广州沙河涌黑臭水体整治措施与效果评价研究

2024-01-02王宝华邓雪原谢晓倩杨先野

三峡生态环境监测 2023年4期

王宝华，黄红，邓雪原，谢晓倩，杨先野，袁梦

（1.广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广州 510640；2.广州市水务协会，广州 510640；3.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；4.水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广州 510635；5.广东省水利电力职业技术学校，广州 510635；6.广东省水利水电科学研究院，广州 510635）

2018 年6 月，《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》发布，要求打好黑臭水体治理攻坚战。到2020 年，地级及以上城市建成区黑臭水体消除比例达90%。党的二十大报告提出：深入推进环境污染防治，统筹水资源、水环境、水生态治理，推动重要江河湖库生态保护治理，基本消除城市黑臭水体。粤港澳大湾区核心城市广州，是个伴水而生、因水而兴的城市，在两千多年的发展史当中，治城先治水成为这座城市发展的关键。自20 世纪80 年代起，随着人口的膨胀和经济迅猛发展，工业废水、生活污水大量排放至河道，造成河涌黑臭，水生态环境遭到严重破坏。近年，随着广州市城市黑臭水体整治力度加大，各级管理部门大力落实“河长制”，截污治污整治成效显著。2019 年，广州市147 条黑臭河涌基本消除黑臭［1］，2020 年一次性通过省黑臭水体治理验收，中华人民共和国住房和城乡建设部监管的147条黑臭水体全部消除黑臭。经过近三年的重拳整治，多条黑臭河涌实现了“大变样”，成为居民休闲的好去处，“水清、岸绿、景美”的风光，令游人流连驻足，实现了“清水绿岸、鱼翔浅底”的目标［2］。本研究提出了消除黑臭水体“三源-四洗-五方针”整治模式、长治久清生态自修复模式等，实践证明，沙河涌治理效果良好，最终实现了“清水绿岸、鱼翔浅底”的目标。本成果对于黑臭水体水生态修复具有重要参考意义［3-5］。

1 研究区概况

沙河涌是广州市147条黑臭河涌之一，北起白云山，由北向南穿越白云、天河、越秀三区后，汇入珠江前航道，干流全长14.14 km，流域面积34.3 km2（见图1）。沙河涌为上游山区型，下游感潮型的复合型河流，干流河道曲折，宽窄不一，上游河道宽12～28 m，下游河道宽18～44 m，主涌涌口设有截污防潮闸。该涌上游有左右支流，左支流长约2.35 km，右支流长约3.45 km。右支流发源于白云区榕树头，左支流与耙齿沥水库相连，左右支流于元岗桥上游汇集成主涌，下游在越秀区珠江宾馆附近汇入珠江（二沙涌）［6］。

图1 沙河涌流域水系图Fig.1 Water system of Shahechong

2 沙河涌黑臭消除历程

为了实现河涌“清水绿岸、鱼翔浅底”的目标，提出了消除黑臭综合整治思路，在全面梳理黑臭河涌现状及存在问题基础上，系统采用“三源-四洗-五方针”综合整治模式、保持长治久清生态自修复模式等（见图2）。

图2 消除黑臭水体综合整治思路图Fig.2 Comprehensive plan for the elimination of black and odor water

2.1 黑臭沙河涌

治理前，沙河涌上游利用三涌补水工程抽取珠江水长距离补水，水质较为浑浊，下游则通过水闸双向调度，水体较深，水生态情况较差。上游山水被截流后缺乏生态基流；中下游河道变宽，坡度变缓，大量泥沙沉积；下游受潮汐影响，水体过深，水生态不佳，治理前的沙河涌照片见图3。

图3 治理前的沙河涌Fig.3 Shahechong before treatment

2.2 消除黑臭“三源-四洗-五方针”整治模式

全面系统梳理河涌现状及存在问题，采用了三源（源头控污、源头截污、源头雨污分流，达到从源头降量的目标）、四洗（洗楼、洗管、洗井、洗河，要全面摸清排水户排水管网现状）、五方针（控源、截污、清淤、补水、管理方针）综合治理措施。

通过采取上述“截污水、分清水、减溢流、补短板、降水位、补清水、强管理”等综合手段后，沙河涌流域达到了源头减量、沿程（沙河涌主干管）减压、末端（猎德厂）减负、河涌减污和增加进厂浓度“四减一增”的效果，体现了污水收集与处理系统的提质增效，实现了沙河涌水环境质量明显提升，治理后的沙河涌照片见图4。

图4 治理后的沙河涌Fig.4 Shahechong after treatment

2.3 保持长治久清生态自修复模式

沙河涌为保持长治久清的治理效果，采用三部曲，其一溢流口改造，开展渠箱清污分流，截留初雨；其二停调珠江水补水，改用京溪净水厂尾水补水（再生水补水）；其三降低下游感潮段的景观水位，保持低水位运行［7］。实现阳光透射到涌底，涌底生境得以恢复，水生生物群落开始丰富的生态自修复模式。

3 生态修复的定量分析

通过对沙河涌进行为期一年多（2019年5月至2020 年10 月）的水生生物监测，定量分析阐明黑臭水体整理后河涌生态系统自修复效果与发展趋势。建立二维河道水动力模型，分析计算沙河涌的水动力情况，重点计算河道水面线情况，并模拟枯水期、丰水期的水位、水流流速、流向情况。根据沙河涌监测点河段枯水期、丰水期水动力模型结果，分析监测点河段水流情况对水生植物的影响，得出不同水期水生生物群落结构变化和恢复状况。

3.1 监测位点布设与监测数据收集

（1）监测位点布置原则

沙河涌监测位点的布置原则其一考虑流域内水系分布情况，包括支流汇入口、重要合流排水口以及补水点位置等因素；其二考虑监测数据代表性，监测位点均匀布置在河涌上、中、下游。

沙河涌上游至下游共布设了7个监测位点，各位点的具体信息见表1。

表1 沙河涌监测位点基本信息Table 1 Basic information of monitoring points of Shahechong

（2）采样时间与项目

本研究于2019 年5 月、2020 年2 月和10 月开展调查采样工作。采集与指标测定主要包括：水质指标测定，浮游生物、附着藻类水生植物、大型底栖动物及鱼类的采集鉴定。

3.2 水质指标评价

水质主要涉及溶解氧（dissolved oxygen，DO）、化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、五日生化需氧量（five-day biochemical oxygen demand，BOD5）、总氮（total nitrogen，TN）、氨态氮（ammonia nitrogen，NH3-N）、总磷（total phosphorus，TP）指标，评价参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）进行。

3.3 水动力数学模型分析

采用河道MIKE21水动力模型计算，模拟区域为沙河涌上游左、右支流（监测点S1、S2）至下游涌口（监测点S7）的河道范围。为确保监测点河段模型结果精度，适当增加监测点上、下游约200 m河段的三角形网格密度，沙河涌模型共生成计算网格102 546个，网格平均大小2.6 m2。

水动力学模块是MIKE21水动力模型最核心的基础模块，可以模拟因各种作用力作用而产生的水位和水流变化。模型计算公式如下：

水流连续方程：

河道主流方向运动方程：

垂直主流方向（河宽方向）水流运动方程：

其中：h为水深，m；t为时间，s；u和v分别为x和y方向的流速，m/s，M=uh，N=vh；Z为水位，m；q为单位面积上水流的源汇强度，m/s；n为曼宁糙率系数；D为紊动粘性系数；J为雅克比数；U、V分别为曲线坐标中流速在ξ和η方向的分量［8］。

3.4 水生生物评价

水生生物采用物种组成、丰度、生物量、优势度指数（Y）、Shannon 多样性指数（H）以及Pielou’s 均匀度指数（J）［9］等评价方法进行评价，各指数按《海洋监测规范》（GB 17378.1—2007）的要求进行计算，具体计算方法如下［10］:

式中：ni为第i种的个体数；N为所有种类的总个体数；fi为第i种在各位点出现的频率；Pi为第i种的个体数与总个体数的比值。Y＞0.02 的物种被定义为优势种［11-12］。Shannon 多样性指数（H）是反映生物群落结构的复杂性和稳定性的指标，该指数数值越大，表明生物多样性水平越高。

2020 年10 月选用相对重要性指数（index of relative importance，IRI）描述了鱼类群落生态优势度，将IRI≥1 000 定为优势种，100≤IRI＜1 000 定为重要种。计算公式为:

式中：N为各物种数量百分比，W为各物种质量百分比，F为各物种在所有抽样次数中的出现频率。

4 研究结果

4.1 水质指标测定

沙河涌以低水位运行模式为主，除河口受珠江潮汐影响水深为1～2 m 外，其他位点的水深在0.5 m左右变动，丰水期最大流速达1 m/s，而枯平水期，流速均低于0.4 m/s。2020 年水质较2019 年明显提升（图5），DO、COD、BOD5均达Ⅲ类地表水标准，与2019 年相比，2020 年水体的COD、BOD5、TN、NH3-N、TP浓度分别下降46%、54%、18.9%、29.4%、36.7%。

图5 沙河涌三次水质调查结果对比图Fig.5 Result comparison of three surveys of water quality at Shahechong

4.2 水动力数学模型计算结果

建立沙河涌河道MIKE21水动力模型，计算枯水期（10月至次年4月）、丰水期（5月至9月）沙河涌上游至下游7 个监测位点水位、水深和流速。计算结果见表2，计算结果反映了沙河涌各断面水位-流速关系的变化情况。

表2 沙河涌枯水期、丰水期各监测河段水力特征值Table 2 Hydraulic characteristic values of each monitored river section during dry and rainy season of Shahechong

4.3 浮游生物

（1）浮游植物

2019 年5 月和2020 年2 月与10 月浮游植物物种组成对比见图6。三次调查浮游植物物种组成均以绿藻和硅藻为主，2020年10月物种数较2020年2月大大增加，且物种明显多样化，出现了甲藻门物种，蓝藻占比大幅减小（从19%减小到4%），而绿藻门、裸藻门和隐藻门物种占比增加。在一系列的生态恢复策略下，浮游植物群落逐渐重建，从营养盐含量充足水域中的普生种类（硅藻）逐渐形成优势种且数量明显增加（以绿藻最多），还出现了敏感种转板藻和卵囊藻。在水质逐步改善的前提下，敏感种的出现有利于河涌浮游植物完整性修复。

图6 沙河涌浮游植物物种组成占比图Fig.6 Proportion of species composition of phytoplankton composition of Shahechong

（2）浮游动物

在沙河涌三次调查中，浮游动物物种组成对比如图7所示。可以发现，与2019年5月相比，2020年10月调查总物种数有所增多，且物种组成变化很大，原生动物组成占比在后两次调查中有了极大的提升。与2020 年2 月相比，2020 年10 月浮游动物总物种数减少了1种，原生动物占比略有增加，轮虫占比略有增加，没有桡足类物种出现。表明在一系列的生态恢复策略下，浮游动物群落逐渐重建，原生动物占比逐步提高，逐步出现敏感种针棘匣壳虫和弯凸表壳虫。在水质逐步改善的前提下，敏感种的出现有利于河涌浮游动物完整性修复。

图7 沙河涌浮游动物物种组成占比图Fig.7 Proportion of species composition of zooplankton composition of Shahechong

4.4 附着藻类和水生植物

（1）附着藻类

在沙河涌三次调查中，附着藻物种组成对比如图8所示。可以发现，与2019年5月附着藻类总和26种和2020年2月附着藻类总和28种相比，2020年10 月附着藻类总和达到71 种，物种明显多样化，增加了隐藻门物种，蓝藻门、绿藻门物种数占比均有一定下降，出现一种清洁种曲壳藻。表明在一系列的生态恢复策略下，附着藻类逐渐增多，2020年10月附着藻类总数达到71种。虽然附着藻优势种基本都是中富营养型水体指示种，但附着藻优势种逐步增加，并且出现一种清洁种。在当前的流量范围内，水质改善有利于河涌附着藻类完整性修复。

图8 沙河涌附着藻类物种组成对比图Fig.8 Proportion of species composition of attached algae composition of Shahechong

（2）水生植物

在沙河涌三次调查中，水生植物物种组成对比如图9 所示。可以发现，沙河涌2019 年5 月、2020 年2 月和10 月水生植物都以挺水植物为主。与2019 年5 月和2020 年2 月相比，2020 年10 月水生植物总物种数有所减少。2019年5月和2020年2月出现的浮叶植物和沉水植物在2020年10月没有发现，但是2020年10月出现了漂浮植物。通过三次调查，水生植物的物种数和种类变化比较明显，均出现不同的优势种，规律性不强，建议持续调查2—3年，比较分析其相关关系。

图9 沙河涌水生植物物种组成对比图Fig.9 Proportion of species composition of aquatic plant of Shahechong

4.5 大型底栖动物

在沙河涌三次调查中，大型底栖动物物种组成对比如图10 所示。可以发现，2019 年5 月大型底栖动物以节肢动物和寡毛类为主。2020年2月大型底栖动物以节肢动物为主，而2020年10月以寡毛类和软体动物为主。与2019年5月相比，2020年2月和10 月大型底栖动物总物种数都有增加。与2020 年2 月相比，2020 年10 月大型底栖动物总物种数减少了10 种，寡毛类和软体动物物种数分别增加了15.02%、18.32%，节肢动物物种数大幅度减少，蛭类和多毛类物种数略有减少。表明在一系列的生态恢复策略下，底栖动物群落逐渐重建，寡毛类和摇蚊是修复初期的先锋种，腹足类软体动物和污染敏感水生昆虫是随后定殖的过渡种。在当前的流量范围内，较大流量可能有利于河涌底栖生物完整性修复。

图10 沙河涌大型底栖动物物种组成对比图Fig.10 Proportion of species composition of macrobenthic animals of Shahechong

4.6 鱼类

在沙河涌三次调查中，鱼类物种组成对比如图11 所示。2019 年5 月和2020 年2 月鱼类都以鲤形目为主，物种数从2019 年5 月21 种下降为2020年2月16种、2020年10月10种，但类别组成增加到2020 年10 月6 类（鲤形目、鲈形目、鲶形目、鲇形目、合鳃鱼目和鳉形目）。表明在一系列的生态恢复策略下，鱼类类别逐渐增加，从最早的耐低氧，耐低氧且适应性强的齐氏罗非鱼、尼罗罗非鱼和革胡子等外来鱼种为主，伴随水质的逐步改善，外来鱼种数量逐步下降，但物种丰富度明显增加（2020年出现本地优势种鲮鱼和泥鳅）。伴随着水质的改善本地鱼类逐步恢复，物种丰富度明显增加。