傳統與現代結合的水環境治理技術實踐與探討

溫 明

(上海諾山工程設計咨詢有限公司，上海 200333)

1 項目背景

首屆中國國際進口博覽會于2018年11月于上海市國家會展中心舉辦，后期還將進行多屆展覽，2017年初，進口博覽會輻射區域水環境內水環境較差，遠不能滿足進博會高品質的水環境需要。

上海市虹橋商務區作為進博會的舉辦地，市政府在制定5方面26項配套保障任務的基礎上，發揮平臺的統籌協調作用，加強工作聚焦以點帶面，先行啟動商務區市容環境綜合整治提升相關工作。2017—2019年上海市對中國國際進口博覽會展館輻射區內的水環境進行綜合治理，保證進博會期間能夠達到高品質的水環境。

2 進口博覽會輻射區內水環境存在問題

經調查，進口博覽會輻射內未全部截污或存在雨污混排；河道淤積，底泥污染嚴重；部分河段沿岸臟亂差，面源污染嚴重；水系連通性差，水流不暢、動力差；部分河道已進行河道駁岸建設，但均為漿砌塊石、鋼筋混凝土等硬質擋墻，隔離了河道的水土交換，生態性極差；沿岸植被單一，部分河道基本無水生植物，河道生態系統脆弱。綜上，急需對進博會輻射區的水環境進行綜合治理，如圖1所示。

圖1 進博會輻射區內的水環境整治范圍

3 水環境治理常用技術分析

河道污染主要分為外源污染和內源污染兩個方面，外源污染主要來自于河沿岸日常生產、活動所產生的點源與面源污染，如初期雨水污染、雨污混排漏排污染、農業面源污染等；內源污染主要來自于底部淤泥溶出釋放的污染負荷。

上海市水環境治理常用的技術措施主要分為污染源消減、水生態修復及其他方式。

3.1 污染源消減

3.1.1截污納管

截污納管是最有效地污染物源頭消減措施，上海市目前城鎮污水處理已基本全覆蓋；農村生活污水采用納管處理和就地處理兩種模式，大部分區域也實現了污水入河截斷。

部分老城區位于近年的動遷計劃內，居住人口密度大、建筑物密集，道路比較狹窄，無法實現雨污分流建設，故近年于水環境治理中，主要采用沿河截污方式對此類區域入河污水進行應急處理。

3.1.2農業面源控制

目前農田面源污染主要通過過程阻斷的方式，通過生態攔截溝渠、生態護岸邊坡、生態攔截緩沖帶等方式，盡可能的將農田氮磷污染物滯留在農田、溝渠中，在實現氮磷的資源化利用的同時，盡可能的減少氮磷等農田污染物進入河道中。

3.1.3城市面源控制

選用合適的海綿城市建設設施和技術措施，例如透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園、植草溝、雨水濕塘、表流人工濕地、植被緩沖帶等，對雨水進行“滲、滯、蓄、凈、用、排”，污染的城鎮徑流通過滲透、過濾后，再排入河道，減少入河污染物。

3.1.4清淤疏浚、保潔

清淤疏浚包括機械開挖和水力沖挖等方式，可以快速的清理河底污染底泥，上海市每6～10年進行一輪河道疏浚，可以大幅度改善河道水環境。上海各類河道均納入了日常養護，水域、陸域內的廢棄物(垃圾、落葉等)都會得到及時的清理，減少內源污染物。

3.2 水生態修復

3.2.1生物膜技術

生物膜是一種提供微生物生長、繁殖載體的纖維結構，水中的有機污染流經生物膜時，生物膜中的微生物附著于有機污染物上，結合水中的氧氣，在生物膜內發生氧化等作用，從而實現對有機污染物的講解。水環境污染較嚴重，水中含氧量低時，還可采用中空纖維曝氣膜向水中充氧，從而實現持續的污染物講解。該技術廣泛應用于黑臭、劣5類水體中。

3.2.2生物浮床技術

生物浮床技術主要以可漂浮高分子材料為基底，針對富營養化的水質，利用無土栽培技術，通過水生動植物吸收水體中的氮、磷等有機物和營養物質，從而抑制藻類生長，凈化水質，恢復河道的水生態系統。現階段，衍生出了掛膜浮床、太陽能曝氣浮床等各種組合浮床，以滿足各區域水體的需求。

3.2.3水生植物

挺水植物作為河道景觀建設被人們熟知，最主要原因是其本身的凈化特質。挺水植物一般種植于岸前淺水區域，能夠減緩水流沖刷，起到過濾、沉淀泥沙的作用。挺水植物的種植為微生物提供完美的寄居環境，植物根系及莖葉可以從水層和底泥中獲取自身所需營養，吸收氮、磷等有機物，還可以吸收并降解重金屬和有毒物質。挺水植物還能有效利用光合作用并大量吸收水中營養物質，是藻類克星，能有效抑制藻類生長。上海地區常用的挺水植物有美人蕉、花葉蘆竹、旱傘草、黃菖蒲、西伯利亞鳶尾等。

沉水植物扎根于淺水區水下泥土之中，全珠淹沒種植，不同于挺水植物花大色艷，沉水植物只能透過水面窺探其全貌。生長過程中，沉水植物的根能吸收底泥中的氮、磷，莖和葉能吸收水體中的氮、磷，有效緩解水體富營養化。沉水植物喜溫暖水濕、陽光充足的環境，通過光合作用，在水中充當造氧機的角色，利于氣體交換。日常生活中，種植沉水植物的水域往往清澈見底，這是由于挺水植物可以維持河道或湖泊的清水穩態，提高水體能見度。同時，沉水植物可以為水生動物提供生活棲息地，提高水體含氧量，改善水生生態系統。上海地區常用的沉水植物有苦草、狐尾藻、伊樂藻等。

3.2.4水生動物系統構建

通過食物鏈系統的構建，維持水生態系統的物質循環、能量流動和信息傳遞。例如投放魚、蝦、貝、螺類等水生動物。貝、螺類等底棲動物，可以分泌粘液絮凝懸浮物質，濾食藻類，凈化水質，增加水體透明度。蝦類可以攝食有機碎屑，凈化水中微量元素及重金屬。魚類以濾食性和雜食性為主，通過對水體藻類的攝食，對營養物質轉移，保證沉水植物生長。

3.2.5生物強化技術

指通過在污染水體中投放具有特定功能的微生物，從而達到定向消除特定污染物的作用。其中大型浮游動物(改良型)強化技術在上海地區應用較多，例如，通過馴化的食藻蟲攝食消化藍藻(銅綠微囊藻等)、有機顆粒和懸浮物，使水中藻類、有機顆粒和懸浮物大幅降低，從而改善水質。

3.2.6水系暢活

古語曰“流水不腐、戶樞不蠹”，水系暢活，將大大提升河道的水環境質量，提高河道的防汛保障能力。近幾年，由上海市政府相關部門牽頭，水務部分對全市中小河道和斷頭河進行全面排摸，對其水系被阻斷致使局部區域水體不通不暢、輸水功能受到制約、生態環境質量受到影響的原因進行了分析，多管齊下，打通了多個斷頭點，促進了水體暢活、循環，大大的改善了水環境質量。

3.2.7人工曝氣增氧技術

河道中常采用機械曝氣增氧，通過水下、水下葉輪轉動，挑動水流，使得空氣中的氧氣拌入水體中，實現水體增氧。該技術由于會產生噪音，通常應用于居民區以外的區域。

3.2.8跌水技術

跌水最早應用于丘陵、坡地等區域的渠道工程中，使上游渠道(河、溝等)水流自由跌落到下游渠道(河、溝)的落差建筑物，水流墜落時，高速翻滾，可將大量的氧氣拌入水體中，實現增氧。介于跌水的增氧功能，故公園、園林等有景觀需求的河道，利用磚、石、混凝土等建筑材料砌成溢流堰，上游的水位高于溢流堰時墜落至下游，形成跌水；也常與水閘配合，非汛期或景觀需求期，關閉水閘，上游的水位高于閘頂時墜落至下游，形成跌水。跌水由于其特殊的工藝之美、墜落之美，在提升景觀面貌的同時，能夠快速實現水體增氧，從而改善水質。

3.3 其他

3.3.1生態護岸

傳統水利工程通常采用鋼筋混凝土高擋墻、板樁護岸、漿砌塊石高擋墻等結構，此類結構雖在一定程度上保護了岸坡穩定、保障了沿河建筑物安全，但由于大量剛性材料的運用使得植物在基底上難以立足，“寸草不生”的河流護岸界面完全成為了生態“死亡”區，對城市河流生態健康產生了極為消極的影響。現階段，以“治水為核心，生態修復為重點”為新思路，在這一背景下提出了生態護岸技術，常用的生態護岸有水工保護毯護坡、箱型砌塊擋墻、多層疊石擋墻等結構形式，此類護岸孔洞多，有利于水體交換，且水生動物可以棲息繁衍，對河道恢復自身生態系統具有較大的作用，從而提升水體自凈能力。

3.3.2旁位治理

旁位治理是指將待處理的水體從河道引入處理站，經微砂高效沉淀處理工藝系統后回歸河道。該項技術方案能夠快速將水質提升至較高的標準，適用于局部水體有較高的水質需求，且水量不大的情況。

4 中國國際進口博覽會輻射區內的水環境治理技術應用

4.1 一期工程

為配合2018年首屆進博會召開，2017—2018年對北橫涇、小淶港、北潮港、張正浦、華漕港、北虹港和南虹港等多條河道進行了綜合整治，治理方案如下。

(1)污染源消減

通過雨水污水管網改造、截污納管，截斷了入河污水；通過陸域植被緩沖帶、透水鋪裝(防汛通道)對徑流污染物進行滲透、過濾，減少入河面源污染；通過河道疏浚，清除了河底污染底泥。

(2)水生態修復

于部分水質較差的河段中投入了經過馴化的食藻蟲，并布置了大量的沉水植物、挺水植物，投放了適量的水生動物，構建了水下生態系統。適量的食藻蟲可以有效控制水體內部藻類生長，降低水體中懸浮物及顆粒含量，提高水體透明度，保證沉水植物光合作用，進而吸收分解富營養化物質。食藻蟲的排泄物也可以為沉水植物提供營養物質，與沉水植物共生互存，恢復水體自凈功能。

建設擋水堰封閉進博會展館輻射區內水系，形成封閉的保障區，此措施導致水系不再暢活，故利用現有閘泵對該區域封閉水體進行動力調控形成自循環；部分河道上布置曝氣增氧設備增加溶氧量，部分河道布置裝備式溢流壩，形成跌水效果，從而增加溶氧量。

(3)其他

通過新建生態護岸、改造原來硬質護岸，構建生態駁岸，進一步促進河道自身生態系統的恢復。

進博會展館附近雨水匯集后排入東側的北橫涇，為防止初期雨水污染進博會展館輻射區的水系，于北橫涇河道西岸、錫虹路以北處新建了一座“微砂高效沉淀處理站”，以處理會展中心段周邊地表初期雨水和雨水管網中的初期雨水。同時在北橫涇會展中心段兩側各設置了擋水堰，再利用“微砂高效沉淀處理站”對該部分封閉水體進行處理后排放。處理系統采用微砂高效沉淀工藝，處理水濁度可達到0.4NTU，為一體化設備，數量2臺(北橫涇核心段水體積約20.0萬m3，換水周期10天，處理系統處理規模2萬m3/d)，通過凈化水質，封閉水體透明度達到1.0m以上，效果顯著。

4.2 二期工程

通過上述水環境治理措施，使得首屆進博會周邊水環境得到了顯著的改善，為首屆進博會召開營造良好的水環境氛圍。但一期措施中，為保證北橫涇會展中心段水體質量，采用了擋水堰對此河道水體進行了封閉，從而利用微砂高效沉淀工藝(旁位治理)對封閉水體進行過濾凈化，此措施能夠保證進博會展館輻射區擁有高品質的水環境，但不同于進博會展館輻射區其他鎮村級河道，北橫涇為區級河道，為閔行區骨干河道，在區域行洪排澇中承擔較大作用，擋水堰的設置存在較大的安全隱患。

為解決水環境治理措施與傳統水利設施在此處的矛盾，提出了將水閘與跌水技術相融合的措施，本次采用單扇臥倒閘門，如圖2所示此結構為鋼結構一體化設計，壩體升降快速，可以立門蓄水，臥門行洪排澇，可開啟調節水位利用閘門門頂過水，形成人工瀑布的景觀效果。即進博會召開時段可開啟閘門形成封閉循環水體，封閉區域實施相應水體凈化措施，多余凈化后水體可通過閘頂溢流而出，始終使會展中心段保持良好水質；進博會結束后，閘門關閉，河道恢復原有泄洪能力，如圖3所示。

圖2 北橫涇單扇臥倒閘門位置圖

圖3 北橫涇封閉區域水體凈化示意圖

(1)閘室布置

單扇臥倒閘門縱向中心線垂直河道斷面布置，建設鋼閘門凈寬30.0m。閘門兩側各布置1處啟閉機室，沿河道斷面長度12.02m，沿河道縱向長11.8m，啟閉機室側墻與現狀河道擋墻相順接。鋼閘門閘底檻高程0.10m，底板厚度1.50m。閘門底板上下游段設置消力池，上、下游消力池縱長8.0m，消力池底板厚度1.0m。下游消力池末端設置防沖槽以消除剩余水能，防沖槽寬度5.5m，深度1.5m。

(2)安全要求

北橫涇作為主干河道，現狀河口寬為55m，節制閘閘門設計凈寬為30m，控制工程體量大，安全方面要求高。主要表現為以下幾方面，沉降安全方面，基礎采用11m長預制方樁；滲流安全方面，基礎采用聯排防滲板樁；啟閉安全方面，采用雙側同步啟閉系統；河床沖刷安全方面，采用有富裕度的消能防沖設施。

(3)景觀需求

作為進博會環境綜合提升工程，兼顧景觀效果，設計取消水上布置水工建筑物，采用水下布置的單扇液壓臥倒鋼閘門。鋼閘門日常處于常閉狀態，作為景觀提升工程，閘門頂高程設計為3.30m，門頂稍微露出水面，通過管理部門調度，還可以形成小瀑布，兼顧了進博會的景觀要求,如圖4—5所示。

圖4 單扇臥倒閘門平面布置圖

(4)防汛要求

北橫涇作為閔行區南北向的主要引排水通道，兼顧防洪除澇及水資源調度要求。閘門設計凈寬為30m，可充分保證過流能力，滿足防汛要求。其次，閘門頂高程設計為3.30m，略高于常水位，汛期無需開啟閘門即可溢流排水，必要時再行局部或全部開啟閘門。

圖5 單扇臥倒閘門建成后實景圖

5 結語

水環境綜合治理需要系統性的綜合措施，從內源污染到外源污染，再到水生態系統的構建，需要各專業技術進行綜合運用，不可孤立的強調某一種技術措施。本文以中國國際進口博覽會輻射區范圍的水環境綜合治理為例，對各種常用水生態技術進行了分析，因地制宜的綜合應用，此外，引入了單扇臥倒閘門將水閘與跌水技術相融合，實現立門蓄水凈化，臥門行洪排澇，從而解決水環境治理措施與傳統水利設施在水環境治理中的矛盾。

水環境綜合治理時，應過對各河道污染成因、在水利系統中的作用、周邊環境等因素進行綜合分析，因地制宜的選用最佳治理措施，在保證防洪安全的同時，實現水環境健康美好。