长江流域典型城市河段黑臭水体生态整治案例分析

2022-04-06韩璐李庆龙曾萍陈思琪

环境工程技术学报 2022年2期

韩璐，李庆龙，曾萍，陈思琪

1.中国环境科学研究院水生态环境研究所

2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院

3.扬州经济技术开发区管委会建设局

随着长江流域经济社会快速发展，长江水生态环境面临的压力日益加大，受人类活动和全球气候变化影响，长江流域水资源、水环境和水生态承载能力与经济社会发展需求不协调仍是影响可持续发展的重要制约因素。污水和垃圾入河，会引起城市水体黑臭，破坏河流的生态系统。污水和垃圾含有丰富的营养物质，会引起水体富营养化而影响水环境质量，严重影响着城市的生态景观和市民的生活[1-6]。近年来我国对长江流域进行污染治理和水生态保护，从国家战略、政策、资金、项目等方面部署了具体工作。国家战略层面提出了共抓大保护、经济社会可持续发展、环境友好、绿色发展等具体要求[7]。2015年4月国务院发布《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)，明确了黑臭水体治理的目标[8-9]。2018年12月，江苏省启动“江苏省城市黑臭水体治理攻坚战实施方案”，2020年，扬州市按照《城市黑臭水体整治工作指南》[10]要求，组织开展了黑臭水体大排查，并对确定的黑臭水体实施了综合治理。

扬州市地处长江流域，域内水系发达，河网密集。部分河道水体流动性差，污染严重。黑臭河道成因复杂，其污染造成的危害极大[11-14]。扬州市制定了《扬州市黑臭水体治理专项行动方案》，对市区内的黑臭水体进行了系统整治。笔者基于长江流域典型城市河段黑臭水体，对其水生态整治案例进行分析，旨在为长江流域城市河段黑臭水体整治提供经验借鉴。

1 研究区域概况

扬州市区南临长江，东靠京杭大运河，区内河渠纵横交错，水资源丰富。随着经济发展与人口增长，加之城市改造，城市水生态环境问题凸显，其中童套河、西沙河水体污染严重，成为典型的城市黑臭水体[15-16]。童套河、西沙河都是汇入长江的四级河道，其水质状况最终会影响下游的国控断面水质，影响周边居民生活，因此亟需采取综合整治工程措施，促进水生态环境健康发展[17-18]。

1.1 河道水体现状

童套河西起新城河，流经龙庄小区、梅香苑小区，向东止于新城花园小区，通过排涝站流入新城河。维扬路东将童套河分隔成3个水塘并以涵洞相连，附近有幼儿园、农贸市场及沿街商铺。童套河全长约900 m，最宽处约40 m，平均宽度约23 m，水面面积约25 200 m2，枯水季平均水深约1.6 m，上、下游为垂直型驳岸，驳岸顶高程约7.2 m，下游设计水位约4.8 m。童套河治理前状况如图1所示。

图1 童套河治理前状况Fig.1 Status of Tongtao River before treatment

西沙河位于扬州经济开发区东部，北起扬州经济开发区春江花园（北门），南至财富广场蜿蜒向东与古运河交界。河道全长2.11 km，平均宽度9 m，水域面积7 590 m2，平均水深1.6 m。西沙河是扬州经济技术开发区预防洪水灾害的重要排洪河道，整个水系相对封闭，流域出水口在连接古运河涵洞处，整治前水质状况见图2。

图2 西沙河治理前状况Fig.2 Status of Xisha River before treatment

2017年11 月，对童套河、西沙河水体布设9个点位进行水质监测，结果见表1。由表1可见，童套河6个点位的溶解氧浓度为1.34～1.96 mg/L，总磷浓度为0.35～1.04 mg/L，氨氮浓度最高值达到8.69 mg/L，水体透明度为26～80 cm，氧化还原电位为31～48 mV，水质处于轻度黑臭状态。西沙河3个点位的溶解氧浓度为1.11～1.91 mg/L，总磷浓度为0.17～2.15 mg/L，水体透明度为15～24 cm，氧化还原电位为-3～36 mV，水质处于轻度黑臭状态。

表1 童套河、西沙河水质监测数据Table 1 Water quality monitoring data of Tongtao River and Xisha River

1.2 主要问题分析

（1）管网雨污混接、污水直排入河

童套河、西沙河两岸居民小区较多，排水系统的雨污混流较为严重。由于管道建设年代较久，渗漏、破损、堵塞等问题严重，导致污水排放不畅，造成部分生活污水排入市政雨水管道；另外由于当地居民有阳台放置洗衣机、阳台改厨房的行为，导致大量生活污水随雨水排入童套河、西沙河。由于河道周边商业繁华，沿街小餐饮企业林立，流动性人口较多，生活、餐饮污水通过雨水管网进入河道，造成污染。此外，农贸市场冲地污水流入也对河道造成污染。

（2）上游来水水质较差

西沙河起始段桥下1.8 m的涵洞用于引蒿草河、荷花池水来冲涮西沙河，由于蒿草河已是重度黑臭水体，故引来的水就是劣Ⅴ类水质，导致西沙河从起点开始就已黑臭。由于小区老旧，沿岸部分污水管道破裂，有污水通过驳岸裂缝流入。

（3）垃圾入河，水域面积减少

整治前童套河上游南侧、北侧均有生活垃圾、建筑垃圾乱倒堆积，倾倒童套河内或坑塘，使水域面积缩小、河床淤塞，形成黑臭底泥，上覆水受底泥释放影响，水体发黑发臭。童套河沿岸绿化较密，落叶入河中形成污染。西沙河周边部分餐饮企业直接将餐厨垃圾抛入河中，造成水体污染。

（4）水体流动性差

西沙河水体靠涵洞相连，流动性严重不足，水体严重缺氧。水体底泥淤积较厚，特别是下游底泥最厚处达70 cm，淤积严重。夏季水体富营养化，有害藻类繁殖旺盛，水体出现腥臭，危害下游水生态安全。

（5）水体生物多样性不足

水体生物多样性是保障水生态系统稳定的基础。童套河、西沙河的部分河道两侧采用了砌石驳岸，导致水体与土壤间缺乏有效的渗透与呼吸。与自然岸坡河道相比，这2条河道水生植物、水生动物种类与生物量明显减少，生物多样性受损，生物群落结构单一，对水中污染物的降解速度变慢，加速了水体的污染。

2 黑臭水体整治方案设计

2.1 设计原则

（1）“一河一策”原则

因地制宜，按照“一河一策”的原则开展黑臭水体整治，分析城市黑臭水体污染特征及污染物来源，根据目标水体污染程度、污染原因的不同，筛选技术可行、经济合理、效果明显的技术方法。

（2）控污与生态治理并举

改善河道水质，坚持一手抓污染源控制，一手抓生态修复。污染源控制是关键，通过整治城市非点源污染及控制河道底泥污染，大幅度削减河道污染负荷。同时，应注重河道的生态修复功能，通过在河道中种植水生植物，恢复和改善河道生态的自我修复功能，保护生物多样性。

（3）留有生态用水，完善水系

在方案设计时考虑下游的生态用水问题，重点完善水系，增加河道流动性，避免河道死水。

2.2 技术路线

针对河道两岸污水收集能力不足、生活垃圾任意堆放，河道内水体流动性差、底泥淤积严重、水生态系统退化等问题，采取控源截污、内源清理、水动力复氧、生态修复、活水换水、长效管理的工程技术措施，对黑臭河道进行治理。具体包括管网雨污分流改造、生态河床、生态岸坡、生物列阵技术、水生动植物群落调控等技术措施。治理目标是实现减轻污染负荷、提升水体透明度、强化水体自净能力、增加水体流动性、恢复水体生态系统的效果。黑臭水体的生态修复与整治技术路线如图3所示。

图3 黑臭水体生态修复与整治技术路线Fig.3 Technical route for black and odorous water body ecological treatment and restoration

3 黑臭水体整治措施

童套河、西沙河综合整治是一项系统工程，总体以建立河道生态平衡、提高河道自净能力、提升水生态系统功能为主要目标。水质方面，目标是消除劣Ⅴ类和水体黑臭；水生态方面，目标是恢复适宜多种生物生息繁衍的水生生态系统，提高水体自净能力。按照黑臭水体治理控源截污、内源清理、水动力复氧、生态修复、活水换水、长效管理的总体思路，童套河、西沙河采取了一系列工程措施，不断提升水体自净能力，使水体水质能够稳步提升。

3.1 控源截污

控源截污是黑臭水体治理的重中之重。在对童套河、西沙河的截污治理中，首先对水体中污染物的来源及混流管道的流向、出处、沿河的排污口进行系统调查。针对发现的问题，实施控源截污工程，主要包括：1）整治排污口，保留雨水排口，在部分排口设置标识。2）新建污水管道。在梅香苑小区新建一条长150 m、最大直径500 mm的污水管道，西沙河沿线新建雨水管道约300 m、污水管道约200 m、雨水检查井16座、污水检查井18座。3）整治紧邻童套河处的积水点，确保河道出水畅通。4）雨污管网改造。对蒋庄新寓小区雨污管网进行了分流改造，并对梅香苑内排水设施进行局部改造。5）封堵排污口。沿西沙河共封堵18处排污口，小区污水排入市政污水管道。通过截污工程有效改善了河道淤积严重的问题，提高了排水能力，增加了水体流动性。

3.2 内源清理

底泥是河道水环境的重要组成部分，一方面，河道底泥是保障水体自然属性、恢复河道自净能力的重要载体；另一方面，河道底泥受到污染时，底泥中淤积的污染物会释放到水体，成为水体污染的内源。针对河道污染底泥的治理，要在综合考虑河道水环境容量、底泥污染程度、资源循环利用等要素的基础上，因地制宜地选择机械清淤或原位处置的方式。

根据对河道底泥的评估结果，制定了清淤方案，对童套河梅香苑小区及周边的河道进行清淤，对西沙河全线2.02 km河道进行清淤疏浚。清淤工程设计时合理确定清淤深度，以避免清淤对河底水生生态系统造成破坏。

针对部分河段蓝藻水华爆发严重问题，采用锁磷控磷技术，向河道水体机械抛洒天然沸石粉与锁磷石子，使水体中的磷酸盐被封锁在河道底部而无法释放。该技术实施后可控制水体总磷浓度在0.4 mg/L 以下，达到降低水体富营养化，灭杀有害藻类，防止蓝藻水华爆发的目的。

3.3 水动力系统复氧

溶解氧是河流中水生生物生存的必要条件，其浓度是判断河流水体污染的重要指标，也是衡量水质的综合指标。水体流动性是反映水体水动力条件的综合指标，自然水体流速影响藻类的生长，增加水体流动可以提高水体自净能力，减轻富营养化。

针对童套河水体流动性不足问题，在目标水体E段增设水循环造流增氧设备(图4)：自藕式潜水泵2台（一备一用），电源要求11 kW；A段、B段各加设1台喷泉增氧设备（图5）。设备原理为水下叶轮的巨大扭矩带动大范围水体流动以及喷泉造成表层水体的大量搅动，为水体提供了极高的增氧率。C段、E段各加设1台推流增氧设备（图6）；装置采用管式曝气器作为曝气执行件，经转接硬管、橡胶软管与主气管相连，主气管上排布马鞍四通连接管式曝气器固定在桁架支撑体上形成整体，平行于河道断面、水平放置在河床上，岸上回转风机产生的压缩空气通过管式曝气器向水体曝气。相对增高维扬路坝体上下落差在80 cm，形成上下堰塞，通过溢流增加下游溶解氧浓度，使循环畅通。针对西沙河水体溶解氧浓度降低、水质恶化问题，在西沙河水体增设1台推流增氧设备，定向将水推送到设定方向，加速水循环，达到造流、曝气、增氧的效果。

图4 水循环系统机理示意Fig.4 Mechanism chart of water circulation system

图5 喷泉增氧机理示意Fig.5 Mechanism chart of fountain oxygenation

图6 推流增氧机理示意Fig.6 Mechanism chart of push flow and oxygenation

3.4 生态修复

生态修复是在控源截污的基础上，通过营造功能完整、结构均衡的水生态系统，提高河流自净能力;通过构建生态河床、生态岸坡，营建动植物群落，恢复水生态系统的完整性，提升水环境质量，最终实现形态、生态的和谐统一。

（1）生态河床构建

将西沙河目标河段的水和底泥充分搅拌后分段抽干，建设围堰，栽种水生植物重筑生态河床，效果见图7。栽种的水生植物主要包括沉水植物、挺水植物。河床处理分为3步：1）底泥疏松除臭。通过专用设备搅动，让多层次死板的底泥疏松、曝氧，降低水体和底泥中有害物质对微生物的危害，扩大降解外源、内源污染的能力。2）扩增提取本河道优势土著微生物。将具有特定功能的微生物扩繁，并将其固定于适宜载体中，使其高度密集并保持生物活性，通过营造适宜条件，促进其快速增殖并实现高效净化功能。3）恢复水体原有生物链，完成生态系统重建，持续长效修复水环境。

图7 生态河床效果示意Fig.7 Effect chart of eco-bed

（2）生态岸坡构建

生态岸坡可以对汇入雨水径流的水质起到净化作用，还能软化硬质驳岸，提升驳岸的生态性。在童套河900 m治理范围内，放置长15 m，宽2 m的生态床，数量为4个，总面积为120 m2，生态床采用松木桩固定，内填填料及种植土，种植土厚度0.5 m，恢复沿岸挺水植物。在西沙河700 m治理范围内，放置长20 m，宽2 m的生态床，数量为5个。生态床栽种挺水植物200 m2，主要品种有再力花、美人蕉、菖蒲、野高瓜等。

（3）生物列阵技术净化

生物列阵是由靶向菌、天然矿物火山岩及微生物促进材料复合而成，用于水中微生态的复建，实现水质长效修复。其原理是通过微生物促进材料促进溶解氧的释放和恢复，有效刺激和加速自然的生物反应，激发土著菌的活性，加速生长和繁殖，提高生化反应效率，提高水体微生态系统的代谢活性，使水体得到净化（图8）。在童套河排水管口及两段河道80 cm以上雨水管入口处增设生物列阵。在西沙河道北端、江阳路北侧分别加设生物列阵。在童套河及西沙河污染水域分离出以典型有机物为主要碳源生长的菌株，经诱导、驯化、人工培养及沉积物富集培养，制成液体及干粉高活性靶向微生物菌材料。通过微生物之间的各类代谢作用降解水中的难降解污染物。通过吸附、离子交换、静电、降解和转化作用，降低水体毒性和异味。

图8 生物列阵机理示意Fig.8 Mechanism chart of biological array

（4）水生动、植物群落调控

生态浮岛技术是通过植物根系及其周围聚集的微生物来吸收和转化水体中过剩的氮、磷等营养成分及污染物。其构建过程中，以不引进外来物种、保障生态平衡为原则，通过水生植物、水生动物群落结构调控，进一步完善食物链，增加生物多样性(图9)。其中水生植物群落结构调控包括挺水、沉水及浮叶植物群落的调控，水生动物群落结构调控包括大型鱼类、底栖动物及原生动物群落的调控。将童套河划分为5个河段，按设计区域每50～100 m间隔投放生态浮岛，规格为10～20 m2/个，总面积为500 m2，生态浮岛上水生植物的主要品种为金钱草。在西沙河投放一定数量的生态浮岛，总面积为200 m2，生态浮岛上水生植物的主要品种为金钱草。

图9 生态浮岛机理示意Fig.9 Mechanism chart of ecological floating island

3.5 活水换水

活水换水是保持水体流动性、增加水环境容量、提升水体自净能力的措施。按照先排脏水再引活水的思路，调来古运河水对西沙河进行活水换水。换水期间先开启安墩河闸站、西沙河闸站，抽排西沙河片区内脏水，然后开启黄金坝闸站引古运河水对片区进行活水换水。

3.6 长效管理

（1）河道养护

依据《扬州城区河道考核细则》，针对治理河道上游来水污染、雨污混流、底泥较多的情况，在前期“标本兼治、河岸同治”生态治理、修复的基础上，每月对生态水系水体采样检测，并根据每次检测结果对采样点进行调整。水质检测指标包括水温、pH、溶解氧、氨氮、总氮、总磷、高锰酸盐指数、浊度、悬浮物（SS）、叶绿素a等。

（2）生态浮岛养护管理措施

生态浮岛的各项结构管理在于保证系统稳定运行，延长浮岛使用年限。每月对生态浮岛池体如坝、泄洪沟及其他控制水流的设施进行检查和维修。

水生植物是生态浮岛处理的核心，后期管理主要注意以下方面：1)水生植物栽种初期通过控制水位，促使浮岛上植物根茎向下生长；2）生态浮岛植物一般生长较快，根据不同的植物类型，在其生长茂盛、成熟后应对植物进行及时收割，并进行处理和利用；3）防止浮床内其他杂草滋生，及时清除已生长的杂草；4）及时清除植物的枯枝落叶，防止腐烂等污染；5）暴风雨后，及时扶正浮床上歪倒的植物，排除积水。

（3）水生植物养护管理措施

植物残体在水中积存，会分解产生H2S 等气体，使水质恶化，并导致水体营养素的循环而使水体处于富营养化状态。针对挺水植物，养护主要是枯萎枝叶的整修清理，残枝败叶堆制沤肥或深埋焚毁，减少病虫害，使植株保持美观、整齐的姿态。针对浮水植物，及时打捞枯黄、枯死和倒伏植株，及时清除浮水植物的枯枝落叶。定期修剪生长扩张出种植网框外部的浮水植物；冬季及时打捞清理枯死植株。及时清除岸边浅水区的挺水类杂草，如双穗雀稗、糠秕草等，采用人工打捞方式去除非目标漂浮植物。对沉水植物及时收割，保持水下森林平坦、美观。

（4）水生植物病虫害防治

根据水生植物的生长习性和生长环境特点，加强对有害生物的日常监测和控制。根据不同水生植物种类、生长状况确定有害生物重点防治对象。禁止使用菊酯类等对鱼虾敏感的农药。提倡使用生物防治、物理防治为主的无公害防治方式。

4 整治效益

4.1 环境效益

童套河、西沙河黑臭水体综合整治完成后，有效减少了入河污水量，改善了水动力特性，提高了水体自净能力和生物多样性。断面水质由原来的地表水劣Ⅴ类标准提高并逐渐稳定达到Ⅴ类水质。目前，童套河、西沙河水质得到显著改善，水体消除黑臭，各项水质指标均显著优于《城市黑臭水体整治工作指南》中的轻度黑臭标准。2018 年，2条河流水体均达到溶解氧浓度≥2.0 mg/L、氨氮浓度≤8.0 mg/L、水体透明度≥25 cm、氧化还原电位≥50 mV。