南通中央創新區河道水生態系統構建研究

余 雯

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

城市水系的水生態系統是一個復合生態系統，它是以人工技術和社會行為為主導，以自然生命保障系統為依托，以生態過程為命脈的人工生態系統。單靠傳統單一的技術處理不能完全解決河道水生態問題，而是需要采用綜合技術手段，即通過構建完整的水生態系統，充分利用生態系統自凈自潔(自我修復)的能力優勢，從根本上解決城市河湖等景觀水“水清”、“水美”的問題[1- 3]。

本文結合南通中央創新區水系綜合整治項目，在控制河道外源污染、禁止污水直排、凈化初期雨水的基礎上，配合生態工程措施，科學利用水域生態學的基本原理，將整個水系按功能劃分區塊，構建和諧的人工水生態系統，并通過后期的人工調控等技術措施，逐步培育水體的自我修復能力，最終脫離人工干預，還水于自然[4- 6]。

1 中央創新區水環境現狀

中央創新區內河道水質總體屬于地表Ⅳ～Ⅴ類水，現狀COD入河量為3790t/a，現狀氨氮入河量為319.4t/a。營船港水源至北部通甲河引入，水質條件最好，創新區東區梁浩港、小撇港豎河、大撇港橫河區域水質最差，部分河段存在黑臭現象。由于很大一部分外源污染來自于農業面源，因此從時間上看來，水質受到季節變化和農耕活動影響較大。

區內河道仍保留多處較原始的岸邊帶結構，但由于受到人為活動的干擾，導致水土流失嚴重，現存的岸邊植被較為稀疏。河道水生植物較少，水體自凈能力較差。水域內水生生物量及生物多樣性較低。

中央創新區規劃為一個獨立水系，在水系控制建筑物建設完成后，區內河道將形成一個相對封閉的水體，僅在汛期進行澇水南排，枯水期進行北引補充。在這種條件下，構建一個完善、穩定的水生態系統是十分必要的。

2 河道水生態系統構建

2.1 水系功能分區

中央創新區水系補給水源為北部通呂運河，經營船港北閘、山港河閘和中心豎河閘進入中央水系，經通滬大道以北河道分段注入紫瑯湖，再由營船港南泵閘排入通啟運河。水源水質未達到水生態系統對水質的需求，因此需對整個水系進行凈化功能分區，如圖1所示。不同分區河道采用不同的水生態系統構建方案。

圖1 水系生態布局分區圖

2.1.1水生植物凈化區

水質凈化區范圍北至青年路、南至通滬大道、東至快速路、西至通富南路，處于中央創新區水系引清活水工程“北引南排”的上游區域，水源經北部森林、濕地注入紫瑯湖，是紫瑯湖水源的主要引水河道。

中央創新區水系水源主要取自北部通呂運河，通呂運河現狀水質明顯劣于中央創新區紫瑯湖水質目標，非常有必要對來水進行進一步凈化，并結合去污能力強的水生植物，合理搭配水生動物、微生物，打造生態河道，以降低紫瑯湖的污染負荷，確保區域水系的水質。此外，該區域內用地性質多樣化，結合河流廊道生態景觀的打造，塑造結構合理、景觀多樣性的城市生態河道。

2.1.2水質穩定區

水質穩定區北至通滬大道、南至源興路、東以河道入湖口為界、西至通富南路，處于中央創新區水系引清活水工程“北引-西排、南引-西排”的下游區域，向西注入褲子港，是中央創新區水系的主要出流河道。

作為未來片區排水的主要出流河道，在滿足防洪排澇基本要求的同時，應結合河道周邊用地性質的多樣性(科創用地、人才公寓等復合類型)，以水街為景觀核心，打造具有科技感的現代化都市生態河道。

2.1.3水域文化教育展示區

水域文化教育展示區北至通滬大道、南至源興路、東至通盛大道、西以出湖口為界，處于中央創新區水系的東南片區，以親水游憩休閑、科普教育為主。

充分利用該區的游憩休閑功能，設置濕地展示區與挺水植物展示區，結合沉水植物-浮葉植物-挺水植物-濕生植物群落演替序列的構建，展示水生植物的豐富種類、類型及其生態功能，讓居民走進自然、認識自然并參與自然，培養居民保護自然的生態意識。

2.1.4河道生態構建策略

根據中央創新區內水系分區，針對不同功能的河道采用相應的生態措施。

(1)生態型河道

基于自然生態河道定位，以水質改善為目標，采用近自然生態功法，利用工程措施，在傳統河道整治的基礎上，實現近自然、少投入并能保持優美景觀的河流生態綜合治理，使得退化的生態系統恢復到具備一定結構和功能的準原始狀態。主要采用生態清淤+高效微生物凈水系統+高等水生植被構建技術+底棲生物構建技術[7]。

(2)景觀型河道

基于自然景觀河道定位，在保障水安全、水環境的基礎上，結合景觀生態學原理，以“休閑、生態”作為切入點，通過河道景觀生態系統的建設促成“水-陸-景”三位一體的立體景觀系統。結合河道兩岸用地性質變化，造就異質性較大的植被斑塊，打造高低錯落有致的植物群落，塑造良好的河道景觀，形成“雨季防洪，旱季賞景”的親水型濱水長廊。

(3)排洪防澇型河道

基于排洪防澇河道定位，以保障水安全為前提，小尺度范圍構建生態修筑物，以改變河床形態，重塑河流蜿蜒性，以達到改變河流平面順直、流態單一的目的，配合物理抗性較強、根系發達、去污能力較強的沉水植物和浮葉植物，對順直化河道進行生態化改造，利于河道生態系統的恢復。

2.2 水生態系統構建具體方案

2.2.1生態清淤工程

中央創新區東部的梁浩港、小撇港豎河、大撇港橫河等生態型河道屬于水質凈化區，現狀黑臭情況嚴重，采取生態疏浚方式，即全河段清除表層污染底泥，疏浚完成后開展水生植物恢復，迅速修復新生底泥表層生態，抑制底泥污染物釋放，并強化與延長底泥疏浚效果。

2.2.2生態攔截網+微型生物凈化強化工程

考慮到生態展示區內河流均為往復型河流，分別在幾條主要河道中游自西往東依次設置生態攔截網+生物格柵序列，集功能性和觀賞性一體。

生態攔截網為孔徑19mm的尼龍網，兩端固定，主要攔截漂浮垃圾，防止垃圾在河浜堆積。通過空氣壓縮機控制生態攔截網浮體的升降，可有效防止河流中的漂浮垃圾及可能的浮萍等漂浮植物進入內部河道，影響景觀效果。

生物格柵選用BD- 50辮帶式水處理填料，安裝時每平方米安裝9根，以3根×3根的方式安裝，每根生物繩之間間距為30cm。水面端為直徑60mm的圓柱形可充氣式橡膠管，管長等于河道寬度，總布設面積約120m2。利用工程菌和原生動物、后生動物一類的微型動物附著在填料上生長繁育，形成膜狀生物污泥，水體與生物柵接觸時，水體中的有機污染物、藻類、氮、磷等營養物，被生物柵上的微生物所攝取，使水體得到凈化，微生物自身也得到繁殖。這種處理方法能夠有效的去除污水中氮磷總量，使水體得到凈化。

2.2.3水生植物種植工程

水生植物重建工程中對水生植物的選擇是關鍵。本項目考慮四季交替，擬選擇優良的本土水生植物。挺水植物有蘆葦、香蒲、菖蒲、慈姑、鳶尾等；浮葉植物有睡蓮、菱角等；沉水植物有苦草、菹草、狐尾藻、金魚藻、伊樂藻、馬來眼子菜等[8]。上述水生植物中菹草、伊樂藻為冬、春季生長，其他為春、夏、秋季生長，故可形成四季皆有水生植物的良好狀態，強化對來水的污染去除。不同區域水生植物種植工程量見表1。

2.2.4水生動物恢復工程

底棲動物種群的恢復主要結合沉水植被的恢復進行，通過在沉水植被恢復區放養大型軟體動物，豐富功能攝食類群，增加物種多樣性以構建完善的水生生物食物鏈，為恢復健康穩定的水生態系統奠定基礎。放養的底棲動物種類以雙克蚌、螺類為主，按平均放養密度為蚌1只/m2、螺類50只/m2。先期以螺類放養為主，在湖底溶解氧量及有害氣體量達到蚌的生存條件后，適當放養一定量雙克蚌。不同區域水生動物投放量見表2。

水質凈化區的防洪排澇河道不涉及水生生物(如底棲生物)物種的引入，引水過程中，土著底棲生物如螺蜆類軟體動物、搖蚊類節肢動物等將會自然進入，會自然形成一定的生物種群，與水體中浮游類生物形成生物多樣性種類達到一定程度的生態系統。因此，該區域不再投放底棲生物，以自然恢復為主。

2.2.5復合生態浮島工程

在景觀型河道內沿河道中心線布設復合型凈化景觀生態浮島，通過拼裝組成具有適當景觀圖案的生態浮島群，間隔200m布置一組，單組生態浮島有效種植面積約為500m2左右，共布設28組，睡蓮、巨葉王蓮等浮水植物在浮島周邊點綴種植，形成“水景相依”的優美景觀。不同區域生態浮島水生動植物投放量見表3。

表1 水生植物種植工程量

表2 水生動物投放工程量

在防洪排澇型河道，布置可調式生態浮床，借助水下固定樁和水面所設的浮力裝置，實現浮床水平方向固定、垂直方向隨水位波動而上下浮動[9]。選用蘆葦和美人蕉(面積比為1∶1)等抗污性較強的水生植物種類，通過植物自身的新陳代謝直接吸收水體中的氮和磷，從而不斷減輕水體富營養化程度和改善水質。單個可調式生態浮島種植面積約為360m2，共布設18個生態浮島。

表3 生態浮島水生動植物投放量

2.2.6曝氣充氧工程

河道內設置微孔曝氣技術，可快速有效改善水體溶解氧濃度，改善水體動力，為整個河道健康生態系統的建立和完善提供基礎條件。全河段內設置16個曝氣機，置于生態浮島之間，采用漂浮式安裝。

3 污染負荷和削減量計算

3.1 河流污染負荷

按照規劃，中央創新區無污水直接排入河道，污染主要為降雨期間的初期雨水徑流污染以及天然降雨直接產生的污染。

(1)降雨污染負荷

南通地區自然降雨水樣中雨水中COD、氨氮、總氮、總磷濃度分別為25～200mg/L、0.11～4.9mg/L、0.83～6.25mg/L、0.038～0.250mg/L。河流天然降雨污染量采用下式計算，計算結果見表4。

W降=αhA

(1)

式中，α—雨水污染物濃度系數；h—降雨量，取941.5mm；A—河道總水面面積，取50.30ha。

(2)徑流污染負荷

中央創新區河道匯水面積為1182.5ha。土地利用類型主要包括居住、商業、道路、綠地、公建5種類型。

表4 河道降雨負荷 單位：t/a

根據5部分區域面積、雨水徑流污染物平均濃度、地表類型的徑流系數，計算出各區域雨水徑流污染物負荷?？紤]到后期海綿城市的建設對年徑流量有所控制，并能削減部分污染負荷，本文分近、遠期計算，結果見表5—6。

表5 近期河道接納降雨徑流污染負荷

表6 遠期河道接納降雨徑流污染負荷

(3)污染負荷總量

中央創新區內河網的污染負荷見表7。

表7 中央創新區河道污染負荷 單位：t/a

3.2 河道污染削減量

為使中央創新區內河道達到國家地表水Ⅳ類標準，根據目標水質削減量=全年累計污染負荷-水環境容量，可得出河流所需削減的年污染負荷[10- 11]，見表8—9。

表8 中央創新區河道近期污染物削減量 單位：t/a

表9 中央創新區河道遠期污染物削減量 單位：t/a

3.3 水生植物氮磷削減量核算

通過水環境容量與污染負荷對比分析，同時結合水體水質要求，確定污染物削減量，計算公式如下：

W削=W0-W1-W2

(2)

式中，W削—污染物削減量，t/a；W0—污染總負荷，t/a；W1—水體水環境容量；W2—水體水質要求。

工程建成后，將建設河道兩側挺水植物面積81441.6m2，河道浮葉植物面積15570.9m2，河道沉水植物184048.8m2，覆蓋率超過50%。河道生態浮島挺水植物種植面積14000m2，浮葉植物1800m2，將顯著改善河道水質與生態景觀，對河道水質改善具有顯著的促進作用。

(1)河道內挺水植物

依據前人及“九五”、“十五”期間國家水專項研究成果[12- 13]，挺水植物群落能攔截入湖河道徑流夾帶泥沙及其它陸源污染物的25%～62%；生長挺水植物群落的底泥中氮循環微生物數量均有大幅度增加，其中反硝化細菌數量分別是硝化細菌數量的10.69倍和8.24倍，反硝化作用強烈，能夠顯著提高氮素的去除能力。挺水植物群落能使水中的磷酸鹽、有機氮、氨和懸浮物分別減少20%、60%、66%和30%。

挺水植物的去污能力以植物單位鮮重同化量計算，經核算，本次方案單位面積挺水植物每年綜合去除總氮27.3g/m2，總磷為2.7g/m2。南通市中央創新區水系河道內沉水植物總種植面積為16641.6m2，每年可去除總氮27.3g/m2×16641.6m2=0.45t，總磷2.7g/m2×16641.6m2=0.04t。

(2)河道內沉水植物

根據南京地理與湖泊研究所相關專家在東太湖的研究成果[14- 16]，沉水植被每年可以從水體中去除總氮25.8g/m2，去除總磷2.70g/m2。據此，南通市中央創新區水系河道內沉水植物總種植面積為184048.8m2，每年可去除總氮25.8g/m2×184048.8m2=4.78t，總磷2.70g/m2×184048.8m2=0.50t。

(3)河道內生態浮島

參照前面挺水植物去污能力的計算方法，核算生態浮島去污能力。河道內生態浮島每年可去除總氮27.3g/m2×78800=2.15t，總磷2.70g/m2×78800m2=0.21t。

4 結語

(1)綜合河道內植物和生態浮床，合計每年去除氮磷分別是7.38、0.75t。根據河道污染削減量計算結果，中央創新區河道近期污染物TN、TP的削減量分別是10.46、1.37t/a，遠期則分別是0.46、0.25t/a。基于目前水生態系統規劃，參照國標GB3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅳ類功能區標準，經生態治理后遠期河道水生植物對TP、TN的削減量大于遠期所需削減量，能有效控制水體污染，對改善中央創新區水系生態環境有積極的促進作用；而近期，對TN、TP的削減量不足，因此對污染源進行源頭控制(海綿措施)和過程控制(人工強化)是必要的。

(2)在行洪排澇為主的河道中，在保證過水斷面的基礎上進行水生植物布置，并考慮水位變動下的植物分布；在景觀為主的河道中，以生態性好、觀賞性佳的水生植物為主，配合水生動物和微生物的投放與養護，可建立平衡發展的水生態系統。本文的水生態系統構建方案與污染削減量計算可為類似閘控封閉水系的水生態系統構建與恢復提供參考。

(3)水生態的建設需與生態護岸和護岸緩沖帶的建設相結合，保障水生態系統的環境基礎不受破壞。本文僅對水域范圍進行了研究，今后的研究應加入濕生、陸生植物對生態系統的作用。此外，在開展生態治理的同時，對水質及生物進行長期監測，可為中央創新區整體水環境整治提供科學的基礎數據，為優化整治方案提供數據支撐。