北京城市河道水環境改善技術措施探究

劉 鵬

(北京市城市河湖管理處，北京 100089)

1 水體基本情況

1.1 北京城市河道基本情況

北京市城市河道跨東城、西城、海淀、朝陽、豐臺、石景山和門頭溝7個區，包括三家店調節池、永定河引水渠、京密引水渠昆玉段、北護城河、南護城河及通惠河等13條河道，總長度124.31 km，湖泊包括內部水域、八一湖等20個。水面面積823萬m2，其中河道水面面積229萬m2，湖泊水面面積594萬m2。供水河道及湖泊庫容1758萬m3，其中供水河道庫容525萬m3，供水湖泊庫容1233萬m3。這些河道、湖泊具有防洪、供水、環境、城市景觀等方面的綜合功能，是城市基礎設施的重要組成部分，在首都的城市建設和政治、經濟、文化生活中具有不可替代的重要作用，與人民的生活息息相關[1]。

1.2 主要水環境問題

1.2.1 水華

城市河湖水體曾連年出現水華現象，在一些河道和城市內湖中，水體邊角和下風向水面出現藻類聚集現象，并伴有藻腥味。隨著補水水質提升、沿途截污納管的完善以及水華防治措施的實施，水華問題雖不再突出，但是通過藻類密度和藻類種類分析的數據中可知，夏季藻細胞密度仍然較大并且藻類門屬以易發生水華的藍綠藻為主，發生藍藻水華的威脅仍然存在。同時河道內水體水質雖然逐漸好轉，但是河道水生態系統單一，氮、磷指標偏高，所以城市河湖水體仍然具備生長大量藻類的條件，故現階段藻類水華防治仍是城市河湖重要水體問題之一。

1.2.2 雨污污染

初期雨水對于河道水質的影響較為嚴重，造成局部水體黑臭、白色泡沫漂浮、河道油污污染等問題。究其原因主要是：雨水下降過程攜帶空氣污染物以及地表徑流攜帶的地面污染物短時間集中匯入河道，另外雨水沖刷管道內沉積污染物匯入河道，部分管線為在雨污合流管道基礎上修建截污設施，這就導致在截流設施上游淤積或者降雨強度較大時，雨污合流就有污水直接匯入河道，導致生活污水匯入河道，造成水體黑臭、水體渾濁、油污入河等問題，對城市河湖水環境造成較大影響[2]。

1.2.3 單一水生植物

城市河道內兩種生長量最大的植物為菹草和水綿，大量的菹草和水綿嚴重影響了河道景觀和河道行洪。造成這種情況主要是因為河道水體透明度逐漸提高，河底光照充足，滿足菹草和水綿生長的光照條件。菹草多在某一水域集中生長，密度較大，生長時間較早，一般在河道冰面化開后開始生長，在夏季時大面積死亡。水綿在河底一般呈分散式分布，并呈現出連片生長的趨勢；如果有水生植物生長，部分水綿也附著在水草表面生長。過多的水綿上浮聚集后在人工清撈或水流影響下，呈團狀或片狀在河面隨水流飄動，營養繁殖和有性生殖疊加，造成水綿生長呈現爆發式增殖。

2 目前應用的技術措施

2.1 水質監測

水華的發生與水體富營養化、水體生態系統中分布的浮游藻類種類以及環境氣候條件等主要因素密切相關，因此選取城市河湖內部水域、永引渠、南護城河、通惠河、土城溝、小月河等重點河道20個點位作為監測點，監測的水質監測參數為水溫、pH值、溶解氧、葉綠素a、藍綠藻、濁度、透明度7項，在重要時期每天采用便攜式水質監測議進行水質監測，并對監測數據進行分析，用于預判水質變化趨勢并指導生物措施的開展改善水質。根據多年管理經驗，一般地，當出現如下情況時需及時進行生物措施干預：①當葉綠素a值高于40 μg/L，連續3 d實測葉綠素a指標呈上升趨勢，且藻顆粒有明顯聚集現象；②受外源污染，在水面形成油膜；③有明顯的外源污水輸入，能觀測到水體顏色異常；④水面發生底泥上翻或青苔黑苔漂浮；⑤濁度值高于5NTU且透明度低于50 cm。

2.2 生物措施

生物措施是指微生物技術，即在特定的污染環境中加入預先生長的微生物菌群進行水體營養鹽消減及控藻工作。微生物種群是完全從被污染的自然環境中，依據細菌的特性如活性及持久性等，特別篩選后得到的。在富營養化水體的改善及藻類水華的治理防控中生物措施的應用，是選育高效菌株對富營養化水體進行處理，其過程以酶促反應為基礎，通過生物體內產生的具有催化作用的特殊蛋白質作為催化劑，能夠使得氮、磷(亞硝酸氮、氨氮、總氮和磷酸鹽濃度)指標迅速降低[3]，并可以在較低水平保持，達到水質改善降低富營養化程度的目的。實際操作過程中根據生物制劑種類的不同有多種使用方法，其中最為典型的一種是選取固態粉狀微生物，在投灑前取現場原水稀釋并且曝氣激活后投加，以確保達到更好的投加效果。

另外，對于藻類在高溫季節的大量增殖，宜采用抑藻劑類生物制劑，抑藻劑類生物制劑通過作用于藻細胞內部結構，使其失去活性，進而抑制藻類生長；針對污水入河導致的水體黑臭現象，采用凈水劑類生物制劑，能夠快速改善水體高有機質狀態，提升水體溶解氧，進而恢復水色，消除水體臭味；針對油污等入河導致的突發水環境事件，采用降解類生物制劑，將難分解的大分子物質轉變為易分解小分子物質，加快分解過程，消除油污污染，防止擴散范圍增大。通過生物措施的實施有效地改善了城市河道的水環境。

為更為直觀地體現生物措施對水質和水環境的改善，以生物措施控藻為例進行了數據收集和分析，數據包括藻細胞密度、水體透明度、高錳酸鹽指數、氮磷元素和葉綠素a，具體如圖1～6。

7～9月是藻類生長快速增長階段，也是城市河道水華防治的關鍵階段，圖1分別在7～9月中選取兩次生物措施實施的時間，對比了生物措施實施前后的藻細胞密度，黃色柱狀圖為生物措施實施前，綠色柱狀圖為生物措施實施后，從圖表中可以看出，在6組對比中，北海棧橋(生物措施實施位置)藻細胞密度在實施后的3 d內最大下降幅度為38.44%(9月21日)。西筒子位于北海棧橋的下游，雖然不是生物措施的直接實施位置，其藻細胞密度也出現了同趨勢的下降，藻細胞密度最大下降幅度46.21%(7月20日)。生物措施能有效降低藻細胞密度，降低水華發生風險，對下游藻細胞密度增長的控制有積極作用。

圖1 實施前后藻細胞密度對比

在同樣的時間段內，在進行藻細胞密度數據采集時對水體透明度數據通過塞氏盤的方式進行了收集，藍色柱狀圖(圖2)為生物措施實施前水體透明度數據，橘紅色為實施后透明度數據，從圖中可以看出：6組對比中，北海棧橋透明度提升最大百分比為29.17%(8月5日)，西筒子河透明度提升最大百分比為23.81%(8月5日)。生物措施的實施控制了藻類過快增長，減少了水體中藻顆粒數量，能有效提升水體透明度。

高錳酸鹽指數是水體受還原性有機物質污染程度的綜合指標。在城市內河中，補給水源主要以污水處理廠的中水為主，高錳酸鹽指數普遍偏低，但通過數據對比仍發現，通過培養有益菌體，在控制藻類生長的同時，高錳酸鹽也有一部分被降解。且在微生物菌劑投加點的北海棧橋平均降解比例在23.95%左右，至下游流動過程中，降解效果逐步降低，至西筒子河，高錳酸鹽指數的降解比例降至8%左右(圖3)。

圖3 實施前后高錳酸鹽對比(mg/L)

氮磷元素是水體富營養化的主要誘因，微生物制劑的投加也主要通過降解氮磷元素含量，來減弱藻類生長，通過以上數據對比可以發現，制劑的投加對氮、磷元素的降解，尤其是磷元素的降解，達到36.32%，且隨水體向下游流動過程中，至西筒子河仍保持與北海棧橋基本一致的去除率，降解效果非常穩定高效(圖4和圖5)。

圖4 實施前后氨氮對比(mg/L)

圖5 實施前后總磷對比(mg/L)

葉綠素a受季節氣溫影響較大，這與藻類在夏季高溫期間繁殖有關，微生物制劑的應用在抑制藻類繁殖的同時，使水體中葉綠素a含量降低，這個作用在葉綠素a濃度較高時效果明顯，葉綠素a降低后，降解效果逐步減弱(圖6)。

圖6 實施前后葉綠素a對比

2.3 曝氣措施

河道用曝氣措施多為通過改善水體流動性，增加水體與空氣接觸面積來起到復氧的作用，提高水體自凈能力。科學研究表明，當水中溶解氧低于3～4 mg/L時，許多魚類呼吸困難；如數值繼續減少，魚類則會窒息死亡。一般規定水體中的溶解氧至少在4 mg/L以上。曝氣船在具備通航條件的河道是常用曝氣措施。同時溶解氧較低時水體易發生厭氧反應，在氣溫高、光照強的條件下造成河道底泥、青苔黑苔上翻，在問題水域運行曝氣船可促進漂浮的底泥或黑苔分散、分解、下沉，快速改善水體感觀效果，提高應對突發事件的處置效率。

目前在城市河道應用的曝氣措施主要有兩種：一是在筒子河布設運行54臺水下推流曝氣機，二是在昆玉段、永引渠、南護、通惠河等水域運行曝氣船。通過人工增加水體流動性的方式提高水體溶解氧，破壞藻類生長條件，抑制藻類生長；河道溶解氧的提升對改善雨后大量有機質入河導致的水體黑臭有較為明顯的作用。

2.4 魚類放養

通過放養濾食性魚類，利用其濾食性活動控制藻類的生長。這種技術措施作為一種典型的生物操控方法[4]，應用較為廣泛。隨著生物操控法的不斷發展，對其研究的不斷深入，這種操控方法有兩種模型，分別是經典操控法和非經典操控法，都是通過水體的生態系統結構的調節對藻類的生長進行控制。在富營養化程度較輕的小型的水域，通過人為干預調節浮游動物群落的種群結構和數量，增加捕食藻類的浮游動物，通過捕食過程減少藻類的生長。在富營養化程度較高的水域，尤其是以藍綠藻和水綿、水網藻等絲狀藻為主的水域，通過控制浮游動物結構和數量的經典操控法不能達到預期的目的。經典操控法的另一個問題在于浮游動物對藻類的攝食，多數代謝產物依然在水中參與整個的物質循環，水體富營養化問題沒有得到真正的解決。而非經典操控法則是通過大型濾食性魚類來控制藻類，直接投放濾食性魚類，以鰱魚、鳙魚和羅非魚為主，這三種濾食性魚類也是非經典操控法中研究最多的魚類。因為其濾食范圍廣，其中鳙魚、鰱魚屬于中上層魚類，以浮游藻類攝食為主。在濾食性魚類生長后，通過人工捕撈的方式將其移出水體，從而達到控制浮游植物數量和轉移水體營養物質的目的。非經典操控法在使用時，要避免濾食性魚類的不斷壯大，要采取適當的“輪捕輪放”措施，使魚類密度保持合理。

城市河湖日常維護措施中，每年在春、秋季節(有利于提高魚苗成活率)玉淵潭公園、昆玉河、北護、南長河進行鳙魚和鰱魚的投放，并且在日常維護中設置“輪捕輪放”的工作內容，對河道生態系統的多樣性有著積極地作用。

3 日常維護效果

3.1 水質的影響

城市河湖水環境和主要水質指標呈現逐年轉好的趨勢，以城市河湖某一較為典型的監測點為例，對比了2016～2018年每年4～10月的主要水質指標，選取這個時間段的原因是該階段為水體潛在問題多，通過綜合措施的實施，保證了水環境和水質。

高錳酸鹽指數和氨氮的柱狀圖中，除個別月份外指標逐年降低(圖7)。

2018年總磷和總氮的數值在4～10月份內全部好于往年的水體情況(圖8)。

圖7 高錳酸鹽指數和氨氮指標

圖8 總磷指標和總氮指標

葉綠素a是水華發生的一個重要參考指標，濁度的高低是水體感官是否良好的重要參數，在2018年的數據中(圖9)，7、8月份在藻類大量生長的階段，葉綠素a值為23μg/L，明顯好于對比的其他年份，濁度平均值也好于往年同期。

圖9 葉綠素a和濁度

3.2 藻類生長的影響

日常技術措施的應用，在藻類生長情況抑制上有著較為明顯的效果，同樣以城市河湖一組較為典型的監測點為例，分析了2017年和2018年4～10月份藻細胞密度增長趨勢(圖10和圖11)，圖中列舉的點位：北海北門、北海棧橋、內部水域、西筒子河為從上游至下游的關系。北海北門的上游為城市河湖的西海、后海，河道水體從后海流至北海后因為河面變寬、水流減緩、河道生態系統單一、加之人為影響因素較多等多種因素的疊加，導致藻細胞密度大幅升高。

圖10 2017年藻細胞密度增長趨勢

圖11 2018年藻細胞密度增長趨勢

根據這種情況，在北海棧橋處安裝了薄片過濾設施并且在入內部水域處設立了制劑投加點，通過物理和生物措施，有效地控制了藻細胞密度增長的趨勢，如圖10、11所示，水體在經過北海棧橋處為繼續呈現快速增長的趨勢，而藻細胞密度降低，有效地保證了下游水體的水環境。

4 技術措施思路設想

針對河道現有情況，城市河道水環境改善技術措施思路設想為：日常措施保當前、長效措施穩推進，管理措施促提升；長效措施的建立或者說構建需要時間，所以需要日常措施來保證當下水環境。而管理措施是日常措施和長效措施的基礎，是日常措施開展，長效措施推進的重要保障。經過各項措施的結合最終實現建平衡、提感官、長效穩定的目的。

日常措施包括：水流的調控、生物措施、物理措施、生態措施等。水流調控中可以在春季大幅置換水體，降低水體冬季中沉積的營養鹽，減少藻類生長的基數；夏季增加水體穿流量，減少藻細胞密度，降低水體濁度，使夏季高溫時水體透明度得到一定程度的保障。制劑的投加可以有效降低水體營養鹽，抑制藻類生長期的生長速度，穩定底泥沉積物，降低水體濁度，一定程度上提升水體透明度。并且能夠對排污后黑臭、油污快速起到作用。

長效措施為在城市河段內應用生態措施逐步構建水生態系統平衡。通過底泥原位修復，恢復沉水植被的方法提升河道水環境質量，解決突出水體問題，比如水華、水綿和菹草泛濫等。沉水植物成活后，能吸收利用水體中的營養物質，合成自身生長發育所需要的物質，有效地降低水體中的營養鹽濃度，抑制藻類生長；降低懸浮顆粒物，抑制沉積物的再懸浮，降低沉積物營養鹽釋放率。促進原生動物的生長，使得水體向著更加清澈的方向發展，使得水體維持在草型清水態。草型清水態水體，體現為高透明度，水體鮮活、清澈、透亮。但是沉水植物的恢復和水生態系統平衡的構建需要一定的時間，所以在這個過程中需要日常措施和管理措施的配合，這樣既能有力地保證水環境質量，又能從長遠的角度徹底解決水體問題，恢復水體生態系統平衡，將水環境質量提升到更高的水準上。

4.1 底泥修復

底泥為河道內主要的內源污染[5]，通常河道疏浚能夠有效減少內源污染，但是城市建成區內的河道，采用清淤的方式，工程量大，影響范圍廣，另外因為行洪需求，導致工期緊迫，諸多因素造成投入較大，并且清淤過程中難免造成底泥再懸浮。底泥在清淤后存在著運輸和處理等方面的難度，因為在底泥處理處置過程中的二次污染如何避免也是需要考慮的問題。因此對于底泥原位修復技術的應用是一個較為適合的技術措施，該項技術有兩個大的實施方向，一是在原有底泥上采取穩定、洗脫的方式，降低底泥污染物，減少底泥營養物質反向釋放對水體的影響。二是通過投加制劑使底泥穩定化和固化，降低底泥中污染物的溶解度，一定程度上降低底泥的污染程度，從而減小對河道水體的影響。

4.2 生物浮床

利用水生植物對水體的凈化作用和化感作用，降低水體中營養鹽指標、抑制藻類生長。水生植物凈化作用就是通過植物根系吸收水中營養物質轉化為自身生長，然后通過收割植物將營養物質轉移出水體。化感作用就是通過植物釋放的化感物質對浮游動物的生長起到抑制作用。常用的生物浮床材質種類較多，較為常見的聚苯乙烯、聚乙烯兩種，兩種材料的堅固程度良好，消波作用明顯。常用的水生浮床植物有香蒲、鳶尾、水生美人蕉、旱傘草、千屈菜等。這些植物均具備成活率高，生長迅速，同時具備良好的景觀效果，是景觀水體中較為常用的凈水和環境美化的措施。同時植物分泌的化感物質，影響浮游植物正常的細胞活動，破壞其細胞結構，進而抑制浮游植物的大量生長。

4.3 沉水植物

沉水植物系統是水生態系統的初級生產者，不僅能夠對水體和底泥中的氮、磷和難降解有機污染物進行吸收、轉化，合成自身物質，對富營養化的水體起到凈化作用[6]；還能調節水生態系統的物質循環速度，增加水體生物多樣性，控制藻類生長，從而有效提高水質，改善生態環境；植物通過自身呼吸，能夠增加水體含氧率，起到復氧作用，為水生魚、貝、螺等提供氧環境、棲息地和部分食物。沉水植物系統是水系統調節和提高水體自凈能力的重要環節。沉水植物通過吸附水體中生物性和非生物性懸浮物質，提高水體透明度，增加水體溶解氧，以及固定水體和底泥中N、P等營養物質實現對水質的凈化。此外沉水植物對重金屬離子銅、鉛、砷等也有較大的吸收能力，對增加水體中溶解氧濃度具有非常大的貢獻率。

沉水植物和藻類都是水生態系統中主要的初級生產者，也是營養物質和光能上利用的競爭者，與藻類相比，沉水植物個體大，生長周期長，吸收營養物質能力強，因此，若水體中具有良好的沉水植物群落就能很好的抑制藻類生長。同時多種沉水植物對藻類有化感抑制作用，如穗花狐尾藻分泌五倍子酸可抑制銅綠微囊藻、水華、魚腥藻的生長，金魚藻、大茨藻能抑制魚腥藻生長。另外，沉水植物可為龐大的浮游動物提供棲息地，哺育了高密度的浮游動物群落，浮游動物可大量捕獲浮游植物。

微生物是水體凈化污水的主要“執行者”，水體中微生物的種類和數量很豐富，因為水生植物的根系常形成一個網絡狀的結構，并在植物根系附近形成好氧、缺氧和厭氧的不同環境，為各種不同微生物的吸附和代謝提供了良好的生存環境，也為水體污水處理系統提供了足夠的分解者。沉水植物在水中部分能吸附大量的藻類，這也為微生物提供了更大的接觸表面積。研究表明，有植物的水體系統，細菌數量顯著高于無植物系統，且植物根部的分泌物還可以促進某些嗜磷、氮細菌的生長，促進氮、磷釋放、轉化，從而間接提高了凈化率。

5 結語

通過分析城市河湖水質變化趨勢、總結歸納現有技術措施，從水質和藻類生長情況兩方面闡述了當前治理措施的有效性，并且結合技術措施，提出了適應當下水體環境變化的技術措施設想，可為城市河湖水環境治理技術措施的選用拓寬思路。