山地城市水環(huán)境治理難點及解決路徑探索

杜 炯，賀 力

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

隨著我國經濟社會高速發(fā)展，現代化、城市化進程的不斷推進，近年來國內部分流域和城市出現了相對嚴重的水環(huán)境問題。從2015年至今，國務院及相關部門陸續(xù)頒發(fā)了“水十條”、《城市黑臭水體整治工作指南》《城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)實施方案》等指導文件，要求通過技術、管理手段對黑臭水體做到控制和消除[1]。近年“長江大保護”成為中央工作重點后，長江流域的水環(huán)境治理，特別是長江一、二級支流的治理工程，受到政府的高度重視和人們的廣泛關注。

在該背景下，重慶市實施了某長江一級支流的水環(huán)境整治工程。該河道干流長度為66.25 km，支流共28條，支流長度約為110 km,河道流域總面積約為268.46 km2，流域人口約為50萬人，起點為某飲用水水庫，末端直接匯入長江干流，河道起訖點高差約為226 m，平均坡降為3.40‰，河道兩側坡岸陡峭，其常水位和5年一遇的水位落差可達11 m，5年一遇和50年一遇水位差可達6 m。沿途有瀑布1處，落差達41.85 m，還有人工跌坎22處(落差達3 m以上)，具有典型山地城市河道特征。

作為典型的山地城市水體，河道兩岸管路錯接嚴重，且存在大量合流箱涵。該合流箱涵埋深大，完全溯源進行雨污分流難度大，之前采取的改善措施并沒有達到預期效果。此外，針對山地城市水環(huán)境治理的工程研究甚少報道，缺乏可供借鑒的治理思路，這對治理工程提出了更大的挑戰(zhàn)。如何精準定位山地城市水環(huán)境治理的主要矛盾，探索出適用于山地城市河道治理的可實施方案，并在保障斷面水質達標的基礎上，采用系統(tǒng)性思維對河道面源、點源、內源污染進行治理，兼顧山地城市海綿建設、護岸防洪、景觀等需求，實現自然環(huán)境與經濟社會和諧發(fā)展，是該項目的難點和重點。

1 工程背景

重慶某河道位于重慶市主城區(qū)，具有典型山地城市河道特征。流域中上游屬城鄉(xiāng)結合地區(qū)，起點水庫區(qū)域為農村，中游以小聚集區(qū)的街鎮(zhèn)為主，下游屬于城市區(qū)，以老城區(qū)為主。

該河道21世紀初以來旱季生活污水、工業(yè)廢水直排嚴重，雨季城市徑流污染、溢流污染問題突出，支流垃圾堆積、農業(yè)面源污染以及水土流失等情況并發(fā)，導致河道內水質迅速下滑為劣V類，周邊居民反應強烈。近年經過當地政府的系列措施，河道黑臭治理已初見成效，但仍有斷面水質低于V類水體標準，離Ⅳ類水質目標仍有一定差距(表1)。

表1 2018年10月河道水質監(jiān)測數據Tab.1 River Water Quality Monitoring Data in October 2018

項目采用政府和社會資本合作(PPP)模式，其建設期3年，運營期22年，項目建成后的目標是河道水質在旱季和小雨時均能穩(wěn)定達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類水質，考核指標為COD、氨氮、TP。

為進一步研究山地城市典型河流水環(huán)境治理的特點，筆者的工作團隊加強了對相關資料的收集和整理，在此基礎上提出了難點歸納和解決路徑探索，以期為國內山地城市水環(huán)境整理提供借鑒。

2 流域現狀調查

造成水環(huán)境惡化的因素眾多，且具有很強地域性，各城市間無法直接借鑒，同時現場調查也是掌握主要矛盾、制定總體方案的前提，因此，基礎資料的收集顯得尤為重要。

本底排摸工作是一切水環(huán)境治理的基礎，其準確度和詳細程度直接決定了工程措施的可靠性和有效性。調查排摸時間為2020年4月—2021年1月，持續(xù)9個月，調查重點內容為河道水質斷面、流域內排水管網和箱涵情況、污染源普查、沿河排口水質水量分析、管道內窺檢測、泥質分析等，調查內容和數據簡要介紹如下。

2.1 水質斷面監(jiān)測

調查期間多次對河道進行分段水質監(jiān)測，一方面便于掌握實際水質情況，另一方面可分析水質變動重點河段，也是模型計算的基礎數據[2]之一。

本次調查根據河段長度以及支流匯入情況，在干流上布置18處取樣點，如圖1所示。通過對枯水期、平水期及豐水期，晴天、小雨(0～10 mm)和中大雨等情況下河道水質進行取樣分析。總體來看，水庫在晴天和小雨時水質基本穩(wěn)定在Ⅲ類，大雨時COD同比提高約70%；而下游斷面中，大雨時較晴天主要是氨氮和TP提高較多，平均為43.36%和37.71%。初步分析，水庫周邊居民少，大雨時沖刷入庫的主要是水土流失部分，成分以COD為主，故COD大雨時大幅升高；下游大雨時，雨水管道內積存的污染物沖刷入河，其中含N、P污染物較多，故造成氨氮和TP的升高。

圖1 沿河取樣點設置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Sampling Points along the River

2.2 排水管線調查

一般意義上排水管線摸排通過物探手段解決，但針對水環(huán)境整治類工程，需以問題、目標為導向，因此，對管線探測的精度提出了更高要求。

根據資料，該河道流域內雨污水管道總長度約為600 km。由于城市建設時序和施工的不規(guī)范，實際有10%以上管道已無法找到，有掩埋、無檢查井、被破壞等多種情況。本次采用先對現狀檢查井測量，通過CCTV機器人試爬，確定位置后明挖或沉井的方式確定管位，同時新建檢查井也作為后期維護的永久設施。

2.3 污染源調查

該河道流域范圍內共涉及6個街鎮(zhèn)，本次調查分街鎮(zhèn)對轄區(qū)內的污染源進行普查，調查發(fā)現中上游城鄉(xiāng)接合部及城區(qū)內“城中村”的化糞池由于疏于管理，均不同程度地出現了冒溢并排入河道的現象。故本次將其作為污染源進行分析，共調查出流域內污染源1 161個，主要水質數據如表2所示。

表2 典型污染源水質數據Tab.2 Water Quality Data of Typical Pollution Sources

2.4 沿河排口調查

沿河直排口是水環(huán)境整治的核心內容，是工程定量分析的重要對象。基于排口類型將其分為雨水排口、污水排口、合流箱涵排口、自然排口及臨時排口等類型，自然排口分地下滲水、地塊內滲水、管道滲水等多種情況。針對排口調查的復雜性，編制了沿河排口統(tǒng)計分類表，如表3所示。

表3 排口統(tǒng)計分類Tab.3 Statistical Classification of Discharge Outlet

在未提供該表前，勘察單位提供的排口資料僅表示了雨水排口和污水排口，準確率僅有70%左右，導致設計工作無法開展。鑒于此，編制了這張排口統(tǒng)計分類表，勘察單位根據此表對排口類型進行辨別后其準確度提高到了95%左右。

2.5 管道內部調查

管道內部調查的目的是掌握管道結構屬性、功能屬性及空間屬性，同時對滲水、外水入侵、混接、淤積等狀態(tài)進行判斷。本次采用CCTV手段進行內窺，對淤積嚴重段則先進行清淤降水后再內窺。

2.6 總結

經過以上調查分析，該河道污染屬于輸入型污染，其中COD污染主要來源為城市面源，占比51.2%，雨季初期沖刷效應凸顯，點源污染占比42.8%，內源污染占比4.3%，農業(yè)面源和水土流失占比低；氨氮污染以點源為主，占比75.4%，城市面源占比22.6%；TP污染以點源為主，占比81.3%，城市面源占比12.9%，水土流失占比4.7%。

3 工程設計難點及解決措施

控源截污是水環(huán)境治理的治本之策，本工程內最主要的污染源為點源和面源。首先，通過對沿河直排口的整治和各系統(tǒng)管網進行雨污分流和補全[3]，做到污水應收盡收，雨水和污水各行其道；其次，對無法做到完全分流的四大混接雨水箱涵，在前端應分盡分[4]的基礎上，考慮補充末端集中處理站，配合合流制溢流(CSO)調蓄池起到集中面源和點源的控制；再次，對流域內的污水廠和凈化站進行提標，使其也作為生態(tài)補水的一部分，同時考慮從其他水源引水，作為旱季基流的保障措施；沿河兩岸利用山地城市特點建設下凹綠地等海綿城市措施，對分散面源污染進行處理，并考慮與景觀風貌整體打造；對水土流失明顯的河段和防洪標準較低的河段，進行護岸治理、土體固化；最后，內源的整治主要考慮在控源截污工程完善后，對干流、支流進行清淤和垃圾收運[5]。

針對沿河居民的垃圾傾倒、小企業(yè)作坊的廢水直排等情況，則需要依靠管理手段。通過各行政主管部門出臺相應的管理規(guī)定，如加強污水接入管理、重點企業(yè)監(jiān)管等方式，達到“長治久清”的目的。

根據治理理念，本工程按水環(huán)境、水生態(tài)、水安全、景觀工程及智慧水務五大分項進行謀劃。其中，水環(huán)境實施內容是直接改善河道斷面水質的，是本工程的重中之重。鑒于各板塊內容較多，本文對最關鍵的水環(huán)境實施內容進行具體分析論證，其余內容另篇介紹。

水環(huán)境工程主要包含截污干管改擴建、雨污分流改造[6]、補齊管網空白、沿河直排口納管、新建再生水廠等點源污染治理措施，調蓄池配合箱涵末端水質凈化站的集中面源治理措施，以及箱涵、河道清淤等內源治理措施。鑒于內容較多，本文僅對處理的重難點——合流箱涵、水質凈化站、截污干管布置、雨水排口改造分別予以介紹。

3.1 合流箱涵整治難

重慶老城區(qū)中箱涵眾多，以暗涵形式為主，多為河道支流上部加蓋后形成箱涵，附近新建的住宅均將排污管接入箱涵，一接了之。這些原來的清水箱涵也就變成了旱天排污水、雨天排混合水的合流箱涵。山區(qū)城市由于城區(qū)落差大，造成合流箱涵具有平原城市箱涵沒有的特點。

1)埋深大、坡度變化大。箱涵的坡度基本和山形走勢一致，但也有差異，如實測中發(fā)現有一根合流箱涵，最大埋深處達到38 m，基本無法從上部地面進入箱涵。箱涵內忽平忽陡，坡度變化大，導致箱涵內部設置有較多處臺階狀跌坎，最高臺階約有0.8 m，目前國內各類型內窺機器人均無法通過(圖2)。

圖2 合流箱涵內部圖Fig.2 Internal Structure of Combined Drainage Box Culvert

2)箱涵入口少，結構脆弱。經實測，重慶地區(qū)的老箱涵入口間距為500～1 500 m，人員進入作業(yè)時間受氧氣瓶限制，不得超過30 min，其行進距離一般在500 m左右，理論上無法實現全部內窺。有些箱涵建造于20世紀90年代，基本結構還是條石堆砌而成，且年久失修，垮塌風險很大，不具備重新開孔條件。

勘察單位采用了各種先進的內窺機器人，但都無法通過跌坎和內部少量的淤泥淤積段，最終還是確定采用人工測量的方式才得以解決。在人員安全保障上，考慮到內部空氣在水流作用下仍處于持續(xù)流動狀態(tài)，內部空氣條件會好于預期，擬采用多處進口機械強制通風并結合內部硫化氫濃度實時監(jiān)控的方式。實際操作發(fā)現，通風1.5 d后，內部硫化氫質量濃度即從11 mg/m3降至0。由于箱涵內無信號，人員進入后采用三維激光掃描結合GPS物探法采集箱涵及排口內部平面及高程數據。

3.2 水質凈化站設置難

拿到箱涵走向及內部匯入點數據后，接下來的工作就是解決旱天污水入河問題。經對合流箱涵內窺數據、勘探資料進行分析，該合流箱涵均存在周邊無法實施截污干管、本體結構穩(wěn)定性差、坍塌風險大等問題，進行完全的雨污分流改造無法實施。鑒于該實際情況，結合同步進行初期雨水治理的目標，明確合流箱涵實施方案為：部分管道雨污分流+箱涵末端設置調蓄池+水質凈化站[7]。方案首先通過對易實施的管道進行改造，將易分流的污水從箱涵出水中剝離出來，剩余難分流的污水旱天全部進入水質凈化站處理，處理后水質達準Ⅳ類標準排放。凈化站處理工藝采用AAO+MBR工藝，節(jié)省河邊占地，同時AAO池分多格，以適應旱天、雨天不同水量(圖3)。

圖3 水質凈化站工藝流程圖Fig.3 Process Flow Chart of Water Purification Station

雨天時利用調蓄池對初期雨水進行儲存，防止高濃度集中面源污染直排。配合凈化站的處理能力，可保障小雨(0～10 mm/d)時混合污水不溢流。本次調蓄池容積根據重慶市雨型及匯流區(qū)模型計算得出，相當于服務區(qū)域內5 mm截留量，計算可削減50%～70%的污染物，調蓄池考慮放空時間24 h。圖4為采用的最不利雨型及調蓄池容積模型。

圖4 采用雨型及調蓄池容積模型計算圖Fig.4 Calculation Diagram of Rain Pattern and Volume Model of the Storage Tank

難點一：水質凈化站旱天、雨天水量、水質大幅變化情況下達標運行難度大。解決方案：生反池分組增加，旱天水量小時僅開啟部分反應池，在出水達標的情況下最大限度節(jié)省能耗；采用MBR膜工藝，其出水水質抗沖擊能力強，適用于此種水質水量多變的情況。

難點二：水質凈化站均位于河邊風光帶，融入周邊環(huán)境難度大。解決方案：采用集約化設計，整個凈化站僅有一個單體，并采用屋頂綠化、復合造型等方式使其完全融入周邊環(huán)境；采用生物除臭+吸附模塊(應急)+土壤濾池的高效組合除臭工藝，按公園空氣凈化標準嚴格要求。圖5為某水質凈化站外觀效果圖。

圖5 某水質凈化站外觀效果圖Fig.5 Appearance Effect Drawing of a Water Purification Station

水質凈化站+調蓄池的組合處理模式具有以下優(yōu)點：1)旱天時杜絕污水入河，并可維持凈化站微生物活性，對河道提供寶貴基流，改善河道旱天枯水窘境；2)小雨時初期雨水全部進入調蓄池，可實現污染物不入河，凈化站全力開啟，雨后迅速騰空調蓄池；3)中大雨時對初期雨水進行截流，后續(xù)雨水通暢排河，凈化站始終運行，降低污染物入河。

3.3 生態(tài)基流匱乏解決難

項目所涉河道為行政區(qū)內“母親河”，基本沒有出現斷流情況。但通過現場調查發(fā)現，旱季時該河道生態(tài)基流已十分匱乏。在河道中下游段，基流僅通過現狀水壩旁的一根DN200管道流出，其水量不足5 000 m3/d(圖6)，而經計算，該河道的最低生態(tài)基流量為0.6 m3/s。

圖6 旱季基流狀況Fig.6 Base Flow in the Dry Season

恢復生態(tài)基流是水環(huán)境治理里非常關鍵的一環(huán)，沒有基流就沒有“水清岸綠、魚翔淺底”，沒有基流穩(wěn)定的水質也將成為奢求。通過3.2小節(jié)中合流箱涵出口增設水質凈化站的方案是保障河道不同位置斷面基流的有效措施之一。

另外,項目還考慮了上游從周邊水庫引水，在枯水季節(jié)確保河道滿足最小基流要求。

3.4 截污管道布置難

大部分水環(huán)境治理中都需要建設大量的沿河截污干管，將原排入河道的污水管或合流管全部接入干管內輸送至末端處理設施處理后排放。山地城市的河道的特點是河道常水位與周邊地塊標高落差大，可達20～30 m。如該河道常水位為176.00 m，5年洪水位可達186.97 m，100年洪水位可達194.74 m，周邊地塊標高為200 m左右，與河道常水位落差為24 m，且河道邊坡陡峭，河道邊與構建筑物之間幾乎無布置空間。

經研究并走訪調研了重慶地區(qū)截污干管運行管理單位，根據反饋意見，給出了2種解決方案。

埋設方案一：確保截污干管檢查井頂標高高于洪水位，管道通過支撐柱立于河床邊，管道上采用垂直綠化或彩繪的方式進行美化，與周邊環(huán)境融為一體。該方案的優(yōu)點是便于檢修，適用于截污主干管或管道坡度小，清淘維護管理工作量大的管段。

埋設方案二：管道埋設于河床內，檢查井蓋板高出常水位1 m左右，采用壓力蓋板，蓋板上連接透氣管至百年一遇洪水位以上。優(yōu)點是管道平時看不到，對周邊環(huán)境更友好，缺點是雨季時檢查井位于水位下檢修不便，適用于河道兩邊無掛管空間，且管道檢修概率低的管段。

3.5 雨水排口改造難

由于山地城市特點，主河岸上存在眾多雨水排口位于河岸中部，雨天時初期雨水直接排入河道既會對河道造成面源污染又對河岸直接造成沖刷[8]。

針對排查后應保留的雨水排口，結合生態(tài)駁岸和現狀地形，本工程在排口處設置下凹式綠地、旱溪等生物滯留設施(圖7)，按解決單個雨水排口服務范圍5 mm初期雨水量考慮容積。可及時處理、滯留、滲透和消納雨水，從而減少雨水對河道的污染、雨水徑流對生態(tài)駁岸的沖刷，并通過微地形處理形成雨水傳輸帶[9-11]。

圖7 雨水排口點源整治Fig.7 Remediation of Rainwater Outlet Points

4 成效預測

水環(huán)境容量是水體消納污染物能力的指標，通過前期基礎資料的收集，將污染物排放點概化后，建立一維模型計算工程治理前后河道水環(huán)境容量和污染物排放量的差值，以分析總體水質目標的可達性。具體計算如式(1)。

(1)

其中：Wi——第i河段水體納污能力或環(huán)境容量，kg/d；

Qi——第i河段設計流量，m3/s；

Ui——第i河段設計平均流速，m/s；

Li——第i河段長度，m；

Ki——第i河段污染物降解系數，d-1；

Csi——第i河段所在功能區(qū)水質目標值，mg/L；

C0i——第i河段上一河段水質目標值，mg/L。

根據本工程的考核目標，主要對COD、氨氮、TP這3個指標進行分析。其中，COD排放主要由城市面源、點源和內源污染構成;氨氮排放主要由點源、城市面源和農業(yè)面源污染構成;TP排放主要由點源、城市面源和水土流失污染構成。

點源污染中生活污水排放采用實測值，工業(yè)廢水及污水處理廠尾水均采用規(guī)范上限值；面源污染中水土流失、家禽養(yǎng)殖、農業(yè)種植、垃圾入河均按重慶市和三峽庫區(qū)相關公報、年鑒數據取值，種植業(yè)入河率取0.08，垃圾入河率取0.05。城市面源污染(雨水徑流)則是參考山地城市相關研究取值(表4)；本工程內源污染取值均按分段底泥檢測值確定。

表4 生活污水和工業(yè)廢水點源污染取值[12]Tab.4 Value of Point Source Pollution Concentration of Domestic Sewage and Industrial Wastewater[12]

城市面源污染(雨水徑流)是指地表沉積物在降雨淋溶和沖刷作用下，擴散性進入水體，造成城市水環(huán)境質量下降的過程。參考重慶地區(qū)相關文獻，取城市面源污染濃度如表5所示。

表5 城市面源雨水徑流平均污染取值[13-14]Tab.5 Value of Average Pollution Concentration of Urban Non-Point Source Rainwater Runoff[13-14]

水土流失是雨水沖刷下泥沙攜帶污染物進入河道，造成水體污染。根據中科院2020年發(fā)布的三峽庫區(qū)水土流失面源污染指標取值如下：CODCr、氨氮、TP質量分數分別為4 612、105、300 mg/kg。

模型計算中污染物降解系數參考《三峽水庫對重慶庫段生態(tài)環(huán)境影響及整治對策研究》中水環(huán)境容量參數，并用河道2018年—2020年水質監(jiān)測資料和污染負荷校核調整后得出，降解系數設計值如表6所示。

表6 污染物降解系數取值Tab.6 Pollutant Degradation Coefficient Values

在圖1表述的18個考核斷面基礎上，取消在支線上的2個斷面及開端的水庫斷面，對剩余15個斷面分別計算現狀水環(huán)境容量和現狀污染物排放量，并利用河道水質檢測數據對計算參數進行率定和計算結果校核。計算結果顯示，多數河道斷面現狀污染排放量大于水環(huán)境容量，即水質不達標(圖8)。

圖8 各斷面改造前污染物排放量與水環(huán)境容量曲線Fig.8 Curve of Pollutant Discharge and Water Environment Capacity before Reconstruction of Each Section

以現狀污染排放與水環(huán)境容量計算結果作為基準，每個斷面均給出了工程措施實施后的斷面水環(huán)境容量提升量計算和污染物排放削減量(圖9)。

圖9 各斷面改造后容量及削減量對照圖Fig.9 Comparison Diagram of Capacity and Reduction after Reconstruction

通過對所有15個斷面的計算，本工程實施后，河道內各考核斷面COD、氨氮、TP指標排放均大大降低，并且小于地表Ⅳ類水質標準下的水環(huán)境容量，工程目標可達。

5 結語

水環(huán)境整治是一項關于民生的綜合性工程，具有復雜性、動態(tài)性、可實施性，而可實施性應建立在對實際情況、資料的充分掌握上。

本文重點分析了山地城市河流水環(huán)境治理的難點及解決路徑，介紹了本底調查的方式方法，對合流箱涵、截污干管、雨水排口方面進行了重難點分析并給出了解決方案，并對斷面建立水質模型并進行了成效預測，通過成效預測來指導項目內容的實施和推進，為我國眾多山地城市水環(huán)境治理工作的開展提供了樣板和借鑒。