上海市生态清洁小流域建设中水治理技术集成与应用研究

陆 娴

(1.上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707；2.上海市水务局河湖水生态修复工程技术研究中心，上海 201707)

“十三五”期间，上海市水环境完成消黑、消劣两阶段补短板的治理工作，治理成效显著[1]。巩固现有治理成效的同时，为“复苏河湖生态环境，建设美丽幸福河湖”，全市开展生态清洁小流域建设，共划分为151个小流域，1574个治理单元，覆盖全市所有河湖的水环境治理工作。河湖水环境的质量，深刻影响着全市河湖的健康与人民的幸福，是人类社会生存和发展不可替代的基础性资源。水生态保护与修复是系统性和综合性工程，单一水治理技术已无法满足治理要求，因此有必要深入研究生态清洁小流域建设中水治理技术的集成与应用。

1 全市河湖总体情况及主要特征

1.1 全市河湖总体情况

2021年，上海市共有河道(湖泊)47086条(个)，河道(湖泊)面积共649.21km2，河湖水面率10.24%，河网密度4.79km/km2。其中镇管河道(湖泊)共2703条(个)，面积126.06km2，河湖水面率1.99%。村级河道38712条，长18516.89km，面积197.77km2，河湖水面率3.12%。其它河道5103条，长1479.52km，面积54.22km2，河湖水面率0.86%[2]。镇村级河湖及其他河道总计46518条(个)，占全市河湖条段数的98.8%；面积总计378.05km2，占全市河湖面积的58.2%，是生态清洁小流域水环境治理的重点。

2021年，地表水水质监测状况显示，全市监测河道41条段，监测断面总计70个，监测显示主要河道水质在Ⅱ～劣Ⅴ类之间，水质污染以有机污染为主。其中，长江口、黄浦江上游等水质较好，大部分水质指标为Ⅱ～Ⅲ类。4、5、11、12月份无劣Ⅴ类水质，其余月份均出现不同程度的劣Ⅴ类水体，超标因子主要为氨氮、总磷、溶解氧。

1.2 镇村级河湖主要特征

上海是典型的平原河网地区，地势平坦，水系发达，河流纵横交错，呈网状分布[3]。镇村级河湖作为水系末端的“毛细血管”，具有分布广、规模小，流速低、易淤积，韧性差、易脆弱，脏乱差、管理难的特征。

(1)河湖分布广，规模小。镇村级河湖遍布上海9个郊区，各区河道分布范围广泛，平均河网密度为4.45km/km2，其中崇明区密度最大，为7.81km/km2。河道宽度集中在5～15m，占所有河道的67.2%；河道宽度小于5m的，占所有河道的11.6%，河道宽度位于15～20m的，占所有河道的12.8%。河道宽度正态分布曲线如图1所示。

图1 上海市镇村级河道宽度正态分布曲线

(2)河湖流速低，易淤积。上海地势低平，河底坡降多以平坡为主，同时外围受水闸或泵站等水工建筑物控制，潮汐作用影响程度甚微，河网水动力不足，流速远低于不冲流速，河道极易淤积。

(3)河湖韧性差，易脆弱。镇村级河湖常水位时单米蓄水量约为5～30m3，蓄水量普遍不足，流速低，河道纳污能力小、韧性差，受周边农业面源污染，水体缺氧，富营养化较为严重。以往河湖整治时片面考虑泄洪、过流能力以及调蓄容量，导致河道断面单一化、渠道化，平面走向直线化，护岸材料硬质化，河湖生境单一；进而破坏河湖自然生态系统，水中生物栖息地破碎，两栖动物生物通道丧失，生物多样性大幅减少。

(4)河湖脏乱差、管理难。镇村级河湖点多面广，基础设施薄弱，通达性差；当地居民护水意识不强，参与度较低，河湖脏乱差现象频发。相较于镇村级河道的庞大基数，管护力量薄弱，养护经费不足，管理难度较大。

2 水治理技术集成

通过实地调研，对现有水治理技术的类型、应用案例以及优缺点进行详细分析，适用上海地区镇村级河湖的水治理技术主要有四类：水系连通技术、平断面形态设计、滨水带生物群落构建、水质净化技术。

2.1 水系连通技术

水系连通技术包括断头河打通等纵向连通及岸坡生态防护等侧向连通技术。

断头河打通主要通过新开河道、新建桥涵等方式[4]，将断头处就近与河道相连通，解决水体流动性差、换水周期长等问题。对于近期无水系连通条件的河段，也可利用小型泵站进行调活水体。

岸坡生态防护通过在水位变动区利用天然或人工材料设置具有水土相互渗透、防冲刷功能的护岸结构。防护材料可分为自然材料以及人工材料，自然材料有草皮、木桩、堆石等，人工材料有生态砌块、生态混凝土、固化土以及水土保护毯等[5]。岸坡生态防护在保护和稳定岸坡的同时，丰富水生动植物的生境，有助于生物多样性的提高。

2.2 平断面形态设计

河湖平面形态设计要求尽可能保持或恢复河道的自然形态，构建深潭-浅滩、急流-缓流交替出现的河流形态。根据河道冲淤平衡和弯道处横向环流作用，考虑在有条件的地方设置浅滩湿地。

河道断面形态应充分考虑沿河变化情况，优先采用非对称的，深浅不一、形状各异的复式断面；条件允许的情况下，构建河漫滩，适应与常水位和高水位周期性的转变，提高河道调蓄容量的同时，也可增加生物生境多样性。

2.3 滨水带生物群落构建

滨水带指介于河道水体与陆地之间的区域，包含陆域带、河滨带以及水生植物种植带。滨水带的物理功能效应主要体现在植被的过滤拦截和促渗作用，化学功能效应主要体现在植物的吸收转化作用以及土壤的吸附作用[6]，有助于保持、净化河流的水土，维护河流生物的多样性

陆域带是河道设计河口线外部约6m的陆域地区，通常呈狭长形，整体形成一条线性生态廊道，一般由乔木、灌木及草本等植物构成。

滨水带是位于常水位之上和陆域相邻的区域，一般选用耐水性好、扎根能力强的植物，种植自然流线型色带，点缀开花小灌木，形成整齐有序的花境。

水生植物种植带位于预降水位和常水位之间的区域。种植植物一般分为挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物。上海常用的挺水植物有再力花、芦竹、水葱、黄菖蒲、香蒲、鸢尾、灯芯草等，浮叶植物有睡莲、香菇草、荇菜等。

2.4 水质净化技术

水质净化技术适用于河道自净能力差的地区，利用石材、填料、植物等介质，扩大微生物生长空间，强化自然水体的净化降解能力，达到净化水质的效果。适用于上海的水质净化技术主要有曝气技术、生态浮床技术、生物膜技术、人工湿地技术、沉水植物构建等技术。

曝气增氧技术主要有鼓风曝气设备、表面曝气设备和潜水射流曝气设备等类别，使用一定的方法和设备，增加水体含氧量，加快有机物的氧化分解。

生态浮床技术通过水生植物根系对富营养化水体中的氮、磷物质进行吸收、吸附、截留，根系上附着的微生物降解，达到净化水质的效果。

生物膜技术模拟自然水体自净的过程，利用卵石、活性炭、纤维等载体比表面积大的特点，使微生物大量附着繁殖，强化自然水体的净化降解能力。用于河湖的生物膜技术有碳素纤维生态基载体净化法、砾间接触氧化法、生物活性炭填充柱净化法、薄层流法等。

人工湿地技术通过湿地的吸附、过滤、吸收、分解、异化等过程，去除水体中污染物，根据形式不同可分为浅滩湿地技术、梯级多塘湿地及林草复合湿地。浅滩湿地技术利用陆域空间，结合人行步道以及人行栈桥搭配实施。梯级多塘湿地根据实地地形的特点、河道污染负荷、水质要求等参数，灵活设计梯级多塘人工湿地的组合、级数、形状、面积和上下级的高差等，提高系统溶解氧的含量，使系统的硝化功能加强，强化污染物的去除能力。林草复合湿地是由林、草、水等要素构成的城郊人工湿地系统。

沉水植物构建技术利用沉水植物对营养盐的吸收与净化、化感、克藻、增氧、重金属吸收及去除等作用，在河底满铺沉水植物，构建水下森林，净化水质。

3 水治理技术应用建议

3.1 生态清洁小流域类型划分

根据上海市区域主导功能定位，151个小流域按照水源保护型、都市宜居型、绿色发展型、美丽乡村型4类进行建设[1]。

水源保护型主要位于黄浦江中上游沿线各街镇、长江上游镇及青草沙水库所在的长兴镇等地，以涵养水源、保护水质为重点。

都市宜居型主要位于中心城区以及新城区域，以水环境改善、水景观建设为重点。

绿色发展型主要位于崇明、虹桥、自贸区等区域，以河湖保护为重点。

美丽乡村型主要位于城郊各镇，以保护原生态、水环境提升为重点。

3.2 各类型水治理技术应用建议

河道水治理技术的选取时根据各类型特色及建设要点，因地制宜，确定方案合理、经济可行的集成技术，组合推荐见表1。

表1 按治理需求选取生态治理技术

(1)水源保护型。水源保护型小流域11项控制指标均高于或等于其他类型，其中区域水质要求达到Ⅱ～Ⅲ，林草面积占比大于90%，生态防护比例大于80%。考虑到水源保护型小流域历来水质、污染、开发建设等各方面管控较为严格，现状河湖生态本底相对较好，水治理技术重点在于自然修复、提升生物多样性。要求河湖保护原生态，岸坡防护自然化，和周边环境相融；加强陆域及滨河带的建设，构建沉水植物，涵养河道水源。考虑到水生植物和生态浮床需要定期收割养护，管理要求较高，此区域不推荐采用。水源地周边河道若存在农业面源、养殖尾水污染等情况下，可采用水质净化技术，确保水源地用水安全。

(2)都市宜居型。都市宜居型小流域11项控制指标均低于或等于其他类型，其中区域水质要求达到Ⅳ类及以上，林草面积占比大于80%，生态防护比例大于65%。考虑到中心城区或新城区域开发建设力度大，住宅小区、企事业众多，人口密度大，环境需求高，现状河湖生态本底相较于其他类型较差，水治理技术重点在于修复河道功能、景观文化建设。要求河湖最大限度地模拟自然生态系统结构，提供动植物适宜的生态环境，改善生态功能的多样性，着重自然生态的保护和恢复，推荐多种治理技术相互搭配、融合，最大程度改善水环境质量，建设水景观、水文化。

(3)绿色发展型。绿色发展型小流域11项控制要求和美丽乡村型相同，介水源保护型和都市宜居型之间，其中区域水质要求达到Ⅳ类及以上，林草面积占比大于85%，生态防护比例大于75%。考虑到绿色发展型大多是发展较好的镇，开发力度较都市宜居型小，对环境不可避免产生一定影响，因此河湖水治理技术重点在于河湖保护、强化自我修复功能。要求河湖自然形态的保持、生境条件的改善、陆域及滨河带的建设、沉水植物构建；条件允许时，可构建浅滩湿地；河道水质条件较差，需要改善时，可采用其他水质净化技术。

(4)美丽乡村型。考虑到美丽乡村型小流域多集中在农村地区，河湖生态本底受农业面源及居民护水意识影响较大，因此水治理技术重点在于水环境提升、人水和谐。要求河湖保持自然形态；临河房屋或道路处设置岸坡生态防护，沿河设置供休闲、娱乐的亲水步道或景观节点；利用当地物种构建沿河陆域及滨河带，减少农业面源污染对河道的影响；河底采用沉水植物满铺。河道水质景观等要求较高时，可考虑采用曝气、生物膜技术。生态浮床及人工湿地技术养护要求高，不推荐采用。

4 结语

水治理技术的集成与应用是系统性改善河道水环境，提高生物多样性以及提升人居环境的重要举措[7]。本文将镇村级河湖水治理技术归结为四类，并针对生态清洁小流域治理类型提出相应的应用建议，为生态清洁小流域治理工作开展提供了方向和依据。

随着河湖生态环境质量的持续改善，河湖生物多样性指数重视程度日益提高，各项水治理技术对于生物多样性的影响程度目前尚不明确，后续将针对各项水治理技术对于生物多样性指数的影响进行持续监测，进一步完善水治理技术集成与应用研究成果。