南方山區河道生態治理設計典型問題探討

陳家林

(北京中鐵生態環境設計院有限公司，北京102600)

隨著社會經濟的發展和城鎮化進程的加快，人類的生產生活行為所導致的環境污染問題越來越普遍，與人類生活息息相關的河道水環境也日益受到影響。我國從20世紀90年代開始對河流綜合治理進行探索并取得了一定成果。2015年《水污染防治行動計劃》(“水十條”)發布實施以來，各地的流域綜合治理工作也邁入新階段。近年來，隨著河道治理工作的推進，河道治理技術逐步發展成熟，在眾多河道治理措施中，生態治理措施優勢明顯，工程設計也積累了較多的經驗[1-2]。

1 河道常用生態治理措施與適用條件

1.1 底泥疏浚

底泥疏浚是指清除水體的表層底泥，減小底泥中污染物的總量，控制污染物釋放，以此改善水質的一種水體修復技術[3]。該技術在國外如荷蘭的Geerplas湖、日本的手賀沼，國內如杭州西湖、安徽巢湖、大理洱海、昆明滇池等[4]生態治理中都取得了很大成效。底泥疏浚應用廣泛，適用于多種水體，主要作為其他河道治理措施的輔助手段或者前置措施。但底泥疏浚通常工程量巨大，造價也較高，且要求疏浚深度合理，否則易破壞水體生態系統。

1.2 投加微生物制劑

微生物對污染物具有降解作用，當水體受到污染時，微生物的降解能力不足，需要人為創造條件強化其對污染物的降解。目前有兩種途徑，一是直接向污染水體中投加微生物菌劑或酶制劑；另一種是向污染水體投加微生物促生劑，促進水體中“土著”微生物的生長。微生物制劑主要應用于黑臭水體和高污染物濃度的水體內，原本的微生物活性受限或者微生物系統潰敗的情況。但會有業主對微生物制劑的安全性持懷疑態度，不允許在備用水源地等敏感水體內應用。

1.3 生物膜技術

生物膜技術使微生物群體附著于某些載體的表面呈膜狀，膜上的微生物通過與污水接觸，截留、吸附或降解污染物，從而降低污水中污染物的含量。胡一珍等[5]對污染河道采用蜂窩陶瓷作為載體進行了生物修復，對COD和氨氮有良好的去除效果。曹蓉等[6]對污染河道采用軟性填料作為載體，掛膜成功并取得了一定的處理效果。生物膜技術在日本的京都、韓國的良才川和泰國的河水凈化中都有研究和應用，并且取得成效[7]。生物膜技術主要應用于中小河道、河道污染物濃度較低時，作為一個輔助治理手段，配合其他工程使用。

1.4 植物修復技術

植物修復技術主要通過水生植物吸收水體中的氮、磷等營養物和重金屬，以及植物根系寄居的微生物對水中的有機污染物進行降解去除[8-9]。例如在污染河道中種植對重金屬具有較強耐性和富集能力的“超富集植物”，可以將大量污染物迅速吸收和富集到植物體中，利用植物自身的主動運輸作用運送到其地上部分。最后收割植物地上部分就可以將大量的重金屬污染物從水中和底泥中帶走，達到去除污染物、改善河道水質的效果。植物修復技術具有生態可持續、可恢復完整健康水生態系統、實現水域自凈等優勢，在生態治理工程中應用廣泛。

1.5 人工濕地凈化技術

人工濕地主要由人工基質和生長在其上的水生植物組成，利用基質填料、微生物、植物和水生動物之間的協同作用，通過一系列物理、化學、生物作用實現對水體中絕大部分有機物、重金屬等有害物質的分解吸收，達到凈化水體的目的。人工濕地的運行方式包括表面流濕地、水平潛流濕地和垂直流濕地，大量工程實踐表明人工濕地對河道污染物能實現很好的去除效果[10-11]。人工濕地主要應用于污水處理廠尾水水質提標以及河湖水體的水質維持，對水質的提升效果明顯，但人工濕地占地面積較大，需要單獨協調用地，在實際應用過程中往往受到場地限制。

1.6 生態浮島

生態浮島是以水生植物群落為主體，根據物種間的共生關系，充分利用水體營養生態位和空間生態位的原則建立起來的人工生態系統。其利用植物根部的吸收、吸附作用和不同物種間的競爭機制，將水體中的氮、磷以及有機物作為自身營養物質利用，并最終通過對植物體的收獲將其帶離水體，達到凈化水體的目的，對污染物的處理效果明顯[12-13]。一般在城市河道、水體流速較慢，不具備在水體內進行植物修復的條件下，進行生態浮島建設，在發揮凈化作用的同時具有一定的景觀效果，但由于生態浮島規模受限，凈化作用也相對有限。

2 項目概況

2.1 水環境概況

鶴市河支流河道寬度約為15 m，平均水深約為20～30 cm，河道流速約為0.5 m/s。河道兩側建設有垂直護岸，河道底質以泥沙為主，河道內有少量挺水植物；河道周邊有大面積稻田，稻田退水通過溝渠排入河道內，河道周邊還零星分布生活廢水和畜禽養殖廢水排口。

鶴市河干流河道寬度約為70 m，常水位水深約為50 cm，河道流速約為0.5 m/s，河道兩側已建設生態護岸。河道內大型水生植物較少，部分河段生長蘆葦等挺水植物、沉水植物，河中有鯉魚、草魚等水生動物；河道內存在大面積灘地，灘地上雜草茂盛。鶴市河干流主要污染源為某污水處理廠尾水排口，尾水排放量為1.5×104m3/d，尾水污染物濃度限值：CODCr，40 mg/L；NH3-N，5 mg/L；TP，0.5 mg/L。

2.2 水質現狀

鶴市河2018年水質在Ⅲ類和Ⅴ類之間，超標因子為CODCr、NH3-N和TP，其水質見表1。

表1 鶴市河2018年水質監測結果Tab.1 Monitoring results of water quality of Heshi River in 2018

2.3 設計目標

通過合理的治理措施，完善鶴市河支流和干流完整的水生態系統，恢復水體的自凈能力，使鶴市河水質常年保持在Ⅲ類。

3 生態治理工程設計

3.1 設計構思

鶴市河支流主要污染物為農田面源和零星生活、養殖廢水，在源頭控制和過程阻斷都不具備條件的前提下，只能通過末端強化治理的方式來實現預期目標，即選擇在河道內通過生態治理措施來實現污染物降解的目的。鶴市河為山區河道，降雨后河水泥沙含量較大，并且南方多雨，河道內很容易堆積泥沙，設計時選擇泥沙疏浚作為生態治理措施的首要步驟并且作為常態化管護措施。考慮到支流泥沙沉積會掩埋河道內掛膜載體，影響掛膜效率和凈化效果，因此支流不考慮河道生物膜措施。其他微生物制劑、生態浮島、人工濕地等措施在支流治理中不太適用，通過對比分析，優選植物修復技術作為支流的生態治理措施。

鶴市河干流主要污染源為1.5×104m3/d市政尾水，在污水處理廠自身不具備提標改造條件的前提下，通過生態治理措施的對比分析，首選采取人工濕地凈化技術對尾水進行深度凈化后再排入河道內，降低河道內的外源污染物負荷。

3.2 設計問題分析與優化處理

直接在支流河岸兩側種植水生植被時，在雨后流速過快的情況下，水生植被很容易被連根拔起，并且在河道彎曲段勢必沉積大量泥沙，會掩埋水生植被。因此，采用單一的植物修復措施很難保證工程實施效果，影響植被修復功能的發揮。此外，河道常水位較低，大部分河段不具備沉水植被的生長條件。

基于以上問題，考慮在不影響河道行洪的前提下，在適當位置建設生態透水壩(圖1)。設置生態透水壩能在上游形成一個緩沖區，通過延長水力停留時間，促進水中泥沙和營養鹽的沉降。生態透水壩的攔蓄作用也提高了上游緩沖區常水位，為沉水植物提供了生長條件，從而很好地發揮水生植物的吸收、吸附等凈化水質的作用。生態透水壩自身的濾料也具有快速滲濾作用，能進一步凈化河水。

圖1 生態透水壩Fig.1 Ecological permeable dam

在河道流速較快的河段，通過松木樁圍護的方式，在河道兩側構建挺水植被種植池(圖2)，防止河水對植被的沖刷，保證種植挺水植被的成活和生長，同時不影響水生植被對河道污染物降解作用的發揮。

在鶴市河干流段，污水處理廠尾水的水質凈化措施優選垂直潛流濕地，但由于干流兩側遍布村鎮及農田，不具備建設垂直流人工濕地的條件。基于以上分析，考慮利用河床內灘地，通過灘地改造(圖3)，將河道原有的單槽流淌狀態改造成多水路網狀水系脈絡，增加水生植被的種植，將河道灘地改造成大型的表流濕地，通過土壤-植被系統發揮河道水體污染物吸附、降解、吸收作用，達到水質凈化的目的。

圖2 挺水植物種植池Fig.2 Planting pool of emerged plant

同時，在不影響河道行洪的原則下，在灘地改造段下游建設橡膠壩(圖4)，發揮攔蓄水效能，為上游濕地維持生態水位，為水生植物、水生動物營造良好的生境，使其更好地發揮生態凈化作用，以達到水質凈化的目的。

圖3 灘地改造示意Fig.3 Reconstrcution of beach land

圖4 橡膠壩意向圖Fig.4 Concept image of rubber dam

3.3 工程效果

工程實施后，支流生態透水壩發揮了良好的緩流沉砂作用，河道兩岸的植被也逐漸穩定生長，河道內整個生態系統逐漸趨于完善，穩定發揮了水體自凈能力。干流河道內河灘地改造完成后，加上橡膠壩對水位的保持作用，逐漸形成大面積的自然濕地，水生植被茂盛；河道內局部也形成連續的氧化塘，在河道內植被微生物代謝、維管束植物、浮游生物，以及稀釋、沉淀和絮凝等多方面的綜合作用下，干流水質逐步提升，得到明顯改善，如表2所示。目前鶴市河水質已維持在Ⅲ類水質標準，達到工程設計的水質目標。

表2 工程實施后鶴市河水質監測結果Tab.2 Monitoring results of water quality of Heshi River after the implementation of project

4 結語

河道治理是一個多專業交叉、系統性的工程，治理措施多樣，其中生態治理措施以可持續、可循環的方式來實現水生態系統的健康營造，具有顯著的優勢。在多種生態治理措施的選擇上，要充分考慮項目的特點，采取針對性強、效果明顯、投資造價低的措施。在項目設計過程中，河道特征、污染源類別、場地條件、投資預算等多重因素可能使常規處理辦法無法實施，及時調整設計思路，通過多重保障措施來保證原有設計愿景的實現成為設計的必然選擇。