生态修复技术在河道岸坡水环境综合治理中的应用

鲁 斌

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 三门峡 472000)

0 引 言

在人类各种生产活动的作用下，河道自然生态环境遭到严重破坏，引起河道岸坡水环境的严重污染。河道水环境的污染造成河床稳定性降低，以及生物多样性的大幅度减少[1]。随着人们生活质量的提高，河道生态环境的整治力度不断加大。作为一项特殊的治理工程，河道岸坡水环境的治理需要具有全面性和统筹性特点，为了达到理想效果，各种治理技术涌现出来[2]。文献[3]以改善水环境为主要目标，从控制污染物、平衡水生态系统的角度入手，设计合理的水环境改善方案，结合水质达标状况评价和生态修复技术，完成水环境综合治理。但是，该方法治理效果较差。文献[4]针对高密度建成区水环境进行分析，提出一种结合行政管理和基础治理措施的综合整治策略。再通过不断实践，跟踪管理水环境治理全过程，改善整治策略的具体内容。但是，该方法推行效果较差。文献[5]针对当前水环境问题，以恢复河道水环境的生态系统多样性为目的，设计一种水体自净能力提升方法。综合控源截污和微生物修复、水生植物恢复技术，满足水环境净化和修复要求。但是，该方法治理成本较高。

本文提出的水环境综合治理方法，依托于生态修复技术，依托于水环境当前健康状态和水动力模型，设置合理的多方位水环境生态修复技术，再结合动植物和微生物修复技术，完成河道综合治理。

1 基于生态修复技术的河道岸坡水环境综合治理方法设计

1.1 建立河网水动力-水质模型

本文基于Mike 11水动力模型，描述河道水环境水流运动，作为后续河道治理效果预测的基础，并指导生态修复技术的选取[6]。根据动量方程和水流连续方程，设置河网水流的连续方程为：

(1)

式中：f为河道水位；b为时间坐标；R为过水断面宽度；U为河道水流量；y为位置坐标；s为单位河道的旁侧入流量。

而河网水流的动量方程表示为：

(2)

式中：α为水流的重力加速度；X为过水断面面积；l为谢才系数；I为水力半径。

利用水位点和流量点交替计算网格，进行河网水动力-水质模型的转化，再应用六点隐式差分格式描述方程离散模式，见图1。

图1 六点Abbott隐式差分格式图

通过图1所示的六点Abbott隐式差分格式图，以河道水环境水位点为中心，通过连续方程和动量平衡方程的求解，得到多个节点方程，再求解每个节点的水位，获取河道网格点的流量信息[7]。

此外，基于Mike 11 HD模块设计对流扩散模型，实现水环境内模拟污染物质的扩散、对流，在模型中添加一个衰减常数，模拟水环境内的非保守物质。在一维非稳态水质模型的作用下，将河道水质模型表示为：

(3)

式中：N为水流输送的物质浓度；ϑ为纵向扩散系数；γ为降解系数；ψ为单位时间污染源的排放量。

节点方程可表示为：

(4)

式中：q为初始水位点；Q为河道水位点总数。

当不考虑节点蓄水面积的情况下，可以将上述公式改写为：

(5)

上述公式计算过程中，扩散系数可以基于经验进行计算，公式为：

ϑ=gMj

(6)

式中：M为水道内水环境流速；g、j为用户设定的参数。

1.2 构建河道岸坡水环境诊断体系

水环境综合治理技术的设计，需要以河道当前健康状态为基础，针对影响水环境健康的主要因素，采取合理的生态修复技术。根据待治理河道的地理位置，从自然结构、生态系统和社会服务3个角度，选取数个健康评价指标，构建水环境诊断体系。

考虑到河道地理环境和河流类型具有较大差异，且不同区域的经济发展水平差别较大，为了保证图2所示的诊断体系评价结果具有科学性[8]，本文参考国外惯用标准、国家现行行业标准、地方规划报告以及已经发表的学术论文设置合理的评价标准。

图2 河道岸坡水环境诊断体系

评价标准设置完成后，采用层次分析法结合水环境诊断体系计算各项指标的现状值，获取水环境健康综合评价指数，即：

(7)

式中：V为水环境综合健康指数；D为评价指标总数；d为评价指标；η为评价指标无量纲化值；为指标权重。

1.3 设计多方位水环境生态修复技术

依托于河道岸坡水环境诊断结果，采用多管齐下的治理模式，设计多方位水环境生态修复技术。其中，综合治理的关键措施在于外源截留、内源控制、人工净化和自净强化[9]。

针对水环境的外源污染进行控制，本质上是通过控制暴雨初期雨水中携带的污染物质，从根本上改善河道水环境质量[10]。本文按照生态修复原理，设计雨水原位自动膜滤装置控制面源污染。这种工程化处理模式主要包括前处理、膜过滤两个环节，依托于超低压膜过滤手法去除污染物。为了在外源污染截留面积提升的同时，不影响过水能力，设置自动膜滤设备的滤芯为折叠模式，并在自动膜滤设备后方添加一个水体存储区域，实现滤芯自动冲洗，实现自动膜滤装置寿命的延长。为了控制雨水管网之外的外源污染，本文基于生态修复理念设计驳岸生态滞留系统，通过河道岸坡生态的恢复，减少流入河道的污染负荷。生态驳岸建设过程中，应用大量自然植被规划自然景观，加强水陆界面可渗透性的同时，更好地稳定水土。

河道水环境内源污染控制主要在于处理河道沉淀的底泥污染。底泥内包含的氮磷、重金属污染物经过长期累积达到一定程度，会重新向水环境释放，引起水质二次污染。在生态修复技术的影响下，本文结合机械清淤、生物酶底泥修复技术，实现内源污染的高效控制。考虑到机械清淤耗费成本较高，仅针对高污染河道区域的底泥进行初步修复。其余区域的底泥修复可以采用生物酶激活微生物，利用微生物降解能力去除底泥中有害污染物。

当河道内水质污染程度已经影响了生态平衡，需要应用人工净化的方式快速恢复水环境完整性。本文通过对比多种人工净化措施，选取超微净化工艺，其净化原理见图3。

图3 超微净化原理

根据图3所示的净化原理可知，超微净化依托于超高压气水混合技术，实现气液相界面融合。通过微米级氧气泡的产生，实现水环境内重金属和氮磷的去除，达到净化河道污染的目的。

1.4 生成水体自净化加强方案

生态修复技术实现的最后一步，是生成水体自净化加强方案。根据动植物和微生物的净化功能，加强水生态系统的新陈代谢性能，降解河道水环境中的污染物质。在推动水生态系统循环的过程中，水环境内物种多样性的增加是关键环节之一，可以基于河道岸坡水环境治理主体的差异，同时结合水生动植物修复和微生物修复技术来实现。

水生植物的修复是利用植物自身的净化功能，吸收水体内的污染物，并过滤水中的污染物。结合人工材料、植物种植技术，建立具有较强修复能力的河道驳岸。利用水生植物加强水体自净化能力，可以通过3种方案实现。

第一点是设计人工湿地，结合水生植物和微生物构建的人工湿地，需要基于生物填料、集水管等多种材料营造适合水生植物生长的环境，开发生态治理区域。再应用风景园林学科，运用植被型生态混凝土等新型材料组成适宜水生植物生长的表层种植土，添加部分肥料，确保该区域作为植物生长基质的同时也可以成为微生物繁殖空间。最后，采用多孔砖在河道岸坡上进行种草，为了保证动植物具有良好的栖息空间，主要采用八字多孔砖、六棱护坡网格砖。此外，河道岸坡生态修复设计的另一重要环节是生态石笼，见图4。利用铁网填装石头，间隔放置于河道岸坡上。

图4 河道岸坡生态修复设计——石笼网土

水生植物种植需要注意的第二点是多层次种植，按照风景园林治理理论，按照多层次模式初步处理水生植物。根据河道景观功能定位，结合土壤土质和河道内水流速度，在不同区域种植合适的水生植物。河道岸坡种植植物的选择，需要按照植物的耐水性和扎根性能来选择；而堤岸植物的种植类型选择，则需要以观赏为主，生态修复植物与护岸造林相结合，形成垂直景观。河道两侧的绿化景观，则是按照层次化理论，将高大乔木作为背景，结合小乔木、草花等植物形成多个群落，更加直观展现出水环境的美感。

第三点需要重视的是洪泛区植物的选取，根据河道不同区域河流地段的独特功能，从适宜的角度，在河道不同的岸坡选取不同的植物。这一过程中，需要充分考虑河道的安全性，在常水位线位置种植美观的植物，在常水位至洪水位之间种植抗冲刷、固堤性植物，避免水土流失。最后，在河道缓坡区域栽种湿生植物，按照层次分明的原则种植多年生的草本植物。以河道治理区域的本土植物为主，添加其他多种类型的景观植物，确保河道四季均有植物保持生态循环。

水生动物净化功能的提升，需要基于生物膜净化技术将河道水环境净化到一定程度，再向水环境中投放淡水鱼类、浮游动物等多种类型的水生生物，形成多种类型的水生动物群落。通过控制藻类富营养化，建设多样性的河道生物系统。根据水生动物的食物链将水环境内的有机污染物转化为无污染的物质，实现水体自净化。

微生物修复是水体自净化加强方案的最后一项关键环节，通过微生物吸收河道内有机悬浮颗粒物，在前期水体除杂、水质基底改良工作结束后，向水环境中撒石灰乳实现水体酸碱度的有效平衡，促进水体中多种微生物细菌的生长，加强水环境自净化能力。

2 实例应用

2.1 项目概况

北村水系位于广东省佛山市南海区，跨越里水镇、狮山镇以及大沥镇，水系总长度约132 km，该区域防洪设施分布情况见图5。

图5 北村水系流域现状防洪设施分布图

考虑到北村水系流域地处珠江三角洲中部区域，属于内陆河涌水系。由于该流域地势较为平坦，地形呈现出冲积平原区域。该水系共包含32条主干河涌，其中有11条河涌水环境质量未被监测，其余20多条河涌水质现状均得到检测记录。根据历史监测数据和实地调研结果，通过氨氮、总磷和COD这3个指标反映河道水环境状态。经过分析可知，北村水系流域中已经被监测的河涌水质均为劣V类，水环境中总磷和氨氮均超标，甚至部分河涌水质呈现出黑臭特点，因此急需对河道岸坡水环境进行综合治理。

为了从根源上降低水环境污染，北村水系流域流经的3个镇区已经设置多个污水提升泵站，具体分布情况见表1。

表1 北村水系污水提升泵站统计表

上述污水提升泵站的建立，一定程度上实现了污水处理，但是仅靠上述污水提升泵站明显无法满足河道岸坡水环境质量要求。在该区域运用本文所提出的综合治理方案，来验证该治理方法的应用效果。

2.2 水环境治理目标

根据南海区生态现状可知，北村水系的水环境综合治理目标的设计，需要从水环境改善和水生态修复两个入手。其中在水环境改善方面，将城镇生活污水、工业源污染物排放和工业废水排放的达标率均设置为95%以上。为了提升北村水系的水资源利用率，确保水环境改善后工业用水重复利用率达到80%，针对主干河涌中劣V类水体进行处理，消除劣V类水体。

河道水环境综合治理方法实施后，通过水体的变化实现水体自净能力的提高，达到提升北村水系流域健康状态的目的，再结合生态驳岸工程，恢复北村水系流域的生态系统。

2.3 治理方案

考虑到北村水系流域已经设置多个污水提升泵站，为了提升污水外源截留性能，在河道上游应用土工膜结合聚酯纤维膜，将隔膜安装在北村水系距岸边3 m的位置，完成水体隔膜导流，完成非溶解性污染物的有效拦截。

往年未处理的污水经过累积，引起河道底泥的内源污染。经过实地考察可知，该河道内淤泥深度1.0～1.6 m，为了在内源污染去除过程中，不影响水环境原始生态环境，在底泥上方0.2 m处进行淤泥清理。同时，为了保证河道岸坡的稳定性，在距离两侧岸坡3.0 m处设置两个清淤初始位置，河道清淤实际断面图见图6。

图6 河道清淤典型断面图

按照图6显示的清淤模式完成河道内源污染的初步治理，之后在剩余淤泥中添加生物酶，激活底泥微生物的活性，加强底泥自体治理能力。生态修复技术实施的重点在于水环境内动植物存活率。为了保证生态修复的顺利实施，采用多方位生态修复体系，在投放水生动植物之前安装超微净化设备，完成水体人工净化，净化前后河道水质变化见表2。

表2 人工净化措施实施前后河道对比

通过表2可知，经过人工净化有效改善了北村水系的水环境质量，作为后续生态修复的基础。通过分析该水系流域生态情况，通过抛洒的方式，向水环境中投放矮型苦草、伊乐藻等植物，形成多个植物群落。此外，投放一些鱼、螺、虾、水蚤等水生动物，形成鱼类群落、底栖动物群落以及浮游动物群落。通过水生动植物的投放，提升水环境水体自净能力，实现北村水系水环境综合治理。

2.4 治理效果分析

为了直观描述本文设计方案的治理效果，从2021年5月开始，进行为期7周的测试，记录综合治理方法实施后每周水质的COD、氨氮和总磷变化，明确北村水系水环境水质变化趋势，见图7。

图7 综合治理方法应用后水质变化趋势图

本文设计的治理方案实施后，北村水系流域的河道岸坡水环境得到良好改善，经过7周的治理，所有水系的水质均达到Ⅴ类标准。与初始水质相比，水质 COD从44.3 mg·L-1降低至22.1 mg·L-1。水环境中氨氮和总磷浓度从最初的4.6、1.1 mg·L-1降低到0.3、0.1 mg·L-1。综上所述，本文所提出的综合治理方法应用后，水环境的COD、氨氮和总磷浓度分别降低50.11%、96.487%与90.91%。

3 结 语

为了降低经济发展造成的负面环境影响，本文针对河道岸坡水环境问题，依托于生态修复技术设计一种新的治理方法。经过验证可知，所提出的方法应用后，有效降低了水环境中COD、氨氮和总磷浓度，提升了河道水质。虽然所提出方法的应用效果达到了预期目标，但研究时间较短，很多问题还没有得到有效解决。在今后的研究工作中，需要针对多个水体进行分析，实现原始数据的积累，提升综合治理方法的应用拓展性。