白湖亭河水生态系统修复方案分析

林 航

(首创生态环境(福州)有限公司，福建 福州 350026)

随着我国经济社会的发展，工业废水和生活污水的排放量急剧增大，大量工业废水和生活污水排放到城市河道，引起水质恶化，甚至出现黑臭现象[1]。城市黑臭水体不仅给群众带来了极差的感观体验，也直接影响着群众的生产生活[2]。在此背景下，国务院发布了《水污染防治行动计划》，提出了“城市黑臭水体总体得到消除”的控制性目标[3]，并开展了一系列黑臭水体整治专项行动。

在政策的引导下，黑臭水体治理取得了巨大的成效，但仍存在水体“复黑臭”现象，这是由于绝大多数的治理方案关注水体表面的感观修复，忽视了对水体深层生态系统的修复，导致整体治理效果不佳[4-5]。通过构建完整的水生态系统，可全面治理水环境污染，消除黑臭并使水体恢复生态自净功能[6]。本文以福州市龙津阳岐水系中的白湖亭河道为例，对其水体生态修复方案进行分析，以期为其他黑臭水体生态修复项目提供思路。

1 白湖亭河基本情况

白湖亭河位于福州市仓山区和高盖山片区，北起跃进河流，经南二环路、潘墩路、南三环路最终汇入义序河螺城段。白湖亭河长4.490km，河底高程2.5～3.2m，河宽8～30m，白湖亭河水系见图1。白湖亭河两岸为农田和工业厂房，污水直排口众多，导致白湖亭河水质极差，整治前的水质情况(2017年6月)见表1。

图1 白湖亭河水系

表1 白湖亭河整治前水质情况

2 白湖亭河水生态修复思路

白湖亭河是阳岐龙津水系的区域内河，属于流动性水体。造成白湖亭河黑臭的主要原因是市政管网建设不完善，周边的生活污水、初期雨水直排入河，造成水体的外源污染。同时，河道水动力不足，调水换水效果差，污染物长期积聚，通过沉降或微粒的吸附作用进入水体底泥，造成水体的内源污染。要想彻底修复水体生态系统，修复方案必须分“两步走”：先消除内、外污染源，再进行生态系统改造。因此，一方面要先阻止未经处理的污水排入河流，以及消除河道自身的污染源；另一方面要与其他生态修复手段协同作用，改善水体环境，提升水体的自净能力，才能确保白湖亭河水体黑臭不“复发”。

外源修复通过打造生态活性水岸，对直排入河的污水和雨水进行截留和缓冲，同时对河道驳岸进行改造，提高调水、换水能力。内源修复通过底泥改良及净化技术，引入微生物分解底泥污染物。在内外源修复消除污染源的基础上，继续构建良好的水体环境，通过增加曝气设备和河道微地形改造，增加水动力，提高水体含氧量，改善水体动植物生长条件。最后通过在河道种植沉水、挺水、浮水三维水生植物提升水体自净能力，进一步提升水体环境，从而实现白湖亭河水体生态的彻底修复。

3 白湖亭河水生态修复方案

3.1 内外源污染治理方案

3.1.1 生态活性水岸工程

打造生态活性水岸是解决白湖亭河外源污染的关键。生态活性水岸在满足消除黑臭、防洪排涝、水资源调度等功能的前提下，融入生态河道的设计理念与技术，提高河道水体交换的能力，保护河道两侧自然植被，增加滨水动植物的生长，改善河网水质，加强河道的整体生态功能[7]。

白湖亭河河道岸线布置在满足泄洪能力要求的前提下，尽量遵循随弯就弯、宽窄自然、河坡平缓、跌宕起伏的岸线布置原则。根据现场勘踏，白湖亭河道无完整驳岸结构，两岸违建侵河现象普遍存在，河道淤积严重，护岸设计主要是针对白湖亭河道进行开挖和护岸结构新建。白湖亭河位于城区内，在城市化建设过程中未预留足够的河道用地空间，河道宽度较窄，且两岸房屋密集，拆迁工作难度较大，无法按照规划河道蓝线进行建设。该河道只需满足2年一遇排涝标准，因此采用梯形断面型式。断面采用生态袋护坡，坡脚采用松木桩加硬质结构护坡，木桩梢径120～130mm，并与横向木桩绑扎，形成稳定的整体结构；生态袋内填种植体，并进行适当的绿化景观处理，实现亲水与环保。

白湖亭河河道现状及周边的工程实施条件均满足生态活性水岸的构建要求，且全河段河道外源污染负荷较严重，因此方案拟定在白湖亭河全河段实施生态活性水岸改造工程，共建造生态活性水岸2129m3。将白湖亭河沿岸未能截留的雨水与市政尾水导入生态活性水岸，经过初级水质净化后排入河道。同时生态活性水岸可有效拦截城市降雨径流，有效削减面源污染，对水体中主要致黑臭污染物(总氮、总磷、硫化物)有明显的削减效果。白湖亭河生态活性水岸治理前、后效果对比情况见图2。

图2 白湖亭河生态活性水岸治理前后对比

3.1.2 底泥改良及净化工程

底泥改良及净化工程是解决白湖亭河内源污染的核心措施。白湖亭河由于长期污染，河道底泥污染负荷大、富营养化严重，为根治黑臭，恢复水体生态，需对白湖亭河道底泥进行改良与净化。底泥改良技术可在基本不破坏水体底泥自然环境的条件下，对富营养化的底泥进行降解和修复。能够在激活原有底泥环境中的土著微生物的同时，引入多种特效微生物及其生长所需要的营养来提高生物活性，因而可在原地快速分解黑臭污泥中的多种污染物，减少底泥内源污染。

底泥改良及净化技术主要采用水体净化剂将微生物通过载体沉淀到河底，分解去除水底的氨、亚硝酸盐、硝酸盐、硫化氢、含硫合物等成分和病原菌，去除淤泥、净化水质、水体增氧[8]。水体净化剂在投撒后可沉入水底，覆于污泥表面，源源不断地向水体释放微生物，可对底泥起到长久的改善作用[9-10]。水体净化剂投撒一段时间后，原生种质生物开始生长，进而出现水草和水生动物，水生态环境逐渐恢复。水体净化剂具有在河道底部固着的能力，即使在流动水体中也不易流失。

对白湖亭河底污染释放严重、污染沉积层较厚的区域采用生态活性污染隔离毯净化技术，可隔离严重污染的底泥污染源，遏制污染物释放；减少河底清淤工作量和污泥处理量；创造河底生物活性环境，消减氮、磷、硫化物等导致河流黑臭的污染物，提高溶解氧含量，改善河流生态效果显著；在水流流动条件下，改善河流水质。生态隔离毯具有覆盖隔离污染底泥效果均匀稳定、抗御水流冲蚀能力强、工程施工便利等特点。

治理方案为：在白湖亭河全河道投撒水体净化剂，同时在重点河段铺设生态隔离毯。白湖亭河底泥改良的效果见图3。根据白湖亭河的长度与宽度，确定投撒密度为150～200g/m2，总投撒量为17.77t，生态隔离毯的铺设面积为10500m2。

图3 白湖亭河底泥改良的效果

3.2 水体环境改善方案

3.2.1 曝气增氧工程

恢复水体耗氧-复氧平衡、提高水体溶解氧浓度是水生态恢复的前提。当水体内供氧和耗氧失衡时，水体缺氧乃至厌氧条件下污染物会转化并产生氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等恶臭物质以及铁、锰、硫化物等黑色物质。曝气增氧是水体增氧的主要方法，能快速提高水体溶解氧，使水体环境在短期内由厌氧发酵转化为好氧反应，为好氧微生物与植物联合净化污染物提供了先决条件[11-12]。

方案拟采用景观喷泉曝气增氧技术(见图4)为河道内水体增氧，同时曝气也可以适当改善水体的水动力，提高水体的自净能力。

图4 景观喷泉示意图

在白亭湖河共布设景观喷泉曝气设备6台：10.0kW机器2台，2.2kW机器4台，控制方式为PLC自动控制，实现设备开启关闭自动化控制，减少人为维护。控制电缆沿河岸布设，外敷设DN40、DN50、DN80、PVC材质穿线管保护，动力电源取电遵循就近原则。现场实施效果见图5。

图5 景观喷泉现场实施效果

3.2.2 河道微地形改造工程

对白湖亭河部分河段实施河道地形改造工程，使水生植物及微生物能够正常生活繁衍，为下一步河流水生态初步修复及未来河流水生态系统的恢复提供条件。通过在河底合理地构造深潭浅滩，使河水在适宜的河道内流动时能够呈现紊流态，形成天然的曝气机制，使河流在没有人为曝气的情况下能够自然地提高水体溶解氧含量。采用格宾石笼、块石等对河道地形进行改造，总体改造面积约为53000m2。

3.2.3 水生植物系统修复

水生态系统最关键的一个组成部分是水生植物，由于水环境与陆地土壤不同，水生植物的根可以蔓延无阻，根端不易受伤，同时水生植物无根冠、无根毛，整个根的表皮细胞都有吸收功能，且内部结构中储气组织发达，因此水生植物在水中可直接吸收营养和水分，对水环境高度适应。

水生植物可以吸收富营养化水域中的氮、磷，以供其生长发育，再通过植物收割，使水体中氮、磷物质降低。另外，水生植物可以通过根部呼吸将氧释放到沉积物中，影响沉积物的化学特性，促进植物对矿物质元素的吸收，减少沉积物中的矿物质元素，从而提高水体质量[13-14]。通常根据不同生态类型的水生植物的净化能力及其微生物特点，设计采用由挺水、浮水、沉水植物及根际微生物等组成的人工复合生态系统[15]。挺水植物，如千屈菜、花叶芦竹、花叶美人蕉等，以吸收水中的富营养物碳、氮为生，可消除水域中的富营养成分，大量种植挺水植物可加速对于营养盐成分的吸收和净化，从而降低水域中的富营养元素。沉水植物，如马来眼子菜、黑藻、苦草等，通过光合作用，使水中溶解氧快速增加，每亩沉水植物相当于一台增氧机。浮水植物，如睡莲、荇菜，阻止了底泥上翻，同时枝叶表面积很大，能有效吸附和沉降水中的浮泥、藻类等悬浮物，从而使水体透明度大大提高。

结合白湖亭河常水位较低及水深、河道流速等实际情况，方案以种挺水植物为主，辅以沉水和浮水植物。为修复河流水生植被系统，方案拟定在浅水区域水深小于0.5m范围内构建挺水植物带，在水深0.5～1.0m范围内构建浮水植物带，大于1.0m水深范围构建沉水植物带，见图6。挺水植物带300m2，浮水植物带6200m2，沉水植物带36000m2。现场实施效果见图7。

图6 水生植物种植断面示意图

图7 白湖亭河水生植物种植效果

3.3 治理成效

通过打造生态活性水岸和采取底泥改良及净化的内外源污染治理措施，白湖亭的黑臭污染基本消除。在水生态系统改善方面，采用了曝气增氧、河道微地形改造以及种植水生植物的联合技术。因此，在内外源治理方案和水体环境改善方案的协同作用下，生态系统恢复良好。整治后的水质情况(2021年6月)见表2。整治后，白湖亭河的水体透明度由治理前的23cm提升至51cm，从感观上说明水体整体由黑臭往清澈改变。水质指标COD由治理前的111mg/L降至35mg/L，去除率为68%；氨氮由30.30mg/L降至1.76mg/L，去除率为94%；TN、TP、SS、BOD5均有明显的降低，去除率分别为94%、91%、76%、56%。此外，白湖亭河自净能力、抗干扰能力也明显增强，即使在少量污水溢流的情况下，其水质仍能达到地表水Ⅴ类标准。

表2 白湖亭河整治后水质情况

4 结 语

水生态修复是黑臭水体治理中的最后一环，也是评价黑臭水体治理成效的重要指标，与水体系统恢复的稳定性直接相关。在实行水体生态修复前，要根据每条河道的特点，系统分析其黑臭水体水质、水量特征及污染物来源，在“截污控源”基础上，结合环境条件与控制目标，筛选技术可行、经济合理、效果明显的技术方案，确定最终的水生态修复技术路线。

白湖亭河的水生态修复方案为：先通过打造生态活性水岸和底泥改良及净化消除内、外污染源，再通过曝气增氧、河道微地形改造以及种植水生植物技术的联合实施对其生态环境进行改造提升。修复后，白湖亭河自净能力明显增强，水质情况显著提升，各指标均符合地表水Ⅴ类标准，水体生态环境基本恢复。