现用户的业务流程，包括信息查询、实时监测、预报预警、工程调度等应用业务。

水环境联控联调系统研究成果在苏州、无锡、上海等多个城市得到应用[19]，如图11所示。实现了智能化精准调度代替人工调度，预报精度和预见期大幅提升，水位调控精度误差降低至厘米级，水动力调度响应时间由现状条件下的人工操作调度优化至智能化调度，有效地提升了城市防汛、排涝、水环境治理工作的现代化管理水平和科学决策能力。

4 结语

江苏省城市密布，河湖纵横，水域面积大，河道流量小、河网水体流动性差，水环境容量小，同时闸泵众多，调控困难。但是由于经济发达，工业化与城镇化的快速发展，城市入河污染负荷日益加剧，水功能区达标率低，河道水体感官差。本文针对江苏省城市河道特点，对江苏省城市河道进行分类，并按照丰水型城市河道、水质型缺水城市河道、水量型缺水城市河道的分类分别介绍相适应的河道治理技术，最后介绍了装配式景观溢流堰、一体化处理设备、高压灭藻设备、水环境联控联调系统等水环境治理设备，以期为江苏省河道水生态环境治理提供借鉴。