基于“山水引流”理念的山地城市水環境治理實例研究

張先炳，王 幸，楊 威，張陽春，張 浩，蔡志偉

（1.國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶市生態航道重點實驗室，重慶交通大學，重慶 400074；2.中煤科工重慶設計研究院（集團）有限公司，重慶 400000）

1 研究背景

我國是一個多山國家，山地面積占國土面積的2∕3 以上。而山地城市大多依山而建，其氣候類型、地形特征與生態環境均較為特殊［1］。近年來，城市化進程的不斷加快給人類生態環境帶來了巨大的影響，城市大面積的不透水地面取代了透水良好的林地、農田、濕地和森林等，土地的調蓄能力明顯降低；城市內河水系被人工加蓋，大量不達標雨污水因為管道混錯接排入河流中，使得生態環境較為脆弱的山地城市在水環境治理與雨洪災害防治方面的形勢日益嚴峻；此外，熱島效應、大氣污染、環境凈化能力和修復能力減弱等現象也越來越嚴重［2-4］。對此，習近平總書記提出，要保護和修復被破壞的生態環境，就要堅持山水林田湖草沙冰一體化保護系統治理，加強重要江河流域生態環境保護和修復，發展人與自然是生命共同體的理念［5］。故本文以尊重自然、順應自然、保護自然為核心原則，以地形結構復雜、受物種多樣性影響較大的某山地城市一個典型山水流域DS 溪作為研究對象進行研究。針對其目前存在的水環境問題，提出具有針對性、工程可行性的水環境治理方案，期望能夠恢復山清水秀、湖凈草綠的生態環境。

2 山地城市存在的水環境問題

2.1 山水對城市排水系統造成的危害

山水一般是山地城鎮范圍內的溪溝或荒溪中隨降雨而波動的地表和地下徑流。當降雨量較大時，山水極易演變為流速快、沖刷力和破壞力更強的山洪或滑坡等地質災害。而山地城市與平原城市的最大區別在于其地形地貌、河網密度、地表坡度均大于平原城市，所以導致其相較于平原城市而言，雨洪災害的暴發頻率及其對城市的破壞力遠大于平原城市。特別是近年來由于快速城鎮化使得都市區人口高速聚集，侵占了山體與河流等水系生態空間，阻斷了山區自然的降雨徑流過程，導致降雨時一部分山水流向河流，另一部分則沿山區坡面、溝、渠以地表水的形式匯流至城市管網內，嚴重加劇了城市排水系統的運行負荷，更容易發生管道爆裂、城市內澇、山洪災害等。

2.2 雨污混流對城市水環境的影響

雨污混流中的污染物主要來自生活污水、初期徑流雨水和管道沉積物等多個途徑，來源的多樣性決定了水環境污染的復雜性［6］。山地城市排水管網的布局相對分散，不易集中，且城鎮和居民點多沿河分布在低海拔地勢平坦區［7］，沿岸的污水直排口、合流排口或溢流點較多。雨季時，大量雨污合流水排入水體中，不僅造成水體質量惡化，這些區域還會受到洪水的威脅，嚴重影響了城市水環境及城市行洪安全。如有研究通過檢測入江沿岸溢流口晴天與雨天的溢流污水發現，雨天溢流污染物中的COD 和SS 濃度相比于晴天污水更高，且隨著降雨量的增加，SS、NH3-N、TP濃度明顯增加［8］。

3 研究流域概況

DS 溪位于某山地城市主城區內，是一個流域面積為7.68 km2的小流域，其中林地、建設用地和耕地的占比42.11%、37.02%和18.85%。河道整體呈南北流向，全長6.88 km。DS 溪上游位于山區的天然河道，有4條小支流，河水主要來源于降雨時的山區地表徑流即山水和地下水補給量，山水匯流面積達2.42 km2；中游由于城市化建設，從立交橋位置開始，對河道進行了加蓋硬化等工程化處理，建成了3.6 m×3.8 m、長約2.2 km的暗涵；下游為長約1.1 km 的天然河道，且在河道沿江的排口處設有截流堰與提升泵站，目的是將河水截入沿江截流干管中，最后輸送至污水處理廠（如圖1所示）。

圖1 DS溪區域位置圖Fig.1 Regional map of DS Creek

4 DS溪水環境現狀及問題分析

4.1 河道水質概況

通過現場勘察，選取立交橋、暗涵出口及截流堰等3個點進行DS 溪河道的水質采樣檢測，水質檢測指標為COD、TN、TP、NH3-N，其結果見圖2。運用單因子污染指數法和綜合污染指數法對DS溪的水質進行定性評價，方法如下。

圖2 水質檢測結果Fig.2 Results of water quality

式中：qi為第i項污染物的污染指數；ci為第i項污染物的年際平均值；ci0為第i項污染物的環境質量標準（本文參照GB18918-2002一級A出水標準）；q為均值污染指數；n為參與評價指數項數。綜合污染指數q將水質劃分為4 個污染等級，q＜0.4 為良好，0.4≤q＜0.7 輕微污染，0.7≤q＜1.0 中度污染，1.0≤q＜2.0 重污染，q＞2.0嚴重污染［9］。

DS 溪各河段污染指數與污染程度劃分如表1所示，分析數據可知，影響DS 溪水質的主要因子是TP 與NH3-N。DS 溪上游水體污染較輕，下游自然河段與暗涵段污染較重，主要原因為暗涵穿過了河道中游城區，有未達標水體排入，并且是DS 溪流域污水排入的主要河段。而下游為天然河段，有一定地下水匯入河道，稀釋了約0.3 倍河水，與暗涵段相比，其污染物濃度有所降低?？傮w而言，DS溪各斷面污染程度從重到輕為暗涵口＞截流堰＞立交橋。

表1 水質評價結果Tab.1 Water quality evaluation results

4.2 河流水量特性

為分析DS 溪水量特性，在截流堰處進行了為時34 d 的實時流量監測，監測數據如圖3（a）。該段時間內，DS 溪日均流量1.65 萬m3（除監測異常時間），累計降雨量62.4 mm，最大日降雨量23.2 mm，對應的日流量達3.16 萬m3。由此可估算DS 溪年累計流量約為602 萬m3。進一步分析水質、水量數據與現場勘察結果發現，DS溪存在增大下游截流干管與污水處理廠運行負荷以及河水溢流污染江水的問題。

在旱期時，DS溪河流流量基本來自地下水補給與污廢水排放。選取11月10-19日的流量數據進行分析［圖3（b）］，發現該時段內的日流量變化規律大致相同，每日的23∶00 到6∶00，流量逐漸下降至日最低流量。根據最小流量法，旱季夜間最低流量可認為是地下水的補給量［10］。通過計算此段時間內DS 溪每日夜間最小流量的平均值，得出DS 溪地下水補給量約為0.128 8 m3∕s，即11 130 m3∕d。

圖3 DS溪流量監測數據（2021年）Fig.3 Measured flow discharge of the DS Creek

同時，采用曲線積分法計算DS溪的日污水排放量，用11月1-19日時間段內的小時流量曲線與x軸圍成的積分面積減去日地下水補給量與x軸圍成的積分面積，結果即為該段時間內累計排入DS溪的污水量，然后除以計算時間（10 d）可得出日污水排放量。經過計算，DS 溪日污水排放量約為1 530 m3（圖4）。綜上所述，并結合實測時段內的Q-P曲線與年降雨量數據，分析出DS 溪每年至少有約406 萬m3地下水補給量、56 萬m3污水與99 萬m3山水和雨水被截入截流干管與污水處理廠中，同時以日降雨量超過8 mm 時產生溢流計算，每年約有41 萬m3河水溢流入長江。由此可見，DS溪對截流干管和污水處理廠的運行負荷以及長江水生態環境產生了一定影響。

圖4 DS溪旱期水量分配（2021年）Fig.4 Water allocation in DS Creek during drought period

4.3 主要污染源分析

結合現場調研結果與水質水量檢測數據分析，DS溪存在的污染來源主要包括以下幾個方面：

（1）沿河污水排放的點源污染。DS 溪沿岸特別是暗涵段，由于污水收集系統不完善與雨污混流問題，導致大量污水排入或滲入暗涵內。根據水量數據估算流域內年污水排放量56 萬m3。按照該山地城市生活污水的平均濃度計算，DS溪點源污染負荷為COD178.56 t∕a、TN22.32 t∕a、TP1.95 t∕a、NH3-N16.74 t∕a。

（2）沿河農業面源污染。上、下游自然河段的沿岸山坡上種滿了菜地，農業施肥與降雨過程的耦合作用導致大量的氮、磷通過滲透、地表徑流、擴散等過程流失進入河道，導致河流水體中氮、磷污染物濃度增加。

（3）下游河流內源污染。DS溪沿岸生活污水的排入和農業生產過程，使大量污染物經過吸附和沉降作用后蓄積于底泥中，又因為其自身的可轉移性，在環境中產生遷移、轉化過程，沉積在下游坡度較小、水流較緩的自然河道中。故底泥污染也是DS溪氨氮污染物濃度超標的原因之一。

5 DS溪水環境治理工程方案

5.1 技術路線

針對DS 溪流域存在的水環境問題，本文以水環境保護、水安全保障和水生態修復為基本導向，以尊重自然，順應自然，保留原有自然生態河道為原則，提出“山水引流—清污分流—生態修復—智能截流”一體化的山地城市水環境治理工程體系，使滿足排放標準的河水全部引入長江。這不僅可以阻斷山水排入城區，提升城區的防澇排洪能力，也可減輕截流干管及污水處理廠的運行負荷，逐步恢復山水流域原生態水環境，為開展其他流域水環境治理工作提供綱領性指導方案。

5.2 構建山水引流通道，提升排澇防洪能力

山水具有沖擊力大、分散性強的特點，而規劃山水引流通道，可減輕山水對DS 溪河道行洪能力、河流水環境以及城市排水壓力的影響。規劃原則是依據地形圖與山體等高線在流域上游的山城交接處規劃截洪溝，將山水引至就近河道。但山上不設其他截洪溝，一方面是考慮讓山水順應山體坡面環境，沿山脊線自然流下；另一方面由于山地城市山地環境復雜，植被覆蓋率較高，在山上規劃截洪溝，既不容易敷設又不易維護，安全系數較低。

根據DS 溪流域的矢量高程數據，利用ArcGIS 軟件將DS 溪上游山水匯流面積劃分為4 個子匯水區，匯流面積總計2.42 km2，再依據各節點的高程值與坡向分析，分析山水的匯流方向。然后再綜合考慮上游山水匯流方向及地形環境，提出在DS溪上游山腳下的道路旁敷設截洪溝，該方法相較于在山坡下敷設截洪溝，具有施工難度較低、敷設長度短、易維護、可降低地塊開發的工程投資等優點［11］。擬計劃敷設截洪溝2 885 m，字母A～G 為截洪溝的設計節點，如圖5所示。節點B、D、F 的地勢較低，山水可由此3個節點匯入DS 溪主河道。同時，需在B、D、F 節點排向主河道的出口設置格柵，截留山水中夾雜的枝葉與漂浮物，并做到定期維護截洪溝。

圖5 山水引流通道示意圖Fig.5 Schematic diagram of mountain water diversion channel

截洪溝設計采用20年一遇洪水設計、50年一遇洪水校核。截洪溝流量計算采用公路科學院研究所的小流域面積經驗公式（當匯流面積小于10 km2可以采用）計算［11］，如下式：

式中：Q為洪溝設計流量，m3∕s；K為流量模數，西南山地型地區徑流模數20年重現期取16，50年重現期取19.2；n為流域面積參數，西南山地型地區F＜1 km2時，n=1；當1 km2 ＜F＜ 10 km2，n=0.85；F為截洪溝所涉及的流域面積，km2。

截洪溝的斷面通常選擇梯形或矩形斷面，兩種斷面形式對比如表2所示。截洪溝設計與敷設的前期準備工作中，要對研究區域進行詳盡的現場調查，充分結合研究區域的地形地勢，山水流域范圍，選擇合適的截洪溝斷面形式。根據式（3）計算得出的設計洪峰流量，采用謝才公式［式（4）］分別計算兩種斷面形式下的截洪溝斷面尺寸（結果見表3）。

表2 截洪溝斷面形式比較［12］Tab.2 Comparison of cross-section forms of flood control ditch

表3 截洪溝斷面尺寸比較Tab.3 Comparison of cross-section dimensions of flood control ditch

式中：Q為截洪溝設計流量，m3∕s；A為過水斷面面積，m2；C為謝才系數，m0.5∕s，C=R1∕6（曼寧公式），n為截洪溝的粗糙系數，參照《室外排水設計規范》，n取0.014；i為渠底縱坡；本文取0.003。根據梯形斷面或矩形斷面對上式進行推導，得到下式：

式中：b為截洪溝過水斷面底寬，m；h為截洪溝過水斷面水深，m；m為截洪溝過水斷面邊坡系數（矩形斷面m=0），本文取1.2。

5.3 河流沿岸清污分流，恢復自然生態河道

DS溪河道沿岸有多處雨污水排入河道問題，嚴重影響著下游河道水質。因此，對沿岸所有旱季污水進行截流，并堅持源頭處理，堅定不移地推行雨污分流，實施全覆蓋的正本清源工程，是改善下游河道水質，恢復河道水生態環境的重要方法之一。

根據DS 溪流域的排水管網圖紙及管勘資料，并結合現場調查發現，DS 溪上游存在沿線污水管破損、污水直排口及疑似混錯接排口各一處（圖6）；中游暗涵段存在5 個污水直排口，均在居民區附近。其中4 號最為嚴重，該處有一管徑800 的污水管直排入箱涵，污水平均COD 濃度達292.5 mg∕L；5 號、6 號、7號、8 號是4 個連續污水直排口接入暗涵內部。針對以上情況，根據不同排口類型分類提出分流改造方案，如表4。其中4 號污水直排口，因在市政道路上進行工程改造難度較大，故考慮在暗涵段沿岸架空敷設一全長3.1 km 的污水截流管，出暗涵后沿河道敷設，終點接入下游提升泵站，輸送至污水處理廠，以備后期河岸新建區域污水接入。此外，針對沿線沒有污水流出的雨水排口，建議保留現狀排口。

圖6 DS溪流域沿線直排口實景照片Fig.6 Actual photograph of the wastewater outfall along the DS reek basin

表4 DS溪流域外水排入情況Tab.4 Discharge of external water in DS Creek basin

5.4 河流下游生態修復，提高水體自凈能力

DS溪下游有約1.1 km的天然河道，上游及暗涵段排入河的污水量約1 530 m3∕d，主要的污染物是有機物和氮磷污染物。為保證出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002 中的一級A 排放標準，首先應清退河流沿岸的農田，并對自然河段進行清淤疏浚，消除內源污染，但需控制清淤深度，否則會破壞底泥中微生物群落構造，降低水體自凈能力［13］。其次在DS 溪下游的天然河段建設人工濕地、自然生境觀賞區及空中木棧道，通過栽植密林或綠植鮮花，營造鳥類棲息環境，修復濕地的生態環境以及豐富濕地生態的多樣性，從而加速河道自然生態修復。

人工濕地的設計出水水質可參考暗涵口的水質檢測結果（表5）。由于復合型人工濕地在河道水質凈化方面有較大優勢，對污水水質改善遠高于單一的濕地系統［14］。結合DS 溪河流現狀、水質污染情況及所處地形環境，可采用水平潛流+表面流的組合人工濕地技術。將所有河水通過自流式分水口或泵站輸送至濕地前設置的預處理系統，處理懸浮物和TP超標的情況，而后進入人工濕地，凈化水質，工藝流程見圖7。

表5 設計出水水質設計指標Tab.5 Designed effluent water quality standards

圖7 生態修復工藝流程Fig.7 Ecological restoration process

5.5 河流排口智能截流，實現河道排水自由

經過“山水引流、清污分流以及生態修復”等一系列水環境修復過程，DS 溪河道的水質定會有所改善，達到直排外江的水質標準，但不排除存在截污不徹底或出現新增的管道破損、破裂導致污水外溢的情況，再次破壞河道水環境。故可在河道下游排口，即截流堰處安裝智能截流井。智能截流井是在傳統截流井的基礎上加入了傳感器與自動控制設施，相較于傳統截流井，具有防止污水回流、防止自然水體倒灌等優點，可采用水質法、雨量法、時間法和水位法等多種方法進行截流控制［15，16］。根據DS 溪下游排口環境，可安裝下開堰式智能截流井，根據設定污染物濃度值來調節下開式堰門，從而保證污染物濃度較高的河水被截入截流干管，最后輸送至污水處理廠。如此可進一步保證排入長江的水體達標和水質安全。

6 結 論

本文以某山地城市DS 溪流域為水環境治理實例研究對象，結合排水管網資料、現場調查結果、水質與水量監測數據等，分析出DS 溪的主要污染物為NH3-N 和TP。并梳理出該流域存在的主要水環境問題：①山水排入城區管網系統增大了城市內澇的風險；②DS 流域每年約有41 萬m3雨污混流河水溢流入長江，對長江水生態環境造成一定污染；③每年約有561 萬m3河水被截入污水處理廠，增大了其運行負荷。接著，針對性提出以“山水引流—清污分流—生態修復—智能截流”為核心理念的一體化水環境綜合治理體系，使滿足排放標準的河水全部引入長江，可有效強化雨污分流的效果，改善河流水質及提升水生態環境質量。同時期望本文研究的水環境治理工程實例能為其他山地城市的流域水環境治理提供綱領性的指導意見，從而恢復城市山水秀美的生態環境。