城市水生态修复技术与工程应用*

徐林筝，黄 超，曹瑞良，宫经成，洪胜杰

(中国建筑一局(集团)有限公司，北京 100161)

0 引言

水是人类文明发展的起源，河流作为水的载体，与城市建设和发展息息相关。河流不仅为人类提供生存所需的水源，还为城市发展提供了丰富的自然资源。随着科技水平的提高，人类对河流进行了大规模开发，包括灌溉、航运、防洪等。但由于在开发过程中忽略生态保护，城市水生态遭到严重破坏：生态系统生境受损，人工扰动痕迹明显，生境单一，硬质驳岸较多，多样性差；生态系统结构受损，种群缺失，结构混乱，水生动物和水生植物种类稀少且有大量入侵物种；生态系统功能受损，水体自净能力差；城市水体富营养化和黑臭现象严重，水体中生物不断减少，水质不断恶化，严重影响城市形象和居民生活。近年来，我国各地城市开展了大量水生态治理修复工作，以漳州市内河水环境综合整治项目为研究对象，分析了该市水生态污染现状，并介绍了一些常用水生态修复技术的工程应用。

1 水质状况调查

1.1 水质检测结果分析

通过对漳州市3个流域片区进行7次采样，采样时间为2017年7月—2018年7月, 总计河道采样点为278个，排口采样点为20个。根据2017年7月—2018年1月水质数据，3个流域片区水质现状污染严重，总体黑臭比例在60%以上，3个流域片区水体主要污染因子(黑臭标准)为氨氮和COD(化学需氧量)(见表1)。

表1 水质数据

1.2 河流污染源分析(见表2)

表2 河流污染源分析 (t·年-1)

由表2数据可知，各污染源中面源污染占比最大，其次为点源污染，内源污染占比最小。污染物输入量中氨氮和总磷大部分来自于面源污染，COD来自于点源污染和面源污染。

淤泥调查中，底泥采样点总数为54个，检测结果显示，河道淤泥中富含氮磷，含有一定的有机质和重金属。淤泥中重金属含量较高，清出淤泥不适合用作农作物覆土。

1.3 水环境容量分析

水质目标按照消除黑臭进行计算，主要指标为氨氮，3个流域的水系现状环境容量估值结果显示，水系所接纳的污染总量大大超出环境容量，污染非常严重，城市水生态急需得到治理，如表3所示。

表3 水环境容量分析

2 水生态修复技术

2.1 河道形态结构

2.1.1河道平面

河道平面形态主要有直线型和蜿蜒型。传统的河道治理以防洪为主,主要通过刚性不透水材料调整洪峰，采取拓宽河道、截弯取直、挖深河道、两岸修筑堤坝等措施保证泄洪量，使河道边界顺直固化变成直线型。因河漫滩面积小，建设用地紧张，城市河道治理中常采用直线型河道。但直线型河道固定了河道边界，限制其自由发展，且河流内外系统分隔，影响河流生态系统功能。

自然状态下，河道因水流的冲刷侵蚀，呈现蜿蜒曲折的形态。河流蜿蜒性创造了丰富多样的生存环境，从而保障河道中生物多样性，提高河道生态系统稳定性。河道蜿蜒性还能够缓解洪峰流速，减轻洪水对下游河岸的冲刷，保护沿线护岸，起到防洪作用。

2.1.2河道断面

河道断面类型主要有矩形断面、梯形断面、复式断面。

1)矩形断面结构最为简单，在原河床基础上挖深即可，施工方便，占地面积小(见图1)。正常水位以下可采用矩形干砌石断面，正常水位以上采用毛石堆砌成斜坡，从而缓解水流对河道的冲刷，扩展水生动植物生存空间。但施工采用刚性不透水材料，破坏水生生物与陆生生物间的循环，影响生物生存，适用于人口密集、用地紧缺地区的河道。

图1 矩形断面

2)梯形断面结构相对简单，采用浆砌块石护坡，护坡上设置有各种绿化的亲水平台，景观性强、施工简便、占地面积小、投资省，且能提高河道过流能力(见图2)。岸坡亲水性差，坡度较大时，会阻碍生物沟通交流，适用于人口密集、河漫滩较小地区的河道。

图2 梯形断面

3)复式断面结构较为复杂，常水位以上采用缓坡，常水位以下设置矩形或梯形断面，过水断面面积大(见图3)。水流量小时，主要流经主河槽，洪水期时，洪水可漫滩。复式断面亲水性强，安全性高，汛期有泄洪排涝作用，但其占地面积大，适用于河滩开阔地区的河道。

图3 复式断面

2.2 河道水体治理

2.2.1水生植物

水生植物根据其生活方式可分为挺水植物、浮叶植物、沉水植物和漂浮植物(见表4)。水生植物具有良好的生态功能。

表4 水生植物分类及特点

1)净化水质

水生植物不仅能够通过光合作用进行固碳释氧，还能吸收水体中氮、磷、重金属等有害元素及有机污染物，从而消除污染，净化水质。大量研究表明，多种水生植物对COD、氨氮、总磷都有良好的去除效果，能够提高水体透明度，恢复水体生态功能。

2)保护生物多样性

水生植物能够为昆虫、鸟类等提供食物来源和栖息地，促进各生物间的沟通交流，从而保证水生态的生物多样性。

3)景观性良好

水生植物具有较强的造景功能，许多水生植物还能开花，美化水景效果良好。

2.2.2人工湿地

人工湿地技术是由人工建造并运行，通过人为在洼地上把土壤和填料有控制的混合作为填料床，并在填料床上种植水生植物，污水在其表面或者缝隙中流动时，通过土壤、人工介质、植物、微生物的吸附、滞留、过滤、分解等作用净化水质。人工湿地靠物理沉淀、过滤作用去除悬浮物，利用生物脱氮和植物吸收方法去除氮磷，COD和BOD(生化需氧量)的去除主要靠微生物吸附和代谢作用。

人工湿地系统是一个综合的生态系统，优点为抗冲击负荷能力强、建设运行成本低、工艺简单、景观性好；缺点为占地面积大、植物受季节影响冬季运行效果差、易受病虫害影响、设计不当易使人工湿地成为污染源。

2.2.3生态浮岛

生态浮岛又称人工浮床、生态浮床等。生态浮岛是通过人工设计漂浮于水面的床体，并在床体上种植水生植物，利用水生植物根系与水体接触从而对污染物进行降解，实现对水体的净化作用，改善水质。

生态浮床修复技术的优越性为不需要占地，直接利用水体面积，景观效果好；能够促进生物间沟通交流，保护水生态生物多样性；建设运行成本低，净化效果好。但生态浮床也具有局限性：适用范围有限，难以对大面积水体进行修复；植物冬季难以存活，净化效果不稳定。

2.2.4旁路治理

旁路治理是在水体周边设置合适的处理设施，将污染严重区段的河水抽取至旁路处理设施净化后，再排放至另一端，从而促进水体循环流动并净化水体。旁路处理需考虑后期绿化修复，建设成本较高，且需专业的运行维护技术。

2.2.5人工增氧

人工增氧技术是根据水体中溶解氧含量，通过曝气设备人工向水体中充入空气，以提高水中溶解氧含量，恢复水中好氧微生物活性，强化水体自净能力，从而去除污染物，改善水质。

3 技术应用案例

漳州市区内河水环境综合整治项目包含多项城市水生态修复技术应用，如表5所示。

表5 水质改善与生态修复措施应用情况

3.1 生态修复

水生态系统主要通过沉水植物群、挺水植物、水生动物、微生物等群落进行构建，完善食物链系统，提高水体自净能力，使水体可通过自身的生态效益保持生态稳定，如表6所示。

表6 水生态系统构建

在生态系统建立前期，根据水体特点，合理设置曝气装置对于水质净化以及水生动植物的移植存活率有很好的辅助提高作用。该项目在3个流域共设置了317台曝气设备以促进造流和增氧。

3.2 净水湿地

净水湿地主要设置在毗邻主河道和支流的汇集区，其中古塘溪湿地布置面积368 610m2，西洋溪湿地布置面积369 600m2，内林引水渠湿地布置面积339 018m2。

3.3 旁路强化处理

漳州市内河有大批暗涵段，暗涵内部情况复杂，底泥淤积，雨污混接、错接严重，排口不易溯源，出口水质恶劣，暗涵出水对下游水质形成严重的断面污染。在断面污染河段设置旁路强化净化装置，结合净水湿地进行生态深化处理，有效解决水污染问题。主要布置在九十九湾区域，共5座(见表7)。

表7 旁路强化处理

4 结语

城市水生态修复是一项全面而持久的任务，针对各城市存在的水环境问题，应在保证不破坏水生态系统的前提下，科学开展治理工作。城市水生态修复应从各城市水环境存在的问题入手，采取合适的修复技术，提高城市水生态修复效率。良好的城市水生态系统对自然环境、社会经济、城市发展具有积极作用。通过对漳州市水体水质状况进行分析得知，漳州市水体黑臭现象严重，主要超标物质为COD和氨氮，水生态修复以此为切入点，采取一系列技术措施，水生态系统问题逐渐改善，对当地水生态环境、社会环境、区域经济发展具有积极作用。