城市特征河流水質提升及健康水生態系統構建—以常熟市楓涇河為例

邵一奇 嚴敏哲 忻 飛 楊宇挺 張 鵬 戈萍燕 楊棠武,2* 安樹青,2

(1 南京大學常熟生態研究院，南大（常熟）研究院有限公司，江蘇 蘇州 215501；2 南京大學生命科學學院，江蘇 南京 210046)

近年來，在城市高速發展的背景下，原生態系統完善的自然河道正逐步向具有典型特征的城市河道演變（蔡杭安, 2018）。城市河道的典型特征包括河道硬質化率高、水系連通性差、外源污染眾多等，這些因素導致河道原有的生態空間逐漸壓縮（Chi,2016），動植物多樣性減少，河道的健康水生態過程停滯，出現水體自凈功能下降等問題（宋孫娟,2022），城市黑臭水體現象頻發（楊棠武，2021；戴天驕, 2020）。城市河道常規治理思路包括清淤、曝氣、浮床等，雖暫時消除了河道水環境問題，但河道生態功能未能充分發揮，一旦缺少后期管理，問題將再次出現（房斌, 2019）。本文以常熟市楓涇河為例，依托楓涇河水質提升EPC項目的實施，探究基于自然的處理方案（NbS）理念下典型城市河道水環境治理的新思路。

1 楓涇河概況

楓涇河地處常熟繁華老街，人口稠密。項目區位于嵩山路以東，環城河以西，楓涇河北路以南，楓涇河南路以北。河道總長約800 m，水面寬15～80 m ，水域面積約3.2 hm2，常規蓄水量約6.5萬 m3（圖1）。河道現狀來水主要通過東側的環城河經雙向排澇站控制水體交換和水位，西側無出水通道，屬于典型的城市斷頭河。楓涇河全段硬質化，改造初期河道兩岸風景優美，水環境良好。但周邊排口眾多，水體流動差，水質逐年惡化，局部逐步轉向黑臭。為解決楓涇河水環境問題，常熟市近年實施了包括清淤、活水以及水景觀提升等多項治理工程，但長期效果不佳。為保障楓涇河水質，現主要依靠排澇站每日換水，每日換水量2.26萬 m3。河道東側單側進出水，造成西段河道水動力嚴重不足，為根治楓涇河水環境問題，需找到工程效益可持續發揮的河道治理技術方案。

圖1 楓涇河區域圖Fig.1 Location of Feng Jing River

2 生態問題分析

2.1 水文現狀分析

楓涇河現狀每日水體交換量2.26萬 m3，水位變幅達0.7 m ，難以形成穩定的水生植物生長環境，現狀僅存少量抗逆性較強的植物如蘆葦（Phragmites australis）、菖蒲（Acorus calamus）等。基于現行的日常換水數據，利用Mike21工程軟件對楓涇河進行水動力模擬（Zavattero et al., 2016）（圖2），換水期間僅在楓涇橋東段以及西段靠近楓涇橋小范圍區域有較好的水體流動性，剩余水域水體流動性仍較差，水體流速≤0.002 m/s（張文杰，2022）。楓涇河西段水動力不足造成了污染物的長期累計，形成具有內源釋放風險的淤泥層，楓涇河水體自凈能力未能得到充分的發揮。

圖2 楓涇河換水現狀水動力模擬結果Fig.2 Result of Hydrodynamics Simulation of the water replacement measures on Feng Jing River

2.2 水環境問題分析

2021年8月31日（項目建設前）在楓涇河具有代表性的7處取樣點采樣進行TP、NH3-N、COD、葉綠素a和透明度的測定。采樣點由東往西分別為東1、東2、西1、西2、西3、西4、西5。結果顯示：TP和COD超標風險較大，其中取樣點西4 TP為劣Ⅴ類，剩余點位基本達到Ⅳ類水標準。經現場考察確定，西4處有一雨水排口，采樣期間連續降雨造成局部TP的上升。各取樣點COD指標較為穩定，基本處于Ⅳ～Ⅴ類水范圍。NH3-N指標能穩定達到Ⅳ類標準。另外，葉綠素a可表征水體富營養化程度，當指標值超過10μg/L時，水華爆發風險較大（郭宇龍，2021）。西段河道葉綠素a大于10μg/L，水體爆發水華風險較高，而東段河道葉綠素a小于10 μg/L。總體來看，楓涇河現狀水環境不容樂觀，在日常換水措施下，西段河道水質依然較差，局部為劣Ⅴ類。東段河道水質相對較好，基本能夠達到地表Ⅳ類水標準，水體主要超標風險指標為COD和TP。

2.3 水生態問題分析

楓涇河全程硬質化，水生動植物匱乏，生物多樣性較低，食物網結構不穩定，生境單一、整體能量流動速度較慢，河道生態功能與景觀功能缺失。近年來開展了多次整治，但水環境改善效果不佳，主要原因是未充分融入生態理念，基于自然的解決方案（NbS, Nature based Solution）未落實到河道治理中（忻飛, 2021）。健康的生態過程未能有效構建，生態系統自我修復能力弱（朱廣偉,2021）。與自然生態河道的多樣化水下地形不同，楓涇河河床斷面基本為“U”字型，駁岸垂直入水，河床底水下生境單一（趙亮, 2021）。由于日常換水，楓涇河水位漲落頻繁，進一步限制了動植物數量及種類的多樣性（胡艷欣, 2022），導致水體自凈能力減弱，在缺少人為輔助的情況下，楓涇河難以自然演替形成良好的水生生態系統。

3 楓涇河水質治理目標

楓涇河水質提升EPC項目最終治理目標是楓涇河水質穩定達到地表Ⅳ類水。基于NbS理念，項目目標為：1）提升水動力，基于現狀水動力模擬，合理定位安置水動力提升設備，加強河道西段水體交換，加速全河的物質交換、能量流動速率；2）打造健康生態基底，通過水生生態系統構建技術，人為引導生態過程可持續運行；3)控源截污,多源污染物的整治消除。

4 河道治理措施

4.1 河道污染源治理

4.1.1 內源污染治理 楓涇河河床底泥多年未清理，平均淤泥深度0.5 m，局部淤泥深度達1.5 m，全河淤泥計算面積3.0 hm2，淤泥量約1.5萬 m3。受場地條件限制，干法清淤外運難度大，經濟效益差，本項目采取內部消納的方式，將淤泥集中堆放于5處緩流片區，以生態滲濾擋墻與主河道隔斷，穩定淤泥形態，表層種植荷花（Nelumbosp.），兼顧景觀提升（圖3）。該措施實施后，顯著降低底泥內源釋放風險，河道上覆水與底泥接觸面從3.0 hm2降至0.34 hm2，楓涇河內源污染釋放速率降低約10倍。且底泥消納區水體流動較緩，進一步削減了內源污染對河道水質的影響。

圖3 內源污染治理典型剖面圖Fig.3 Typical section of the treatment for authigenic pollution

4.1.2 外源截污治理 楓涇河沿岸共計9處雨水排口，由于歷史原因，雨污管網老舊，生活污水混接雨水管現象普遍，排查整治難度較大。因此，本工程采取攔截與滲濾堰凈化相結合的方式，最大限度減少入河污染物的輸入。水量較大、污染濃度較高的排口，通過攔截、導流，將污染接入污水管網；水量較小、水污染濃度較低的排口，出水口處設置石籠網滲濾堰，經滲濾堰凈化后入河（圖4）。排口石籠網滲濾堰采用多層格賓網箱搭建成型，格賓網則由鋼筋骨架和鍍鋅鐵絲網構建，內部填充具有TP高效吸附的多孔陶粒。

圖4 石籠網滲濾堰典型設計Fig.4 Typical design of the ercolation weir builted by Gabion

4.2 河道水生態系統構建

4.2.1 生境基底改造 楓涇河現狀灘面高程高于常水位，河床整體剖面形態平緩，整體呈“U”型，生境單一，不能滿足多樣性生物的棲息需求。本工程通過河床地形整理，恢復多樣化生境基底。河床生境基底改造如圖5顯示，灘面降至水下0.3～0.7 m，以滿足水生植被生長需求，提升河道水體自凈能力，豐富水生植被多樣化和景觀豐富度；在清淤的基礎上，恢復自然河道深潭、淺灘等多變形態河床，營造0.3～0.7 m淺水灘面，緩坡入水，滿足水生植物穩定的生長環境。

圖5 楓涇河河床整治典型設計Fig.5 Typical design of the riverbed renovation on Feng Jing River

4.2.2 水生植被恢復

1）根據河道地理形狀、駁岸特征、陸域景觀特點，營建帶狀及點狀挺水植物景觀區。本項目選用挺水植物主要包括香蒲（Typha orientalis）、梭魚草（Pontederia cordata）、花菖蒲（Irisensatavar.hortensis）、旱傘草（Cyperus involucratus）、水蔥（Schoenoplectus tabernaemontani）、黃菖蒲（Iris pseudacorus）、荷花等植物，恢復挺水植物6 000 m2。

2）浮葉植物在生長期間，可有效吸收總磷和氨氮，同時也是微生物良好的載體。本項目選用睡蓮（Nymphaea）、荇菜（Nymphoides peltata）等植物，恢復浮葉植物2 700 m2。

3）沉水植物作為水生生態系統的初級生產者之一，能夠吸收營養鹽和攔截沉淀污染物，增加水體溶氧和固持沉積物，改善水體光照及生態環境。本項目選用菹草（Potamogeton crispus）、苦草（Vallisneria natans）、金魚藻（Ceratophyllum demersum）、狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）等植物，恢復沉水植物2 500 m2。

4.2.3 健康水生態系統構建 為構建健康水生態系統，引導食物鏈生態過程延續，提高水體自凈能力，項目在植物配置和恢復的基礎上，配置水生動物（表1）。配置濾食性魚類密度約2 100尾/hm2，肉食性魚類80尾/hm2，鄉土淡水底棲動物250 kg/hm2。依據擬恢復目標水生動物的生活習性，提升水體各層水生動物的豐富度。

表1 水生動物配置表Table 2 Variety of animal the stock enhancement

4.3 水動力提升

楓涇河整體呈東寬西窄形態，西端寬約15 m，東端寬80 m，東側閘站日常換水對西端水體交換效益較小，局部呈常年死水狀態，易發生富營養化等水質惡化現象。根據現狀水動力模擬結果，篩選典型死水區域，合理布置應急水動力提升設備。將楓涇河西段分成3段水系循環單元，每段循環單元對向布置水下推流設備，達到區域水體加速物質循環、能量流動的目的。逐步提升水域中溶解氧（DO），提高好氧微生物的活性，加速水中污染物的降解。

5 河道治理效果評價

5.1 初始水質

將楓涇河概化成表流濕地。依據前期現場采樣檢測水質數據，考慮最不利工況下水質能否達標是穩定達標的前提。以現狀污染指標最高值的點位水質作為設計初始水質，主要考核指標NH3-N、COD、TP進水值分別為1.18 mg/L、30.0 mg/L和0.43 mg/L。

5.2 設計水量

依據楓涇排澇站日常換水要求，每日下午4—8時排水，次日上午6時開閘引水。按機排流量1.57 m3/s計算，日交換水量2.26萬m3。

5.3 凈化單元規模及運行參數

依據設計方案中河道各凈化單元凈化能力的不同，將河道概化分成淺水濕地區、沉水植物凈化區和深水區（表2）。根據表2的凈化單元參數，河道總蓄水量80 361 m3，其中深水區儲水量占比較大，保證了河道緩沖能力，淺水濕地及沉水植物區發揮核心凈化功能。依據設計水量及各凈化單元規模，各功能區設計運行參數如表3所示，以現排澇站現日常換水量2.26萬 m3計，總換水周期（停留時間）為3.56 d。

表2 凈化單元規模參數表Table 2 Scale parameter of each Purification unit

表3 功能區運行參數表Table 3 Operating parameter of each functional area

5.4 水質凈化效果計算

依據《污水自然處理工程技術規程CJJT54-2017》中污水自然處理工程所在地區按平均溫度劃分，常熟市屬于Ⅲ區，平均溫度高于16℃。凈化單元各運行參數取值參考Ⅲ區設計參數，河道主要考核水質指標在各凈化單元中的參數取值及去除效果計算見表4。根據污染物去除效果計算，出水水質能夠穩定達到地表Ⅳ類標準，其中NH3-N、COD和TP去除率分別達到23.79%、22.96%和40.14%。結合年換水總水量測算，工程完工后，該河道年可消納的NH3-N、COD、TP環境容量分別達2.32 t、54.55 t和1.42 t。

表4 河道水質凈化效果計算表Table 4 Effect calculation of the water purification of the river

6 結語

城市河道普遍存在硬質化水平高、水動力不足、水生態退化嚴重、水景觀單一、黑臭現象頻發等問題。本文基于NbS理念，深入分析城市河道生態退化底層邏輯問題，通過污染源治理、生境基底打造、動植物恢復和水動力提升等措施，構建城市河道的健康河道水生態系統。城市河道治理的首要任務是內、外源污染的控制，以匹配該河道可承受的水環境容量。豐富的生境基底打造是健康河道水生態系統的基礎，以此拓寬多樣化水生動植物的棲息空間；動植物的恢復需考慮食物鏈層級的完善，以保障生態過程物質交換、能量流動的速率；為保障水體自凈功能的充分發揮，在緩流區域可采用輔助設備提升河道水動力。