城市水生態(tài)修復(fù)技術(shù)與工程應(yīng)用*

徐林箏，黃 超，曹瑞良，宮經(jīng)成，洪勝杰

(中國建筑一局(集團)有限公司，北京 100161)

0 引言

水是人類文明發(fā)展的起源，河流作為水的載體，與城市建設(shè)和發(fā)展息息相關(guān)。河流不僅為人類提供生存所需的水源，還為城市發(fā)展提供了豐富的自然資源。隨著科技水平的提高，人類對河流進(jìn)行了大規(guī)模開發(fā)，包括灌溉、航運、防洪等。但由于在開發(fā)過程中忽略生態(tài)保護(hù)，城市水生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞：生態(tài)系統(tǒng)生境受損，人工擾動痕跡明顯，生境單一，硬質(zhì)駁岸較多，多樣性差；生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受損，種群缺失，結(jié)構(gòu)混亂，水生動物和水生植物種類稀少且有大量入侵物種；生態(tài)系統(tǒng)功能受損，水體自凈能力差；城市水體富營養(yǎng)化和黑臭現(xiàn)象嚴(yán)重，水體中生物不斷減少，水質(zhì)不斷惡化，嚴(yán)重影響城市形象和居民生活。近年來，我國各地城市開展了大量水生態(tài)治理修復(fù)工作，以漳州市內(nèi)河水環(huán)境綜合整治項目為研究對象，分析了該市水生態(tài)污染現(xiàn)狀，并介紹了一些常用水生態(tài)修復(fù)技術(shù)的工程應(yīng)用。

1 水質(zhì)狀況調(diào)查

1.1 水質(zhì)檢測結(jié)果分析

通過對漳州市3個流域片區(qū)進(jìn)行7次采樣，采樣時間為2017年7月—2018年7月, 總計河道采樣點為278個，排口采樣點為20個。根據(jù)2017年7月—2018年1月水質(zhì)數(shù)據(jù)，3個流域片區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀污染嚴(yán)重，總體黑臭比例在60%以上，3個流域片區(qū)水體主要污染因子(黑臭標(biāo)準(zhǔn))為氨氮和COD(化學(xué)需氧量)(見表1)。

表1 水質(zhì)數(shù)據(jù)

1.2 河流污染源分析(見表2)

表2 河流污染源分析 (t·年-1)

由表2數(shù)據(jù)可知，各污染源中面源污染占比最大，其次為點源污染，內(nèi)源污染占比最小。污染物輸入量中氨氮和總磷大部分來自于面源污染，COD來自于點源污染和面源污染。

淤泥調(diào)查中，底泥采樣點總數(shù)為54個，檢測結(jié)果顯示，河道淤泥中富含氮磷，含有一定的有機質(zhì)和重金屬。淤泥中重金屬含量較高，清出淤泥不適合用作農(nóng)作物覆土。

1.3 水環(huán)境容量分析

水質(zhì)目標(biāo)按照消除黑臭進(jìn)行計算，主要指標(biāo)為氨氮，3個流域的水系現(xiàn)狀環(huán)境容量估值結(jié)果顯示，水系所接納的污染總量大大超出環(huán)境容量，污染非常嚴(yán)重，城市水生態(tài)急需得到治理，如表3所示。

表3 水環(huán)境容量分析

2 水生態(tài)修復(fù)技術(shù)

2.1 河道形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.1.1河道平面

河道平面形態(tài)主要有直線型和蜿蜒型。傳統(tǒng)的河道治理以防洪為主,主要通過剛性不透水材料調(diào)整洪峰，采取拓寬河道、截彎取直、挖深河道、兩岸修筑堤壩等措施保證泄洪量，使河道邊界順直固化變成直線型。因河漫灘面積小，建設(shè)用地緊張，城市河道治理中常采用直線型河道。但直線型河道固定了河道邊界，限制其自由發(fā)展，且河流內(nèi)外系統(tǒng)分隔，影響河流生態(tài)系統(tǒng)功能。

自然狀態(tài)下，河道因水流的沖刷侵蝕，呈現(xiàn)蜿蜒曲折的形態(tài)。河流蜿蜒性創(chuàng)造了豐富多樣的生存環(huán)境，從而保障河道中生物多樣性，提高河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。河道蜿蜒性還能夠緩解洪峰流速，減輕洪水對下游河岸的沖刷，保護(hù)沿線護(hù)岸，起到防洪作用。

2.1.2河道斷面

河道斷面類型主要有矩形斷面、梯形斷面、復(fù)式斷面。

1)矩形斷面結(jié)構(gòu)最為簡單，在原河床基礎(chǔ)上挖深即可，施工方便，占地面積小(見圖1)。正常水位以下可采用矩形干砌石斷面，正常水位以上采用毛石堆砌成斜坡，從而緩解水流對河道的沖刷，擴展水生動植物生存空間。但施工采用剛性不透水材料，破壞水生生物與陸生生物間的循環(huán)，影響生物生存，適用于人口密集、用地緊缺地區(qū)的河道。

圖1 矩形斷面

2)梯形斷面結(jié)構(gòu)相對簡單，采用漿砌塊石護(hù)坡，護(hù)坡上設(shè)置有各種綠化的親水平臺，景觀性強、施工簡便、占地面積小、投資省，且能提高河道過流能力(見圖2)。岸坡親水性差，坡度較大時，會阻礙生物溝通交流，適用于人口密集、河漫灘較小地區(qū)的河道。

圖2 梯形斷面

3)復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，常水位以上采用緩坡，常水位以下設(shè)置矩形或梯形斷面，過水?dāng)嗝婷娣e大(見圖3)。水流量小時，主要流經(jīng)主河槽，洪水期時，洪水可漫灘。復(fù)式斷面親水性強，安全性高，汛期有泄洪排澇作用，但其占地面積大，適用于河灘開闊地區(qū)的河道。

圖3 復(fù)式斷面

2.2 河道水體治理

2.2.1水生植物

水生植物根據(jù)其生活方式可分為挺水植物、浮葉植物、沉水植物和漂浮植物(見表4)。水生植物具有良好的生態(tài)功能。

表4 水生植物分類及特點

1)凈化水質(zhì)

水生植物不僅能夠通過光合作用進(jìn)行固碳釋氧，還能吸收水體中氮、磷、重金屬等有害元素及有機污染物，從而消除污染，凈化水質(zhì)。大量研究表明，多種水生植物對COD、氨氮、總磷都有良好的去除效果，能夠提高水體透明度，恢復(fù)水體生態(tài)功能。

2)保護(hù)生物多樣性

水生植物能夠為昆蟲、鳥類等提供食物來源和棲息地，促進(jìn)各生物間的溝通交流，從而保證水生態(tài)的生物多樣性。

3)景觀性良好

水生植物具有較強的造景功能，許多水生植物還能開花，美化水景效果良好。

2.2.2人工濕地

人工濕地技術(shù)是由人工建造并運行，通過人為在洼地上把土壤和填料有控制的混合作為填料床，并在填料床上種植水生植物，污水在其表面或者縫隙中流動時，通過土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的吸附、滯留、過濾、分解等作用凈化水質(zhì)。人工濕地靠物理沉淀、過濾作用去除懸浮物，利用生物脫氮和植物吸收方法去除氮磷，COD和BOD(生化需氧量)的去除主要靠微生物吸附和代謝作用。

人工濕地系統(tǒng)是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)，優(yōu)點為抗沖擊負(fù)荷能力強、建設(shè)運行成本低、工藝簡單、景觀性好；缺點為占地面積大、植物受季節(jié)影響冬季運行效果差、易受病蟲害影響、設(shè)計不當(dāng)易使人工濕地成為污染源。

2.2.3生態(tài)浮島

生態(tài)浮島又稱人工浮床、生態(tài)浮床等。生態(tài)浮島是通過人工設(shè)計漂浮于水面的床體，并在床體上種植水生植物，利用水生植物根系與水體接觸從而對污染物進(jìn)行降解，實現(xiàn)對水體的凈化作用，改善水質(zhì)。

生態(tài)浮床修復(fù)技術(shù)的優(yōu)越性為不需要占地，直接利用水體面積，景觀效果好；能夠促進(jìn)生物間溝通交流，保護(hù)水生態(tài)生物多樣性；建設(shè)運行成本低，凈化效果好。但生態(tài)浮床也具有局限性：適用范圍有限，難以對大面積水體進(jìn)行修復(fù)；植物冬季難以存活，凈化效果不穩(wěn)定。

2.2.4旁路治理

旁路治理是在水體周邊設(shè)置合適的處理設(shè)施，將污染嚴(yán)重區(qū)段的河水抽取至旁路處理設(shè)施凈化后，再排放至另一端，從而促進(jìn)水體循環(huán)流動并凈化水體。旁路處理需考慮后期綠化修復(fù)，建設(shè)成本較高，且需專業(yè)的運行維護(hù)技術(shù)。

2.2.5人工增氧

人工增氧技術(shù)是根據(jù)水體中溶解氧含量，通過曝氣設(shè)備人工向水體中充入空氣，以提高水中溶解氧含量，恢復(fù)水中好氧微生物活性，強化水體自凈能力，從而去除污染物，改善水質(zhì)。

3 技術(shù)應(yīng)用案例

漳州市區(qū)內(nèi)河水環(huán)境綜合整治項目包含多項城市水生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用，如表5所示。

表5 水質(zhì)改善與生態(tài)修復(fù)措施應(yīng)用情況

3.1 生態(tài)修復(fù)

水生態(tài)系統(tǒng)主要通過沉水植物群、挺水植物、水生動物、微生物等群落進(jìn)行構(gòu)建，完善食物鏈系統(tǒng)，提高水體自凈能力，使水體可通過自身的生態(tài)效益保持生態(tài)穩(wěn)定，如表6所示。

表6 水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

在生態(tài)系統(tǒng)建立前期，根據(jù)水體特點，合理設(shè)置曝氣裝置對于水質(zhì)凈化以及水生動植物的移植存活率有很好的輔助提高作用。該項目在3個流域共設(shè)置了317臺曝氣設(shè)備以促進(jìn)造流和增氧。

3.2 凈水濕地

凈水濕地主要設(shè)置在毗鄰主河道和支流的匯集區(qū)，其中古塘溪濕地布置面積368 610m2，西洋溪濕地布置面積369 600m2，內(nèi)林引水渠濕地布置面積339 018m2。

3.3 旁路強化處理

漳州市內(nèi)河有大批暗涵段，暗涵內(nèi)部情況復(fù)雜，底泥淤積，雨污混接、錯接嚴(yán)重，排口不易溯源，出口水質(zhì)惡劣，暗涵出水對下游水質(zhì)形成嚴(yán)重的斷面污染。在斷面污染河段設(shè)置旁路強化凈化裝置，結(jié)合凈水濕地進(jìn)行生態(tài)深化處理，有效解決水污染問題。主要布置在九十九灣區(qū)域，共5座(見表7)。

表7 旁路強化處理

4 結(jié)語

城市水生態(tài)修復(fù)是一項全面而持久的任務(wù)，針對各城市存在的水環(huán)境問題，應(yīng)在保證不破壞水生態(tài)系統(tǒng)的前提下，科學(xué)開展治理工作。城市水生態(tài)修復(fù)應(yīng)從各城市水環(huán)境存在的問題入手，采取合適的修復(fù)技術(shù)，提高城市水生態(tài)修復(fù)效率。良好的城市水生態(tài)系統(tǒng)對自然環(huán)境、社會經(jīng)濟、城市發(fā)展具有積極作用。通過對漳州市水體水質(zhì)狀況進(jìn)行分析得知，漳州市水體黑臭現(xiàn)象嚴(yán)重，主要超標(biāo)物質(zhì)為COD和氨氮，水生態(tài)修復(fù)以此為切入點，采取一系列技術(shù)措施，水生態(tài)系統(tǒng)問題逐漸改善，對當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境、社會環(huán)境、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有積極作用。