海綿城市建設中的黑臭水體長效治理案例分析

章智勇，司馬勤，聶俊英

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

近年來，隨著城鎮化進程的加劇，人類活動排放污染物超過自然水體納污能力，出現水體黑臭現象[1]。黑臭水體是全國范圍普遍存在的環境問題[2]，各地黑臭水體的成因多樣，主要由人類向水體中過度排放污染物、水體動力不足、底泥長期沉積腐敗等因素引起[3-4]。黑臭水體的生態已破壞，水體周邊空氣中氨氮、硫化氫等臭氣濃度大[4]，對周邊民眾的健康不利。黑臭水體治理是一個復雜的系統工程，黑臭水體治理技術手段主要分為：控源截污技術、內源治理技術、生態修復技術、活水循環等技術[5]。

南湖位于池州市老城區以南，南湖黑臭水體治理項目是池州市海綿城市水環境綜合整治PPP項目中的一個工程子項，該工程主要目的為結合海綿城市工程，系統性解決南湖黑臭水體問題。

1 項目概況

南湖水體定位為生態濕地及景觀水體，南湖常水位為7.6 m，平均水深為0.6 m，湖內人工島眾多，是周邊市民主要的休閑觀景場所。

1.1 區位分析

南湖周邊為市政道路及住宅小區，南湖北側為石城大道，毗鄰池州主城區和諧片區；東側為齊山大道；西側為長江南路，毗鄰新建高檔住宅地塊；南側為青通路，毗鄰新建高檔住宅地塊。

1.2 水系概況

南湖占地面積約為0.77 km2，水域面積約為0.25 km2，南湖上游依次為月亮湖及平天湖，如圖1所示。月亮湖及平天湖水質為Ⅲ類水，平天湖排水閘門開啟能為月亮湖南湖補水；南湖下游為清溪河；南湖內部繡春河連接月亮湖和清溪河，將南湖濕地公園分為南北兩半。南湖東南方向齊山湖與南湖存在涵管相連，齊山湖水質為Ⅳ類水。

圖1 南湖水系連接圖Fig.1 Connection Diagram of Nanhu Lake Water System

1.3 水質及泥質檢測

治理前由第三方對南湖水質及底泥泥質進行檢測分析，檢測結果如表1和表2所示，南湖水體屬于重度黑臭，底泥中有機質含量高。

表1 南湖水質檢測結果Tab.1 Water Quality Test Results of Nanhu Lake

表2 南湖泥質檢測結果Tab.2 Sediment Test Results of Nanhu Lake

2 黑臭成因分析

2.1 外源污染分析

南湖作為城市片區雨水的受納水體，南湖北部和南部均設片區雨水排口，南湖東側的齊山大道存在雨水散排情況，初期雨水污染是南湖水體污染源之一；西側的長江南路設DN800雨水出水口，其上游管網存在雨污混接情況；南側的青通路局部污水管線塌陷導致污水溢流進入湖體。

2.2 水草腐爛及藻類繁殖分析

南湖水域面積被水草覆蓋，水面生長大量滿江紅等藻類。水草未及時收割在水體內腐爛,使得南湖水質惡化；藻類無節制生長，分泌藻毒素威脅生態系統安全，水體溶解氧含量低,引起水生動物死亡。

2.3 底泥污染分析

南湖處于月亮湖下游，湖內人工島眾多，上游來水沖刷泥沙容易在此淤積，該部分淤泥有機質含量較低；水生植物腐爛在湖底沉積，產生淤泥有機質含量高。南湖泥質檢測數據顯示，南湖底泥中有機質、氮、磷、鐵、錳和有效硫等物質含量較高。有機物在降解過程中不斷消耗水中溶解氧，有機物含量過高，容易形成缺氧、甚至厭氧環境。兼性厭氧微生物分解復雜有機物，產生的小分子有機物質可以作為電子受體，參與硫酸鹽和鐵(錳)等氧化物的還原反應。沉積物中的Fe、Mn等物質與還原態的硫結合，在揮發性有機物等作用下上浮進入上覆水中，形成大量黑臭物質[6]。氧化還原電位低于-150 mV時，水體容易產生致黑物質[7]。

2.4 水動力分析

南湖湖體內人工島眾多，人工島將南湖水體分割出濕地淺灘，水體流動性差。溫度合適時，藻類繁殖速度快，阻礙水面的自然富氧，進一步加劇水質惡化。

3 治理方案

3.1 外源治理

南湖外源污染范圍如圖2所示，南湖東部齊山大道的初期雨水污染通過海綿改造基本消除，在道路兩側的海綿設施主要有生態溝渠、雨水花園、濕塘，齊山大道海綿改造完成后達到年徑流總量控制率為83%，SS總量去除率為50%的目標[8]；南湖西側長江南路也同期進行精品道路工程改造，改造時對雨污混接情況進行整改，在道路兩側增加雨水花園等海綿設置，減小道路初期雨水污染對環境的影響，實現年徑流總量控制率為75%，SS總量去除率為40%的目標。

圖2 南湖外源污染范圍示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Scope of External Pollution in Nanhu Lake

南湖南部為新建居住地塊，雨污分流徹底，在南湖南部雨水排口處設置調蓄容積為1 000 m3的濕塘，對應控制南湖南部匯水面積內5 mm的初期雨水徑流量，同時在濕塘出口端設置1 700 m2的表面流人工濕地，對濕塘出水及周邊道路雨水進行處理后排入湖體，進一步降低外源排口對湖體水質的影響；對青通路塌陷污水管線進行修復，將片區污水接入齊山大道市政污水干管，解決污水排放問題。

南湖北部和諧片區雨水匯水面積約為0.420 6 km2，和諧片區小區屬于海綿城市改造范圍，改造完成后實現徑流總量控制率為75%，SS總量去除率為40%的目標。部分小區不適宜設置源頭海綿設施，在南湖北部設置調蓄量為5 000 m3的濕塘，結合源頭海綿設施對匯水面積內雨水進行控制，減輕初期雨水污染對湖體水質的影響。在濕塘末端設置1 000 m2的潛流濕地及1 800 m2的表面流人工濕地，對濕塘出水進行處理；人工濕地在枯水期可以對南湖水體進行凈化處理，進一步提升南湖水質，同時可以提升水動力。

3.2 內源處理

南湖湖體內有機質含量高，且硫鐵化合物、植物殘渣等致黑物質含量高。根據檢測情況對南湖底泥進行清淤，解決底泥污染物釋放導致水質惡化的問題，將清淤底泥進行堆置，堆泥區四周利用現狀地形或增設袋裝土圍堰圍擋，淤泥穩定后在堆泥區面層進行綠化種植，防止淤泥產生二次污染；對南湖湖體內植物進行收割，對藻類及植物殘枝進行定期打撈清理，并安排運維人員對植物進行定期收割，徹底解決內源污染對水體的影響。

3.3 增強水動力

在南湖內新建生態溝渠，將被人工島隔離的淺灘聯通，同時通過過流斷面計算，將部分現狀溝渠拓寬，南湖新增及拓寬生態溝渠總長為416 m，增加及拓寬水流斷面面積7 437 m2，有效增強水系連通性。在南湖上游來水的情況下，保證南湖水體整體的流動性，如圖3所示；在南湖北部設置水系循環泵，在枯水季通過水力循環泵實現南湖水體自循環，保證湖體的生態流量；在南湖水動力不足點設置水力推動器，通過水力擾動增強南湖水體動力。如圖4所示，通過水力模型模擬，采用非結構網格中心網格有限體積法求解，南湖改造工程實施后流速達到0.01 m/s以上的有效流動區域占比為75%，南湖水動力得到顯著提高。

圖3 南湖水體聯通效果圖Fig.3 Water Connectivity Results of Nanhu Lake

圖4 南湖穩定流場Fig.4 Stable Flow Field of Nanhu Lake

3.4 生態修復及水質凈化

如圖5所示，南湖黑臭水體治理通過外源污染的阻斷，內源污染清除及增強水動力等工程措施重建南湖水生生態系統，同時對南湖駁岸裸露土體進行綠化修復，在南湖駁岸親水側依次種植蘆葦、香蒲、花葉蘆竹、慈姑、黃菖蒲、再力花、花葉美人蕉、千屈菜、風車草等挺水植物，睡蓮等浮葉植物，菹草、苦草、黑藻、金魚藻等沉水植物，增強駁岸對污染物截留凈化能力，提高水生植物對南湖水體的凈化作用；枯水季利用人工濕地將南湖水體凈化、提高南湖水動力，在南湖水動力不足點增設水力推動器增加水動力并增加溶解氧，增強南湖水體自凈作用。

圖5 南湖黑臭水體治理工程示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Nanhu Lake Black and Odorous Water Treatment Project

4 分析討論

南湖黑臭水體成因多樣，內源污染通過底泥清淤一次性清除，整治后南湖有效流動區域占比可達75%，外源污染的處理成為消除南湖水體黑臭的一個關鍵因素。南湖外源污染主要來源于初期雨水、生活污水、農業面源等污染源有機物的排放，化學需氧量(COD)常用來表征水中有機物污染程度，利用定量計算來分析南湖整治前后外源污染削減情況。

(1)南湖作為周邊地塊的雨水受納水體，降雨初期30 min或3～5 mm徑流的初期雨水[9]污染負荷高，對南湖水體水質造成沖擊，南湖初期雨水污染主要來源于北部和諧片區及南部居住區匯水范圍內初期雨水排放。北部片區初期雨水污染采用源頭海綿設施、末端生態濕塘及雨水濕地組合工藝處理，濕地出水可作為南湖補水水源，污染物削減率可達95%；南部片區初期雨水污染采用末端生態濕塘及雨水濕地處理，并通過水位控制，將排口附近現狀約104m2的藕塘改造為表流濕地，出水經兩級濕地處理后進入南湖，表流人工濕地的污染負荷處理能力為1 500～5 000 kg BOD5/(km2·d)[10]，有效解決初期雨水污染問題。

(2)南湖南部污水管段塌陷，造成污染負荷高的生活污水排入湖體，污水排放量約為150 m3/d，管線修復后可將生活污水污染負荷完全消除。

(3)南湖部分駁岸被開墾種植農作物，造成土體裸露及面源污染，歷年降雨資料顯示日平均降雨量為4.5 mm，污染物隨降雨沖刷進入水體，整治完成后農業面源污染負荷完全清除，恢復綠化種植。

(4)南湖道路包括周邊主干道以及慢行步道，染污染物通過降雨進入南湖水體，主干道設置海綿設施從源頭削減初期雨水污染，同時通過生態駁岸及周邊0.013 4 km2的濕地植物自凈作用削減污染負荷。

南湖整治后污染物削減情況如表3所示。通過源頭海綿改造、初期雨水處理、清除污水直排、農業面源污染清理、濕地處理等多重措施聯合處理，南湖可消減外源污染負荷333.78 kg COD/d，大于整治前進入湖體外源污染負荷總量300.28 kg COD/d，能有效解決外源污染影響南湖水質的問題。

表3 南湖外源污染整治效果Tab.3 Remediation Effect of External Pollution in Nanhu Lake

5 治理效果

2018年4月南湖黑臭水體治理主體工程完工，南湖水體水質檢測結果如表4所示。主體工程完工后南湖水體除透明度指標外，其余各項均已達到黑臭水體治理目標，水體溶解氧及氧化還原電位顯著提升，氨氮指標明顯降低。由于清除了水生植物，底泥清淤后水生態系統構建需要一定時間，項目完全建成后南湖黑臭水體治理將達到預期目標，南湖生態系統形成后，自凈能力提升，持久保持南湖水質，經1年的生態恢復，水質指標檢測結果表明，南湖已經完全消除黑臭，圖6為南湖黑臭水體治理前與治理后(2019年7月)的對比圖。

表4 南湖水質檢測指標Tab.4 Water Quality of Nanhu Lake

圖6 南湖治理前后實景圖Fig.6 Scene before and after Remediation of Nanhu Lake

6 技術經濟分析

南湖黑臭水體整治工程費為1 799.6萬元，其中外源治理、內源清淤、增強水動力、生態修復占比分別為37.3%、45.4%、7.1%、10.2%，單位水面積綜合整治費用約為7 200萬元/km2，南湖水體深度淺，淤積嚴重，工程整治費用中清淤費用占比最大。南湖黑臭水體治理以生態措施為主，運行維護成本主要為濕地植物收割和補種的養護成本、水力推動器和提升泵的運行能耗，總運行成本約為7.56萬元/年，植物養護成本與設備運行能耗分別約占79.3%和20.7%，單位水面積運維成本約為30萬元/(km2·年)。

7 結論與建議

通過對南湖黑臭成因分析,針對性地提出了控源截污、內源清理、水動力提升、生態修復的治理方案，有效地消除了南湖水體黑臭現象，并實現南湖水體生態系統構建；結合海綿城市建設，統籌南湖匯水面積范圍內初期雨水徑流污染問題，削減了南湖的污染負荷，有效利用湖體中的地塊設置生態設施，保證南湖濕地的自凈能力，形成南湖水質的長效保持機制。

運營管理階段建議定期對南湖植物生長情況、濕地進出水指標、湖體水質指標、底泥質指標進行檢測分析，注重源頭海綿設施維護、雨水管網系統養護、濕地植物收割，利用增強水動力、人工濕地等技術手段保持水生生態系統穩定性，實現南湖水體的長治久清。