生態設計理念在黑臭河道治理中的應用

徐 勇

(商丘市睢陽區水務局，河南 商丘 476000)

0 引 言

水資源是人類生產與生活的主要資源，決定著社會發展狀況。水資源主要載體為河道，不但是居民飲用水的來源，也是發電、運輸與養殖的主要場所。由此可見，河流是城市生態經濟系統發展、運行的血液，也是系統內的關鍵媒介，承擔著能量循環、物質交換的任務，決定著城市的繁榮與衰落[1]。近幾年，中國地表水質量惡化程度明顯，城市河流污染嚴重。截至2020年底，中國達到黑臭河道的污染河流約為2 000個。隨著河流水質的惡化，生態系統服務功能也受到了極大的破壞，例如輸水泄洪、容納降解污染物、供給水產品等，還會威脅人體的健康，影響生態系統的穩定性。由此可見，黑臭河道的治理至關重要。

黑臭河道已經成為一個嚴重環境污染問題，受到國家與相關部門的重視[2]。針對黑臭河道治理問題，國家發布了相應的政策文件，以此來指導黑臭河道的治理。現有黑臭河道治理方法主要以內源治理、控源截污為主，雖然治理效果明顯，但會消耗較多的成本，部分試劑也會對水體質量產生二次污染，景觀性、文化性較差。為了迎合可持續發展戰略，在黑臭河道治理過程中，也應該保持其良好的生態。因此，以生態設計理念為基礎，制定相應的生態修復技術，以此來實現黑臭河道治理的目的。為了驗證生態設計理念的應用效果，提出生態設計理念在黑臭河道治理中的應用研究。希望通過生態設計理念彌補河道生態功能的損失，并加強河道治理的時效性，提升河道水質量。

1 基于生態設計理念的黑臭河道治理方法研究

1.1 黑臭河道影響因子分析

要想提升黑臭河道治理效果，首要任務即深入分析黑臭河道影響因子，為后續黑臭河道治理框架搭建打下堅實的基礎[3]。

城市河道主要污染來源為污水處理廠排出的廢水，而針對黑臭河道來看，污染物濃度遠遠高于天然水體，水體污染程度較為嚴重。為了簡化研究步驟，采用單項污染指標法計算黑臭河道單項污染指數，表達式為：

(1)

式中：Wi為第i種污染物對應的污染指數；Ai為第i種污染物的實際測量濃度數值；Ain為第i種污染物的評價標準。

根據已有文獻研究可知，黑臭河道影響因子污染指數均與色閾值有著緊密的聯系，故此研究利用色閾值對黑臭河道影響因子進行識別與分析。色閾值濃度可以直接體現河道污染的程度[4]。色閾值濃度數值越大，表明河道污染程度越高；反之，色閾值濃度數值越小，則表明河道污染程度越低。

由于篇幅的限制，無法對全部影響因子進行詳細敘述，故所提出方法以氨氮為例，其與色閾值的相關性見圖1。

圖1 氨氮與色閾值相關性示例圖

圖1中，氨氮與色閾值兩者呈現明顯的正相關關系，相關系數為0.629 0，充分表明水體中的氨氮濃度極大地影響了色閾值的高低，即認定氨氮是黑臭河道的主要影響因子之一[5]。

依據上述過程對河道水體污染物進行精確地識別，確定黑臭河道影響因子為pH、CODcr、DO、BOD5、NH3-N與TP，需要將上述污染物濃度降至一定的標準內，滿足工業、娛樂或者居民用水需求，才算實現黑臭河道治理目標[6]。

目前，黑臭河道治理標準為IV類水質標準，具體數值范圍見表1。

表1 黑臭河道治理標準表

IV類水質標準能夠滿足工業用水與娛樂用水，此標準已經能夠滿足生態需求，故黑臭河道治理以IV類水質標準為目標。

1.2 黑臭河道治理框架搭建

以上述分析得到的黑臭河道影響因子為基礎，引入生態設計理念，搭建黑臭河道治理框架，為最終黑臭河道治理的實現做準備。

生態設計理念主要指的是兩個方面：一方面是從環境保護角度出發，降低資源的消耗，實現可持續發展戰略；另一方面是從商業角度出發，降低治理成本，提升黑臭河道治理性能[7]。

依據黑臭河道的特征、污染水平以及生態破壞程度，結合生態設計理念，搭建黑臭河道治理框架，具體見圖2。

圖2 黑臭河道治理框架圖

從本質角度出發，黑臭河道是水體中溶解氧平衡遭到破壞，導致CODcr、BOD5、TP等污染物濃度提升，從而出現黑臭現象。黑臭河道由于自身污染程度過高，致使其水生動植物無法生存，水體冒泡，臭味彌漫，水生態逐漸崩潰，甚至出現“水華”現象，不但影響城市生活環境，也會對生態健康造成極大的不利影響。

1.3 生態治理技術設計

以上述搭建的黑臭河道治理框架為基礎，以生態設計理念為核心，設計生態治理技術，共同實現黑臭河道的治理，恢復其生態功能，提升河道水體質量。

1.3.1 食藻蟲訓化技術

黑臭河道氮磷污染物濃度超標，致使水體呈現富營養化，為藻類提供大量的養分，促使藻類迅速生長與繁殖，破壞了水體的自凈能力，極大地降低水體質量。而食藻蟲能夠在短時間內吞噬藻類，通過自身分解技術迅速提升水體的透明度[8]。食藻蟲實質上是一種浮游動物，能夠實現人工訓化與改良，以水體中的藻類為生，平均每個食藻蟲每天能夠進食近10倍體重數量的藻類。由此可見，應用食藻蟲可以高效、無污染地提升水體的透明度。

食藻蟲訓化技術路線見圖3。

圖3 食藻蟲訓化技術路線圖

由圖3可知，食藻蟲是從自然界中獲取的，通過人工訓化與改良，引入黑臭河道中，能夠大大地降低河道的藻類，提升水體的生態系統服務功能，符合生態設計理念，不需要其他試劑或水源來稀釋污染，不會對現有水體產生二次污染[9]。

1.3.2 “水下森林”營建技術

黑臭河道污染濃度居高不下的根本原因是自凈能力較低或者消失。水體自凈能力主要由水生高等植物提供，與水環境聯系也極其密切，故以沉水植物為核心，構建健康的水生態系統，即“水下森林”營建。

“水下森林”中的沉水植物可以對水體中的氮、磷產生消除作用，也可以為水生植物提供營養環境與場所。由此可見，營建“水下森林”是治理黑臭河道的重要環節。依據抗污性能選擇沉水植物，具體見圖4。

圖4 沉水植物示意圖

沉水植物是河道水體是否惡化的判定標志之一，故要想治理黑臭河道，重點就是增加水體中的沉水植物，“水下森林”營建就成為河道治理的關鍵環節。另外，還需要適當投放一定量的水生動物，維持生態的平衡，保障“水下森林”的長期穩定。沉水植物生產狀態由多種因素決定，例如底質、光照強度、溫度、營養鹽濃度等。其中，營養鹽濃度影響程度最大，故此研究對其進行深入探究[10]。

常規情況下，沉水植物具有一定程度的營養鹽耐受力，但是若是黑臭水體營養鹽濃度超出其耐受范圍，就會導致沉水植物繁殖緩慢，甚至死亡。營養鹽耐受范圍見表2。

（1）通過不斷的運行摸索，在保證鍋爐經濟運行的前提下，降低鍋爐運行中的運行風量，尤其是一次風量，采用低風量、低氧量運行方式，提高床溫，既減小了循環流化床鍋爐的磨損，延長了鍋爐運行周期，又降低了風機耗電率。通過不斷優化調整，鍋爐風機耗電率較優化調整前降低約0.5%～0.7%。

表2 營養鹽耐受范圍表 /mg·L-1

由表2可知，“水下森林”營建過程中，需要實時測量營養鹽濃度，保障其濃度在耐受范圍內，發揮“水下森林”的最大治理效用。

1.3.3 生態浮島構建技術

生態浮島構建技術指的是應用高分子材料作為床體，將水生植物放置在網架中，植物形態豐富，景觀化效果明顯。另外，在生態浮島構建過程中，為了提升其與河道的融合，對生態浮島進行差異化布局，防止出現同樣大小、同樣位置的布局[11]。

生態浮島構建需要依據黑臭河道實際情況進行相應的組合與搭配，不但可以為水生動植物提供場所，也能夠作為城市的水景景觀，增加黑臭河道的景觀性。生態浮島示例見圖5。

圖5 生態浮島示例圖

由圖5可知，通過生態浮島的構建，可以增加黑臭河道水生動植物的數量，極大地增加水體的自凈性能，使得水體污染物濃度逐漸降低，達到治理的目標。

與此同時，還能將生態浮島與浮橋進行有效結合，建造一個創新、互動、獨特的公共空間，為居民提供娛樂空間，推動居民與自然進行直接的交流，提升居民保護環境意識[12]。

1.3.4 曝氣復氧技術

黑臭河道最主要的原因就是溶解氧含量較低，致使水生動植物無法生存，水體自凈能力消失，污染物濃度逐漸增加。因此，依據黑臭河道水質、污染物濃度等特點，采用曝氣復氧技術提升水體氧化還原電位，以此來恢復水體的自凈能力，是黑臭河道治理的保障手段。

為了增加黑臭河道治理的景觀性，可以將曝氣復氧技術與生態浮島技術進行有效結合，即將曝氣復氧裝置安裝在生態浮島的中心位置，充當噴泉景觀，既可以增加河道的景觀性，也能夠通過污水與空氣的混合，加速植物根系的降解，激活整個水環境，優化水質[13]。

通過上述生態治理技術的應用，可以增加黑臭河道水體的溶解氧含量，減小藻類含量，并增加水生動植物數量，經過一段時間作用，水體透明度提升，自凈能力恢復，達到黑臭河道治理目標[14]。與此同時，生態治理技術具有可持續性能，能夠持續為河道水生態系統服務，保障河道水體的質量，為周圍居民提供更好的生活環境。

2 生態設計理念應用效果測試

為了驗證生態設計理念在黑臭河道治理中的應用效果，選取修復黑臭水體的SCEU強化環保生態方法[15]為對比方法，設置對比測試，具體如下。

2.1 實驗對象選取

選取某城市黑臭河道作為實驗對象，為保障測試的順利進行，需要對實驗對象進行一定的了解，并明確黑臭河道的治理目標。

實驗對象現有問題如下：

·河道周邊排污口較多，并大多數在水面線上面，嚴重污染河道水體。

·河道兩側居民小區較多，水系空間受到大幅壓縮。與此同時，河道護岸綠化較少，雨水能直接流入河道，污染河道水環境。

·河道周邊水系較為復雜，具有多個支流，如果支流水質較差，也會污染河道。

·實驗河道水體水動力不足，水體基本保持在靜止狀態，河道自凈能力很差，水生態系統遭到嚴重地破壞，并無法自然恢復。

根據實驗黑臭河道實際情況，確定其治理目標，見表3。

表3 黑臭河道治理目標表 /mg·L-1

由表3可知，應用黑臭河道治理技術對河道水質進行改善及其治理，使河道水質滿足表3要求，恢復河道水體的自凈能力，加強水動力，打造景觀性較強、水質較好的水環境。

2.2 黑臭河道治理評價模型構建

為了量化顯示黑臭河道治理效果，構建黑臭河道治理評價模型，為實驗結果的計算提供幫助。

依據治理效果評價需求，構建評價指標體系見表4。

表4 黑臭河道治理評價指標體系表

以選取的黑臭河道治理評價指標為基礎，構造黑臭河道物元矩陣，表達式為：

(2)

式中：RN為黑臭河道物元矩陣；Ni為事物描述；Cn為隸屬于N的特征；(ain,bin)為特征對應的取值范圍。

利用關聯度函數將定性問題轉化為定量問題，探索指標與評價等級之間的關聯程度。關聯度函數表達式為：

(3)

式中：Kj(vi)為評價指標i與等級j之間的關聯度；Vij為有限空間；d()為距離計算函數；ViP為節域。

最終黑臭河道治理評價等級為：

Kj=max{Kj(vi)}

(4)

通過上述過程完成了黑臭河道治理評價模型的構建，為后續實驗結果獲取做準備。

2.3 實驗結果分析

應用提出方法與對比方法對黑臭河道進行治理，治理效果見圖6。

圖6 黑臭河道治理效果圖

由圖6可知，治理前河道水體呈現黑色，對比方法治理后，水體呈現綠色，但較為渾濁；而提出方法治理后，水體呈現淡綠色，透明度較高，表明提出方法治理效果更為明顯。

依據河道健康評估標準，將評價等級劃分為Ⅰ～Ⅴ級，對應分值分別為81～100、61～80、41～60、21～40與0～20分。通過實驗獲得黑臭河道治理評價數據，見圖7。

圖7 黑臭河道治理評價數據圖

由圖7可知，與對比方法相比較，應用提出治理方法獲得的評價分值與等級更高，表明提出方法治理效果更為顯著，充分證實生態設計理念在黑臭河道治理中具備較好的應用性能。

3 結 語

此研究以生態設計理念為核心出發，提出了相應的黑臭河道治理方法，通過實驗驗證了提出方法治理效果更顯著，表明生態設計理念應用效果較高，為黑臭河道治理提供新的手段支撐，也為河道可持續治理研究提供一定的理論支持。