江蘇省河道水生態環境治理關鍵技術和設備研究

謝 忱，丁 瑞，潘小保，柳 楊，蔡秋鵬，范子武

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210098)

江蘇地處長江下游平原河網地區，經濟發達，城市密布，河湖縱橫，水域面積大，河道流量小、河網水體流動性差，水環境容量小，河流自凈能力差[1]。隨著工業化與城鎮化的快速發展，城市河道被擠占，河網分割、水系暢通性差，城市河道淤積嚴重，外部污染日益增加，使得河道水環境污染日益加劇，水功能區達標率低，河道水體感官差[2]。城市河道水生態環境治理成為亟待解決的重要環境問題，因此有必要研究適用于江蘇省河道的水生態環境治理技術和設備，以期為江蘇省河道水生態環境治理提供借鑒。

1 江蘇省城市河道特點與分類

1.1 江蘇省城市河道特點

江蘇跨江濱海，平原遼闊，水網密布，大小河道有100多萬條[3]。水系分屬長江、淮河兩大流域，按習慣又將淮河流域分為淮河和沂沭泗兩個水系，長江流域分為長江和太湖兩個水系(流域)。江蘇河道稠密，相互交織，縱橫成網；海陸相鄰，灘涂較大。主要河道將江海湖庫連接起來，形成江蘇水系的主要框架，如圖1所示。

1.2 江蘇省城市河道分類

1.2.1地貌類型

江蘇地形以平原為主，平原面積7萬km2，占江蘇省面積的70%以上，比例居中國各省首位，主要由蘇北平原、黃淮平原、江淮平原、濱海平原、長江三角洲平原組成。江蘇地勢低平，河湖較多，平原、水面所占比例占江蘇省的90%以上，比例居中國各省首位。

江蘇河道最常用的分類，依據流經的區域不同，將流經地勢險峻、地形復雜的山區的河流稱作山丘區河流；將流經地勢平坦、土質疏松的沖積平原的河流稱作平原河流。平原河流再細分為平原水網、圩區河流。江蘇省河流以平原水網、圩區河流為主[4]。

1.2.2河網格局

河網格局與該地區的地質構造、地貌特征和發育歷史有關，城市河網格局易受人類活動影響。隨著歷史變遷和城市化發展，每個城市形成了自己獨特的河網格局特征。Leopold和Wolman[5]按照平面形態將河流劃分為順直河、曲流河、辮狀河3種類型；Rust[6]根據河道分叉指數和彎曲度將上述3種河型補充成為順直河、曲流河、辮狀河及網狀河4種類型。

江蘇省典型城市河網格局類型如圖2所示。蘇州古城的河網格局主要呈現回字形，且在歷史上，河網水系是受到園林設計的導向和影響；常熟市城區河網呈現環形輻射狀，以古城區為核心，護城河、環城河、東環河為三環，通過青墩塘、白茆塘、耿涇塘、常滸河等十條大河與三環溝通，形成三環十射的水系格局，主干河道的分布格局也影響了內部圩區的劃分，形成了18個小圩區；吳江松陵老城區河網呈現X型的交叉狀；南通通城區河網受潮汐影響，是典型的強感潮型河網，隨著外河水位變化，片區內水流往復、水位劇烈變化，潮汐增加了調度的難度，同時也帶來了增流提質的契機。

圖1 江蘇省水系圖

圖2 典型城市河網格局示意圖

1.2.3水質現狀和污染物特征

根據2016、2017年江蘇省水資源公報，2016年江蘇省監測870條河流，1707個水質斷面，控制河長19171km。全年綜合評價結果，優于Ⅲ類水的斷面770個，占45.1%，控制河長9552km，占49.8%。河長水質類別比例如圖3所示。2017年江蘇省監測904條河流，1765個水質斷面，控制河長19991km。全年綜合評價結果，優于Ⅲ類水的斷面818個，占46.3%；控制河長10329km，占51.7%。河長水質類比比例如圖4所示。2016、2017年江蘇省河道主要超標項目均為氨氮、化學需氧量、五日生化需氧量。

2016年全省587個重點水功能區，監測553個，417個達標，達標率75.4% 。江蘇各省轄市重點水功能區水質達標率如圖5所示，除徐州、鹽城外，達標率基本達到70%及以上；2017年全省監測587個重點水功能區，465個達標，達標率79.2%，比上年提高3.8個百分點；江蘇省各省轄市重點水功能區水質達標率如圖6所示，除連云港外達標率均達到70%以上。

圖3 2016年江蘇省河長水質類別占比

圖4 2017年江蘇省河長水質類別占比

2 城市河道活水暢流與水生態修復技術

依據江蘇省河道河網格局、水質現狀及水量豐裕程度等分類標準，結合具體河道面臨的水環境問題，因地制宜確定活水暢流、生態修復等水環境治理技術。

圖5 2016年江蘇省各省轄市重點水功能區達標率圖

圖6 2017年江蘇省各省轄市重點水功能區達標率圖

圖7 各城區多源供水活水暢流示意圖

2.1 豐水型城市河道

對于豐水型城市河道，應該因地制宜，尋找多處優質水源，盡可能地提高水源保障能力，進行引水和活水暢流，加強水體交換，提高水體溶解氧和其自凈能力，從而提高水環境容量，改善水環境。該項技術在常州、無錫、蘇州、常熟、上海得到了有效利用[7- 10]。常州主城區利用德勝河、澡港河雙源供水；無錫城區利用長江、太湖雙源供水；蘇州中心城區利用西塘河、陽澄西湖雙源供水；常熟城區利用海洋涇、山前塘雙源供水；上海淀北片利用黃浦江、蘇州河、淀浦河趁潮引水。如圖7所示。

同時豐水型城市河道往往水系密布，水位差小，水體流動性差，引水時常常面臨水從骨干河道流走而難以惠及中小河道的局面，因此需要根據不同水系河網格局，尋找河網關鍵控制節點，利用控導工程人工重構水位差，調節河道流量和水位，從而實現水位水量按需分配、精準控制的暢流活水格局，達到精細化、高效化配水的目標。

2.2 水質型缺水城市河道

對于水質型缺水城市河道，由于其河道水質較差，宜采取人工濕地、強化凈化、水生生物生境恢復、一體化處理設備、高壓滅藻等工藝，對高含沙、高含藻或有其他水質問題的水源進行處理后作為清潔水源。

2.2.1垂直流人工濕地水質凈化技術

垂直流人工濕地從濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態，氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統。垂直流人工濕地由于其獨特的結構和水流方式，使得其脫氮、除磷能力顯著高于其它人工濕地形式。有投資小，運行維護費用低，出水水質好，抗沖擊能力強，操作簡單和美化環境等優點[11]。

垂直流人工濕地凈化技術在蘇州寶帶橋-澹臺湖景區水環境整治提升工程中得到了充分的應用。采用高效垂直流人工濕地處理運河補水，有效凈化水中懸浮物和氮磷污染物等，凈化輸入補水水源，優質出水作為澹臺湖和玳玳河的清水水源，提升澹臺湖和玳玳河水環境，促進水體流動。

2.2.2河道強化凈化技術

主要是利用引水泵站從水源處提水，通過在引水泵站出水段投加混凝劑，利用水泵葉輪高速轉動，實現混凝劑與河水的快速混合，經天然河道凈化處理，在內河上完成沉淀過程，最后懸浮物含量降低，水體清澈透明，感官指標得到有效改善。

2.2.3水生生物生境恢復技術

水域生態系統中生產者(水生植物)、消費者(水生動物等)、分解者(微生物)的平衡配置是實現富營養化水體生態修復的關鍵。水生生物生境恢復技術以大型浮游動物為先鋒，通過大型浮游動物攝食消化水體中的藻類、有機顆粒和懸浮物，同時產生弱酸性的排泄物，進一步抑制水體藻類的生長，再配以水生植物，構建水下草皮，恢復水域生產者群落，實現自然界生態食物鏈的基層建設[12]。此外，投加一定比例的初級、高級消費者對植物生物量進行控制，調控整個生態系統中各組成成分，保證生態平衡，最終形成自穩型生態系統，恢復水域正常自我凈化能力。

2.3 水量型缺水城市河道

對于水量型缺水城市河道，宜采用中水回用、雨水截留、活水自循環等方式[13]，江蘇省大部分城市河道水量豐沛，但可以借鑒部分措施，達到節約水資源、提高水體利用率和水源保障率的目的。

3 城市河道水環境治理設備

3.1 裝配式景觀溢流堰

裝配式景觀溢流堰考慮近期與遠期、臨時與永久相結合，兼顧美觀需求，采用活動可調節形式，通過調節堰頂高程，汛期可降低堰頂高程排水，水質提升調度可調節水位，能滿足汛期防洪排澇與水環境調度需求。溢流堰設計靠近河岸兩側用擋水鋼板樁，河道中間布置可調節的活動溢流堰，底部布置集裝箱，將溢流堰的液壓啟閉等裝置布置在集裝箱中。如圖8所示。該裝置適用于寬度30m左右的城市中小河道，箱體可升降范圍2m左右。

溢流堰采用鋼板樁+活動升降門的組合，在活動升降門的上游側，可布置一排鋼板樁，加固活動升降門的門體，鋼板樁高度與門庫內閘門未頂升時的高度一致，提高活動升降門的整體穩定性?；顒由甸T門槽高度與河道兩側鋼板樁高度一致，門庫內閘門頂升到位后與門槽、鋼板樁高程一致，在需要調節水位時，可通過控制箱自動降低門庫內閘門的頂升高度，從而實現調節圍堰擋水高度的功能。

圖8 裝配式活動溢流堰設計圖

圖9 裝配式活動溢流堰現場圖

裝配式景觀溢流堰可快速安裝和拆卸，安裝周期從普通的水閘安裝90～180d縮短為1～2d，同時采用可升降調節的型式，可快速實現水位自由調節，用于形成梯級水位差，保持水體持續流動，形成瀑布的跌水景觀；在溢流堰兩側布設綠化，與周圍護岸景觀融為一體，更加貼近自然，達到較好的景觀效果。該裝置全國首創，價格低、工期短、見效快、需求廣，易于復制推廣。如圖9所示。

裝配式景觀溢流堰成功應用于兩屆進博會水質提升工程[14]，工程布局如圖 10所示。通過在布置徐靈路溢流堰、謝衛路溢流堰、徐涇江溢流堰等三座溢流堰，在進博會研究區域內實現水體封閉和梯級水位，促使內部水體有序循環，水量精準按需配置。通過精細化數學模型模擬預測以及現場原型觀測調試，控制80%水量在重點區內循環流動，20%水量惠及延展區，營造有序流動的水系格局。

圖10 進博會活水自循環工程布置圖

3.2 一體化處理設備

一體化處理設備有超磁分離水體凈化技術、膜技術等[15]。其中超磁分離水體凈化技術技術是將河道的水引入至于河道岸邊的“超磁分離成套凈化設備”，河水進入超磁凈化分離機后，利用超磁分離機產生的高磁場，實現污泥與水體的快速分離，干凈的水體直接回到河道的另一端，使水體在河道內自然形成循環，磁盤吸附上來的泥輸送到超磁分離機污泥處理設備，壓制成泥餅后外運處理。

圖11 無錫水環境聯控聯調平臺界面

膜技術如RD-F系列一體化污水處理設備，利用鐵基質生物耦合填料強化接觸氧化反應，填料內零價鐵、炭形成微電解原電池，通過與微生物的協同作用，實現含氮有機物的短程硝化和反硝化；動態膜系統池內設置PTFE平板微濾膜組件，在負壓作用下，懸浮物被膜截留在表面，清水透過膜輸送至清水池。

由于一體化處理設備一般處理能力較小，且耗能大、成本高，一般常態化使用較少，而更多用于水環境應急情況，如杭州G20峰會生活污水處理項目、深圳坪山三洋湖排洪渠污水處理項目等。

3.3 高壓滅藻設備

在水體中收集打撈藍藻，并利用深潛式高壓控藻成套設備對藻水進行加壓處理，壓力達到0.7MPa。經過加壓后的藍藻細胞活性降低，其囊團破裂，會下沉至水體底部，自然消亡，抑制藍藻的快速繁殖，從而起到控制水體藍藻大面積爆發的作用[16- 18]。

深潛式高壓控藻成套設備的工作原理主要依靠壓力降低藍藻細胞活性，主要功能是收集打撈水體中的藍藻，將藻水導流流入70m深井，利用深井產生的0.7MPa自然壓力進行加壓處理，經過加壓后的藍藻細胞活性降低，其囊團破裂，會下沉至水體底部，自然消亡，抑制藍藻的快速繁殖，從而起到控制水體藍藻大面積暴發的作用，該技術在太湖、巢湖、星云湖等呵護水環境治理中均得到成功應用。

3.4 水環境聯控聯調系統

針對目前平原河網區城市日常調度主要依賴人工調度，決策主要依靠調度人員經驗，水環境調度不精準，很難充分發揮水動力調控對水環境的改善作用等問題，為實現城市河網水質提升智慧化運行，需要建設全覆蓋、全要素立體監測預警、調度和智能決策的聯控聯調系統，實現智慧水務服務。

聯控聯調平臺基于通信網絡及信息交換平臺，利用先進的傳感器技術、計算機測控技術、自動化控制技術、視頻監控技術、現代通信技術、數學模型技術、GIS技術、大數據分析、云平臺等技術建成一個以城區活水為中心的“先進實用、安全可靠”的智能平臺，系統構架主要包括監測站點層、支撐平臺層和業務應用層。

監測站點層采用物聯網感知技術，建設統一的水位、流量、水質、工情、視頻監測站網，并采用遠程控制技術，并根據暢流活水的功能需要，對新建工程和原有閘站工程進行遠程控制，增加調控手段；支撐平臺層按照技術統一、架構平臺統一的總體要求，建立集統一數據庫、統一用戶管理、統一認證服務、統一安全保護、統一平臺展示的應用支撐平臺，以城市河網水文-水動力數值模型為核心，關聯物聯網監測數據，結合水利工程遠程控制，實現區域工程調度優化；業務應用層面向用戶，提供可視化的界面實現用戶的業務流程，包括信息查詢、實時監測、預報預警、工程調度等應用業務。

水環境聯控聯調系統研究成果在蘇州、無錫、上海等多個城市得到應用[19]，如圖11所示。實現了智能化精準調度代替人工調度，預報精度和預見期大幅提升，水位調控精度誤差降低至厘米級，水動力調度響應時間由現狀條件下的人工操作調度優化至智能化調度，有效地提升了城市防汛、排澇、水環境治理工作的現代化管理水平和科學決策能力。

4 結語

江蘇省城市密布，河湖縱橫，水域面積大，河道流量小、河網水體流動性差，水環境容量小，同時閘泵眾多，調控困難。但是由于經濟發達，工業化與城鎮化的快速發展，城市入河污染負荷日益加劇，水功能區達標率低，河道水體感官差。本文針對江蘇省城市河道特點，對江蘇省城市河道進行分類，并按照豐水型城市河道、水質型缺水城市河道、水量型缺水城市河道的分類分別介紹相適應的河道治理技術，最后介紹了裝配式景觀溢流堰、一體化處理設備、高壓滅藻設備、水環境聯控聯調系統等水環境治理設備，以期為江蘇省河道水生態環境治理提供借鑒。