上海市生態清潔小流域建設中水治理技術集成與應用研究

陸 嫻

(1.上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707；2.上海市水務局河湖水生態修復工程技術研究中心，上海 201707)

“十三五”期間，上海市水環境完成消黑、消劣兩階段補短板的治理工作，治理成效顯著[1]。鞏固現有治理成效的同時，為“復蘇河湖生態環境，建設美麗幸福河湖”，全市開展生態清潔小流域建設，共劃分為151個小流域，1574個治理單元，覆蓋全市所有河湖的水環境治理工作。河湖水環境的質量，深刻影響著全市河湖的健康與人民的幸福，是人類社會生存和發展不可替代的基礎性資源。水生態保護與修復是系統性和綜合性工程，單一水治理技術已無法滿足治理要求，因此有必要深入研究生態清潔小流域建設中水治理技術的集成與應用。

1 全市河湖總體情況及主要特征

1.1 全市河湖總體情況

2021年，上海市共有河道(湖泊)47086條(個)，河道(湖泊)面積共649.21km2，河湖水面率10.24%，河網密度4.79km/km2。其中鎮管河道(湖泊)共2703條(個)，面積126.06km2，河湖水面率1.99%。村級河道38712條，長18516.89km，面積197.77km2，河湖水面率3.12%。其它河道5103條，長1479.52km，面積54.22km2，河湖水面率0.86%[2]。鎮村級河湖及其他河道總計46518條(個)，占全市河湖條段數的98.8%；面積總計378.05km2，占全市河湖面積的58.2%，是生態清潔小流域水環境治理的重點。

2021年，地表水水質監測狀況顯示，全市監測河道41條段，監測斷面總計70個，監測顯示主要河道水質在Ⅱ～劣Ⅴ類之間，水質污染以有機污染為主。其中，長江口、黃浦江上游等水質較好，大部分水質指標為Ⅱ～Ⅲ類。4、5、11、12月份無劣Ⅴ類水質，其余月份均出現不同程度的劣Ⅴ類水體，超標因子主要為氨氮、總磷、溶解氧。

1.2 鎮村級河湖主要特征

上海是典型的平原河網地區，地勢平坦，水系發達，河流縱橫交錯，呈網狀分布[3]。鎮村級河湖作為水系末端的“毛細血管”，具有分布廣、規模小，流速低、易淤積，韌性差、易脆弱，臟亂差、管理難的特征。

(1)河湖分布廣，規模小。鎮村級河湖遍布上海9個郊區，各區河道分布范圍廣泛，平均河網密度為4.45km/km2，其中崇明區密度最大，為7.81km/km2。河道寬度集中在5～15m，占所有河道的67.2%；河道寬度小于5m的，占所有河道的11.6%，河道寬度位于15～20m的，占所有河道的12.8%。河道寬度正態分布曲線如圖1所示。

圖1 上海市鎮村級河道寬度正態分布曲線

(2)河湖流速低，易淤積。上海地勢低平，河底坡降多以平坡為主，同時外圍受水閘或泵站等水工建筑物控制，潮汐作用影響程度甚微，河網水動力不足，流速遠低于不沖流速，河道極易淤積。

(3)河湖韌性差，易脆弱。鎮村級河湖常水位時單米蓄水量約為5～30m3，蓄水量普遍不足，流速低，河道納污能力小、韌性差，受周邊農業面源污染，水體缺氧，富營養化較為嚴重。以往河湖整治時片面考慮泄洪、過流能力以及調蓄容量，導致河道斷面單一化、渠道化，平面走向直線化，護岸材料硬質化，河湖生境單一；進而破壞河湖自然生態系統，水中生物棲息地破碎，兩棲動物生物通道喪失，生物多樣性大幅減少。

(4)河湖臟亂差、管理難。鎮村級河湖點多面廣，基礎設施薄弱，通達性差；當地居民護水意識不強，參與度較低，河湖臟亂差現象頻發。相較于鎮村級河道的龐大基數，管護力量薄弱，養護經費不足，管理難度較大。

2 水治理技術集成

通過實地調研，對現有水治理技術的類型、應用案例以及優缺點進行詳細分析，適用上海地區鎮村級河湖的水治理技術主要有四類：水系連通技術、平斷面形態設計、濱水帶生物群落構建、水質凈化技術。

2.1 水系連通技術

水系連通技術包括斷頭河打通等縱向連通及岸坡生態防護等側向連通技術。

斷頭河打通主要通過新開河道、新建橋涵等方式[4]，將斷頭處就近與河道相連通，解決水體流動性差、換水周期長等問題。對于近期無水系連通條件的河段，也可利用小型泵站進行調活水體。

岸坡生態防護通過在水位變動區利用天然或人工材料設置具有水土相互滲透、防沖刷功能的護岸結構。防護材料可分為自然材料以及人工材料，自然材料有草皮、木樁、堆石等，人工材料有生態砌塊、生態混凝土、固化土以及水土保護毯等[5]。岸坡生態防護在保護和穩定岸坡的同時，豐富水生動植物的生境，有助于生物多樣性的提高。

2.2 平斷面形態設計

河湖平面形態設計要求盡可能保持或恢復河道的自然形態，構建深潭-淺灘、急流-緩流交替出現的河流形態。根據河道沖淤平衡和彎道處橫向環流作用，考慮在有條件的地方設置淺灘濕地。

河道斷面形態應充分考慮沿河變化情況，優先采用非對稱的，深淺不一、形狀各異的復式斷面；條件允許的情況下，構建河漫灘，適應與常水位和高水位周期性的轉變，提高河道調蓄容量的同時，也可增加生物生境多樣性。

2.3 濱水帶生物群落構建

濱水帶指介于河道水體與陸地之間的區域，包含陸域帶、河濱帶以及水生植物種植帶。濱水帶的物理功能效應主要體現在植被的過濾攔截和促滲作用，化學功能效應主要體現在植物的吸收轉化作用以及土壤的吸附作用[6]，有助于保持、凈化河流的水土，維護河流生物的多樣性

陸域帶是河道設計河口線外部約6m的陸域地區，通常呈狹長形，整體形成一條線性生態廊道，一般由喬木、灌木及草本等植物構成。

濱水帶是位于常水位之上和陸域相鄰的區域，一般選用耐水性好、扎根能力強的植物，種植自然流線型色帶，點綴開花小灌木，形成整齊有序的花境。

水生植物種植帶位于預降水位和常水位之間的區域。種植植物一般分為挺水植物、浮葉植物、漂浮植物和沉水植物。上海常用的挺水植物有再力花、蘆竹、水蔥、黃菖蒲、香蒲、鳶尾、燈芯草等，浮葉植物有睡蓮、香菇草、荇菜等。

2.4 水質凈化技術

水質凈化技術適用于河道自凈能力差的地區，利用石材、填料、植物等介質，擴大微生物生長空間，強化自然水體的凈化降解能力，達到凈化水質的效果。適用于上海的水質凈化技術主要有曝氣技術、生態浮床技術、生物膜技術、人工濕地技術、沉水植物構建等技術。

曝氣增氧技術主要有鼓風曝氣設備、表面曝氣設備和潛水射流曝氣設備等類別，使用一定的方法和設備，增加水體含氧量，加快有機物的氧化分解。

生態浮床技術通過水生植物根系對富營養化水體中的氮、磷物質進行吸收、吸附、截留，根系上附著的微生物降解，達到凈化水質的效果。

生物膜技術模擬自然水體自凈的過程，利用卵石、活性炭、纖維等載體比表面積大的特點，使微生物大量附著繁殖，強化自然水體的凈化降解能力。用于河湖的生物膜技術有碳素纖維生態基載體凈化法、礫間接觸氧化法、生物活性炭填充柱凈化法、薄層流法等。

人工濕地技術通過濕地的吸附、過濾、吸收、分解、異化等過程，去除水體中污染物，根據形式不同可分為淺灘濕地技術、梯級多塘濕地及林草復合濕地。淺灘濕地技術利用陸域空間，結合人行步道以及人行棧橋搭配實施。梯級多塘濕地根據實地地形的特點、河道污染負荷、水質要求等參數，靈活設計梯級多塘人工濕地的組合、級數、形狀、面積和上下級的高差等，提高系統溶解氧的含量，使系統的硝化功能加強，強化污染物的去除能力。林草復合濕地是由林、草、水等要素構成的城郊人工濕地系統。

沉水植物構建技術利用沉水植物對營養鹽的吸收與凈化、化感、克藻、增氧、重金屬吸收及去除等作用，在河底滿鋪沉水植物，構建水下森林，凈化水質。

3 水治理技術應用建議

3.1 生態清潔小流域類型劃分

根據上海市區域主導功能定位，151個小流域按照水源保護型、都市宜居型、綠色發展型、美麗鄉村型4類進行建設[1]。

水源保護型主要位于黃浦江中上游沿線各街鎮、長江上游鎮及青草沙水庫所在的長興鎮等地，以涵養水源、保護水質為重點。

都市宜居型主要位于中心城區以及新城區域，以水環境改善、水景觀建設為重點。

綠色發展型主要位于崇明、虹橋、自貿區等區域，以河湖保護為重點。

美麗鄉村型主要位于城郊各鎮，以保護原生態、水環境提升為重點。

3.2 各類型水治理技術應用建議

河道水治理技術的選取時根據各類型特色及建設要點，因地制宜，確定方案合理、經濟可行的集成技術，組合推薦見表1。

表1 按治理需求選取生態治理技術

(1)水源保護型。水源保護型小流域11項控制指標均高于或等于其他類型，其中區域水質要求達到Ⅱ～Ⅲ，林草面積占比大于90%，生態防護比例大于80%。考慮到水源保護型小流域歷來水質、污染、開發建設等各方面管控較為嚴格，現狀河湖生態本底相對較好，水治理技術重點在于自然修復、提升生物多樣性。要求河湖保護原生態，岸坡防護自然化，和周邊環境相融；加強陸域及濱河帶的建設，構建沉水植物，涵養河道水源?？紤]到水生植物和生態浮床需要定期收割養護，管理要求較高，此區域不推薦采用。水源地周邊河道若存在農業面源、養殖尾水污染等情況下，可采用水質凈化技術，確保水源地用水安全。

(2)都市宜居型。都市宜居型小流域11項控制指標均低于或等于其他類型，其中區域水質要求達到Ⅳ類及以上，林草面積占比大于80%，生態防護比例大于65%。考慮到中心城區或新城區域開發建設力度大，住宅小區、企事業眾多，人口密度大，環境需求高，現狀河湖生態本底相較于其他類型較差，水治理技術重點在于修復河道功能、景觀文化建設。要求河湖最大限度地模擬自然生態系統結構，提供動植物適宜的生態環境，改善生態功能的多樣性，著重自然生態的保護和恢復，推薦多種治理技術相互搭配、融合，最大程度改善水環境質量，建設水景觀、水文化。

(3)綠色發展型。綠色發展型小流域11項控制要求和美麗鄉村型相同，介水源保護型和都市宜居型之間，其中區域水質要求達到Ⅳ類及以上，林草面積占比大于85%，生態防護比例大于75%?？紤]到綠色發展型大多是發展較好的鎮，開發力度較都市宜居型小，對環境不可避免產生一定影響，因此河湖水治理技術重點在于河湖保護、強化自我修復功能。要求河湖自然形態的保持、生境條件的改善、陸域及濱河帶的建設、沉水植物構建；條件允許時，可構建淺灘濕地；河道水質條件較差，需要改善時，可采用其他水質凈化技術。

(4)美麗鄉村型?？紤]到美麗鄉村型小流域多集中在農村地區，河湖生態本底受農業面源及居民護水意識影響較大，因此水治理技術重點在于水環境提升、人水和諧。要求河湖保持自然形態；臨河房屋或道路處設置岸坡生態防護，沿河設置供休閑、娛樂的親水步道或景觀節點；利用當地物種構建沿河陸域及濱河帶，減少農業面源污染對河道的影響；河底采用沉水植物滿鋪。河道水質景觀等要求較高時，可考慮采用曝氣、生物膜技術。生態浮床及人工濕地技術養護要求高，不推薦采用。

4 結語

水治理技術的集成與應用是系統性改善河道水環境，提高生物多樣性以及提升人居環境的重要舉措[7]。本文將鎮村級河湖水治理技術歸結為四類，并針對生態清潔小流域治理類型提出相應的應用建議，為生態清潔小流域治理工作開展提供了方向和依據。

隨著河湖生態環境質量的持續改善，河湖生物多樣性指數重視程度日益提高，各項水治理技術對于生物多樣性的影響程度目前尚不明確，后續將針對各項水治理技術對于生物多樣性指數的影響進行持續監測，進一步完善水治理技術集成與應用研究成果。