海绵城市建设中的黑臭水体长效治理案例分析

章智勇，司马勤，聂俊英

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

近年来，随着城镇化进程的加剧，人类活动排放污染物超过自然水体纳污能力，出现水体黑臭现象[1]。黑臭水体是全国范围普遍存在的环境问题[2]，各地黑臭水体的成因多样，主要由人类向水体中过度排放污染物、水体动力不足、底泥长期沉积腐败等因素引起[3-4]。黑臭水体的生态已破坏，水体周边空气中氨氮、硫化氢等臭气浓度大[4]，对周边民众的健康不利。黑臭水体治理是一个复杂的系统工程，黑臭水体治理技术手段主要分为：控源截污技术、内源治理技术、生态修复技术、活水循环等技术[5]。

南湖位于池州市老城区以南，南湖黑臭水体治理项目是池州市海绵城市水环境综合整治PPP项目中的一个工程子项，该工程主要目的为结合海绵城市工程，系统性解决南湖黑臭水体问题。

1 项目概况

南湖水体定位为生态湿地及景观水体，南湖常水位为7.6 m，平均水深为0.6 m，湖内人工岛众多，是周边市民主要的休闲观景场所。

1.1 区位分析

南湖周边为市政道路及住宅小区，南湖北侧为石城大道，毗邻池州主城区和谐片区；东侧为齐山大道；西侧为长江南路，毗邻新建高档住宅地块；南侧为青通路，毗邻新建高档住宅地块。

1.2 水系概况

南湖占地面积约为0.77 km2，水域面积约为0.25 km2，南湖上游依次为月亮湖及平天湖，如图1所示。月亮湖及平天湖水质为Ⅲ类水，平天湖排水闸门开启能为月亮湖南湖补水；南湖下游为清溪河；南湖内部绣春河连接月亮湖和清溪河，将南湖湿地公园分为南北两半。南湖东南方向齐山湖与南湖存在涵管相连，齐山湖水质为Ⅳ类水。

图1 南湖水系连接图Fig.1 Connection Diagram of Nanhu Lake Water System

1.3 水质及泥质检测

治理前由第三方对南湖水质及底泥泥质进行检测分析，检测结果如表1和表2所示，南湖水体属于重度黑臭，底泥中有机质含量高。

表1 南湖水质检测结果Tab.1 Water Quality Test Results of Nanhu Lake

表2 南湖泥质检测结果Tab.2 Sediment Test Results of Nanhu Lake

2 黑臭成因分析

2.1 外源污染分析

南湖作为城市片区雨水的受纳水体，南湖北部和南部均设片区雨水排口，南湖东侧的齐山大道存在雨水散排情况，初期雨水污染是南湖水体污染源之一；西侧的长江南路设DN800雨水出水口，其上游管网存在雨污混接情况；南侧的青通路局部污水管线塌陷导致污水溢流进入湖体。

2.2 水草腐烂及藻类繁殖分析

南湖水域面积被水草覆盖，水面生长大量满江红等藻类。水草未及时收割在水体内腐烂,使得南湖水质恶化；藻类无节制生长，分泌藻毒素威胁生态系统安全，水体溶解氧含量低,引起水生动物死亡。

2.3 底泥污染分析

南湖处于月亮湖下游，湖内人工岛众多，上游来水冲刷泥沙容易在此淤积，该部分淤泥有机质含量较低；水生植物腐烂在湖底沉积，产生淤泥有机质含量高。南湖泥质检测数据显示，南湖底泥中有机质、氮、磷、铁、锰和有效硫等物质含量较高。有机物在降解过程中不断消耗水中溶解氧，有机物含量过高，容易形成缺氧、甚至厌氧环境。兼性厌氧微生物分解复杂有机物，产生的小分子有机物质可以作为电子受体，参与硫酸盐和铁(锰)等氧化物的还原反应。沉积物中的Fe、Mn等物质与还原态的硫结合，在挥发性有机物等作用下上浮进入上覆水中，形成大量黑臭物质[6]。氧化还原电位低于-150 mV时，水体容易产生致黑物质[7]。

2.4 水动力分析

南湖湖体内人工岛众多，人工岛将南湖水体分割出湿地浅滩，水体流动性差。温度合适时，藻类繁殖速度快，阻碍水面的自然富氧，进一步加剧水质恶化。

3 治理方案

3.1 外源治理

南湖外源污染范围如图2所示，南湖东部齐山大道的初期雨水污染通过海绵改造基本消除，在道路两侧的海绵设施主要有生态沟渠、雨水花园、湿塘，齐山大道海绵改造完成后达到年径流总量控制率为83%，SS总量去除率为50%的目标[8]；南湖西侧长江南路也同期进行精品道路工程改造，改造时对雨污混接情况进行整改，在道路两侧增加雨水花园等海绵设置，减小道路初期雨水污染对环境的影响，实现年径流总量控制率为75%，SS总量去除率为40%的目标。

图2 南湖外源污染范围示意图Fig.2 Schematic Diagram of Scope of External Pollution in Nanhu Lake

南湖南部为新建居住地块，雨污分流彻底，在南湖南部雨水排口处设置调蓄容积为1 000 m3的湿塘，对应控制南湖南部汇水面积内5 mm的初期雨水径流量，同时在湿塘出口端设置1 700 m2的表面流人工湿地，对湿塘出水及周边道路雨水进行处理后排入湖体，进一步降低外源排口对湖体水质的影响；对青通路塌陷污水管线进行修复，将片区污水接入齐山大道市政污水干管，解决污水排放问题。

南湖北部和谐片区雨水汇水面积约为0.420 6 km2，和谐片区小区属于海绵城市改造范围，改造完成后实现径流总量控制率为75%，SS总量去除率为40%的目标。部分小区不适宜设置源头海绵设施，在南湖北部设置调蓄量为5 000 m3的湿塘，结合源头海绵设施对汇水面积内雨水进行控制，减轻初期雨水污染对湖体水质的影响。在湿塘末端设置1 000 m2的潜流湿地及1 800 m2的表面流人工湿地，对湿塘出水进行处理；人工湿地在枯水期可以对南湖水体进行净化处理，进一步提升南湖水质，同时可以提升水动力。

3.2 内源处理

南湖湖体内有机质含量高，且硫铁化合物、植物残渣等致黑物质含量高。根据检测情况对南湖底泥进行清淤，解决底泥污染物释放导致水质恶化的问题，将清淤底泥进行堆置，堆泥区四周利用现状地形或增设袋装土围堰围挡，淤泥稳定后在堆泥区面层进行绿化种植，防止淤泥产生二次污染；对南湖湖体内植物进行收割，对藻类及植物残枝进行定期打捞清理，并安排运维人员对植物进行定期收割，彻底解决内源污染对水体的影响。

3.3 增强水动力

在南湖内新建生态沟渠，将被人工岛隔离的浅滩联通，同时通过过流断面计算，将部分现状沟渠拓宽，南湖新增及拓宽生态沟渠总长为416 m，增加及拓宽水流断面面积7 437 m2，有效增强水系连通性。在南湖上游来水的情况下，保证南湖水体整体的流动性，如图3所示；在南湖北部设置水系循环泵，在枯水季通过水力循环泵实现南湖水体自循环，保证湖体的生态流量；在南湖水动力不足点设置水力推动器，通过水力扰动增强南湖水体动力。如图4所示，通过水力模型模拟，采用非结构网格中心网格有限体积法求解，南湖改造工程实施后流速达到0.01 m/s以上的有效流动区域占比为75%，南湖水动力得到显著提高。

图3 南湖水体联通效果图Fig.3 Water Connectivity Results of Nanhu Lake

图4 南湖稳定流场Fig.4 Stable Flow Field of Nanhu Lake

3.4 生态修复及水质净化

如图5所示，南湖黑臭水体治理通过外源污染的阻断，内源污染清除及增强水动力等工程措施重建南湖水生生态系统，同时对南湖驳岸裸露土体进行绿化修复，在南湖驳岸亲水侧依次种植芦苇、香蒲、花叶芦竹、慈姑、黄菖蒲、再力花、花叶美人蕉、千屈菜、风车草等挺水植物，睡莲等浮叶植物，菹草、苦草、黑藻、金鱼藻等沉水植物，增强驳岸对污染物截留净化能力，提高水生植物对南湖水体的净化作用；枯水季利用人工湿地将南湖水体净化、提高南湖水动力，在南湖水动力不足点增设水力推动器增加水动力并增加溶解氧，增强南湖水体自净作用。

图5 南湖黑臭水体治理工程示意图Fig.5 Schematic Diagram of Nanhu Lake Black and Odorous Water Treatment Project

4 分析讨论

南湖黑臭水体成因多样，内源污染通过底泥清淤一次性清除，整治后南湖有效流动区域占比可达75%，外源污染的处理成为消除南湖水体黑臭的一个关键因素。南湖外源污染主要来源于初期雨水、生活污水、农业面源等污染源有机物的排放，化学需氧量(COD)常用来表征水中有机物污染程度，利用定量计算来分析南湖整治前后外源污染削减情况。

(1)南湖作为周边地块的雨水受纳水体，降雨初期30 min或3～5 mm径流的初期雨水[9]污染负荷高，对南湖水体水质造成冲击，南湖初期雨水污染主要来源于北部和谐片区及南部居住区汇水范围内初期雨水排放。北部片区初期雨水污染采用源头海绵设施、末端生态湿塘及雨水湿地组合工艺处理，湿地出水可作为南湖补水水源，污染物削减率可达95%；南部片区初期雨水污染采用末端生态湿塘及雨水湿地处理，并通过水位控制，将排口附近现状约104m2的藕塘改造为表流湿地，出水经两级湿地处理后进入南湖，表流人工湿地的污染负荷处理能力为1 500～5 000 kg BOD5/(km2·d)[10]，有效解决初期雨水污染问题。

(2)南湖南部污水管段塌陷，造成污染负荷高的生活污水排入湖体，污水排放量约为150 m3/d，管线修复后可将生活污水污染负荷完全消除。

(3)南湖部分驳岸被开垦种植农作物，造成土体裸露及面源污染，历年降雨资料显示日平均降雨量为4.5 mm，污染物随降雨冲刷进入水体，整治完成后农业面源污染负荷完全清除，恢复绿化种植。

(4)南湖道路包括周边主干道以及慢行步道，染污染物通过降雨进入南湖水体，主干道设置海绵设施从源头削减初期雨水污染，同时通过生态驳岸及周边0.013 4 km2的湿地植物自净作用削减污染负荷。

南湖整治后污染物削减情况如表3所示。通过源头海绵改造、初期雨水处理、清除污水直排、农业面源污染清理、湿地处理等多重措施联合处理，南湖可消减外源污染负荷333.78 kg COD/d，大于整治前进入湖体外源污染负荷总量300.28 kg COD/d，能有效解决外源污染影响南湖水质的问题。

表3 南湖外源污染整治效果Tab.3 Remediation Effect of External Pollution in Nanhu Lake

5 治理效果

2018年4月南湖黑臭水体治理主体工程完工，南湖水体水质检测结果如表4所示。主体工程完工后南湖水体除透明度指标外，其余各项均已达到黑臭水体治理目标，水体溶解氧及氧化还原电位显著提升，氨氮指标明显降低。由于清除了水生植物，底泥清淤后水生态系统构建需要一定时间，项目完全建成后南湖黑臭水体治理将达到预期目标，南湖生态系统形成后，自净能力提升，持久保持南湖水质，经1年的生态恢复，水质指标检测结果表明，南湖已经完全消除黑臭，图6为南湖黑臭水体治理前与治理后(2019年7月)的对比图。

表4 南湖水质检测指标Tab.4 Water Quality of Nanhu Lake

图6 南湖治理前后实景图Fig.6 Scene before and after Remediation of Nanhu Lake

6 技术经济分析

南湖黑臭水体整治工程费为1 799.6万元，其中外源治理、内源清淤、增强水动力、生态修复占比分别为37.3%、45.4%、7.1%、10.2%，单位水面积综合整治费用约为7 200万元/km2，南湖水体深度浅，淤积严重，工程整治费用中清淤费用占比最大。南湖黑臭水体治理以生态措施为主，运行维护成本主要为湿地植物收割和补种的养护成本、水力推动器和提升泵的运行能耗，总运行成本约为7.56万元/年，植物养护成本与设备运行能耗分别约占79.3%和20.7%，单位水面积运维成本约为30万元/(km2·年)。

7 结论与建议

通过对南湖黑臭成因分析,针对性地提出了控源截污、内源清理、水动力提升、生态修复的治理方案，有效地消除了南湖水体黑臭现象，并实现南湖水体生态系统构建；结合海绵城市建设，统筹南湖汇水面积范围内初期雨水径流污染问题，削减了南湖的污染负荷，有效利用湖体中的地块设置生态设施，保证南湖湿地的自净能力，形成南湖水质的长效保持机制。

运营管理阶段建议定期对南湖植物生长情况、湿地进出水指标、湖体水质指标、底泥质指标进行检测分析，注重源头海绵设施维护、雨水管网系统养护、湿地植物收割，利用增强水动力、人工湿地等技术手段保持水生生态系统稳定性，实现南湖水体的长治久清。