典型城区水系生态修复工程设计与实施——以杭州塘河水系为例

梅静梁 ，李鹏翔，桂和荣

1.南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京，210000；2.北控(杭州)环境工程有限公司，浙江杭州，310000；3.安徽理工大学，安徽淮南，232000

近年来国家相续出台了水污染防治计划、提质增效三年行动计划等，对水体污染的治理提出了时间上和治理水质上的要求，习近平总书记在十九大报告中也提出“绿水青山就是金山银山”，各地陆续开展了黑臭水体治理，河道消除劣V类工程[1-2]。本文以杭州塘河水系为例，就典型城区水系生态修复工程设计与实施开展研究。

1 项目概况

塘河位于浙江省杭州市余杭区，塘河水系属于运河水系，水系覆盖杭州余杭区余杭街道、仓前街道、五常街道、未来科技城，塘河为市级河道，西起余杭东门头，东至绕城高速桥，全长11.17 km，塘河以南为南片水系，南片水系共有支流22条，流域面积24.76 km2。南片水系涉及区域为典型的经济发展新区，随着工业企业、高新技术企业入驻，城市化进程不断推进，环境问题突出，因此河道水体治理河水质提升势在必行。水系南高北低，由南向北汇入塘河。支流区域内为分流提质，存在大量的雨污水混接，导致晴天污水下河，通过支流最终汇入塘河。根据2017年断面监测，塘河自西向东水质逐渐恶化，河道水质为劣V类，支流水质较差，主要超标指标为氨氮，清水港、枫树港等支流污染严重(表1)。南片水系在2016年部分河道进行了消除劣V类工程治理，但沿岸依然存在污水下河。2018年，启动了新一轮的水系综合治理工程，包含南片水系区域市政管网和区块管网零直排工程，解决管网混接、管网破损等问题，同时对南片水系内的10条河道开展生态修复工程，力争在2020年全面消除劣V类水体，2021年主要水质指标提升至IV类。

表1 塘河主要断面水质检测指标

2 存在问题

2.1 河道水质劣

塘河南片水系地处平原河网地区，地势较平坦。主要的补水水源为西边的南湖和西北边的南苕溪，补水水质较好，基本达到地表IV类标准。区块水系通过25处水利闸站控制流向。

由于水系沿岸存在混接雨水口、部分农居点存在散排污水直排口造成塘河部分断面处于劣V类。塘河其他支流南渠河、清水港、枫树港来水是塘河东门头——东西大道段劣V类水体主要污染源。宝林港现状为劣V类，主要来源为老余杭镇雨污混接、污水直排，最终支流水汇入塘河造成塘河水质污染，其他支流河道水质详见表2。

表2 塘河支流水系水质

2.2 水系沿岸外源污染严重

经过排查，区域内共有排口205个，其中晴天出水排口60个，经过污染源初步排查周边农居点污水散排口17个，污水直排口2个，雨污混接排口11个，工地排口2个，其余出水口水质较好，初步判断为地下水或者园林绿化用水。

2.3 水动力条件差

塘河水系基本不通航，平时只有保洁船行驶，河道流速缓慢，根据MIKE21二维水动力模型分析结果，水系的整体流速在0.01～0.04 m/s，水动力条件差，不利于河道自净，主要原因为河道淤积导致河道库容减少、引水量不足，换水周期较长以及城市开发造成水系格局破坏。

2.4 水系水生态退化

据现场踏勘，塘河南片水系22条河段中，河道水生生态系统结构退化，仅宝林港的施桥河-清水港段水生态修复设施完善，河道内均匀设置了生态浮岛并沿河道设置了曝气管。其余河道中，清水港上设置了生态浮岛，长势良好，其它驳岸已建成的河段河岸上局部片植挺水植物，但缺少维护，新桥港上每隔50 m设置了一处微生物处理装置。

3 生态工程设计

3.1 生态修复河道的选择和拟采用的工艺

根据塘河水系的治理目标，针对现状问题以及水系特点，上游老城区的管网改造工程、截污控源工程以及引水补水工程，极大地改善了外源污染入河和水系的水动力，同时为了重新构建河道水生态系统，提高河道自净能力，达到水系持续提升以及后期河道的长治久清的目的[3-6]。

针对南片水系共22条河道，水质和水动力来选择河道进行生态修复设计。水质方面，截污控源与底泥清除将大幅减轻河道污染来源，为保证水质目标，针对当前水质未达到地表水Ⅳ类水水质的河道进行生态修复；水动力方面，主要配水路径和主要行洪河道不进行生态修复设计。最后确定进行生态修复的河道共11条，分别为：清水港、枫树港、宝林港(清水港-枫树港段)、朱庙港、朱庙港支流、红卫港、新桥港、永胜港、汪桥港、前进港与北部园区河道。生态修复工程主要针对河道三大问题：雨水口较多；河道水质差；自净能力差，河道生态系统缺失。这三个问题分别采取排口原位强化净化工程、河道原位强化净化、曝气增氧、水生态系统构建工程，来削减污染物入河、净化河道水质、维持河道生态系统稳定。

根据河道水质、水文水动力、硬化岸线以及周围环境情况，确定各个河道采取的生态修复措施，其中清水港、红卫港、汪桥港、永胜港、前进港、新桥港、北部园区港采用强化浮动湿地+沿河曝气+水生动植物体系构建技术，宝林港、朱庙港采用浮动湿地+沿河曝气技术。

3.2 排口原位净化工程设计

初期雨水、突发性污水混入以及服务区域内点源污染物混流带入(约占区域污水总量的5%)是当前项目片区河道面临的最主要污染问题。

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强化浮动湿地作为主要的净水措施[7]，应用于直径大于等于600 mm的雨水排放口，降低直排水对全河段水质的影响。南片水系雨水排口最大管径为DN2000，DN600以上的排口74个，其中DN600排口29个，DN800排口21个，DN1000排口12个，DN1000以上的排口24个。

强化浮动湿地系统组成包括：根系发达的漂浮植物+生物挂膜填料+穿孔曝气+固化微生物模块，如图1。强化浮动湿地具有大面积的生物膜，在河道水质改善工程中，生物膜法对于水质水量具有较强的适应性，对每一个雨水口设置强化浮动湿地进行处理，对于直径大于等于1 500 mm的排口，水量对浮动湿地冲击过大，采用超细纤维人工水草+强化浮动湿地系统。超细纤维人工水草表面积大，能提供约8 000平方米/立方米以上的生物附着表面积[8]，来水先经过人工水草进行缓冲、吸附后，再由强化浮动湿地进行处理[7]。

图1 浮动湿地(左)与强化浮动湿地(右)示意图

各排口对应强化浮动湿地的面积根据雨水口汇流面积、面源污染负荷以及强化浮动湿地有机负荷进行计算。经计算，雨水管管径与汇流面积的对应关系如表3。

表3 雨水管管径与汇流面积的对应关系

强化浮动湿地的污染负荷为0.25～0.3 kg COD/(m2·d)、0.01 kg NH4+/(m2·d)。

针对直径大于等于1 500 mm的排口，采用超细纤维人工水草+强化浮动湿地系统，来水先经过超细纤维人工水草缓冲过滤后，再由强化浮动湿地进行处理。超细纤维人工水草每平米设置10根，吸附降解的污染物负荷为0.25～0.3 kg COD/(m2·d)。

强化浮动湿地对污染物的降解效果主要由微生物完成，所需曝气量经计算为41.81 m3/min，结合曝气量进一步测算，需浮动湿地2 983 m2、超细纤维人工水草400 m2。

3.3 水质净化工程设计

3.3.1 曝气增氧设计

曝气复氧被认为是治理河道污染的一种有效措施，可以提高水体中的溶解氧含量，强化水体的自净功能，促进水体生态系统的恢复[9]。除恢复溶解氧外，不同的曝气形式还为河道带来不同形式扰动，增大河道紊流程度，抑制藻类生长。河道曝气复氧的主要方式有推流曝气增氧、叶轮式曝气、喷泉曝气增氧、微气泡曝气增氧及固定式微孔曝气增氧等。

为保证河道水生动植物生长稳定，水体溶解氧应稳定在5.5 mg/L(维持鱼类良好生长的溶解氧浓度)以上。曝气装置提供的氧气按照维持水体合适溶解氧，并满足微生物降解污染物的需氧量进行计算。采用组合推流反应器模型计算河道的需氧量[10]。

3.3.2 自然驳岸河段浮动湿地设计

非建成区河道，主要为宝林港、朱庙港(文一西路至何过港段)、朱庙港支流，暂无雨水管网规划，按照常规雨水管网分区方法估算汇水面积。

自然驳岸两侧多为农田，入河面源污染浓度高，采用方便移动且净水效果好的浮动湿地提供微生物附着与生长的基质。 浮动湿地面积根据河道需要消纳的污染物总量除以浮动湿地污染负荷进行计算[6]。

3.4 水生动植物生态系统构建设计

3.4.1 水生植物系统构建设计

水生植物修复技术主要通过在污染水体中种植适宜的水生植物，吸收、富集、转化水体中的污染物，同时又可以为水生动物和微生物提供氧气、食物和栖息环境，进而建立完善的生物网，达到水生态恢复的目的[11]。水生植物包括浮叶植物、挺水植物、沉水植物等类型。大量研究表明，选用适宜的水生植物品种，并进行恰当的搭配，可实现对营养元素的高效去除。

水生植物对污染物的去除主要有以下几条途径：(1)吸收作用。水生植物在生长过程中需要吸收大量的N、P等营养元素，通过植物收割，可将被吸收的营养物质从水体中输出；(2)强化生物降解作用。水生植物群落为微生物和微型生物提供了附着基质和栖息场所，从而强化污染物的生物降解；(3)吸附、过滤、沉淀作用。水生植物发达的根系与水体接触面积很大，可拦截、吸附、过滤悬浮性污染物；(4)对藻类的抑制作用。水生植物个体大、生命周期长，吸收和储存营养盐的能力强，可通过对营养物质和光能的竞争利用抑制浮游藻类的生长，此外某些水生植物根系还能分泌出克藻物质，达到抑制藻类生长的作用。

沉水植物是构建水生态系统的初级生产者，因此在南片水系中有条件的河段均进行栽种设计。位置的布置主要遵循：(1)光照充足河道；(2)流速小于0.05 m/s；(3)驳岸未整治河段暂不设计；(4)种植面积为河道水域面积的60%。沉水植物选择过程中尽量选取本土植株，适当增加工程实践效果佳、四季常绿的改良型沉水植物，点缀景观效果佳的沉水植物，形成生态适应性良好、净化效果佳、景观效果佳、易于维护管理的水下生态系统。

为强化系统对营养物质的净化吸收能力和水景效果，健全水生态系统的稳定性，选用矮生苦草、穗状狐尾藻、轮叶黑藻、金鱼藻等沉水植被作为建群种，构建水下森林系统，其中矮生苦草为改良品种，具有适应能力强、净化效果佳、景观效果好等优点，是构成沉水植物的主要建群种(表4)。

表4 沉水植物特性表

良好的底质条件能够提高沉水植物的成活率，促进沉水植物生长，且不会向水体中释放污染物。清淤完成后，采用底质改良剂对残余的底泥进行稳定化处理，底质改良剂主要为生石灰与生物酶两种组分先后泼撒，生石灰能杀灭原来富营养化水体底质中病原体，改善底质酸碱度，生物酶能快速激活土著有益微生物，消减底质中的污染物质。底质改良剂按照每亩50 kg进行抛洒。

对当前种植挺水植物的区域进行补种，主要集中在枫树港、红卫港、新桥港、永胜港、前进港、北部园区河道，河湾地区藻类容易聚集，在河湾处种植部分挺水植物，主要布置在水深小于0.5 m的区域。

3.4.2 水生动物系统构建

水生动物种群的恢复主要结合沉水植被的恢复进行。通过在沉水植被恢复区放养大型软体动物(如螺、青虾)，以及肉食性鱼类黑鱼，丰富功能摄食类群，增加物种多样性，从而构建完善的水生生物食物链，恢复健康稳定的水生态系统。

本工程底栖动物根据其摄食习性选择底栖软体动物作为群落调控的主要种类，底栖生物的投放量不宜过高，环棱螺密度为3～15 kg/亩，虾类(青虾)密度为0.4～0.8 kg/亩，黑鱼2尾/km2。

4 工程实施效果

工程2018年开始实施，上游老城区的管网改造工程、截污控源工程以及引水补水工程的基础上，通过开展水系生态工程，到2020年5月份主要工程基本结束河道水质逐步提升，河道透明度基本保持在60～80 cm，氨氮含量维持在V类到IV类之间，汪桥港、北部园区河、前进港河道水生态系统已建立，透明度清澈见底，呈现出鱼翔浅底的美好景色，周边老百姓亲水近水幸福感提升。

5 结论与建议

上游的雨污管网改造、截污控源以及引水补水的工程基本解决河道污染汇入提升水动力状况，河道依然需要构建自净能力，通过生态工程，对排口、河道本身，采用原位净化措施和生态系统恢复技术，最大程度地提升河道自净能力，使河道水质能持续提升，确保了河道的长治久清。

塘河水系地处江南多雨地区并且台风频发，通过人工构建的水生态系统在初期需要定期维护，沉水植物构建初步完成后，植物系统比较脆弱，植物的生长需要一定的透明度，尤其在雨后水体透明度降低，需要采取透明度提升工程，并且严格控制食草性鱼类的数量，确保植物快速恢复，沉水植物经过三年左右的生长、演替以及不同品种之间交叉生长形成多样性沉水植物系统，辅以曝气增氧措施，水生态系统基本稳定，具备一定的抗冲击能力。