城市內(nèi)河黑臭治理補水及環(huán)境效益初探

郭曉濤 羅佳文 鐘良生 賴杜鋒

摘要：城市內(nèi)河水量主要來自降雨和沿岸排口的排水，缺乏長期穩(wěn)定的天然水源，因而在實施黑臭整治后往往會面臨河道旱季斷流、景觀功能喪失的困境。針對雨源型城市內(nèi)河，以株洲市建寧港為例，應用水文學、水力學等方法建立了河道黑臭治理補水量的計算模型，并采用環(huán)境容量法初步評估了補水工程實施前后的環(huán)境效益。結(jié)果表明：以污水廠再生水作為補水水源，建寧港補水總量約為1.91萬m3/d;補水后，河道水體污染物COD、氨氮和總磷的環(huán)境容量同步得到顯著提升。研究成果可為城市內(nèi)河黑臭治理后的河道補水量計算和實施效果評估提供借鑒與參考。

關 鍵 詞：生態(tài)補水; 黑臭河道; 環(huán)境效益; 城市內(nèi)河; 建寧港; 湖南省

中圖法分類號： X522 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.011

0 引 言

近20 a來，中國不斷加快城市建設進程，城鎮(zhèn)污水排放量逐年攀升。城市內(nèi)河長期作為城市污染的受納水體，近些年出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象的頻率愈來愈高[1-2]。與之相反，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，城市居民對城市河道的景觀環(huán)境、休閑娛樂等功能提出了更高的需求，日益期盼城市水環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善。為此，2015年《水污染防治行動計劃》頒布后，各地先后開展了多批城市黑臭水體整治工程。其中，由于部分城市內(nèi)河為人工開挖的明渠，河道底部及駁岸全部或部分實施了漿砌硬化[3]，已基本無自然匯水來源，這部分河道徑流量主要來自季節(jié)性降水及流域內(nèi)雨污排口的排水。當實施控源截污工程后，河道來水明顯減少，旱季斷流現(xiàn)象時有發(fā)生，因而面臨著水質(zhì)返黑返臭、河流景觀功能喪失、水生態(tài)退化等威脅[4]。

河道匯水源頭的缺失使河流旱季徑流量大幅減少，河流水動力條件顯著下降，復氧能力大大削弱，治理后的河流容易再次黑臭。因此，對這一類雨源型城市內(nèi)河進行補水，恢復其景觀生態(tài)功能，是保障黑臭水體治理效果的關鍵之一[5]。在國內(nèi)外河流治理實踐中，生態(tài)補水是必不可少的工程措施，比如，韓國清溪川和光州川通過實施上游引水來強化河流的生態(tài)功能[6]。英國遵循“最小可接受流量”的河道治理理念[7]。中國的深圳茅洲河流域水環(huán)境整治[8]、北京永定河治理[9]、遼河流域水環(huán)境治理[10]等河流治理范例，也將調(diào)水補水作為河流生態(tài)修復的重要手段。然而，當前對雨源型城市內(nèi)河生態(tài)補水的研究仍較少。

建寧港位于湖南省株洲市，發(fā)源于石子嶺，干流長為12.2 km，總流域面積為36.9 km2，是湘江的一級支流。建寧港流域所在區(qū)域地表開發(fā)程度較高，上游缺乏足量的天然補給水源，雨季旱季徑流量差異大，是典型的雨源型城市內(nèi)河。同時，作為城區(qū)的主要排水通道，建寧港長期接納片區(qū)的生活污水和工業(yè)廢水，現(xiàn)狀已惡化為黑臭水體。自2018年起，株洲市開展了建寧港黑臭水體綜合整治工程，通過采取控源截污、內(nèi)源治理、水系修復、植物生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建、活水循環(huán)等工程措施，力爭在規(guī)定期限內(nèi)消除建寧港黑臭水體。

本文以株洲市建寧港為例，著重介紹黑臭水體治理工程中雨源型城市內(nèi)河生態(tài)環(huán)境需水量的計算方法以及實施補水后環(huán)境效益的評估，以期為雨源型城市內(nèi)河黑臭治理后的保質(zhì)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

建寧港流域除建寧港主渠道外，還有10條支流水系，包括天臺支流、荷塘鋪水系、太陽水系、大坪路水系、電焊條水系、新屋街水系、果園支渠、三角叉水系、建寧新村水系、龍泉高排渠等。流域水系區(qū)位如圖1所示。

建寧港流域大部分水系位于城市建成區(qū)內(nèi)，現(xiàn)狀多為暗渠或人工明渠，渠化嚴重，旱季徑流量小，水流流速緩慢，水質(zhì)輕度黑臭，已基本喪失了生態(tài)自凈功能。水系主要特征參數(shù)如表1所列。

由于荷塘鋪水系、太陽支流等微小水系已納入其他工程實施范圍內(nèi)，因此，將本文研究對象限定為建寧港主渠及果園支渠。

2 河道生態(tài)環(huán)境需水量計算

河道生態(tài)環(huán)境需水量是指為了維持河流水生態(tài)系統(tǒng)平衡，使其具有最基本的水體自凈能力所需的最小徑流量，主要涵括了滿足河流生態(tài)基流、保持水體稀釋自凈能力的功能型需水量，以及參與蒸發(fā)、下滲等水文循環(huán)過程的消耗型需水量[11]。河道生態(tài)環(huán)境需水量的計算可為城市內(nèi)河黑臭水體整治補水量的確定提供設計依據(jù)，對鞏固雨源型城市內(nèi)河黑臭治理成果具有重要意義。

目前，河道生態(tài)環(huán)境需水量常用的計算方法可分為水文學法、水力學法、整體分析法和棲息地法四大類[12-13]。

水文學法是通過分析河流的歷史徑流量資料推導河道生態(tài)流量，主要采用水文指標對歷史流量數(shù)據(jù)進行設定，取河流平均徑流量的百分比來推算生態(tài)需水量，計算方法包括了蒙大拿法（Tennant）、景觀需水量法、年最小流量法、7Q10法、德克薩斯法（Texas）等。水文學法無需現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，所需資料相對較少，但未考慮河流幾何斷面、河道形態(tài)和水量季節(jié)性變化對河道需水量的影響，因而通常將其用來計算優(yōu)先度不高的河段需水量[14]。

水力學法認為，河流水生指示物種生存所需水量與維持河流生態(tài)系統(tǒng)平衡所需水量是一致的。因此可以通過采用河流寬度、流速等現(xiàn)場實測水力學數(shù)據(jù)，分析河流徑流量與水生生物棲息地指示因子的關系，并計算出保護水生生物棲息地的所需水量。典型方法有濕周法[15]、拐點法[16-17]等，這些方法比較適用于河床寬淺的河流。

整體分析法主要指南非的建筑堆塊法（BBM法）[13]，以維持河流的天然狀態(tài)為基本指導原則，對包括源頭、河道、駁岸、洪積平原、河口等整個河流生態(tài)系統(tǒng)的需水量進行評價，并將雨季流量、旱季流量、中小型洪水以及沖刷流量等納入考慮范圍。整體分析方法較為復雜。

棲息地法又稱棲息地定額法，其核心在于建立以河流生境為生存空間的生物物種在不同生命階段所利用的棲息地的空間變化與棲息地對應需水量之間的聯(lián)系。該方法要求對河流生態(tài)環(huán)境有充足的認識和清晰的管理目標，多用于比較權(quán)衡資源所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益與社會經(jīng)濟效益。

根據(jù)株洲市氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)，當?shù)貧庀笳緦崪y統(tǒng)計的多年平均蒸發(fā)量為1 369.8 mm/a。建寧港流域主渠水體面積約為7.68萬m2，果園支渠水體面積約為0.90萬m2，據(jù)此可計算得出建寧港流域主渠和果園支渠的多年平均蒸發(fā)量Wzf分別約為10.6萬m3/a和1.3萬m3/a，日均蒸發(fā)量分別為289 m3/d和34 m3/d。

2.2 河道下滲需水量

參考已有的研究資料[20]，對建寧港流域河道下滲量按全流域多年平均徑流量的1.5%計，則建寧港流域主渠和果園支渠的年下滲量Wsl分別為39.6萬m3/a和8.4萬m3/a，日下滲量分別為1 085 m3/d和228 m3/d。

2.3 河道生態(tài)基流量

綜上所述，將各分項需水量結(jié)果代入建寧港生態(tài)環(huán)境需水量計算模型，可得到建寧港流域主渠和果園支渠的河流補水量分別約為1.58萬m3/d和0.33萬m3/d，總補水量為1.91萬m3/d。計算結(jié)果如表5所列。

由表6可知：在控源截污、底泥疏浚等工程措施實施后，通過調(diào)用龍泉污水處理廠三期再生水對建寧港進行水量補給，可以有效提高建寧港主要水體污染物的水環(huán)境容量，COD從18.33 t/a增加至200.63 t/a，NH3-N從0.77 t/a增加至13.01 t/a，TP從0.08 t/a增加至1.35 t/a，分別增長了10倍之多。綜上所述，可認為建寧港再生水補給工程對提升建寧港河流水生態(tài)環(huán)境具有顯著的環(huán)境效益。

4 結(jié) 論

由于缺乏長期穩(wěn)定的天然水來源，雨源型城市內(nèi)河黑臭治理后往往面臨旱季斷流、返黑返臭的困境，生態(tài)補水是保障此類河流治理效果的關鍵。本文以株洲市建寧港水環(huán)境治理為例，應用水文學、水力學等方法建立了河道生態(tài)補水量計算模型，將蒸發(fā)水量、下滲水量以及生態(tài)基流量、景觀環(huán)境需水量、河流稀釋自凈水量等各項納入模型參數(shù)中。在河流考核斷面水質(zhì)達標前提下，以污水廠再生水作為補水水源，計算得建寧港補水總量約為1.91萬m3/d。

此外，本文采用環(huán)境容量法，初步分析了河流補水后的環(huán)境效益。通過建立河流一維模型，計算得生態(tài)補水后河流主要水質(zhì)指標COD、NH3-N和TP的污染物環(huán)境容量均得到顯著增加。實踐證明：控源截污、內(nèi)源治理以及面源污染控制措施仍是保障雨源型城市內(nèi)河再生水補給效果的前提條件。

建寧港作為雨源型城市內(nèi)河的典型代表，其河道生態(tài)補水量計算模型和補水環(huán)境效益評估方法對其他同類型河流具有較好的借鑒意義。但仍存在一些需要改進的地方，包括面源污染的量化、雨季排口溢流污染對河流治理效果的影響等。

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（編輯：趙秋云）