传统与现代结合的水环境治理技术实践与探讨

温 明

(上海诺山工程设计咨询有限公司，上海 200333)

1 项目背景

首届中国国际进口博览会于2018年11月于上海市国家会展中心举办，后期还将进行多届展览，2017年初，进口博览会辐射区域水环境内水环境较差，远不能满足进博会高品质的水环境需要。

上海市虹桥商务区作为进博会的举办地，市政府在制定5方面26项配套保障任务的基础上，发挥平台的统筹协调作用，加强工作聚焦以点带面，先行启动商务区市容环境综合整治提升相关工作。2017—2019年上海市对中国国际进口博览会展馆辐射区内的水环境进行综合治理，保证进博会期间能够达到高品质的水环境。

2 进口博览会辐射区内水环境存在问题

经调查，进口博览会辐射内未全部截污或存在雨污混排；河道淤积，底泥污染严重；部分河段沿岸脏乱差，面源污染严重；水系连通性差，水流不畅、动力差；部分河道已进行河道驳岸建设，但均为浆砌块石、钢筋混凝土等硬质挡墙，隔离了河道的水土交换，生态性极差；沿岸植被单一，部分河道基本无水生植物，河道生态系统脆弱。综上，急需对进博会辐射区的水环境进行综合治理，如图1所示。

图1 进博会辐射区内的水环境整治范围

3 水环境治理常用技术分析

河道污染主要分为外源污染和内源污染两个方面，外源污染主要来自于河沿岸日常生产、活动所产生的点源与面源污染，如初期雨水污染、雨污混排漏排污染、农业面源污染等；内源污染主要来自于底部淤泥溶出释放的污染负荷。

上海市水环境治理常用的技术措施主要分为污染源消减、水生态修复及其他方式。

3.1 污染源消减

3.1.1截污纳管

截污纳管是最有效地污染物源头消减措施，上海市目前城镇污水处理已基本全覆盖；农村生活污水采用纳管处理和就地处理两种模式，大部分区域也实现了污水入河截断。

部分老城区位于近年的动迁计划内，居住人口密度大、建筑物密集，道路比较狭窄，无法实现雨污分流建设，故近年于水环境治理中，主要采用沿河截污方式对此类区域入河污水进行应急处理。

3.1.2农业面源控制

目前农田面源污染主要通过过程阻断的方式，通过生态拦截沟渠、生态护岸边坡、生态拦截缓冲带等方式，尽可能的将农田氮磷污染物滞留在农田、沟渠中，在实现氮磷的资源化利用的同时，尽可能的减少氮磷等农田污染物进入河道中。

3.1.3城市面源控制

选用合适的海绵城市建设设施和技术措施，例如透水铺装、下凹式绿地、雨水花园、植草沟、雨水湿塘、表流人工湿地、植被缓冲带等，对雨水进行“渗、滞、蓄、净、用、排”，污染的城镇径流通过渗透、过滤后，再排入河道，减少入河污染物。

3.1.4清淤疏浚、保洁

清淤疏浚包括机械开挖和水力冲挖等方式，可以快速的清理河底污染底泥，上海市每6～10年进行一轮河道疏浚，可以大幅度改善河道水环境。上海各类河道均纳入了日常养护，水域、陆域内的废弃物(垃圾、落叶等)都会得到及时的清理，减少内源污染物。

3.2 水生态修复

3.2.1生物膜技术

生物膜是一种提供微生物生长、繁殖载体的纤维结构，水中的有机污染流经生物膜时，生物膜中的微生物附着于有机污染物上，结合水中的氧气，在生物膜内发生氧化等作用，从而实现对有机污染物的讲解。水环境污染较严重，水中含氧量低时，还可采用中空纤维曝气膜向水中充氧，从而实现持续的污染物讲解。该技术广泛应用于黑臭、劣5类水体中。

3.2.2生物浮床技术

生物浮床技术主要以可漂浮高分子材料为基底，针对富营养化的水质，利用无土栽培技术，通过水生动植物吸收水体中的氮、磷等有机物和营养物质，从而抑制藻类生长，净化水质，恢复河道的水生态系统。现阶段，衍生出了挂膜浮床、太阳能曝气浮床等各种组合浮床，以满足各区域水体的需求。

3.2.3水生植物

挺水植物作为河道景观建设被人们熟知，最主要原因是其本身的净化特质。挺水植物一般种植于岸前浅水区域，能够减缓水流冲刷，起到过滤、沉淀泥沙的作用。挺水植物的种植为微生物提供完美的寄居环境，植物根系及茎叶可以从水层和底泥中获取自身所需营养，吸收氮、磷等有机物，还可以吸收并降解重金属和有毒物质。挺水植物还能有效利用光合作用并大量吸收水中营养物质，是藻类克星，能有效抑制藻类生长。上海地区常用的挺水植物有美人蕉、花叶芦竹、旱伞草、黄菖蒲、西伯利亚鸢尾等。

沉水植物扎根于浅水区水下泥土之中，全珠淹没种植，不同于挺水植物花大色艳，沉水植物只能透过水面窥探其全貌。生长过程中，沉水植物的根能吸收底泥中的氮、磷，茎和叶能吸收水体中的氮、磷，有效缓解水体富营养化。沉水植物喜温暖水湿、阳光充足的环境，通过光合作用，在水中充当造氧机的角色，利于气体交换。日常生活中，种植沉水植物的水域往往清澈见底，这是由于挺水植物可以维持河道或湖泊的清水稳态，提高水体能见度。同时，沉水植物可以为水生动物提供生活栖息地，提高水体含氧量，改善水生生态系统。上海地区常用的沉水植物有苦草、狐尾藻、伊乐藻等。

3.2.4水生动物系统构建

通过食物链系统的构建，维持水生态系统的物质循环、能量流动和信息传递。例如投放鱼、虾、贝、螺类等水生动物。贝、螺类等底栖动物，可以分泌粘液絮凝悬浮物质，滤食藻类，净化水质，增加水体透明度。虾类可以摄食有机碎屑，净化水中微量元素及重金属。鱼类以滤食性和杂食性为主，通过对水体藻类的摄食，对营养物质转移，保证沉水植物生长。

3.2.5生物强化技术

指通过在污染水体中投放具有特定功能的微生物，从而达到定向消除特定污染物的作用。其中大型浮游动物(改良型)强化技术在上海地区应用较多，例如，通过驯化的食藻虫摄食消化蓝藻(铜绿微囊藻等)、有机颗粒和悬浮物，使水中藻类、有机颗粒和悬浮物大幅降低，从而改善水质。

3.2.6水系畅活

古语曰“流水不腐、户枢不蠹”，水系畅活，将大大提升河道的水环境质量，提高河道的防汛保障能力。近几年，由上海市政府相关部门牵头，水务部分对全市中小河道和断头河进行全面排摸，对其水系被阻断致使局部区域水体不通不畅、输水功能受到制约、生态环境质量受到影响的原因进行了分析，多管齐下，打通了多个断头点，促进了水体畅活、循环，大大的改善了水环境质量。

3.2.7人工曝气增氧技术

河道中常采用机械曝气增氧，通过水下、水下叶轮转动，挑动水流，使得空气中的氧气拌入水体中，实现水体增氧。该技术由于会产生噪音，通常应用于居民区以外的区域。

3.2.8跌水技术

跌水最早应用于丘陵、坡地等区域的渠道工程中，使上游渠道(河、沟等)水流自由跌落到下游渠道(河、沟)的落差建筑物，水流坠落时，高速翻滚，可将大量的氧气拌入水体中，实现增氧。介于跌水的增氧功能，故公园、园林等有景观需求的河道，利用砖、石、混凝土等建筑材料砌成溢流堰，上游的水位高于溢流堰时坠落至下游，形成跌水；也常与水闸配合，非汛期或景观需求期，关闭水闸，上游的水位高于闸顶时坠落至下游，形成跌水。跌水由于其特殊的工艺之美、坠落之美，在提升景观面貌的同时，能够快速实现水体增氧，从而改善水质。

3.3 其他

3.3.1生态护岸

传统水利工程通常采用钢筋混凝土高挡墙、板桩护岸、浆砌块石高挡墙等结构，此类结构虽在一定程度上保护了岸坡稳定、保障了沿河建筑物安全，但由于大量刚性材料的运用使得植物在基底上难以立足，“寸草不生”的河流护岸界面完全成为了生态“死亡”区，对城市河流生态健康产生了极为消极的影响。现阶段，以“治水为核心，生态修复为重点”为新思路，在这一背景下提出了生态护岸技术，常用的生态护岸有水工保护毯护坡、箱型砌块挡墙、多层叠石挡墙等结构形式，此类护岸孔洞多，有利于水体交换，且水生动物可以栖息繁衍，对河道恢复自身生态系统具有较大的作用，从而提升水体自净能力。

3.3.2旁位治理

旁位治理是指将待处理的水体从河道引入处理站，经微砂高效沉淀处理工艺系统后回归河道。该项技术方案能够快速将水质提升至较高的标准，适用于局部水体有较高的水质需求，且水量不大的情况。

4 中国国际进口博览会辐射区内的水环境治理技术应用

4.1 一期工程

为配合2018年首届进博会召开，2017—2018年对北横泾、小涞港、北潮港、张正浦、华漕港、北虹港和南虹港等多条河道进行了综合整治，治理方案如下。

(1)污染源消减

通过雨水污水管网改造、截污纳管，截断了入河污水；通过陆域植被缓冲带、透水铺装(防汛通道)对径流污染物进行渗透、过滤，减少入河面源污染；通过河道疏浚，清除了河底污染底泥。

(2)水生态修复

于部分水质较差的河段中投入了经过驯化的食藻虫，并布置了大量的沉水植物、挺水植物，投放了适量的水生动物，构建了水下生态系统。适量的食藻虫可以有效控制水体内部藻类生长，降低水体中悬浮物及颗粒含量，提高水体透明度，保证沉水植物光合作用，进而吸收分解富营养化物质。食藻虫的排泄物也可以为沉水植物提供营养物质，与沉水植物共生互存，恢复水体自净功能。

建设挡水堰封闭进博会展馆辐射区内水系，形成封闭的保障区，此措施导致水系不再畅活，故利用现有闸泵对该区域封闭水体进行动力调控形成自循环；部分河道上布置曝气增氧设备增加溶氧量，部分河道布置装备式溢流坝，形成跌水效果，从而增加溶氧量。

(3)其他

通过新建生态护岸、改造原来硬质护岸，构建生态驳岸，进一步促进河道自身生态系统的恢复。

进博会展馆附近雨水汇集后排入东侧的北横泾，为防止初期雨水污染进博会展馆辐射区的水系，于北横泾河道西岸、锡虹路以北处新建了一座“微砂高效沉淀处理站”，以处理会展中心段周边地表初期雨水和雨水管网中的初期雨水。同时在北横泾会展中心段两侧各设置了挡水堰，再利用“微砂高效沉淀处理站”对该部分封闭水体进行处理后排放。处理系统采用微砂高效沉淀工艺，处理水浊度可达到0.4NTU，为一体化设备，数量2台(北横泾核心段水体积约20.0万m3，换水周期10天，处理系统处理规模2万m3/d)，通过净化水质，封闭水体透明度达到1.0m以上，效果显著。

4.2 二期工程

通过上述水环境治理措施，使得首届进博会周边水环境得到了显著的改善，为首届进博会召开营造良好的水环境氛围。但一期措施中，为保证北横泾会展中心段水体质量，采用了挡水堰对此河道水体进行了封闭，从而利用微砂高效沉淀工艺(旁位治理)对封闭水体进行过滤净化，此措施能够保证进博会展馆辐射区拥有高品质的水环境，但不同于进博会展馆辐射区其他镇村级河道，北横泾为区级河道，为闵行区骨干河道，在区域行洪排涝中承担较大作用，挡水堰的设置存在较大的安全隐患。

为解决水环境治理措施与传统水利设施在此处的矛盾，提出了将水闸与跌水技术相融合的措施，本次采用单扇卧倒闸门，如图2所示此结构为钢结构一体化设计，坝体升降快速，可以立门蓄水，卧门行洪排涝，可开启调节水位利用闸门门顶过水，形成人工瀑布的景观效果。即进博会召开时段可开启闸门形成封闭循环水体，封闭区域实施相应水体净化措施，多余净化后水体可通过闸顶溢流而出，始终使会展中心段保持良好水质；进博会结束后，闸门关闭，河道恢复原有泄洪能力，如图3所示。

图2 北横泾单扇卧倒闸门位置图

图3 北横泾封闭区域水体净化示意图

(1)闸室布置

单扇卧倒闸门纵向中心线垂直河道断面布置，建设钢闸门净宽30.0m。闸门两侧各布置1处启闭机室，沿河道断面长度12.02m，沿河道纵向长11.8m，启闭机室侧墙与现状河道挡墙相顺接。钢闸门闸底槛高程0.10m，底板厚度1.50m。闸门底板上下游段设置消力池，上、下游消力池纵长8.0m，消力池底板厚度1.0m。下游消力池末端设置防冲槽以消除剩余水能，防冲槽宽度5.5m，深度1.5m。

(2)安全要求

北横泾作为主干河道，现状河口宽为55m，节制闸闸门设计净宽为30m，控制工程体量大，安全方面要求高。主要表现为以下几方面，沉降安全方面，基础采用11m长预制方桩；渗流安全方面，基础采用联排防渗板桩；启闭安全方面，采用双侧同步启闭系统；河床冲刷安全方面，采用有富裕度的消能防冲设施。

(3)景观需求

作为进博会环境综合提升工程，兼顾景观效果，设计取消水上布置水工建筑物，采用水下布置的单扇液压卧倒钢闸门。钢闸门日常处于常闭状态，作为景观提升工程，闸门顶高程设计为3.30m，门顶稍微露出水面，通过管理部门调度，还可以形成小瀑布，兼顾了进博会的景观要求,如图4—5所示。

图4 单扇卧倒闸门平面布置图

(4)防汛要求

北横泾作为闵行区南北向的主要引排水通道，兼顾防洪除涝及水资源调度要求。闸门设计净宽为30m，可充分保证过流能力，满足防汛要求。其次，闸门顶高程设计为3.30m，略高于常水位，汛期无需开启闸门即可溢流排水，必要时再行局部或全部开启闸门。

图5 单扇卧倒闸门建成后实景图

5 结语

水环境综合治理需要系统性的综合措施，从内源污染到外源污染，再到水生态系统的构建，需要各专业技术进行综合运用，不可孤立的强调某一种技术措施。本文以中国国际进口博览会辐射区范围的水环境综合治理为例，对各种常用水生态技术进行了分析，因地制宜的综合应用，此外，引入了单扇卧倒闸门将水闸与跌水技术相融合，实现立门蓄水净化，卧门行洪排涝，从而解决水环境治理措施与传统水利设施在水环境治理中的矛盾。

水环境综合治理时，应过对各河道污染成因、在水利系统中的作用、周边环境等因素进行综合分析，因地制宜的选用最佳治理措施，在保证防洪安全的同时，实现水环境健康美好。