南方山区河道生态治理设计典型问题探讨

陈家林

(北京中铁生态环境设计院有限公司，北京102600)

随着社会经济的发展和城镇化进程的加快，人类的生产生活行为所导致的环境污染问题越来越普遍，与人类生活息息相关的河道水环境也日益受到影响。我国从20世纪90年代开始对河流综合治理进行探索并取得了一定成果。2015年《水污染防治行动计划》(“水十条”)发布实施以来，各地的流域综合治理工作也迈入新阶段。近年来，随着河道治理工作的推进，河道治理技术逐步发展成熟，在众多河道治理措施中，生态治理措施优势明显，工程设计也积累了较多的经验[1-2]。

1 河道常用生态治理措施与适用条件

1.1 底泥疏浚

底泥疏浚是指清除水体的表层底泥，减小底泥中污染物的总量，控制污染物释放，以此改善水质的一种水体修复技术[3]。该技术在国外如荷兰的Geerplas湖、日本的手贺沼，国内如杭州西湖、安徽巢湖、大理洱海、昆明滇池等[4]生态治理中都取得了很大成效。底泥疏浚应用广泛，适用于多种水体，主要作为其他河道治理措施的辅助手段或者前置措施。但底泥疏浚通常工程量巨大，造价也较高，且要求疏浚深度合理，否则易破坏水体生态系统。

1.2 投加微生物制剂

微生物对污染物具有降解作用，当水体受到污染时，微生物的降解能力不足，需要人为创造条件强化其对污染物的降解。目前有两种途径，一是直接向污染水体中投加微生物菌剂或酶制剂；另一种是向污染水体投加微生物促生剂，促进水体中“土著”微生物的生长。微生物制剂主要应用于黑臭水体和高污染物浓度的水体内，原本的微生物活性受限或者微生物系统溃败的情况。但会有业主对微生物制剂的安全性持怀疑态度，不允许在备用水源地等敏感水体内应用。

1.3 生物膜技术

生物膜技术使微生物群体附着于某些载体的表面呈膜状，膜上的微生物通过与污水接触，截留、吸附或降解污染物，从而降低污水中污染物的含量。胡一珍等[5]对污染河道采用蜂窝陶瓷作为载体进行了生物修复，对COD和氨氮有良好的去除效果。曹蓉等[6]对污染河道采用软性填料作为载体，挂膜成功并取得了一定的处理效果。生物膜技术在日本的京都、韩国的良才川和泰国的河水净化中都有研究和应用，并且取得成效[7]。生物膜技术主要应用于中小河道、河道污染物浓度较低时，作为一个辅助治理手段，配合其他工程使用。

1.4 植物修复技术

植物修复技术主要通过水生植物吸收水体中的氮、磷等营养物和重金属，以及植物根系寄居的微生物对水中的有机污染物进行降解去除[8-9]。例如在污染河道中种植对重金属具有较强耐性和富集能力的“超富集植物”，可以将大量污染物迅速吸收和富集到植物体中，利用植物自身的主动运输作用运送到其地上部分。最后收割植物地上部分就可以将大量的重金属污染物从水中和底泥中带走，达到去除污染物、改善河道水质的效果。植物修复技术具有生态可持续、可恢复完整健康水生态系统、实现水域自净等优势，在生态治理工程中应用广泛。

1.5 人工湿地净化技术

人工湿地主要由人工基质和生长在其上的水生植物组成，利用基质填料、微生物、植物和水生动物之间的协同作用，通过一系列物理、化学、生物作用实现对水体中绝大部分有机物、重金属等有害物质的分解吸收，达到净化水体的目的。人工湿地的运行方式包括表面流湿地、水平潜流湿地和垂直流湿地，大量工程实践表明人工湿地对河道污染物能实现很好的去除效果[10-11]。人工湿地主要应用于污水处理厂尾水水质提标以及河湖水体的水质维持，对水质的提升效果明显，但人工湿地占地面积较大，需要单独协调用地，在实际应用过程中往往受到场地限制。

1.6 生态浮岛

生态浮岛是以水生植物群落为主体，根据物种间的共生关系，充分利用水体营养生态位和空间生态位的原则建立起来的人工生态系统。其利用植物根部的吸收、吸附作用和不同物种间的竞争机制，将水体中的氮、磷以及有机物作为自身营养物质利用，并最终通过对植物体的收获将其带离水体，达到净化水体的目的，对污染物的处理效果明显[12-13]。一般在城市河道、水体流速较慢，不具备在水体内进行植物修复的条件下，进行生态浮岛建设，在发挥净化作用的同时具有一定的景观效果，但由于生态浮岛规模受限，净化作用也相对有限。

2 项目概况

2.1 水环境概况

鹤市河支流河道宽度约为15 m，平均水深约为20～30 cm，河道流速约为0.5 m/s。河道两侧建设有垂直护岸，河道底质以泥沙为主，河道内有少量挺水植物；河道周边有大面积稻田，稻田退水通过沟渠排入河道内，河道周边还零星分布生活废水和畜禽养殖废水排口。

鹤市河干流河道宽度约为70 m，常水位水深约为50 cm，河道流速约为0.5 m/s，河道两侧已建设生态护岸。河道内大型水生植物较少，部分河段生长芦苇等挺水植物、沉水植物，河中有鲤鱼、草鱼等水生动物；河道内存在大面积滩地，滩地上杂草茂盛。鹤市河干流主要污染源为某污水处理厂尾水排口，尾水排放量为1.5×104m3/d，尾水污染物浓度限值：CODCr，40 mg/L；NH3-N，5 mg/L；TP，0.5 mg/L。

2.2 水质现状

鹤市河2018年水质在Ⅲ类和Ⅴ类之间，超标因子为CODCr、NH3-N和TP，其水质见表1。

表1 鹤市河2018年水质监测结果Tab.1 Monitoring results of water quality of Heshi River in 2018

2.3 设计目标

通过合理的治理措施，完善鹤市河支流和干流完整的水生态系统，恢复水体的自净能力，使鹤市河水质常年保持在Ⅲ类。

3 生态治理工程设计

3.1 设计构思

鹤市河支流主要污染物为农田面源和零星生活、养殖废水，在源头控制和过程阻断都不具备条件的前提下，只能通过末端强化治理的方式来实现预期目标，即选择在河道内通过生态治理措施来实现污染物降解的目的。鹤市河为山区河道，降雨后河水泥沙含量较大，并且南方多雨，河道内很容易堆积泥沙，设计时选择泥沙疏浚作为生态治理措施的首要步骤并且作为常态化管护措施。考虑到支流泥沙沉积会掩埋河道内挂膜载体，影响挂膜效率和净化效果，因此支流不考虑河道生物膜措施。其他微生物制剂、生态浮岛、人工湿地等措施在支流治理中不太适用，通过对比分析，优选植物修复技术作为支流的生态治理措施。

鹤市河干流主要污染源为1.5×104m3/d市政尾水，在污水处理厂自身不具备提标改造条件的前提下，通过生态治理措施的对比分析，首选采取人工湿地净化技术对尾水进行深度净化后再排入河道内，降低河道内的外源污染物负荷。

3.2 设计问题分析与优化处理

直接在支流河岸两侧种植水生植被时，在雨后流速过快的情况下，水生植被很容易被连根拔起，并且在河道弯曲段势必沉积大量泥沙，会掩埋水生植被。因此，采用单一的植物修复措施很难保证工程实施效果，影响植被修复功能的发挥。此外，河道常水位较低，大部分河段不具备沉水植被的生长条件。

基于以上问题，考虑在不影响河道行洪的前提下，在适当位置建设生态透水坝(图1)。设置生态透水坝能在上游形成一个缓冲区，通过延长水力停留时间，促进水中泥沙和营养盐的沉降。生态透水坝的拦蓄作用也提高了上游缓冲区常水位，为沉水植物提供了生长条件，从而很好地发挥水生植物的吸收、吸附等净化水质的作用。生态透水坝自身的滤料也具有快速渗滤作用，能进一步净化河水。

图1 生态透水坝Fig.1 Ecological permeable dam

在河道流速较快的河段，通过松木桩围护的方式，在河道两侧构建挺水植被种植池(图2)，防止河水对植被的冲刷，保证种植挺水植被的成活和生长，同时不影响水生植被对河道污染物降解作用的发挥。

在鹤市河干流段，污水处理厂尾水的水质净化措施优选垂直潜流湿地，但由于干流两侧遍布村镇及农田，不具备建设垂直流人工湿地的条件。基于以上分析，考虑利用河床内滩地，通过滩地改造(图3)，将河道原有的单槽流淌状态改造成多水路网状水系脉络，增加水生植被的种植，将河道滩地改造成大型的表流湿地，通过土壤-植被系统发挥河道水体污染物吸附、降解、吸收作用，达到水质净化的目的。

图2 挺水植物种植池Fig.2 Planting pool of emerged plant

同时，在不影响河道行洪的原则下，在滩地改造段下游建设橡胶坝(图4)，发挥拦蓄水效能，为上游湿地维持生态水位，为水生植物、水生动物营造良好的生境，使其更好地发挥生态净化作用，以达到水质净化的目的。

图3 滩地改造示意Fig.3 Reconstrcution of beach land

图4 橡胶坝意向图Fig.4 Concept image of rubber dam

3.3 工程效果

工程实施后，支流生态透水坝发挥了良好的缓流沉砂作用，河道两岸的植被也逐渐稳定生长，河道内整个生态系统逐渐趋于完善，稳定发挥了水体自净能力。干流河道内河滩地改造完成后，加上橡胶坝对水位的保持作用，逐渐形成大面积的自然湿地，水生植被茂盛；河道内局部也形成连续的氧化塘，在河道内植被微生物代谢、维管束植物、浮游生物，以及稀释、沉淀和絮凝等多方面的综合作用下，干流水质逐步提升，得到明显改善，如表2所示。目前鹤市河水质已维持在Ⅲ类水质标准，达到工程设计的水质目标。

表2 工程实施后鹤市河水质监测结果Tab.2 Monitoring results of water quality of Heshi River after the implementation of project

4 结语

河道治理是一个多专业交叉、系统性的工程，治理措施多样，其中生态治理措施以可持续、可循环的方式来实现水生态系统的健康营造，具有显著的优势。在多种生态治理措施的选择上，要充分考虑项目的特点，采取针对性强、效果明显、投资造价低的措施。在项目设计过程中，河道特征、污染源类别、场地条件、投资预算等多重因素可能使常规处理办法无法实施，及时调整设计思路，通过多重保障措施来保证原有设计愿景的实现成为设计的必然选择。