城市河網水環境綜合治理的關鍵技術集成研究

文／胡榕 安徽水安建設集團股份有限公司 安徽合肥 230000

引言：

河流生態系統作為地球上最早和最具活力的生態體系，具有一套天然的、高度精煉的自凈機制。這一機制的基石是河流生態系統中的生物群體，它們各自扮演著生產者、消費者和分解者的角色。生產者：主要由光合作用的植物、藻類和某些細菌組成。他們通過轉化太陽能和吸收溶解在水中的無機物質，產生生物質，為河流生態系統提供食物和能量；消費者：如魚類、昆蟲和甲殼動物等，他們通過捕食生產者或其他消費者來獲取能量，維持其生活活動，同時也參與物質的再次循環；分解者：主要是各種分解細菌和真菌，他們對死去的生物組織進行分解，釋放出有機物質，使其再次回到生態系統中。三者之間形成了一個相互依存、平衡發展的食物鏈，為河流生態系統的穩定和健康提供了保障。隨著近年來人工智能和生物工程技術的融合，城市河流水環境治理的核心技術也在不斷地進行創新和完善。

1.城市河流水質污染的影響

河流水質受到的主要污染因子包括石油類、氨氮（NH3-N）以及化學需氧量（COD）。城市的繁榮與河流是緊密相連的，許多全球知名的城市都是依賴河流而發展起來的，如倫敦靠泰晤士河、紐約沿著哈德遜河、上海沿蘇州河而成。統計顯示，我國44 條經過大中城市的河流中，有許多河流的水質污染情況堪憂，近一半的主要水源都未能達到供水標準。

經濟越發展的城市，其水質污染問題往往更加突出，尤其是人口高度密集的都市區，其污染負擔更重。工業污染不斷加劇，加之雨水徑流，導致眾多城市河流呈現黑臭，主要污染物濃度超出Ⅴ類水質標準[1]。

2.城市河流水質整治的關鍵技術

2.1 河底淤泥清除

在城市中心區域，城市河流常被高樓群環繞，受到空間限制，并且河道深淺不一，許多河段難以容納大型船只。因此，淤泥清除已成為城市河流水質整治的首要任務，并需有明確的科學規劃。河底淤泥的處理分為兩個主要階段：建設期間的淤泥處理和運營期的淤泥管理。根據河道的具體條件，可以采取相應的淤泥清除方法。

對于狹窄或淺水的河段，可以采用分段圍堰的方式進行淤泥清除。這種方法的原理是在河段的一定區域內建造圍堰，將該區域內的水排干，然后使用人力和機械清除淤泥。在清除過程中，可以使用離心脫水方法對淤泥進行現場固化，使其成為一種穩定的土方，便于運輸和處置。

而對于較寬或深水的河段，可以使用絞吸船將淤泥通過浮管傳送至固化處理工廠進行固化處理。絞吸船是一種專門用于疏浚和挖泥的設備，它能夠利用絞刀將淤泥絞松，然后通過吸管將淤泥吸出。通過這種方式，可以高效地清除河底的淤泥。

在固化處理工廠中，淤泥經過一系列的物理和化學處理，使其含水量降至60%至70%左右。這個含水量水平可以確保堆放的淤泥不會滲水，運輸過程中也不會泄露，從而減少對環境的污染。同時，經過處理的淤泥還可以被用于其他建設用途，如填方、路基等，實現資源回收和利用。

總的來說，對于狹窄或淺水的河段，分段圍堰結合離心脫水是一種有效的淤泥處理方法；而對于較寬或深水的河段，使用絞吸船將淤泥傳送至固化處理工廠進行固化處理是一種更為適合的方法。無論采用哪種方法，都需要確保淤泥處理后的質量和環境安全性，以實現河流生態環境的持續改善[2]。

2.2 沉水植被凈化技術

沉水植被技術是基于水生植物的凈化能力而設計的創新方法。該技術能有效地去除河流底部的磷、氮等有害物質，從而改善水體的生態環境。然而，水生植物對其生存環境的要求較為嚴格，例如對光照和溫度有明確的需求。一旦超出其生長的適宜范圍，植物可能會死亡。因此，在利用沉水植被進行水體凈化之前，需要先進行水質分析，并綜合評估各種環境因子，以確保選擇最適合的水生植物種類。

2.3 植物化生態溝渠

雨水在初期往往攜帶高濃度的污染物。通過雨水管網與市政管網的連接，設立溢流井，可將初期的高污染雨水引導至污水管中，而過量雨水則會溢出至河流中。植物化生態溝渠技術是為了減少和避免這些徑流污染物直接進入水體。

所謂植物化生態溝渠，即在地面淺溝內種植特定植被，借助重力將雨水流經這些溝渠。當雨水流過這些植物溝渠時，經過沉淀、過濾、滲透、吸收和生物降解等多種作用，雨水中的污染物得到有效處理。選擇生長迅速、有特定凈化效果的植物是關鍵，例如蘆葦和蓮藕。這些植物不僅能有效阻隔泥沙，減少其再懸浮，還能大量吸收水中的營養物質，如此，有助于水質的進一步凈化。

2.4 人工濕地技術

人工濕地技術為城市污水處理提供了一種綠色、持久的解決方案。在濕地的入口處，通過配置生物質添加渠，利用水中的生物質和根莖等有機物發酵產生酸，為反硝化過程提供所需的碳源。這種策略解決了城市污水處理廠在反硝化過程中碳源供給的問題，簡化了生物處理流程。

此外，通過采用新型復合填料創建的離子互換-生物再生系統，可以有效吸附水體中的磷、氮等污染物。當城市污水處理廠的出水質量達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級A 標準后，使其在人工濕地中停留4 天，其水質可進一步優化，達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）的Ⅳ類水質標準。為了進一步處理這些尾水，可在河網水體旁邊設置水平潛流型人工濕地，既提供了美觀的景觀，又實現了水質的有效凈化。

3.城市河網水環境的綜合治理策略與技術整合

水環境的綜合治理不僅需要多角度的策略，而且必須確保這些策略能夠協同工作，確保資源的有效利用并實現污染控制的目標。從對全球不同地區的水環境治理研究和實際工程經驗中，可以提煉出一套適應我國城市河網水污染特性的綜合治理策略。如圖1 所示，這套策略集成了各種先進技術和方法，確保了水質的持續改善和資源的高效利用。這不僅滿足了環境保護的要求，還為城市發展和居民生活帶來了實際益處[3]。

針對城市河網的水環境綜合治理，與傳統的簡單方法相比，現代綜合治理模式主要展現了以下三大明顯優勢：（1）源頭控制與系統優化：現代治理模式注重整合技術和手段，如駁岸改造、構建海綿城市等，這些都是旨在從源頭上控制和減少污染的措施。通過優化城市的排水系統并及時處理污染物排放口，治理模式確保污染物排放量和濃度的大幅度降低。（2）生態導向的恢復：這種方法強調模擬和利用自然機制進行河流修復。通過曝氣和增氧，激活河流中的微生物群落，再結合引入各種水生植物和動物，助力建立一個健康的生態系統。這不僅有助于恢復河流的自凈能力，還為周邊環境提供了豐富的生物多樣性。（3）持續的監管與管理：對于任何治理方案來說，僅僅實施一次性的解決方案是遠遠不夠的。綜合治理模式強調了持續的后期管理，確保通過定期的檢查、維護和更新來持續提高河流水質，為城市和居民創造一個長久、健康的生活環境。

3.1 源頭管理策略

污染源的主要類別包括點源、面源和內源。對于這些不同的污染類型，都必須采用適當的管理和處理策略。點源污染主要來自于特定的固定位置，如排水管道。當上游排水系統出現問題，可能會導致雨水與污水混合，進而污染河流。為了解決這一問題，需要重新設計并優化排水系統，增加隔離設備以確保污水不流入河流。

面源污染主要涉及雨水攜帶的污染物。在雨季初期，雨水中的污染物濃度特別高。為了處理這種情況，可以考慮建立生態駁岸或采用海綿城市技術，這樣可以在雨水流入河流之前先進行收集和凈化。

內源污染是由于長時間的沉淀和堆積導致河流底部的污染物積累。這些沉淀物可能會引起水質的二次污染。為了應對這種情況，可以采用機械式的清淤技術或者進行生態底泥修復，以減少這些沉淀物并降低其對河流環境的潛在威脅。

3.2 人工凈化工程

首先是調整水流方案。通過調節水流，可以將河道中的污染物導入下游，從而在一定程度上減輕特定區域的污染。但這種方法可能會向下游地區轉移污染，因此在實際應用中需要謹慎考慮。

其次，考慮到污水中的溶解氧濃度往往偏低，這會妨礙微生物分解污染物，因此增氧變得尤為重要。可以通過各種方法，如射流曝氣、噴泉曝氣和微孔曝氣來增加水中的溶解氧含量，從而加速污染物的分解。

最后，利用原生生物活化技術也是一種有效的策略。考慮到本地微生物對河流的污染影響相對較小，通過活化這些微生物可以促使它們分解污染物。此外，這種方法還有助于恢復和平衡河流的生態環境。

3.3 生境構建與生態系統恢復

生態重建和生境構建是關鍵步驟，以恢復河流的生態平衡并增強其自凈功能。在對河流進行翻新和修復時，注重生態平衡的維護至關重要，因為它直接影響到水質的提升。為了實現這一目標，可以考慮在污染的水域內建立各種水生植物群落，例如挺水植物、浮水植物和沉水植物。這些植物可以幫助吸收污染物，從而提高水質，減少富營養化，并促進整體生態系統的健康和平衡。其中，沉水植物在整個生態恢復過程中扮演著核心角色，而濕地植物則有助于逐步重建和穩定水域的生態環境。

4.案例分析

以某城市河流為例，該河流長達6.5km，河流經歷了嚴重的污染。這條河流穿越一個面積為15.6km2的流域，其水深在2～3m 之間。由于污染的影響，水體的透明度僅為0.31m，水質已經達到了黑臭水體的程度，嚴重影響了河流的生態環境。經過樣品測試，化學需氧量（COD）為85.6mg/L，總磷（TP）為3.4mg/L，氨氮（NH3-N）為4.54mg/L，溶解氧（DO）為0.85mg/L。所有這些讀數都未能達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）的第五類水標準。為了解決這個問題并提高河流的水質，當地決定采用以生態修復為主導的綜合治理策略，并迅速開始了修復工程[4]。

4.1 集成技術綜合治理

4.1.1 封閉或生物圍護的方法

這種措施通過構建物理屏障或使用特殊的生物膜技術，來防止污水和管道中的淤積物進入河流。這種方法可以從源頭上減少污染，避免污水對河流生態系統造成損害。實施這種措施時，考慮到周圍環境和基礎設施的要求，確保措施的有效性和可行性。

4.1.2 優化排水系統

優化排水系統改善排水設施，確保雨水和污水分流，并增強對積累淤泥的清理。通過改造現有的排水系統，設計新的排水系統來實現。在實施這種措施時，考慮排水系統的容量、排水效率、耐久性和環境影響等因素。優化排水系統可以有效地防止污水積聚在河流中，減少對水質的污染。

4.1.3 沿河建立生態坡

結合海綿城市的概念，建立生態坡可以減少河流中的污染物，同時增強河流的自凈能力。生態坡是由植物、土壤和微生物組成的復雜生態系統，可以減緩水流速度，促進水體凈化。在建立生態坡時，需要考慮地形、土壤類型、氣候和植物群落等因素，以確保生態坡的穩定性和生態多樣性。

4.1.4 上游地區建立生態凈化屏障

考慮地形、水文、氣候和生態等多種因素，采用生態凈化屏障污染控制措施，可以進一步降低污染，確保河流的正常流動。生態凈化屏障位于河流的上游地區，由一系列生物和物理設施組成，可以去除水體中的有害物質。實施這種措施確保其有效性和可持續性。

在處理已經沉積在河床上的內部污染時，采用清淤和生態降解的策略。包括將有害的淤泥去除或轉化，以減少其對水質的負面影響。實施各種水質改善措施，如增設噴泉曝氣設備，激活本地微生物和建立水生植物群落。這些措施旨在逐漸修復水域生態，提高河流的自凈功能，并達到凈化水質的效果[5]。

在河流生態逐漸恢復的過程中，建立定期巡查的制度。包括強化河流的管理，嚴格禁止非法排放污水，及時清除河道中的垃圾，確保河面干凈。不僅可以保持河流水質的改善效果，還可以確保水質持續處于良好狀態。總的來說，治理一條河流需要從多個方面入手，包括控制污染源、處理內部和外部污染、實施水質改善措施以及建立定期巡查制度。只有綜合運用這些方法，才能有效地恢復河流生態，提高水質，確保河流的健康和持久流動。

4.2 水質檢測

經過一系列的污染控制、生態修復和增強自凈功能的措施，河流的水質明顯得到提升，逐漸展現出生態修復的新面貌。對比治理前后的數據，COD、NH3-N 和TP的減少率分別達到了62.22%、55.31%和88.07%。檢測結果如表1 所示。

表1 水質檢測結果

治理后的結果顯示，各種水質參數都有所進步。DO 濃度穩定在 7.69mg/L，而水的透明度增加到了至少1.2m，使河流變得清晰可見。經過這些改善，河流的水質已經滿足了《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中的V 類標準。

為達到這樣的效果，治理策略主要側重于初步加強污染源的控制和截止污染物的流入。這些措施減少了污染物的釋放。另外，通過微孔曝氣技術、激活河流中的本地微生物和建立水生態系統，河流的自凈功能得到了增強，從而確保了河流水質的長期穩定。

結語：

城市河流水環境的治理面臨著眾多挑戰，要求多技術、多策略的綜合應用。諸如底泥疏通、水下森林建設、植物淺溝設施及人工濕地等技術都是對于城市河流水環境綜合治理不可或缺的手段。這些技術旨在降低河流內部的污染負荷，提升污水處理設施的出水水質，并有助于恢復和增強河流的生態功能。

展望未來，河流水環境的綜合治理將越來越多地依賴于跨學科的知識。這涉及到環境科學、水動力學、生態學、微生物學等多個領域的合作和研究。通過這種綜合策略，我們不僅可以更全面地恢復河流的生態健康，還能為我國生態文明建設注入強大的動力。