海綿城市建設(shè)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(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加劇，人類活動(dòng)排放污染物超過自然水體納污能力，出現(xiàn)水體黑臭現(xiàn)象[1]。黑臭水體是全國范圍普遍存在的環(huán)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(dòng)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(tài)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，黑臭水體治理技術(shù)手段主要分為：控源截污技術(shù)、內(nèi)源治理技術(shù)、生態(tài)修復(fù)技術(shù)、活水循環(huán)等技術(shù)[5]。

南湖位于池州市老城區(qū)以南，南湖黑臭水體治理項(xiàng)目是池州市海綿城市水環(huán)境綜合整治PPP項(xiàng)目中的一個(gè)工程子項(xiàng)，該工程主要目的為結(jié)合海綿城市工程，系統(tǒng)性解決南湖黑臭水體問題。

1 項(xiàng)目概況

南湖水體定位為生態(tài)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(nèi)人工島眾多，是周邊市民主要的休閑觀景場所。

1.1 區(qū)位分析

南湖周邊為市政道路及住宅小區(qū)，南湖北側(cè)為石城大道，毗鄰池州主城區(qū)和諧片區(qū)；東側(cè)為齊山大道；西側(cè)為長江南路，毗鄰新建高檔住宅地塊；南側(cè)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(zhì)為Ⅲ類水，平天湖排水閘門開啟能為月亮湖南湖補(bǔ)水；南湖下游為清溪河；南湖內(nèi)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(zhì)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(zhì)及泥質(zhì)檢測

治理前由第三方對南湖水質(zhì)及底泥泥質(zhì)進(jìn)行檢測分析，檢測結(jié)果如表1和表2所示，南湖水體屬于重度黑臭，底泥中有機(jī)質(zhì)含量高。

表1 南湖水質(zhì)檢測結(jié)果Tab.1 Water Quality Test Results of Nanhu Lake

表2 南湖泥質(zhì)檢測結(jié)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(qū)雨水的受納水體，南湖北部和南部均設(shè)片區(qū)雨水排口，南湖東側(cè)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(cè)的長江南路設(shè)DN800雨水出水口，其上游管網(wǎng)存在雨污混接情況；南側(cè)的青通路局部污水管線塌陷導(dǎo)致污水溢流進(jìn)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(shí)收割在水體內(nèi)腐爛,使得南湖水質(zhì)惡化；藻類無節(jié)制生長，分泌藻毒素威脅生態(tài)系統(tǒng)安全，水體溶解氧含量低,引起水生動(dòng)物死亡。

2.3 底泥污染分析

南湖處于月亮湖下游，湖內(nèi)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(jī)質(zhì)含量較低；水生植物腐爛在湖底沉積，產(chǎn)生淤泥有機(jī)質(zhì)含量高。南湖泥質(zhì)檢測數(shù)據(jù)顯示，南湖底泥中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鐵、錳和有效硫等物質(zhì)含量較高。有機(jī)物在降解過程中不斷消耗水中溶解氧，有機(jī)物含量過高，容易形成缺氧、甚至厭氧環(huán)境。兼性厭氧微生物分解復(fù)雜有機(jī)物，產(chǎn)生的小分子有機(jī)物質(zhì)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(yīng)。沉積物中的Fe、Mn等物質(zhì)與還原態(tài)的硫結(jié)合，在揮發(fā)性有機(jī)物等作用下上浮進(jìn)入上覆水中，形成大量黑臭物質(zhì)[6]。氧化還原電位低于-150 mV時(shí)，水體容易產(chǎn)生致黑物質(zhì)[7]。

2.4 水動(dòng)力分析

南湖湖體內(nèi)人工島眾多，人工島將南湖水體分割出濕地淺灘，水體流動(dòng)性差。溫度合適時(shí)，藻類繁殖速度快，阻礙水面的自然富氧，進(jìn)一步加劇水質(zhì)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(cè)的海綿設(shè)施主要有生態(tài)溝渠、雨水花園、濕塘，齊山大道海綿改造完成后達(dá)到年徑流總量控制率為83%，SS總量去除率為50%的目標(biāo)[8]；南湖西側(cè)長江南路也同期進(jìn)行精品道路工程改造，改造時(shí)對雨污混接情況進(jìn)行整改，在道路兩側(cè)增加雨水花園等海綿設(shè)置，減小道路初期雨水污染對環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)年徑流總量控制率為75%，SS總量去除率為40%的目標(biāo)。

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(shè)置調(diào)蓄容積為1 000 m3的濕塘，對應(yīng)控制南湖南部匯水面積內(nèi)5 mm的初期雨水徑流量，同時(shí)在濕塘出口端設(shè)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(jìn)行處理后排入湖體，進(jìn)一步降低外源排口對湖體水質(zhì)的影響；對青通路塌陷污水管線進(jìn)行修復(fù)，將片區(qū)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(qū)雨水匯水面積約為0.420 6 km2，和諧片區(qū)小區(qū)屬于海綿城市改造范圍，改造完成后實(shí)現(xiàn)徑流總量控制率為75%，SS總量去除率為40%的目標(biāo)。部分小區(qū)不適宜設(shè)置源頭海綿設(shè)施，在南湖北部設(shè)置調(diào)蓄量為5 000 m3的濕塘，結(jié)合源頭海綿設(shè)施對匯水面積內(nèi)雨水進(jìn)行控制，減輕初期雨水污染對湖體水質(zhì)的影響。在濕塘末端設(shè)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(jìn)行處理；人工濕地在枯水期可以對南湖水體進(jìn)行凈化處理，進(jìn)一步提升南湖水質(zhì)，同時(shí)可以提升水動(dòng)力。

3.2 內(nèi)源處理

南湖湖體內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量高，且硫鐵化合物、植物殘?jiān)戎潞谖镔|(zhì)含量高。根據(jù)檢測情況對南湖底泥進(jìn)行清淤，解決底泥污染物釋放導(dǎo)致水質(zhì)惡化的問題，將清淤底泥進(jìn)行堆置，堆泥區(qū)四周利用現(xiàn)狀地形或增設(shè)袋裝土圍堰圍擋，淤泥穩(wěn)定后在堆泥區(qū)面層進(jìn)行綠化種植，防止淤泥產(chǎn)生二次污染；對南湖湖體內(nèi)植物進(jìn)行收割，對藻類及植物殘枝進(jìn)行定期打撈清理，并安排運(yùn)維人員對植物進(jìn)行定期收割，徹底解決內(nèi)源污染對水體的影響。

3.3 增強(qiáng)水動(dòng)力

在南湖內(nèi)新建生態(tài)溝渠，將被人工島隔離的淺灘聯(lián)通，同時(shí)通過過流斷面計(jì)算，將部分現(xiàn)狀溝渠拓寬，南湖新增及拓寬生態(tài)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(qiáng)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(dòng)性，如圖3所示；在南湖北部設(shè)置水系循環(huán)泵，在枯水季通過水力循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)南湖水體自循環(huán)，保證湖體的生態(tài)流量；在南湖水動(dòng)力不足點(diǎn)設(shè)置水力推動(dòng)器，通過水力擾動(dòng)增強(qiáng)南湖水體動(dòng)力。如圖4所示，通過水力模型模擬，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解，南湖改造工程實(shí)施后流速達(dá)到0.01 m/s以上的有效流動(dòng)區(qū)域占比為75%，南湖水動(dòng)力得到顯著提高。

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

圖4 南湖穩(wěn)定流場Fig.4 Stable Flow Field of Nanhu Lake

3.4 生態(tài)修復(fù)及水質(zhì)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(nèi)源污染清除及增強(qiáng)水動(dòng)力等工程措施重建南湖水生生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)對南湖駁岸裸露土體進(jìn)行綠化修復(fù)，在南湖駁岸親水側(cè)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(fēng)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(qiáng)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(dòng)力，在南湖水動(dòng)力不足點(diǎn)增設(shè)水力推動(dòng)器增加水動(dòng)力并增加溶解氧，增強(qiáng)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(nèi)源污染通過底泥清淤一次性清除，整治后南湖有效流動(dòng)區(qū)域占比可達(dá)75%，外源污染的處理成為消除南湖水體黑臭的一個(gè)關(guān)鍵因素。南湖外源污染主要來源于初期雨水、生活污水、農(nóng)業(yè)面源等污染源有機(jī)物的排放，化學(xué)需氧量(COD)常用來表征水中有機(jī)物污染程度，利用定量計(jì)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(fù)荷高，對南湖水體水質(zhì)造成沖擊，南湖初期雨水污染主要來源于北部和諧片區(qū)及南部居住區(qū)匯水范圍內(nèi)初期雨水排放。北部片區(qū)初期雨水污染采用源頭海綿設(shè)施、末端生態(tài)濕塘及雨水濕地組合工藝處理，濕地出水可作為南湖補(bǔ)水水源，污染物削減率可達(dá)95%；南部片區(qū)初期雨水污染采用末端生態(tài)濕塘及雨水濕地處理，并通過水位控制，將排口附近現(xiàn)狀約104m2的藕塘改造為表流濕地，出水經(jīng)兩級濕地處理后進(jìn)入南湖，表流人工濕地的污染負(fù)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(fù)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(fù)后可將生活污水污染負(fù)荷完全消除。

(3)南湖部分駁岸被開墾種植農(nóng)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(jìn)入水體，整治完成后農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷完全清除，恢復(fù)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(jìn)入南湖水體，主干道設(shè)置海綿設(shè)施從源頭削減初期雨水污染，同時(shí)通過生態(tài)駁岸及周邊0.013 4 km2的濕地植物自凈作用削減污染負(fù)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(nóng)業(yè)面源污染清理、濕地處理等多重措施聯(lián)合處理，南湖可消減外源污染負(fù)荷333.78 kg COD/d，大于整治前進(jìn)入湖體外源污染負(fù)荷總量300.28 kg COD/d，能有效解決外源污染影響南湖水質(zhì)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(zhì)檢測結(jié)果如表4所示。主體工程完工后南湖水體除透明度指標(biāo)外，其余各項(xiàng)均已達(dá)到黑臭水體治理目標(biāo)，水體溶解氧及氧化還原電位顯著提升，氨氮指標(biāo)明顯降低。由于清除了水生植物，底泥清淤后水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建需要一定時(shí)間，項(xiàng)目完全建成后南湖黑臭水體治理將達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，南湖生態(tài)系統(tǒng)形成后，自凈能力提升，持久保持南湖水質(zhì)，經(jīng)1年的生態(tài)恢復(fù)，水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果表明，南湖已經(jīng)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(zhì)檢測指標(biāo)Tab.4 Water Quality of Nanhu Lake

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

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

南湖黑臭水體整治工程費(fèi)為1 799.6萬元，其中外源治理、內(nèi)源清淤、增強(qiáng)水動(dòng)力、生態(tài)修復(fù)占比分別為37.3%、45.4%、7.1%、10.2%，單位水面積綜合整治費(fèi)用約為7 200萬元/km2，南湖水體深度淺，淤積嚴(yán)重，工程整治費(fèi)用中清淤費(fèi)用占比最大。南湖黑臭水體治理以生態(tài)措施為主，運(yùn)行維護(hù)成本主要為濕地植物收割和補(bǔ)種的養(yǎng)護(hù)成本、水力推動(dòng)器和提升泵的運(yùn)行能耗，總運(yùn)行成本約為7.56萬元/年，植物養(yǎng)護(hù)成本與設(shè)備運(yùn)行能耗分別約占79.3%和20.7%，單位水面積運(yùn)維成本約為30萬元/(km2·年)。

7 結(jié)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(nèi)源清理、水動(dòng)力提升、生態(tài)修復(fù)的治理方案，有效地消除了南湖水體黑臭現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)南湖水體生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建；結(jié)合海綿城市建設(shè)，統(tǒng)籌南湖匯水面積范圍內(nèi)初期雨水徑流污染問題，削減了南湖的污染負(fù)荷，有效利用湖體中的地塊設(shè)置生態(tài)設(shè)施，保證南湖濕地的自凈能力，形成南湖水質(zhì)的長效保持機(jī)制。

運(yùn)營管理階段建議定期對南湖植物生長情況、濕地進(jìn)出水指標(biāo)、湖體水質(zhì)指標(biāo)、底泥質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測分析，注重源頭海綿設(shè)施維護(hù)、雨水管網(wǎng)系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)、濕地植物收割，利用增強(qiáng)水動(dòng)力、人工濕地等技術(shù)手段保持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)南湖水體的長治久清。