謝 忱，丁 瑞，潘小保，柳 楊，蔡秋鵬，范子武

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210098)

江蘇地處長江下游平原河網(wǎng)地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達，城市密布，河湖縱橫，水域面積大，河道流量小、河網(wǎng)水體流動性差，水環(huán)境容量小，河流自凈能力差[1]。隨著工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市河道被擠占，河網(wǎng)分割、水系暢通性差，城市河道淤積嚴(yán)重，外部污染日益增加，使得河道水環(huán)境污染日益加劇，水功能區(qū)達標(biāo)率低，河道水體感官差[2]。城市河道水生態(tài)環(huán)境治理成為亟待解決的重要環(huán)境問題，因此有必要研究適用于江蘇省河道的水生態(tài)環(huán)境治理技術(shù)和設(shè)備，以期為江蘇省河道水生態(tài)環(huán)境治理提供借鑒。

1 江蘇省城市河道特點與分類

1.1 江蘇省城市河道特點

江蘇跨江濱海，平原遼闊，水網(wǎng)密布，大小河道有100多萬條[3]。水系分屬長江、淮河兩大流域，按習(xí)慣又將淮河流域分為淮河和沂沭泗兩個水系，長江流域分為長江和太湖兩個水系(流域)。江蘇河道稠密，相互交織，縱橫成網(wǎng)；海陸相鄰，灘涂較大。主要河道將江海湖庫連接起來，形成江蘇水系的主要框架，如圖1所示。

1.2 江蘇省城市河道分類

1.2.1地貌類型

江蘇地形以平原為主，平原面積7萬km2，占江蘇省面積的70%以上，比例居中國各省首位，主要由蘇北平原、黃淮平原、江淮平原、濱海平原、長江三角洲平原組成。江蘇地勢低平，河湖較多，平原、水面所占比例占江蘇省的90%以上，比例居中國各省首位。

江蘇河道最常用的分類，依據(jù)流經(jīng)的區(qū)域不同，將流經(jīng)地勢險峻、地形復(fù)雜的山區(qū)的河流稱作山丘區(qū)河流；將流經(jīng)地勢平坦、土質(zhì)疏松的沖積平原的河流稱作平原河流。平原河流再細(xì)分為平原水網(wǎng)、圩區(qū)河流。江蘇省河流以平原水網(wǎng)、圩區(qū)河流為主[4]。

1.2.2河網(wǎng)格局

河網(wǎng)格局與該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地貌特征和發(fā)育歷史有關(guān)，城市河網(wǎng)格局易受人類活動影響。隨著歷史變遷和城市化發(fā)展，每個城市形成了自己獨特的河網(wǎng)格局特征。Leopold和Wolman[5]按照平面形態(tài)將河流劃分為順直河、曲流河、辮狀河3種類型；Rust[6]根據(jù)河道分叉指數(shù)和彎曲度將上述3種河型補充成為順直河、曲流河、辮狀河及網(wǎng)狀河4種類型。

江蘇省典型城市河網(wǎng)格局類型如圖2所示。蘇州古城的河網(wǎng)格局主要呈現(xiàn)回字形，且在歷史上，河網(wǎng)水系是受到園林設(shè)計的導(dǎo)向和影響；常熟市城區(qū)河網(wǎng)呈現(xiàn)環(huán)形輻射狀，以古城區(qū)為核心，護城河、環(huán)城河、東環(huán)河為三環(huán)，通過青墩塘、白茆塘、耿涇塘、常滸河等十條大河與三環(huán)溝通，形成三環(huán)十射的水系格局，主干河道的分布格局也影響了內(nèi)部圩區(qū)的劃分，形成了18個小圩區(qū)；吳江松陵老城區(qū)河網(wǎng)呈現(xiàn)X型的交叉狀；南通通城區(qū)河網(wǎng)受潮汐影響，是典型的強感潮型河網(wǎng)，隨著外河水位變化，片區(qū)內(nèi)水流往復(fù)、水位劇烈變化，潮汐增加了調(diào)度的難度，同時也帶來了增流提質(zhì)的契機。

圖1 江蘇省水系圖

圖2 典型城市河網(wǎng)格局示意圖

1.2.3水質(zhì)現(xiàn)狀和污染物特征

根據(jù)2016、2017年江蘇省水資源公報，2016年江蘇省監(jiān)測870條河流，1707個水質(zhì)斷面，控制河長19171km。全年綜合評價結(jié)果，優(yōu)于Ⅲ類水的斷面770個，占45.1%，控制河長9552km，占49.8%。河長水質(zhì)類別比例如圖3所示。2017年江蘇省監(jiān)測904條河流，1765個水質(zhì)斷面，控制河長19991km。全年綜合評價結(jié)果，優(yōu)于Ⅲ類水的斷面818個，占46.3%；控制河長10329km，占51.7%。河長水質(zhì)類比比例如圖4所示。2016、2017年江蘇省河道主要超標(biāo)項目均為氨氮、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量。

2016年全省587個重點水功能區(qū)，監(jiān)測553個，417個達標(biāo)，達標(biāo)率75.4% 。江蘇各省轄市重點水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)率如圖5所示，除徐州、鹽城外，達標(biāo)率基本達到70%及以上；2017年全省監(jiān)測587個重點水功能區(qū)，465個達標(biāo)，達標(biāo)率79.2%，比上年提高3.8個百分點；江蘇省各省轄市重點水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)率如圖6所示，除連云港外達標(biāo)率均達到70%以上。

圖3 2016年江蘇省河長水質(zhì)類別占比

圖4 2017年江蘇省河長水質(zhì)類別占比

2 城市河道活水暢流與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)

依據(jù)江蘇省河道河網(wǎng)格局、水質(zhì)現(xiàn)狀及水量豐裕程度等分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體河道面臨的水環(huán)境問題，因地制宜確定活水暢流、生態(tài)修復(fù)等水環(huán)境治理技術(shù)。

圖5 2016年江蘇省各省轄市重點水功能區(qū)達標(biāo)率圖

圖6 2017年江蘇省各省轄市重點水功能區(qū)達標(biāo)率圖

圖7 各城區(qū)多源供水活水暢流示意圖

2.1 豐水型城市河道

對于豐水型城市河道，應(yīng)該因地制宜，尋找多處優(yōu)質(zhì)水源，盡可能地提高水源保障能力，進行引水和活水暢流，加強水體交換，提高水體溶解氧和其自凈能力，從而提高水環(huán)境容量，改善水環(huán)境。該項技術(shù)在常州、無錫、蘇州、常熟、上海得到了有效利用[7- 10]。常州主城區(qū)利用德勝河、澡港河雙源供水；無錫城區(qū)利用長江、太湖雙源供水；蘇州中心城區(qū)利用西塘河、陽澄西湖雙源供水；常熟城區(qū)利用海洋涇、山前塘雙源供水；上海淀北片利用黃浦江、蘇州河、淀浦河趁潮引水。如圖7所示。

同時豐水型城市河道往往水系密布，水位差小，水體流動性差，引水時常常面臨水從骨干河道流走而難以惠及中小河道的局面，因此需要根據(jù)不同水系河網(wǎng)格局，尋找河網(wǎng)關(guān)鍵控制節(jié)點，利用控導(dǎo)工程人工重構(gòu)水位差，調(diào)節(jié)河道流量和水位，從而實現(xiàn)水位水量按需分配、精準(zhǔn)控制的暢流活水格局，達到精細(xì)化、高效化配水的目標(biāo)。

2.2 水質(zhì)型缺水城市河道

對于水質(zhì)型缺水城市河道，由于其河道水質(zhì)較差，宜采取人工濕地、強化凈化、水生生物生境恢復(fù)、一體化處理設(shè)備、高壓滅藻等工藝，對高含沙、高含藻或有其他水質(zhì)問題的水源進行處理后作為清潔水源。

2.2.1垂直流人工濕地水質(zhì)凈化技術(shù)

垂直流人工濕地從濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態(tài)，氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統(tǒng)。垂直流人工濕地由于其獨特的結(jié)構(gòu)和水流方式，使得其脫氮、除磷能力顯著高于其它人工濕地形式。有投資小，運行維護費用低，出水水質(zhì)好，抗沖擊能力強，操作簡單和美化環(huán)境等優(yōu)點[11]。

垂直流人工濕地凈化技術(shù)在蘇州寶帶橋-澹臺湖景區(qū)水環(huán)境整治提升工程中得到了充分的應(yīng)用。采用高效垂直流人工濕地處理運河補水，有效凈化水中懸浮物和氮磷污染物等，凈化輸入補水水源，優(yōu)質(zhì)出水作為澹臺湖和玳玳河的清水水源，提升澹臺湖和玳玳河水環(huán)境，促進水體流動。

2.2.2河道強化凈化技術(shù)

主要是利用引水泵站從水源處提水，通過在引水泵站出水段投加混凝劑，利用水泵葉輪高速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)混凝劑與河水的快速混合，經(jīng)天然河道凈化處理，在內(nèi)河上完成沉淀過程，最后懸浮物含量降低，水體清澈透明，感官指標(biāo)得到有效改善。

2.2.3水生生物生境恢復(fù)技術(shù)

水域生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者(水生植物)、消費者(水生動物等)、分解者(微生物)的平衡配置是實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵。水生生物生境恢復(fù)技術(shù)以大型浮游動物為先鋒，通過大型浮游動物攝食消化水體中的藻類、有機顆粒和懸浮物，同時產(chǎn)生弱酸性的排泄物，進一步抑制水體藻類的生長，再配以水生植物，構(gòu)建水下草皮，恢復(fù)水域生產(chǎn)者群落，實現(xiàn)自然界生態(tài)食物鏈的基層建設(shè)[12]。此外，投加一定比例的初級、高級消費者對植物生物量進行控制，調(diào)控整個生態(tài)系統(tǒng)中各組成成分，保證生態(tài)平衡，最終形成自穩(wěn)型生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)水域正常自我凈化能力。

2.3 水量型缺水城市河道

對于水量型缺水城市河道，宜采用中水回用、雨水截留、活水自循環(huán)等方式[13]，江蘇省大部分城市河道水量豐沛，但可以借鑒部分措施，達到節(jié)約水資源、提高水體利用率和水源保障率的目的。

3 城市河道水環(huán)境治理設(shè)備

3.1 裝配式景觀溢流堰

裝配式景觀溢流堰考慮近期與遠期、臨時與永久相結(jié)合，兼顧美觀需求，采用活動可調(diào)節(jié)形式，通過調(diào)節(jié)堰頂高程，汛期可降低堰頂高程排水，水質(zhì)提升調(diào)度可調(diào)節(jié)水位，能滿足汛期防洪排澇與水環(huán)境調(diào)度需求。溢流堰設(shè)計靠近河岸兩側(cè)用擋水鋼板樁，河道中間布置可調(diào)節(jié)的活動溢流堰，底部布置集裝箱，將溢流堰的液壓啟閉等裝置布置在集裝箱中。如圖8所示。該裝置適用于寬度30m左右的城市中小河道，箱體可升降范圍2m左右。

溢流堰采用鋼板樁+活動升降門的組合，在活動升降門的上游側(cè)，可布置一排鋼板樁，加固活動升降門的門體，鋼板樁高度與門庫內(nèi)閘門未頂升時的高度一致，提高活動升降門的整體穩(wěn)定性。活動升降門門槽高度與河道兩側(cè)鋼板樁高度一致，門庫內(nèi)閘門頂升到位后與門槽、鋼板樁高程一致，在需要調(diào)節(jié)水位時，可通過控制箱自動降低門庫內(nèi)閘門的頂升高度，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)圍堰擋水高度的功能。

圖8 裝配式活動溢流堰設(shè)計圖

圖9 裝配式活動溢流堰現(xiàn)場圖

裝配式景觀溢流堰可快速安裝和拆卸，安裝周期從普通的水閘安裝90～180d縮短為1～2d，同時采用可升降調(diào)節(jié)的型式，可快速實現(xiàn)水位自由調(diào)節(jié)，用于形成梯級水位差，保持水體持續(xù)流動，形成瀑布的跌水景觀；在溢流堰兩側(cè)布設(shè)綠化，與周圍護岸景觀融為一體，更加貼近自然，達到較好的景觀效果。該裝置全國首創(chuàng)，價格低、工期短、見效快、需求廣，易于復(fù)制推廣。如圖9所示。

裝配式景觀溢流堰成功應(yīng)用于兩屆進博會水質(zhì)提升工程[14]，工程布局如圖 10所示。通過在布置徐靈路溢流堰、謝衛(wèi)路溢流堰、徐涇江溢流堰等三座溢流堰，在進博會研究區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)水體封閉和梯級水位，促使內(nèi)部水體有序循環(huán)，水量精準(zhǔn)按需配置。通過精細(xì)化數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測以及現(xiàn)場原型觀測調(diào)試，控制80%水量在重點區(qū)內(nèi)循環(huán)流動，20%水量惠及延展區(qū)，營造有序流動的水系格局。

圖10 進博會活水自循環(huán)工程布置圖

3.2 一體化處理設(shè)備

一體化處理設(shè)備有超磁分離水體凈化技術(shù)、膜技術(shù)等[15]。其中超磁分離水體凈化技術(shù)技術(shù)是將河道的水引入至于河道岸邊的“超磁分離成套凈化設(shè)備”，河水進入超磁凈化分離機后，利用超磁分離機產(chǎn)生的高磁場，實現(xiàn)污泥與水體的快速分離，干凈的水體直接回到河道的另一端，使水體在河道內(nèi)自然形成循環(huán)，磁盤吸附上來的泥輸送到超磁分離機污泥處理設(shè)備，壓制成泥餅后外運處理。

圖11 無錫水環(huán)境聯(lián)控聯(lián)調(diào)平臺界面

膜技術(shù)如RD-F系列一體化污水處理設(shè)備，利用鐵基質(zhì)生物耦合填料強化接觸氧化反應(yīng)，填料內(nèi)零價鐵、炭形成微電解原電池，通過與微生物的協(xié)同作用，實現(xiàn)含氮有機物的短程硝化和反硝化；動態(tài)膜系統(tǒng)池內(nèi)設(shè)置PTFE平板微濾膜組件，在負(fù)壓作用下，懸浮物被膜截留在表面，清水透過膜輸送至清水池。

由于一體化處理設(shè)備一般處理能力較小，且耗能大、成本高，一般常態(tài)化使用較少，而更多用于水環(huán)境應(yīng)急情況，如杭州G20峰會生活污水處理項目、深圳坪山三洋湖排洪渠污水處理項目等。

3.3 高壓滅藻設(shè)備

在水體中收集打撈藍藻，并利用深潛式高壓控藻成套設(shè)備對藻水進行加壓處理，壓力達到0.7MPa。經(jīng)過加壓后的藍藻細(xì)胞活性降低，其囊團破裂，會下沉至水體底部，自然消亡，抑制藍藻的快速繁殖，從而起到控制水體藍藻大面積爆發(fā)的作用[16- 18]。

深潛式高壓控藻成套設(shè)備的工作原理主要依靠壓力降低藍藻細(xì)胞活性，主要功能是收集打撈水體中的藍藻，將藻水導(dǎo)流流入70m深井，利用深井產(chǎn)生的0.7MPa自然壓力進行加壓處理，經(jīng)過加壓后的藍藻細(xì)胞活性降低，其囊團破裂，會下沉至水體底部，自然消亡，抑制藍藻的快速繁殖，從而起到控制水體藍藻大面積暴發(fā)的作用，該技術(shù)在太湖、巢湖、星云湖等呵護水環(huán)境治理中均得到成功應(yīng)用。

3.4 水環(huán)境聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)

針對目前平原河網(wǎng)區(qū)城市日常調(diào)度主要依賴人工調(diào)度，決策主要依靠調(diào)度人員經(jīng)驗，水環(huán)境調(diào)度不精準(zhǔn)，很難充分發(fā)揮水動力調(diào)控對水環(huán)境的改善作用等問題，為實現(xiàn)城市河網(wǎng)水質(zhì)提升智慧化運行，需要建設(shè)全覆蓋、全要素立體監(jiān)測預(yù)警、調(diào)度和智能決策的聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧水務(wù)服務(wù)。

聯(lián)控聯(lián)調(diào)平臺基于通信網(wǎng)絡(luò)及信息交換平臺，利用先進的傳感器技術(shù)、計算機測控技術(shù)、自動化控制技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、數(shù)學(xué)模型技術(shù)、GIS技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、云平臺等技術(shù)建成一個以城區(qū)活水為中心的“先進實用、安全可靠”的智能平臺，系統(tǒng)構(gòu)架主要包括監(jiān)測站點層、支撐平臺層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

監(jiān)測站點層采用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，建設(shè)統(tǒng)一的水位、流量、水質(zhì)、工情、視頻監(jiān)測站網(wǎng)，并采用遠程控制技術(shù)，并根據(jù)暢流活水的功能需要，對新建工程和原有閘站工程進行遠程控制，增加調(diào)控手段；支撐平臺層按照技術(shù)統(tǒng)一、架構(gòu)平臺統(tǒng)一的總體要求，建立集統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一認(rèn)證服務(wù)、統(tǒng)一安全保護、統(tǒng)一平臺展示的應(yīng)用支撐平臺，以城市河網(wǎng)水文-水動力數(shù)值模型為核心，關(guān)聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合水利工程遠程控制，實現(xiàn)區(qū)域工程調(diào)度優(yōu)化；業(yè)務(wù)應(yīng)用層面向用戶，提供可視化的界面實現(xiàn)用戶的業(yè)務(wù)流程，包括信息查詢、實時監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警、工程調(diào)度等應(yīng)用業(yè)務(wù)。

水環(huán)境聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)研究成果在蘇州、無錫、上海等多個城市得到應(yīng)用[19]，如圖11所示。實現(xiàn)了智能化精準(zhǔn)調(diào)度代替人工調(diào)度，預(yù)報精度和預(yù)見期大幅提升，水位調(diào)控精度誤差降低至厘米級，水動力調(diào)度響應(yīng)時間由現(xiàn)狀條件下的人工操作調(diào)度優(yōu)化至智能化調(diào)度，有效地提升了城市防汛、排澇、水環(huán)境治理工作的現(xiàn)代化管理水平和科學(xué)決策能力。

4 結(jié)語

江蘇省城市密布，河湖縱橫，水域面積大，河道流量小、河網(wǎng)水體流動性差，水環(huán)境容量小，同時閘泵眾多，調(diào)控困難。但是由于經(jīng)濟發(fā)達，工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市入河污染負(fù)荷日益加劇，水功能區(qū)達標(biāo)率低，河道水體感官差。本文針對江蘇省城市河道特點，對江蘇省城市河道進行分類，并按照豐水型城市河道、水質(zhì)型缺水城市河道、水量型缺水城市河道的分類分別介紹相適應(yīng)的河道治理技術(shù)，最后介紹了裝配式景觀溢流堰、一體化處理設(shè)備、高壓滅藻設(shè)備、水環(huán)境聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)等水環(huán)境治理設(shè)備，以期為江蘇省河道水生態(tài)環(huán)境治理提供借鑒。