魯 斌

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 三門峽 472000)

0 引 言

在人類各種生產(chǎn)活動的作用下，河道自然生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，引起河道岸坡水環(huán)境的嚴(yán)重污染。河道水環(huán)境的污染造成河床穩(wěn)定性降低，以及生物多樣性的大幅度減少[1]。隨著人們生活質(zhì)量的提高，河道生態(tài)環(huán)境的整治力度不斷加大。作為一項(xiàng)特殊的治理工程，河道岸坡水環(huán)境的治理需要具有全面性和統(tǒng)籌性特點(diǎn)，為了達(dá)到理想效果，各種治理技術(shù)涌現(xiàn)出來[2]。文獻(xiàn)[3]以改善水環(huán)境為主要目標(biāo)，從控制污染物、平衡水生態(tài)系統(tǒng)的角度入手，設(shè)計(jì)合理的水環(huán)境改善方案，結(jié)合水質(zhì)達(dá)標(biāo)狀況評價(jià)和生態(tài)修復(fù)技術(shù)，完成水環(huán)境綜合治理。但是，該方法治理效果較差。文獻(xiàn)[4]針對高密度建成區(qū)水環(huán)境進(jìn)行分析，提出一種結(jié)合行政管理和基礎(chǔ)治理措施的綜合整治策略。再通過不斷實(shí)踐，跟蹤管理水環(huán)境治理全過程，改善整治策略的具體內(nèi)容。但是，該方法推行效果較差。文獻(xiàn)[5]針對當(dāng)前水環(huán)境問題，以恢復(fù)河道水環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)多樣性為目的，設(shè)計(jì)一種水體自凈能力提升方法。綜合控源截污和微生物修復(fù)、水生植物恢復(fù)技術(shù)，滿足水環(huán)境凈化和修復(fù)要求。但是，該方法治理成本較高。

本文提出的水環(huán)境綜合治理方法，依托于生態(tài)修復(fù)技術(shù)，依托于水環(huán)境當(dāng)前健康狀態(tài)和水動力模型，設(shè)置合理的多方位水環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)，再結(jié)合動植物和微生物修復(fù)技術(shù)，完成河道綜合治理。

1 基于生態(tài)修復(fù)技術(shù)的河道岸坡水環(huán)境綜合治理方法設(shè)計(jì)

1.1 建立河網(wǎng)水動力-水質(zhì)模型

本文基于Mike 11水動力模型，描述河道水環(huán)境水流運(yùn)動，作為后續(xù)河道治理效果預(yù)測的基礎(chǔ)，并指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)技術(shù)的選取[6]。根據(jù)動量方程和水流連續(xù)方程，設(shè)置河網(wǎng)水流的連續(xù)方程為：

(1)

式中：f為河道水位；b為時(shí)間坐標(biāo)；R為過水?dāng)嗝鎸挾?；U為河道水流量；y為位置坐標(biāo)；s為單位河道的旁側(cè)入流量。

而河網(wǎng)水流的動量方程表示為：

(2)

式中：α為水流的重力加速度；X為過水?dāng)嗝婷娣e；l為謝才系數(shù)；I為水力半徑。

利用水位點(diǎn)和流量點(diǎn)交替計(jì)算網(wǎng)格，進(jìn)行河網(wǎng)水動力-水質(zhì)模型的轉(zhuǎn)化，再應(yīng)用六點(diǎn)隱式差分格式描述方程離散模式，見圖1。

圖1 六點(diǎn)Abbott隱式差分格式圖

通過圖1所示的六點(diǎn)Abbott隱式差分格式圖，以河道水環(huán)境水位點(diǎn)為中心，通過連續(xù)方程和動量平衡方程的求解，得到多個(gè)節(jié)點(diǎn)方程，再求解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位，獲取河道網(wǎng)格點(diǎn)的流量信息[7]。

此外，基于Mike 11 HD模塊設(shè)計(jì)對流擴(kuò)散模型，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境內(nèi)模擬污染物質(zhì)的擴(kuò)散、對流，在模型中添加一個(gè)衰減常數(shù)，模擬水環(huán)境內(nèi)的非保守物質(zhì)。在一維非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型的作用下，將河道水質(zhì)模型表示為：

(3)

式中：N為水流輸送的物質(zhì)濃度；?為縱向擴(kuò)散系數(shù)；γ為降解系數(shù)；ψ為單位時(shí)間污染源的排放量。

節(jié)點(diǎn)方程可表示為：

(4)

式中：q為初始水位點(diǎn)；Q為河道水位點(diǎn)總數(shù)。

當(dāng)不考慮節(jié)點(diǎn)蓄水面積的情況下，可以將上述公式改寫為：

(5)

上述公式計(jì)算過程中，擴(kuò)散系數(shù)可以基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，公式為：

?=gMj

(6)

式中：M為水道內(nèi)水環(huán)境流速；g、j為用戶設(shè)定的參數(shù)。

1.2 構(gòu)建河道岸坡水環(huán)境診斷體系

水環(huán)境綜合治理技術(shù)的設(shè)計(jì)，需要以河道當(dāng)前健康狀態(tài)為基礎(chǔ)，針對影響水環(huán)境健康的主要因素，采取合理的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。根據(jù)待治理河道的地理位置，從自然結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)和社會服務(wù)3個(gè)角度，選取數(shù)個(gè)健康評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建水環(huán)境診斷體系。

考慮到河道地理環(huán)境和河流類型具有較大差異，且不同區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差別較大，為了保證圖2所示的診斷體系評價(jià)結(jié)果具有科學(xué)性[8]，本文參考國外慣用標(biāo)準(zhǔn)、國家現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方規(guī)劃報(bào)告以及已經(jīng)發(fā)表的學(xué)術(shù)論文設(shè)置合理的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 河道岸坡水環(huán)境診斷體系

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置完成后，采用層次分析法結(jié)合水環(huán)境診斷體系計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的現(xiàn)狀值，獲取水環(huán)境健康綜合評價(jià)指數(shù)，即：

(7)

式中：V為水環(huán)境綜合健康指數(shù)；D為評價(jià)指標(biāo)總數(shù)；d為評價(jià)指標(biāo)；η為評價(jià)指標(biāo)無量綱化值；為指標(biāo)權(quán)重。

1.3 設(shè)計(jì)多方位水環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)

依托于河道岸坡水環(huán)境診斷結(jié)果，采用多管齊下的治理模式，設(shè)計(jì)多方位水環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)。其中，綜合治理的關(guān)鍵措施在于外源截留、內(nèi)源控制、人工凈化和自凈強(qiáng)化[9]。

針對水環(huán)境的外源污染進(jìn)行控制，本質(zhì)上是通過控制暴雨初期雨水中攜帶的污染物質(zhì)，從根本上改善河道水環(huán)境質(zhì)量[10]。本文按照生態(tài)修復(fù)原理，設(shè)計(jì)雨水原位自動膜濾裝置控制面源污染。這種工程化處理模式主要包括前處理、膜過濾兩個(gè)環(huán)節(jié)，依托于超低壓膜過濾手法去除污染物。為了在外源污染截留面積提升的同時(shí)，不影響過水能力，設(shè)置自動膜濾設(shè)備的濾芯為折疊模式，并在自動膜濾設(shè)備后方添加一個(gè)水體存儲區(qū)域，實(shí)現(xiàn)濾芯自動沖洗，實(shí)現(xiàn)自動膜濾裝置壽命的延長。為了控制雨水管網(wǎng)之外的外源污染，本文基于生態(tài)修復(fù)理念設(shè)計(jì)駁岸生態(tài)滯留系統(tǒng)，通過河道岸坡生態(tài)的恢復(fù)，減少流入河道的污染負(fù)荷。生態(tài)駁岸建設(shè)過程中，應(yīng)用大量自然植被規(guī)劃自然景觀，加強(qiáng)水陸界面可滲透性的同時(shí)，更好地穩(wěn)定水土。

河道水環(huán)境內(nèi)源污染控制主要在于處理河道沉淀的底泥污染。底泥內(nèi)包含的氮磷、重金屬污染物經(jīng)過長期累積達(dá)到一定程度，會重新向水環(huán)境釋放，引起水質(zhì)二次污染。在生態(tài)修復(fù)技術(shù)的影響下，本文結(jié)合機(jī)械清淤、生物酶底泥修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)源污染的高效控制?？紤]到機(jī)械清淤耗費(fèi)成本較高，僅針對高污染河道區(qū)域的底泥進(jìn)行初步修復(fù)。其余區(qū)域的底泥修復(fù)可以采用生物酶激活微生物，利用微生物降解能力去除底泥中有害污染物。

當(dāng)河道內(nèi)水質(zhì)污染程度已經(jīng)影響了生態(tài)平衡，需要應(yīng)用人工凈化的方式快速恢復(fù)水環(huán)境完整性。本文通過對比多種人工凈化措施，選取超微凈化工藝，其凈化原理見圖3。

圖3 超微凈化原理

根據(jù)圖3所示的凈化原理可知，超微凈化依托于超高壓氣水混合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣液相界面融合。通過微米級氧氣泡的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境內(nèi)重金屬和氮磷的去除，達(dá)到凈化河道污染的目的。

1.4 生成水體自凈化加強(qiáng)方案

生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的最后一步，是生成水體自凈化加強(qiáng)方案。根據(jù)動植物和微生物的凈化功能，加強(qiáng)水生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝性能，降解河道水環(huán)境中的污染物質(zhì)。在推動水生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的過程中，水環(huán)境內(nèi)物種多樣性的增加是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，可以基于河道岸坡水環(huán)境治理主體的差異，同時(shí)結(jié)合水生動植物修復(fù)和微生物修復(fù)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

水生植物的修復(fù)是利用植物自身的凈化功能，吸收水體內(nèi)的污染物，并過濾水中的污染物。結(jié)合人工材料、植物種植技術(shù)，建立具有較強(qiáng)修復(fù)能力的河道駁岸。利用水生植物加強(qiáng)水體自凈化能力，可以通過3種方案實(shí)現(xiàn)。

第一點(diǎn)是設(shè)計(jì)人工濕地，結(jié)合水生植物和微生物構(gòu)建的人工濕地，需要基于生物填料、集水管等多種材料營造適合水生植物生長的環(huán)境，開發(fā)生態(tài)治理區(qū)域。再應(yīng)用風(fēng)景園林學(xué)科，運(yùn)用植被型生態(tài)混凝土等新型材料組成適宜水生植物生長的表層種植土，添加部分肥料，確保該區(qū)域作為植物生長基質(zhì)的同時(shí)也可以成為微生物繁殖空間。最后，采用多孔磚在河道岸坡上進(jìn)行種草，為了保證動植物具有良好的棲息空間，主要采用八字多孔磚、六棱護(hù)坡網(wǎng)格磚。此外，河道岸坡生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)的另一重要環(huán)節(jié)是生態(tài)石籠，見圖4。利用鐵網(wǎng)填裝石頭，間隔放置于河道岸坡上。

圖4 河道岸坡生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)——石籠網(wǎng)土

水生植物種植需要注意的第二點(diǎn)是多層次種植，按照風(fēng)景園林治理理論，按照多層次模式初步處理水生植物。根據(jù)河道景觀功能定位，結(jié)合土壤土質(zhì)和河道內(nèi)水流速度，在不同區(qū)域種植合適的水生植物。河道岸坡種植植物的選擇，需要按照植物的耐水性和扎根性能來選擇；而堤岸植物的種植類型選擇，則需要以觀賞為主，生態(tài)修復(fù)植物與護(hù)岸造林相結(jié)合，形成垂直景觀。河道兩側(cè)的綠化景觀，則是按照層次化理論，將高大喬木作為背景，結(jié)合小喬木、草花等植物形成多個(gè)群落，更加直觀展現(xiàn)出水環(huán)境的美感。

第三點(diǎn)需要重視的是洪泛區(qū)植物的選取，根據(jù)河道不同區(qū)域河流地段的獨(dú)特功能，從適宜的角度，在河道不同的岸坡選取不同的植物。這一過程中，需要充分考慮河道的安全性，在常水位線位置種植美觀的植物，在常水位至洪水位之間種植抗沖刷、固堤性植物，避免水土流失。最后，在河道緩坡區(qū)域栽種濕生植物，按照層次分明的原則種植多年生的草本植物。以河道治理區(qū)域的本土植物為主，添加其他多種類型的景觀植物，確保河道四季均有植物保持生態(tài)循環(huán)。

水生動物凈化功能的提升，需要基于生物膜凈化技術(shù)將河道水環(huán)境凈化到一定程度，再向水環(huán)境中投放淡水魚類、浮游動物等多種類型的水生生物，形成多種類型的水生動物群落。通過控制藻類富營養(yǎng)化，建設(shè)多樣性的河道生物系統(tǒng)。根據(jù)水生動物的食物鏈將水環(huán)境內(nèi)的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無污染的物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水體自凈化。

微生物修復(fù)是水體自凈化加強(qiáng)方案的最后一項(xiàng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過微生物吸收河道內(nèi)有機(jī)懸浮顆粒物，在前期水體除雜、水質(zhì)基底改良工作結(jié)束后，向水環(huán)境中撒石灰乳實(shí)現(xiàn)水體酸堿度的有效平衡，促進(jìn)水體中多種微生物細(xì)菌的生長，加強(qiáng)水環(huán)境自凈化能力。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

北村水系位于廣東省佛山市南海區(qū)，跨越里水鎮(zhèn)、獅山鎮(zhèn)以及大瀝鎮(zhèn)，水系總長度約132 km，該區(qū)域防洪設(shè)施分布情況見圖5。

圖5 北村水系流域現(xiàn)狀防洪設(shè)施分布圖

考慮到北村水系流域地處珠江三角洲中部區(qū)域，屬于內(nèi)陸河涌水系。由于該流域地勢較為平坦，地形呈現(xiàn)出沖積平原區(qū)域。該水系共包含32條主干河涌，其中有11條河涌水環(huán)境質(zhì)量未被監(jiān)測，其余20多條河涌水質(zhì)現(xiàn)狀均得到檢測記錄。根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)研結(jié)果，通過氨氮、總磷和COD這3個(gè)指標(biāo)反映河道水環(huán)境狀態(tài)。經(jīng)過分析可知，北村水系流域中已經(jīng)被監(jiān)測的河涌水質(zhì)均為劣V類，水環(huán)境中總磷和氨氮均超標(biāo)，甚至部分河涌水質(zhì)呈現(xiàn)出黑臭特點(diǎn)，因此急需對河道岸坡水環(huán)境進(jìn)行綜合治理。

為了從根源上降低水環(huán)境污染，北村水系流域流經(jīng)的3個(gè)鎮(zhèn)區(qū)已經(jīng)設(shè)置多個(gè)污水提升泵站，具體分布情況見表1。

表1 北村水系污水提升泵站統(tǒng)計(jì)表

上述污水提升泵站的建立，一定程度上實(shí)現(xiàn)了污水處理，但是僅靠上述污水提升泵站明顯無法滿足河道岸坡水環(huán)境質(zhì)量要求。在該區(qū)域運(yùn)用本文所提出的綜合治理方案，來驗(yàn)證該治理方法的應(yīng)用效果。

2.2 水環(huán)境治理目標(biāo)

根據(jù)南海區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀可知，北村水系的水環(huán)境綜合治理目標(biāo)的設(shè)計(jì)，需要從水環(huán)境改善和水生態(tài)修復(fù)兩個(gè)入手。其中在水環(huán)境改善方面，將城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)源污染物排放和工業(yè)廢水排放的達(dá)標(biāo)率均設(shè)置為95%以上。為了提升北村水系的水資源利用率，確保水環(huán)境改善后工業(yè)用水重復(fù)利用率達(dá)到80%，針對主干河涌中劣V類水體進(jìn)行處理，消除劣V類水體。

河道水環(huán)境綜合治理方法實(shí)施后，通過水體的變化實(shí)現(xiàn)水體自凈能力的提高，達(dá)到提升北村水系流域健康狀態(tài)的目的，再結(jié)合生態(tài)駁岸工程，恢復(fù)北村水系流域的生態(tài)系統(tǒng)。

2.3 治理方案

考慮到北村水系流域已經(jīng)設(shè)置多個(gè)污水提升泵站，為了提升污水外源截留性能，在河道上游應(yīng)用土工膜結(jié)合聚酯纖維膜，將隔膜安裝在北村水系距岸邊3 m的位置，完成水體隔膜導(dǎo)流，完成非溶解性污染物的有效攔截。

往年未處理的污水經(jīng)過累積，引起河道底泥的內(nèi)源污染。經(jīng)過實(shí)地考察可知，該河道內(nèi)淤泥深度1.0～1.6 m，為了在內(nèi)源污染去除過程中，不影響水環(huán)境原始生態(tài)環(huán)境，在底泥上方0.2 m處進(jìn)行淤泥清理。同時(shí)，為了保證河道岸坡的穩(wěn)定性，在距離兩側(cè)岸坡3.0 m處設(shè)置兩個(gè)清淤初始位置，河道清淤實(shí)際斷面圖見圖6。

圖6 河道清淤典型斷面圖

按照圖6顯示的清淤模式完成河道內(nèi)源污染的初步治理，之后在剩余淤泥中添加生物酶，激活底泥微生物的活性，加強(qiáng)底泥自體治理能力。生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)施的重點(diǎn)在于水環(huán)境內(nèi)動植物存活率。為了保證生態(tài)修復(fù)的順利實(shí)施，采用多方位生態(tài)修復(fù)體系，在投放水生動植物之前安裝超微凈化設(shè)備，完成水體人工凈化，凈化前后河道水質(zhì)變化見表2。

表2 人工凈化措施實(shí)施前后河道對比

通過表2可知，經(jīng)過人工凈化有效改善了北村水系的水環(huán)境質(zhì)量，作為后續(xù)生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)。通過分析該水系流域生態(tài)情況，通過拋灑的方式，向水環(huán)境中投放矮型苦草、伊樂藻等植物，形成多個(gè)植物群落。此外，投放一些魚、螺、蝦、水蚤等水生動物，形成魚類群落、底棲動物群落以及浮游動物群落。通過水生動植物的投放，提升水環(huán)境水體自凈能力，實(shí)現(xiàn)北村水系水環(huán)境綜合治理。

2.4 治理效果分析

為了直觀描述本文設(shè)計(jì)方案的治理效果，從2021年5月開始，進(jìn)行為期7周的測試，記錄綜合治理方法實(shí)施后每周水質(zhì)的COD、氨氮和總磷變化，明確北村水系水環(huán)境水質(zhì)變化趨勢，見圖7。

圖7 綜合治理方法應(yīng)用后水質(zhì)變化趨勢圖

本文設(shè)計(jì)的治理方案實(shí)施后，北村水系流域的河道岸坡水環(huán)境得到良好改善，經(jīng)過7周的治理，所有水系的水質(zhì)均達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。與初始水質(zhì)相比，水質(zhì) COD從44.3 mg·L-1降低至22.1 mg·L-1。水環(huán)境中氨氮和總磷濃度從最初的4.6、1.1 mg·L-1降低到0.3、0.1 mg·L-1。綜上所述，本文所提出的綜合治理方法應(yīng)用后，水環(huán)境的COD、氨氮和總磷濃度分別降低50.11%、96.487%與90.91%。

3 結(jié) 語

為了降低經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的負(fù)面環(huán)境影響，本文針對河道岸坡水環(huán)境問題，依托于生態(tài)修復(fù)技術(shù)設(shè)計(jì)一種新的治理方法。經(jīng)過驗(yàn)證可知，所提出的方法應(yīng)用后，有效降低了水環(huán)境中COD、氨氮和總磷濃度，提升了河道水質(zhì)。雖然所提出方法的應(yīng)用效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，但研究時(shí)間較短，很多問題還沒有得到有效解決。在今后的研究工作中，需要針對多個(gè)水體進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的積累，提升綜合治理方法的應(yīng)用拓展性。