華東地區小流域河網水環境綜合治理技術探討

苗 青，王 俊

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430000)

近30 a來，我國農業和畜禽養殖業快速發展，經濟和人口活動密集的河流、湖泊附近，存在較為嚴重的水環境問題，部分河流還存在常年性或季節性黑臭[1-2]。華東地區降雨豐沛，水資源豐富，河網水系眾多，居民集中依水而居，由于缺乏相應的管理措施，使得農業面源污染和生活污水等直接進入河網。

小流域河網水環境治理水系連通復雜，污染源分散，需統籌考慮水質達標、生態修復和景觀要求，河網水環境治理是污染治理和維持生態平衡的綜合性多方位治理工程。針對集中污染源控源截污，并進行水質凈化是水環境治理的重要手段。對于農業面源污染，目前的水環境治理技術主要有河道緩沖帶構建技術、河道生態多樣性修復技術和河道水質凈化技術等[3]。本文以安徽省天長市銅龍河小流域河網水環境治理為例，探討小流域河網水環境治理技術。

1 工程概況

天長市北部銅龍河是典型的小流域河網，上游建有安樂水庫和大通水庫，兩庫溢洪道相交后匯入干流，最終進入高郵湖，其間支流眾多，銅龍河流域范圍見圖1。高郵湖是天長市主要的飲用水源地，銅龍河作為主要入湖河流，沿線污染物匯入對高郵湖水源地的保護帶來污染壓力。銅龍河水環境功能區劃目標為《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)IV類標準，2014～2016年銅龍河下游干流流入高郵湖大橋處月度例行監測結果表明：干流年度滿足III類～IV類水質標準的月份僅2～4個月，其余月份干流水質僅為V類水質，甚至劣V類水質，主要超標指標為COD、TP、氨氮等。

圖1 銅龍河流域范圍圖Fig.1 Map of Tonglong River basin

銅龍河水環境治理工程近期目標水質為《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)IV類標準，遠期達到III類標準。為進一步了解銅龍河干流和主要代表支流的水質情況，2019年4～5月對銅龍河和主要代表支流現場采樣補充監測，經與《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)III類標準比較，干支流水質基本均有超標，超標因子主要為CODCr、BOD5、TP和TN，干支流主要超標因子和超標倍數見表1。

表1 干支流主要超標因子和超標倍數表Tab.1 Major exceeding factors and exceeding multiples table of main streams and branches

為有效解決水環境污染問題，保障高郵湖飲用水水源地水質，工程對銅龍河河網開展水環境治理工作。銅龍河綜合治理工程范圍上起水庫溢洪道，下至銅龍河入高郵湖河口，干流總長約28.7 km，20條支流總長約72.1 km，治理范圍流域面積約223 km2。

2 河網水環境治理思路

河網水環境治理需在詳盡的河網及流域概況調查的基礎上，摸清河網特征，識別主要環境問題，分析主要污染源并計算污染負荷。河網水環境治理需以環境容量作為底線進行控制，劃分河網各支流的匯水區域，分別計算各支流的入河污染量，按照各支流的污染程度確定水環境治理的輕重緩急程度，針對不同污染源采用不同的治理手段，從流域污染源防治、流域生態修復與保護和流域監管能力建設等方面確定工程規模，以達到修復水環境的目標。

銅龍河屬于受人工控制的季節性河流，夏秋季節降雨多，河流的徑流量大；而冬春季節降雨較少且受上游水庫調蓄控制，河流的徑流量也相對較小。根據污染源調查，河網沿線分布村鎮、工業園區、禽類養殖場和大片基本農田，入河外源污染主要為城市和農村生活污水、工業廢水、禽類養殖廢水和農田面源污染。鎮區所在的部分河道由于污染物積累時間較長，底泥已成黑臭狀態，這是主要河流內源污染。銅龍河1#支流、3#支流、19#支流和干流集中分布1個工業污水排污口和8個生活污水排污口，其中1#支流分布1個工業污水排污口，3個生活污水排污口；3#支流分布3個生活污水排污口；19#支流和干流分別分布1個生活污水排污口。流域內各干支流流量和污染源基本情況見表2，水質現狀超標程度基本和排污口的個數呈正相關。經分析計算，河網流域的入河污染量為CODCr530.78 t/a，NH3-N 36.19 t/a，TP 7.01 t/a，其中各污染物中面源污染占38.15%～71.83%。河道考核斷面位于干流臨入高郵湖大橋上游約100 m處，工程以承載能力進行底線控制[4]，采取針對性的治理技術后削減量達到CODCr272.76 t/a、NH4-N 33.58 t/a、TP 5.73 t/a。

表2 干支流流量和污染基本情況表Tab.2 Basic conditions of main stream and tributary flow and pollution

工程針對河網支流污染程度和入河污染量進行排序，自身現狀污染超標嚴重的支流，分布污水處理站和城鎮污水廠尾水排放口的支流，以及面源污染匯入量大的支流，是工程河網水環境治理重點。

3 水環境綜合治理技術

河網水環境問題是一個系統問題，應系統分析、系統解決。控源截污是水環境治理的首要性、基礎性工作；水系溝通、水動力保證和生態系統的建立是水環境治理長久保持效果的核心要素[5]。工程綜合采用控源截污、水質凈化、生態修復、底泥疏浚等技術對河網水環境進行治理。

3.1 控源截污和水質凈化

控源截污和水質凈化是水環境治理過程控制的重要手段，其將無組織污染源排放的廢水進行收集，是人口密集的城鎮生活污水和工業廢水處理的重要技術。河流沿線城鎮已建成污水處理廠，但已建污水管網的村鎮多采用雨、污合流制管道、明渠(溝)或暗渠排放進入附近溝渠、河塘、支流等水體，部分區域截污管破損且管網收集率低。

3.1.1 控源截污

針對銅龍河干流城鎮段，以現狀道路、河道、現狀排水管網、在建、待建截污管網工程為基礎，結合片區污水管網規劃，以雨污分流為指導思想，盡量以分流制完善；分流困難的區域采用截流式合流制。將收集的污水匯集到已建污水處理廠配套干管系統，充分發揮污水處理廠及配套干管的功能。銅城鎮城區共有114個雨污排水口，其中直接進入河網的雨污排水口20個；生活污水接入點94個，其中居民生活接入點18個，企業生活接入點76個。工程對上述排污口和生活污水接入點進行截流，將污水接入設計污水管道。

農村居住區分布不均，大多數沒有完善的污水收集系統和污水處理系統，導致生活污水無規則排放，直接流入地表徑流，造成周邊環境水體污染。農村生活污水主要包括化糞池污水、廚房和洗滌廢水。生活污水中糞、尿的體積小于2%，但卻是生活污水中的主要污染來源。目前，農村還是以糞尿與廚房、洗滌廢水分開收集，糞尿返田，廚房、洗滌廢水就近排放入水體的方式為主，在傳統農業耕作中，這也是極為樸素的生態循環方式[6]。因此，在以耕作為主要生計來源的農村地區，廢水分類，推行改廁堆肥的分散生態處理方式，采用源頭控制生活污水產生量比形成污水后再處理更省時、省力、省錢。

人口比較密集的村莊初步具備了城鎮特征，人員生計不再完全依賴耕作，且大多依河而建，控制這些村莊的入河生活污水量是治理農村生活污水的關鍵。工程對居住人口多且比較密集的村莊設計污水收集管網和污水處理設施，對原有污水處理設施不能正常運行的村莊進行改造，經調查后，共有7個村莊納入農村生活污水管網建設和污水收集處理的范圍，分別位于1#、6#、7#、18#和19#支流以及干流的匯水區域。

3.1.2 水質凈化

銅城鎮污水處理廠設計出水水質為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準，尾水排放口所在的3#支流水質現狀為劣V類水質，為進一步提升尾水排放水質降低入河污染物排放量，工程擬建設污水處理廠尾水濕地，使COD、NH3-N和TP的去除率分別達到45%、35%和45%。基于進水水質，水量波動等因素，綜合考慮后尾水濕地選擇塘-床工藝，具體工藝流程為“進水→水生植物塘→垂直潛流濕地→出水”。尾水濕地的處理規模為10 000 m3/d，為提升水生植物塘污染物的去除效果，水生植物塘在常規構建水生態系統的基礎上，利用生態浮床構建碳纖維草生物濾床，強化水體凈化效果。

3.2 生態修復

農業面源污染主要包括禽類養殖廢水和農田面源污染。隨著我國工業和城市生活污染排放的控制成效越來越大，農業面源污染的比重進一步凸顯。農業面源控制不僅要從源頭上采取化肥和農藥減量化、種植制度優化和節水灌溉等措施，也要綜合采取污染過程阻斷和末端強化治理的工程技術，而生態修復技術則主要是針對農業面源污染的過程阻斷和末端強化治理。

河網匯水區域內大部分為農田，天長市農田以種植水稻為主，農田面源污染主要來自農業灌溉、汛期地表徑流，農田中的氮、磷、有機物等存留在土壤中是養分，一旦流失到水體中，對水體會造成一定程度的污染。同時，未經收集處理的養殖廢水也會進入水體中。河網受人工調蓄影響，難以獲得清水補給改善水質，但區域河網發達，河網生態系統構建和修復就成為治理水環境面源污染的關鍵一環。

工程采取的生態修復技術主要有：緩沖帶構建、河網生態多樣性修復和旁路凈化以及水系連通。河網匯水區域內多為基本農田，用地屬性決定了不允許在河道兩邊構筑一定寬度的植被緩沖帶和建設旁路人工濕地削減、控制面源污染的匯入。工程利用支流與干流的相對高程關系，對于可匯入干流的支流，支流河口處如有可用河塘的，可以利用其作為支流匯入干流的緩沖帶；對于地勢較低，出入口均可與干流連通的支流，則可將部分干流河水引入水量和流速都相對較小的支流，并對支流進行生態多樣性修復，將支流作為干流的旁路凈化濕地。

經研究發現，地表徑流前期污染物濃度波動較大，變化趨勢相對一致。徑流中SS的次降雨徑流平均濃度(EMC)為161.05 mg/L，COD和TP的EMC分別為85.82 mg/L和0.59 mg/L，TN和NH4-N的EMC瞬時濃度分別達到14.05 mg/L和7.80 mg/L。其中，SS和TP、COD之間呈顯著正相關關系，表明TP和COD大部分以顆粒態形式存在[7]。因此，緩沖帶和旁路凈化濕地的構建主要以延長地表徑流在河道的停留時間，提高顆粒物的沉降率為主。

3.2.1 緩沖帶構建

緩沖帶主要由兩部分組成：支流河口濕地和陂塘。支流河口濕地可作為支流匯水區域污染物入河緩沖帶，陂塘可作為支流或干流匯水區域污染物的入河緩沖帶。

(1)支流河口濕地。

河網支流主要功能為農業灌溉，河道經裁彎取直，相比自然河道而言，地表徑流自各支流匯入干流的時間有所縮短，不足以使受納的面源污染在傳遞過程中得到充分的消解、轉化。

工程綜合考慮現狀水質超標程度和入河污染量，根據地形選取10#和15#兩條支流，將其匯入主干流河道的河口處魚塘、陂塘等地勢低洼的非基本農田區改建為生態緩沖區，構建支流河口濕地，打造生態滯水區，延長水流在支流的停留時間，并實施水生態系統的強化性構建，利用河道彎段豐富的生態系統結構形成的良好自凈能力進一步削減污染物，從而在污染隨支流轉移的過程中強化對面源污染的攔截與控制功能，實現農田面源污染在轉移過程中的控制與削減的目的，典型支流河口濕地示意見圖2。

圖2 典型支流河口濕地示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical tributary estuary wetland

支流水位通過溢流壩調節，正常情況下支流來水經溢流壩擋住后，由閘涵流入濕地，經濕地調蓄凈化處理后，從閘涵出水至支流，并最終匯入干流。當降雨量增大，支流來水量加大，水位升高，超出河口濕地受納量的來水直接翻越溢流壩進入干流。

支流河口可供建設用地面積有限，且多不規則，盡管水平潛流或垂直潛流人工濕地有著更好的處理效果，水力負荷、污染表面負荷均更高，但無法通過高程實現進出水自動調節。同時，為了防止濕地堵塞需在前端增設沉淀工藝控制支流河口來水的懸浮物含量，但支流河口用地受限，無法保證足夠的沉淀時間。表面流人工濕地、穩定塘可就近直接利用原有低洼或水塘進行改造，污染負荷能力可以滿足進一步處理的要求，支流河口濕地建設宜根據地形和水文情況采用“表面流人工濕地”與“生態塘”的組合形式。濕地內設置導流墻延長水力停留時間，并通過設置碳纖維草生物濾床進一步降解污染物；同時，在濕地內構建水生態系統，種植挺水、沉水和浮葉植物，投放魚類、底棲動物，以維持支流河口濕地水生態系統的穩定性。

(2)陂塘。

陂塘是利用低洼之地匯集周邊地表徑流而形成的池塘，陂塘匯水多通過支流進入干流，因此匯水區域較大的陂塘可作為支流的緩沖帶進行治理。工程選擇緊鄰河網，匯水直接入河的陂塘進行治理。由于陂塘水動力條件較差，工程在常規構建水生態系統的基礎上，增加供氧曝氣，在陂塘中水生動植物群落建立起來之前，通過人工布設曝氣裝置彌補初期塘內污水中溶解氧不足的情況，加強水體生態修復與自凈能力。

陂塘分布較分散，且匯水面積大小不一，難以形成具有一定規模的連片式的緩沖帶，作為入河緩沖帶的作用有限。

3.2.2 河網生態多樣性修復和旁路河道凈化

河網生態多樣性修復應全面考慮河道水文、水深、流速、斷面和平面形態、河道底質、工程材料等多因素的綜合影響，保障工程方案的科學合理性，并能適應河道的不同特征，創建健康的河道生境條件。

銅龍河河網支流眾多，部分支流上游較窄，且人為活動較少，河道水質也較好，因此工程主要選擇現狀超標、入河污染量大、需要清淤和城區段的河道進行生態多樣性修復，且將河口上游1 km內，河道寬度大于10 m的河段作為支流的治理范圍。

銅龍河河網功能以水利灌溉為主，大部分河網位于郊野，城區段部分河道兼顧防洪、航運和景觀需求。因此，河網水環境治理需充分考慮防洪的需求，生態多樣性修復設施不能阻滯防洪。最終，工程確定銅龍河城鎮段干流及1#～4#支流，7#～8#支流、10#～11#支流、15#～19#支流和古銅龍河共13條支流開展生態多樣性修復設計，其中利用5#支流和11#支流2條地勢較低的支流作為干流的旁路河道，通過建設水閘、泵站和連通涵等工程，將部分干流河水引入支流，延長干流河水的停留時間，典型旁路河道示意見圖3。

圖3 典型旁路河道示意圖Fig.3 Schematic diagram of typical bypass channel

河網生態多樣性修復主要采用水生植物群落構建、生物濾床、生態浮床(島)和河道凈化一體機等技術和設備，加強水生植物對河道污染物的消減。在銅龍河干流城區段河道布置挺水植物及沉水植物，在河濱帶水深0.5 m內種植挺水植物。水體流速0.3～0.5 m/s，是生態系統的安全閾值，工程在流速小于0.5 m/s，水深在0.5～2.5 m范圍內種植沉水植物。

3.2.3 水系連通

銅龍河城鎮段支流古銅龍河由于河床淤積，造成河床較高，干流河水無法進入支流對其進行補充，中間河段由于常年斷流、管理不善，垃圾堆填及部分建筑侵占，導致河道斷接。

為恢復城區段支流各項生態服務功能，保障城鎮行洪排澇，工程對古銅龍河長約1.28 km的河道實施水系連通工程，加強支流的補水活水。通過河道疏浚，將干流河水引入古銅龍河，補充支流的生態需水，并形成流動河道，改善水動力條件，確保水系無死水。

3.3 底泥環保疏浚

國內針對底泥對水體的影響已有很多研究成果，不少湖泊的調查資料表明，當完全截污后，水體仍處于富營養化狀態。當沉積物中營養元素的濃度超過了上覆水中營養元素的濃度時，可溶性營養元素可能釋放到上覆水中，可見在一定條件下，沉積物中的營養元素可能成為水體富營養化的主導因子[8]。

底泥環保疏浚主要是針對被污染的底泥層，但目前關于污染底泥的界定國內外還沒有統一的方法，在我國大致有以下5種方法被工程采用，分別是：視覺法、背景值比較法、經驗值法、含量分析法和釋放風險法。工程通過開展精確的水下地形測量、地質勘察工作，以視覺法為基礎，以含量分析法為依據，對采集的柱狀底泥進行污染判定。河道0.3～2.6 m深度取樣底泥中，全氮范圍為1.34×103～5.69×103mg/kg，平均值為3.34×103mg/kg；總磷范圍為30.1～598 mg/kg，平均值為360 mg/kg。由于淤泥重金屬含量不超標，因此工程對底泥中全氮超過1 500 mg/kg或總磷超過500 mg/kg的底泥層定義為污染層[9]，全部進行清淤。工程租用建設用地和水塘作為棄置場地進行自然晾曬干化。

水質達標分析是在污染源調查與分析、水環境容量計算、工程措施削減量估算后進行，通過水質達標分析計算結果，評判環境容量與工程削減措施是否能使水體水質達到水質目標要求。污染物在中小河流遷移，根據《水體達標方案編制技術指南》的技術說明和銅龍河水文數據完善程度，水環境容量選用一維水質模型進行計算。

表1補充監測結果表明，銅龍河干流水質基本能滿足《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅳ類標準要求。銅龍河是受人工控制的季節性河流，河流的水環境容量核算以最枯季河水的最不利水環境容量為基準，以《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類標準作為目標水質進行分析，水質達標年度分析結果見表3。

表3 銅龍河水質達標年度分析 Tab.3 Annual analysis of Tonglong River water quality up to standard t/a

綜合采取多種水環境治理措施后，可將NH3-N和TP的入河量控制在銅龍河環境容量的范圍內，考核斷面處NH3-N和TP在全年整體上可達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)III類標準，但CODCr的年入河污染量還不能滿足銅龍河環境容量的要求。

根據2014～2018年天長市降雨資料，5～10月平均降雨量占全年降雨量的比例為9.04%～15.61%，遠高于其余月份，CODCr和TP在5～10月不能達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)III類標準，NH3-N在6～9月不能達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)III類標準。

汛期CODCr、NH3-N和TP超標，主要由于汛期降雨量較大，使大量面源污染集中入河。有研究表明，華東平原河網區農村中小河流水體夏季汛期73%的地表水TP質量濃度超過地表水Ⅲ類標準，39%超過Ⅴ類標準[2]。同時，降雨初期徑流中面源污染負荷所占比重較大，降雨前10 h產生的地表徑流所含COD負荷可達整個降雨過程COD總負荷的68.81%～70.98%，降雨歷時10 h后，地表徑流所含COD負荷趨于穩定[10]。汛期大量攜帶面源污染的地表徑流進入河道，短期內超過了環境容量和工程措施能容納與消除的污染負荷，從而導致控制斷面污染物濃度可能會出現超標的情況，暴雨期間保持河道的Ⅲ類水質目標會有相當的難度。隨著時間推移，面源污染物濃度快速下降，最終趨于穩定。因此，在汛期，應待暴雨期過后再對控制斷面進行水質考核。

同時，通過水質達標分析結果也可以看出，水環境治理思路需由“重技術投入、重末端治理”向“技術與機制建設并重、末端治理與源頭治理公舉”的轉變[1]，為實現水質達標，還需從源頭大力推廣生態農業種植、減少化肥和農藥的施用量、推廣生態養殖，并采取取締沿河養殖、改變養殖模式、減少養殖污染等管控措施，多部門協作才能最大程度實現河網污染深化治理及水環境質量提升和功能恢復。

5 結論

(1)小流域河網水環境治理需在劃分干支流匯水區域的基礎上，對河網干流和支流不同污染程度和入河污染量進行排序，自身現狀污染超標嚴重的支流，分布污水排放口的支流，以及面源污染匯入量大的支流，是工程河網水環境治理重點。

(2)城市生活污水以控源截污，完善排水管網，進一步提高城鎮污水處理廠的出水水質為主；農村生活污水需在調查當地農村人口主要生計來源和人口密集程度的基礎上，判斷采用管網收集處理還是分散生態處理。

(3)小流域河網水系發達，河道兩側多為基本農田，用地受限。對于可匯入干流的支流，支流河口處如有可用河塘的，可以利用其作為支流匯入干流的緩沖帶；對于地勢較低，出入口均可與干流連通的支流，則可將部分干流河水引入水量和流速都相對較小的支流，并對支流進行生態多樣性修復，將支流作為干流的旁路凈化濕地。

(4)小流域河網水環境治理技術目前處于摸索階段，且經驗難以完全復制，需在詳盡的河網和流域調查以及污染源調查的基礎上，綜合研判和設計。