闸控型季节性城市河流保护修复模式与技术

第1章绪论 我国水资源总量丰富，但人均水资源量较少，且呈下降趋势。据统计，我国年平均水资源总量约为28000亿m3，其中，平均地下水资源量约为8100亿m3，平均河川径流量约为27000亿m3，重复计算水量约为7200亿m3。此外，我国水资源还存在空间分布不均、东多西少、南多北少、相差悬殊等特征，这成为我国水资源合理开发利用的一大障碍。特别是1980年以来，随着我国社会经济快速发展和城市化水平迅速提升，全国用水量和污水排放量持续增长，全国大部分地区水污染程度不断加剧，水环境质量持续恶化，并在城乡形成了大量黒臭水体。 1.1闸控型城市河流 河流是陆地表面上经常或间歇有水流动的线形天然或人工水道，其对社会经济发展具有重要作用。城市河流狭义上是指全部河段位于城市建成区内的河流，广义上是指主要河段流经城市区域，河流水文、水环境、水生态等特征受城市影响较大的河流，本书所说的城市河流特指广义上的城市河流。 在当前中国，尤其在一些北方城市，河流是城市水系统的重要组成部分，具有资源的稀缺性和价值性特点，城市河流为城市的形成与发展提供了资源支持与环境基础，其健康发展是关系城市生存与发展的重要因素。从物质层面来分析，城市河流的存在可以提供生活上的便利、生产上的资源和社会经济效益等；从精神层面来分析，城市河流为人类提供了休闲娱乐、景观构建和社会风俗的场所。正是由于城市河流具有重要的服务功能，河流在人类社会经济发展中的作用越来越强大。为了*大可能地利用城市河流的自然资源禀赋，城市往往按照自己的需求不断向河流索取。闸控型城市河流就是人类在城市河流服务功能利用过程中形成的一类城市河流，这类河流往往存在以下问题：生态空间被侵占、河道外形平直以利于行洪、高密度闸坝建设以利于保存水面、大量污染直接或间接排放以利于城区卫生。闸控型城市河流是河流服务功能被充分索取的一种*典型形式。然而，越来越多的研究同时表明，随着城市河流服务功能充分被索取，河流水资源枯竭和水环境恶化加剧，其资源价值会相应减小，服务功能也会相应减退。 闸控型城市河流过度发展不利于我国污染防治攻坚战的顺利实施。为了保障国家水环境安全，2015年4月国务院发布的《水污染防治行动计划》中明确提出要加强城市区域水环境综合整治，加强建成区黑臭水体消除，加强河湖水生态恢复，进而实现我国水生态环境质量全面改善。要实现上述目标，必须要积极开展城市受污染水体的点源污染治理、面源污染阻控及水生态修复等系列工程，也必须要结合我国城市河流过度闸控这一突出问题（在北方季节性缺水城市尤其严峻)，开展前瞻性和应用型技术研究，提出适合我国城市闸控型河流水环境水生态特征的新技术、新方法和新设备，并对技术进行工程化验证。因此，针对闸控型季节性城市河流的特征开展保护和修复技术研发及应用示范对于城市区域实现“鱼翔浅底、水清岸绿”具有重要意义。 1.2河流保护修复整体进展 近年来，随着城市建成区黑臭水体综合整治工作的有序推进，大量城市河流治理的技术和案例在国内涌现，起到很好的示范和带头作用，但大部分研究和工程缺乏针对闸控型城市河道特征的技术优化，也缺乏闸控型季节性城市河流保护修复的专有理论和技术凝练。 城市河流是一个复杂的线性天然及人工水道，其水体流动过程中需要不断与周边环境发生物质和能量交换，例如，污水通过管道排入河道的过程中，污水中大量的有机物也直接进入河道，有机物是水生生物重要的碳素来源，对于水生生物的生长繁殖具有重要作用。从本质上来说，陆地是河流存在的物质基础和保障，水陆是相互依存的，没有陆地的存在，河流中也就不会有水、营养物和多种多样的微生物。城市河道上闸坝的大量建设一定程度上改变了城市河流的水文水生态特征，进而改变了河流与陆地间的物质和能量循环。因此，闸控型城市河流的治理技术并不应该简单地局限于传统的河道内水环境的修复、水污染的治理及水生态的修复，而应充分考虑闸控型河流水文特征，做到“水陆统筹、因地制宜”。 目前，国际上河流治理和修复的案例很多，比较经典和得到普遍认可的仍是莱茵河的整治工程。自20世纪80年代开始的莱茵河治理为世界上河流的生态工程技术提供了经验和借鉴。保护莱茵河国际委员会（International Commission for the Protection of the Rhine，ICPR)于1987年提出了《莱茵河行动计划》(Rhine Action Program)，即以生态系统修复作为莱茵河重建的主要指标，到2000年实现鲑鱼重返莱茵河。该河流治理的长远规划命名为“鲑鱼-2000计划”。沿岸各国投入了数百亿美元用于治理污染和建设生态系统。到2000年，莱茵河全面实现了预定目标，沿河森林茂密，湿地发育，水质清澈洁净。鲑鱼已经从河口洄游到上游（瑞士）一带产卵，鱼类、鸟类和两栖动物重返莱茵河[1]。 受国外河流水生态修复经验和案例的影响，我国早在约20世纪90年代开始也提出要开展河流的生态治理和保护，并在很多城市河流治理体系中进行了实践和验证，但是大部分生态治理并不成功。总体来看，我国存在多部门分头管理和治理河流的情况，也就是长期被垢病的“九龙治水”问题，流域治理缺乏系统统筹，而是由各部门按照职能分工对河流进行相应治理。例如，有的地方水利主管部门对城市河道的治理侧重于河道的裁弯取直，提高河流的行洪能力，降低洪水在城市区域内的聚集；住房和城乡建设部门的工作侧重于污水厂和排污口管控，但对河流水质不负管理责任；河湖水环境污染压力长期由环保部门担负，但其在城市环保设施建设、企业引进中缺乏主导权。这导致我国河流生态修复的理念尽管并不落后于国外，但是在实际工程实践中无法得到真正贯彻和落实，无法真正对水环境改善发挥作用。 相应地，由于缺乏河流生态修复理论与实践之间的长期相互验证和促进，我国在河流生态修复工程实践方面仍处于起步和技术探索阶段，河流水生态治理与保护工作基本处于水景观建设阶段，河道生态护坡也多体现为河道绿地建设，缺乏对传统水利、生态系统栖息地与河道景观的有机结合。例如，多数地方的河道整治，尤其是中小型河流，其治理理念仍停留在渠道化、衬砌等已被许多发达国家舍弃的做法。总之，当前城市河道治理存在的问题主要在于：①重点放在河流岸边的绿化和景观化，对河流水生态整体构建考虑较少。②发掘历史人文景观较多，建设了大量楼台亭阁和仿古的建筑物，对于发掘河流自然美学价值较少涉足。特别是继续采用浆砌条石护岸和几何规则断面，使河流的渠道化问题进一步加剧。 1.3闸控型河流个性化技术 河流的保护修复技术体系复杂，其中，生态空间优化布局、污水处理厂提质增效、污水管网建设修复、面源污染控制、生态修复和底泥清淤疏浚等均属于河流污染治理技术体系。闸控型河流与传统河流的差异体现在水动力、水文、水环境等多方面，在外源污染治理、底泥清淤、面源污染治理等方面技术体系相对一致。因此，本书聚焦闸控型河流保护修复的个性问题，以浑河支流白塔堡河为研究对象，着重阐述了闸控型季节性城市河流的水文水环境特征，并开展了轻污染活水调度、滞水区藻类污染阻控和湿地/滞留塘生态处理等技术研发与工程验证，以期提高北方城市河流水环境水质保持能力。 1.3.1湿地生态处理技术 人工湿地是一种传统的污水处理工艺，它是通过一种人工构造的水生态系统，利用填料、水生植物和微生物的协同作用实现污水中污染物的净化。在我国，人工湿地系统*早被用来处理城市生活污水，现在多被用于处理被污染的地表水或城市达标尾水。受外界温度变化和植物生长季节性影响，人工湿地通常不具备对污染物全年持续高效率的去除能力，但其水生态恢复和水质保持能力逐渐得到认可。人工湿地中微生物的生长速率高，具有较强的污染物降解能力。湿地结构中的植物在直接吸收营养物的同时，还能够通过根系分泌物促进微生物的生长。湿地中的基质则通过拦截、过滤和吸附等作用直接去除污染物，并为植物和微生物的生长提供空间[2]。 按照湿地中水流形态的不同，传统人工湿地可以分为表流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。河道湿地基本延续传统人工湿地的构型和设计，是为了适应更为复杂的水质特点和冲击负荷。河道湿地在传统湿地的基础上进行工艺改造，也衍生了不同的湿地类型。 (1)表流河道湿地。通常都具有开阔的水面，可种植浮叶植物、浮游植物、沉水植物和挺水植物。表流河道湿地通过沉降、过滤、氧化、还原、吸附和沉淀等过程实现对流经湿地的水体的净化。表流河道湿地通常结合河道缓冲带一起建设，也能够在包括高纬度北方地区在内的大部分地区使用，建设、运行和维护费用较低，但是冬季的低温会减弱湿地对含N污染物的去除能力，而且水面的冻结也会影响湿地的水力状况。 (2)7JC平潜流河道湿地。水平潜流河道湿地中水体的运行水位在基质表面以下，待处理受污染河水与湿地植物的地下部分及其根际直接接触。由于受污染河水不直接暴露，湿地的卫生条件较好，且不易滋生蚊蝇。受污染河水在湿地床的内部流动过程中，一方面可以充分利用基质表面生长的生物膜、丰富的根系及表层土和基质的截留等作用，改善其处理效果，提高其处理能力；另一方面利用水流在地表下流动，具有保温性能好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好等优点，是目前研究和应用较多的一种湿地处理系统。 (3)垂直潜流河道湿地。该类湿地可以提高水平流湿地中的氧气转移速率，增强对NH3-N的硝化能力，其构造与水平潜流湿地相似，只是布水方式不同。水流从进口起沿垂直方向流动，出水口一般设在湿地系统的底部。随着研究的深入，垂直流湿地逐渐出现了上向流、多点布水、潮汐流、虹吸等形式。垂直流人工湿地表层为渗透性良好的砂层，水力负荷一般较高，对N、P去除效果较好。 1.3.2滞留塘生态净化技术 人工滞留塘*早出现于20世纪60年代的美国、加拿大、英国等'主要用来控制城市暴雨径流；从20世纪80年代开始，滞留塘在地表径流污染控制中的作用逐渐受到重视。滞留塘生态净化技术作为一项简单有效的径流污染控制技术，广泛应用于面源污染阻控、河流湖泊等天然水体污染的治理。 滞留塘生态净化技术应用于河道污染治理过程中，主要通过重力沉降、水生植物吸收和微生物降解等综合作用净化水质，其中，颗粒物的重力沉降是滞留塘净化污染物的主要途径。受污染河水在塘内滞留的过程中，水中的有机物通过好氧和兼氧微生物的代谢活动被氧化分解。好氧微生物代谢所需的溶解氧（dissolvedoxygen，DO)由塘表面的大气复氧作用及藻类的光合作用提供，有时也可以通过人工曝气补充供氧。 作为常见的污水生态处理技术，滞留塘生态净化技术具有一系列较为显著的优点：能够充分利用地形，工程简单，建设费用低；处理污水能耗小，维护管理方便，成本低廉；能够实现污水资源化，使污水处理与利用相结合等。滞留塘生态净化技术可以长期发挥作用，而且所需的管理维护远少于其他技术。将滞留塘生态净化技术应用于污染河流水质净化时，应结合河流的环境水质特点与河流的理化结构，合理应用，充分发挥滞留塘的生态景观功能作用。 1.3.3滞水区藻类滋生阻控技术 中国北方地区大部分城市河流缺乏自然补给水源，导致大部分河道成为行洪河道，一年中大部分季节干涸。为此很多北方河流沿河建设了大量闸坝，以形成大面积的静止水面，形成水景观效果。这种措施虽然保障了一年中大部分时间内河流水面的存在，但也形成了大量河道滞水区，一定程度上促进了河流的富营养化。尤其针对城市内河道，由于部分河段是三面光设计，高温期河道内极易滋生大量藻类，因而藻类的应急控制也成为城市河流生态修复的重要内容。 目前应用比较广泛的物理除藻技术包括机械除藻法、底泥疏浚法、外来水资源冲洗法、Y射线法等。物理除藻技术除藻效果明显、见效快、环保、无二次污染，但是其在去除粒径较小的藻细胞、处理密度较小的含藻水体时存在困难，同时对水体中的N、P缺少去除能力，可能在除藻后短期内再