城市特征河流水质提升及健康水生态系统构建—以常熟市枫泾河为例

邵一奇 严敏哲 忻 飞 杨宇挺 张 鹏 戈萍燕 杨棠武,2* 安树青,2

(1 南京大学常熟生态研究院，南大（常熟）研究院有限公司，江苏 苏州 215501；2 南京大学生命科学学院，江苏 南京 210046)

近年来，在城市高速发展的背景下，原生态系统完善的自然河道正逐步向具有典型特征的城市河道演变（蔡杭安, 2018）。城市河道的典型特征包括河道硬质化率高、水系连通性差、外源污染众多等，这些因素导致河道原有的生态空间逐渐压缩（Chi,2016），动植物多样性减少，河道的健康水生态过程停滞，出现水体自净功能下降等问题（宋孙娟,2022），城市黑臭水体现象频发（杨棠武，2021；戴天骄, 2020）。城市河道常规治理思路包括清淤、曝气、浮床等，虽暂时消除了河道水环境问题，但河道生态功能未能充分发挥，一旦缺少后期管理，问题将再次出现（房斌, 2019）。本文以常熟市枫泾河为例，依托枫泾河水质提升EPC项目的实施，探究基于自然的处理方案（NbS）理念下典型城市河道水环境治理的新思路。

1 枫泾河概况

枫泾河地处常熟繁华老街，人口稠密。项目区位于嵩山路以东，环城河以西，枫泾河北路以南，枫泾河南路以北。河道总长约800 m，水面宽15～80 m ，水域面积约3.2 hm2，常规蓄水量约6.5万 m3（图1）。河道现状来水主要通过东侧的环城河经双向排涝站控制水体交换和水位，西侧无出水通道，属于典型的城市断头河。枫泾河全段硬质化，改造初期河道两岸风景优美，水环境良好。但周边排口众多，水体流动差，水质逐年恶化，局部逐步转向黑臭。为解决枫泾河水环境问题，常熟市近年实施了包括清淤、活水以及水景观提升等多项治理工程，但长期效果不佳。为保障枫泾河水质，现主要依靠排涝站每日换水，每日换水量2.26万 m3。河道东侧单侧进出水，造成西段河道水动力严重不足，为根治枫泾河水环境问题，需找到工程效益可持续发挥的河道治理技术方案。

图1 枫泾河区域图Fig.1 Location of Feng Jing River

2 生态问题分析

2.1 水文现状分析

枫泾河现状每日水体交换量2.26万 m3，水位变幅达0.7 m ，难以形成稳定的水生植物生长环境，现状仅存少量抗逆性较强的植物如芦苇（Phragmites australis）、菖蒲（Acorus calamus）等。基于现行的日常换水数据，利用Mike21工程软件对枫泾河进行水动力模拟（Zavattero et al., 2016）（图2），换水期间仅在枫泾桥东段以及西段靠近枫泾桥小范围区域有较好的水体流动性，剩余水域水体流动性仍较差，水体流速≤0.002 m/s（张文杰，2022）。枫泾河西段水动力不足造成了污染物的长期累计，形成具有内源释放风险的淤泥层，枫泾河水体自净能力未能得到充分的发挥。

图2 枫泾河换水现状水动力模拟结果Fig.2 Result of Hydrodynamics Simulation of the water replacement measures on Feng Jing River

2.2 水环境问题分析

2021年8月31日（项目建设前）在枫泾河具有代表性的7处取样点采样进行TP、NH3-N、COD、叶绿素a和透明度的测定。采样点由东往西分别为东1、东2、西1、西2、西3、西4、西5。结果显示：TP和COD超标风险较大，其中取样点西4 TP为劣Ⅴ类，剩余点位基本达到Ⅳ类水标准。经现场考察确定，西4处有一雨水排口，采样期间连续降雨造成局部TP的上升。各取样点COD指标较为稳定，基本处于Ⅳ～Ⅴ类水范围。NH3-N指标能稳定达到Ⅳ类标准。另外，叶绿素a可表征水体富营养化程度，当指标值超过10μg/L时，水华爆发风险较大（郭宇龙，2021）。西段河道叶绿素a大于10μg/L，水体爆发水华风险较高，而东段河道叶绿素a小于10 μg/L。总体来看，枫泾河现状水环境不容乐观，在日常换水措施下，西段河道水质依然较差，局部为劣Ⅴ类。东段河道水质相对较好，基本能够达到地表Ⅳ类水标准，水体主要超标风险指标为COD和TP。

2.3 水生态问题分析

枫泾河全程硬质化，水生动植物匮乏，生物多样性较低，食物网结构不稳定，生境单一、整体能量流动速度较慢，河道生态功能与景观功能缺失。近年来开展了多次整治，但水环境改善效果不佳，主要原因是未充分融入生态理念，基于自然的解决方案（NbS, Nature based Solution）未落实到河道治理中（忻飞, 2021）。健康的生态过程未能有效构建，生态系统自我修复能力弱（朱广伟,2021）。与自然生态河道的多样化水下地形不同，枫泾河河床断面基本为“U”字型，驳岸垂直入水，河床底水下生境单一（赵亮, 2021）。由于日常换水，枫泾河水位涨落频繁，进一步限制了动植物数量及种类的多样性（胡艳欣, 2022），导致水体自净能力减弱，在缺少人为辅助的情况下，枫泾河难以自然演替形成良好的水生生态系统。

3 枫泾河水质治理目标

枫泾河水质提升EPC项目最终治理目标是枫泾河水质稳定达到地表Ⅳ类水。基于NbS理念，项目目标为：1）提升水动力，基于现状水动力模拟，合理定位安置水动力提升设备，加强河道西段水体交换，加速全河的物质交换、能量流动速率；2）打造健康生态基底，通过水生生态系统构建技术，人为引导生态过程可持续运行；3)控源截污,多源污染物的整治消除。

4 河道治理措施

4.1 河道污染源治理

4.1.1 内源污染治理 枫泾河河床底泥多年未清理，平均淤泥深度0.5 m，局部淤泥深度达1.5 m，全河淤泥计算面积3.0 hm2，淤泥量约1.5万 m3。受场地条件限制，干法清淤外运难度大，经济效益差，本项目采取内部消纳的方式，将淤泥集中堆放于5处缓流片区，以生态渗滤挡墙与主河道隔断，稳定淤泥形态，表层种植荷花（Nelumbosp.），兼顾景观提升（图3）。该措施实施后，显著降低底泥内源释放风险，河道上覆水与底泥接触面从3.0 hm2降至0.34 hm2，枫泾河内源污染释放速率降低约10倍。且底泥消纳区水体流动较缓，进一步削减了内源污染对河道水质的影响。

图3 内源污染治理典型剖面图Fig.3 Typical section of the treatment for authigenic pollution

4.1.2 外源截污治理 枫泾河沿岸共计9处雨水排口，由于历史原因，雨污管网老旧，生活污水混接雨水管现象普遍，排查整治难度较大。因此，本工程采取拦截与渗滤堰净化相结合的方式，最大限度减少入河污染物的输入。水量较大、污染浓度较高的排口，通过拦截、导流，将污染接入污水管网；水量较小、水污染浓度较低的排口，出水口处设置石笼网渗滤堰，经渗滤堰净化后入河（图4）。排口石笼网渗滤堰采用多层格宾网箱搭建成型，格宾网则由钢筋骨架和镀锌铁丝网构建，内部填充具有TP高效吸附的多孔陶粒。

图4 石笼网渗滤堰典型设计Fig.4 Typical design of the ercolation weir builted by Gabion

4.2 河道水生态系统构建

4.2.1 生境基底改造 枫泾河现状滩面高程高于常水位，河床整体剖面形态平缓，整体呈“U”型，生境单一，不能满足多样性生物的栖息需求。本工程通过河床地形整理，恢复多样化生境基底。河床生境基底改造如图5显示，滩面降至水下0.3～0.7 m，以满足水生植被生长需求，提升河道水体自净能力，丰富水生植被多样化和景观丰富度；在清淤的基础上，恢复自然河道深潭、浅滩等多变形态河床，营造0.3～0.7 m浅水滩面，缓坡入水，满足水生植物稳定的生长环境。

图5 枫泾河河床整治典型设计Fig.5 Typical design of the riverbed renovation on Feng Jing River

4.2.2 水生植被恢复

1）根据河道地理形状、驳岸特征、陆域景观特点，营建带状及点状挺水植物景观区。本项目选用挺水植物主要包括香蒲（Typha orientalis）、梭鱼草（Pontederia cordata）、花菖蒲（Irisensatavar.hortensis）、旱伞草（Cyperus involucratus）、水葱（Schoenoplectus tabernaemontani）、黄菖蒲（Iris pseudacorus）、荷花等植物，恢复挺水植物6 000 m2。

2）浮叶植物在生长期间，可有效吸收总磷和氨氮，同时也是微生物良好的载体。本项目选用睡莲（Nymphaea）、荇菜（Nymphoides peltata）等植物，恢复浮叶植物2 700 m2。

3）沉水植物作为水生生态系统的初级生产者之一，能够吸收营养盐和拦截沉淀污染物，增加水体溶氧和固持沉积物，改善水体光照及生态环境。本项目选用菹草（Potamogeton crispus）、苦草（Vallisneria natans）、金鱼藻（Ceratophyllum demersum）、狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）等植物，恢复沉水植物2 500 m2。

4.2.3 健康水生态系统构建 为构建健康水生态系统，引导食物链生态过程延续，提高水体自净能力，项目在植物配置和恢复的基础上，配置水生动物（表1）。配置滤食性鱼类密度约2 100尾/hm2，肉食性鱼类80尾/hm2，乡土淡水底栖动物250 kg/hm2。依据拟恢复目标水生动物的生活习性，提升水体各层水生动物的丰富度。

表1 水生动物配置表Table 2 Variety of animal the stock enhancement

4.3 水动力提升

枫泾河整体呈东宽西窄形态，西端宽约15 m，东端宽80 m，东侧闸站日常换水对西端水体交换效益较小，局部呈常年死水状态，易发生富营养化等水质恶化现象。根据现状水动力模拟结果，筛选典型死水区域，合理布置应急水动力提升设备。将枫泾河西段分成3段水系循环单元，每段循环单元对向布置水下推流设备，达到区域水体加速物质循环、能量流动的目的。逐步提升水域中溶解氧（DO），提高好氧微生物的活性，加速水中污染物的降解。

5 河道治理效果评价

5.1 初始水质

将枫泾河概化成表流湿地。依据前期现场采样检测水质数据，考虑最不利工况下水质能否达标是稳定达标的前提。以现状污染指标最高值的点位水质作为设计初始水质，主要考核指标NH3-N、COD、TP进水值分别为1.18 mg/L、30.0 mg/L和0.43 mg/L。

5.2 设计水量

依据枫泾排涝站日常换水要求，每日下午4—8时排水，次日上午6时开闸引水。按机排流量1.57 m3/s计算，日交换水量2.26万m3。

5.3 净化单元规模及运行参数

依据设计方案中河道各净化单元净化能力的不同，将河道概化分成浅水湿地区、沉水植物净化区和深水区（表2）。根据表2的净化单元参数，河道总蓄水量80 361 m3，其中深水区储水量占比较大，保证了河道缓冲能力，浅水湿地及沉水植物区发挥核心净化功能。依据设计水量及各净化单元规模，各功能区设计运行参数如表3所示，以现排涝站现日常换水量2.26万 m3计，总换水周期（停留时间）为3.56 d。

表2 净化单元规模参数表Table 2 Scale parameter of each Purification unit

表3 功能区运行参数表Table 3 Operating parameter of each functional area

5.4 水质净化效果计算

依据《污水自然处理工程技术规程CJJT54-2017》中污水自然处理工程所在地区按平均温度划分，常熟市属于Ⅲ区，平均温度高于16℃。净化单元各运行参数取值参考Ⅲ区设计参数，河道主要考核水质指标在各净化单元中的参数取值及去除效果计算见表4。根据污染物去除效果计算，出水水质能够稳定达到地表Ⅳ类标准，其中NH3-N、COD和TP去除率分别达到23.79%、22.96%和40.14%。结合年换水总水量测算，工程完工后，该河道年可消纳的NH3-N、COD、TP环境容量分别达2.32 t、54.55 t和1.42 t。

表4 河道水质净化效果计算表Table 4 Effect calculation of the water purification of the river

6 结语

城市河道普遍存在硬质化水平高、水动力不足、水生态退化严重、水景观单一、黑臭现象频发等问题。本文基于NbS理念，深入分析城市河道生态退化底层逻辑问题，通过污染源治理、生境基底打造、动植物恢复和水动力提升等措施，构建城市河道的健康河道水生态系统。城市河道治理的首要任务是内、外源污染的控制，以匹配该河道可承受的水环境容量。丰富的生境基底打造是健康河道水生态系统的基础，以此拓宽多样化水生动植物的栖息空间；动植物的恢复需考虑食物链层级的完善，以保障生态过程物质交换、能量流动的速率；为保障水体自净功能的充分发挥，在缓流区域可采用辅助设备提升河道水动力。