城市河網(wǎng)水環(huán)境綜合治理的關(guān)鍵技術(shù)集成研究

文／胡榕 安徽水安建設(shè)集團股份有限公司 安徽合肥 230000

引言：

河流生態(tài)系統(tǒng)作為地球上最早和最具活力的生態(tài)體系，具有一套天然的、高度精煉的自凈機制。這一機制的基石是河流生態(tài)系統(tǒng)中的生物群體，它們各自扮演著生產(chǎn)者、消費者和分解者的角色。生產(chǎn)者：主要由光合作用的植物、藻類和某些細菌組成。他們通過轉(zhuǎn)化太陽能和吸收溶解在水中的無機物質(zhì)，產(chǎn)生生物質(zhì)，為河流生態(tài)系統(tǒng)提供食物和能量；消費者：如魚類、昆蟲和甲殼動物等，他們通過捕食生產(chǎn)者或其他消費者來獲取能量，維持其生活活動，同時也參與物質(zhì)的再次循環(huán)；分解者：主要是各種分解細菌和真菌，他們對死去的生物組織進行分解，釋放出有機物質(zhì)，使其再次回到生態(tài)系統(tǒng)中。三者之間形成了一個相互依存、平衡發(fā)展的食物鏈，為河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康提供了保障。隨著近年來人工智能和生物工程技術(shù)的融合，城市河流水環(huán)境治理的核心技術(shù)也在不斷地進行創(chuàng)新和完善。

1.城市河流水質(zhì)污染的影響

河流水質(zhì)受到的主要污染因子包括石油類、氨氮（NH3-N）以及化學(xué)需氧量（COD）。城市的繁榮與河流是緊密相連的，許多全球知名的城市都是依賴河流而發(fā)展起來的，如倫敦靠泰晤士河、紐約沿著哈德遜河、上海沿蘇州河而成。統(tǒng)計顯示，我國44 條經(jīng)過大中城市的河流中，有許多河流的水質(zhì)污染情況堪憂，近一半的主要水源都未能達到供水標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)濟越發(fā)展的城市，其水質(zhì)污染問題往往更加突出，尤其是人口高度密集的都市區(qū)，其污染負擔(dān)更重。工業(yè)污染不斷加劇，加之雨水徑流，導(dǎo)致眾多城市河流呈現(xiàn)黑臭，主要污染物濃度超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2.城市河流水質(zhì)整治的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 河底淤泥清除

在城市中心區(qū)域，城市河流常被高樓群環(huán)繞，受到空間限制，并且河道深淺不一，許多河段難以容納大型船只。因此，淤泥清除已成為城市河流水質(zhì)整治的首要任務(wù)，并需有明確的科學(xué)規(guī)劃。河底淤泥的處理分為兩個主要階段：建設(shè)期間的淤泥處理和運營期的淤泥管理。根據(jù)河道的具體條件，可以采取相應(yīng)的淤泥清除方法。

對于狹窄或淺水的河段，可以采用分段圍堰的方式進行淤泥清除。這種方法的原理是在河段的一定區(qū)域內(nèi)建造圍堰，將該區(qū)域內(nèi)的水排干，然后使用人力和機械清除淤泥。在清除過程中，可以使用離心脫水方法對淤泥進行現(xiàn)場固化，使其成為一種穩(wěn)定的土方，便于運輸和處置。

而對于較寬或深水的河段，可以使用絞吸船將淤泥通過浮管傳送至固化處理工廠進行固化處理。絞吸船是一種專門用于疏浚和挖泥的設(shè)備，它能夠利用絞刀將淤泥絞松，然后通過吸管將淤泥吸出。通過這種方式，可以高效地清除河底的淤泥。

在固化處理工廠中，淤泥經(jīng)過一系列的物理和化學(xué)處理，使其含水量降至60%至70%左右。這個含水量水平可以確保堆放的淤泥不會滲水，運輸過程中也不會泄露，從而減少對環(huán)境的污染。同時，經(jīng)過處理的淤泥還可以被用于其他建設(shè)用途，如填方、路基等，實現(xiàn)資源回收和利用。

總的來說，對于狹窄或淺水的河段，分段圍堰結(jié)合離心脫水是一種有效的淤泥處理方法；而對于較寬或深水的河段，使用絞吸船將淤泥傳送至固化處理工廠進行固化處理是一種更為適合的方法。無論采用哪種方法，都需要確保淤泥處理后的質(zhì)量和環(huán)境安全性，以實現(xiàn)河流生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善[2]。

2.2 沉水植被凈化技術(shù)

沉水植被技術(shù)是基于水生植物的凈化能力而設(shè)計的創(chuàng)新方法。該技術(shù)能有效地去除河流底部的磷、氮等有害物質(zhì)，從而改善水體的生態(tài)環(huán)境。然而，水生植物對其生存環(huán)境的要求較為嚴格，例如對光照和溫度有明確的需求。一旦超出其生長的適宜范圍，植物可能會死亡。因此，在利用沉水植被進行水體凈化之前，需要先進行水質(zhì)分析，并綜合評估各種環(huán)境因子，以確保選擇最適合的水生植物種類。

2.3 植物化生態(tài)溝渠

雨水在初期往往攜帶高濃度的污染物。通過雨水管網(wǎng)與市政管網(wǎng)的連接，設(shè)立溢流井，可將初期的高污染雨水引導(dǎo)至污水管中，而過量雨水則會溢出至河流中。植物化生態(tài)溝渠技術(shù)是為了減少和避免這些徑流污染物直接進入水體。

所謂植物化生態(tài)溝渠，即在地面淺溝內(nèi)種植特定植被，借助重力將雨水流經(jīng)這些溝渠。當(dāng)雨水流過這些植物溝渠時，經(jīng)過沉淀、過濾、滲透、吸收和生物降解等多種作用，雨水中的污染物得到有效處理。選擇生長迅速、有特定凈化效果的植物是關(guān)鍵，例如蘆葦和蓮藕。這些植物不僅能有效阻隔泥沙，減少其再懸浮，還能大量吸收水中的營養(yǎng)物質(zhì)，如此，有助于水質(zhì)的進一步凈化。

2.4 人工濕地技術(shù)

人工濕地技術(shù)為城市污水處理提供了一種綠色、持久的解決方案。在濕地的入口處，通過配置生物質(zhì)添加渠，利用水中的生物質(zhì)和根莖等有機物發(fā)酵產(chǎn)生酸，為反硝化過程提供所需的碳源。這種策略解決了城市污水處理廠在反硝化過程中碳源供給的問題，簡化了生物處理流程。

此外，通過采用新型復(fù)合填料創(chuàng)建的離子互換-生物再生系統(tǒng)，可以有效吸附水體中的磷、氮等污染物。當(dāng)城市污水處理廠的出水質(zhì)量達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）的一級A 標(biāo)準(zhǔn)后，使其在人工濕地中停留4 天，其水質(zhì)可進一步優(yōu)化，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）的Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。為了進一步處理這些尾水，可在河網(wǎng)水體旁邊設(shè)置水平潛流型人工濕地，既提供了美觀的景觀，又實現(xiàn)了水質(zhì)的有效凈化。

3.城市河網(wǎng)水環(huán)境的綜合治理策略與技術(shù)整合

水環(huán)境的綜合治理不僅需要多角度的策略，而且必須確保這些策略能夠協(xié)同工作，確保資源的有效利用并實現(xiàn)污染控制的目標(biāo)。從對全球不同地區(qū)的水環(huán)境治理研究和實際工程經(jīng)驗中，可以提煉出一套適應(yīng)我國城市河網(wǎng)水污染特性的綜合治理策略。如圖1 所示，這套策略集成了各種先進技術(shù)和方法，確保了水質(zhì)的持續(xù)改善和資源的高效利用。這不僅滿足了環(huán)境保護的要求，還為城市發(fā)展和居民生活帶來了實際益處[3]。

針對城市河網(wǎng)的水環(huán)境綜合治理，與傳統(tǒng)的簡單方法相比，現(xiàn)代綜合治理模式主要展現(xiàn)了以下三大明顯優(yōu)勢：（1）源頭控制與系統(tǒng)優(yōu)化：現(xiàn)代治理模式注重整合技術(shù)和手段，如駁岸改造、構(gòu)建海綿城市等，這些都是旨在從源頭上控制和減少污染的措施。通過優(yōu)化城市的排水系統(tǒng)并及時處理污染物排放口，治理模式確保污染物排放量和濃度的大幅度降低。（2）生態(tài)導(dǎo)向的恢復(fù)：這種方法強調(diào)模擬和利用自然機制進行河流修復(fù)。通過曝氣和增氧，激活河流中的微生物群落，再結(jié)合引入各種水生植物和動物，助力建立一個健康的生態(tài)系統(tǒng)。這不僅有助于恢復(fù)河流的自凈能力，還為周邊環(huán)境提供了豐富的生物多樣性。（3）持續(xù)的監(jiān)管與管理：對于任何治理方案來說，僅僅實施一次性的解決方案是遠遠不夠的。綜合治理模式強調(diào)了持續(xù)的后期管理，確保通過定期的檢查、維護和更新來持續(xù)提高河流水質(zhì)，為城市和居民創(chuàng)造一個長久、健康的生活環(huán)境。

3.1 源頭管理策略

污染源的主要類別包括點源、面源和內(nèi)源。對于這些不同的污染類型，都必須采用適當(dāng)?shù)墓芾砗吞幚聿呗?。點源污染主要來自于特定的固定位置，如排水管道。當(dāng)上游排水系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可能會導(dǎo)致雨水與污水混合，進而污染河流。為了解決這一問題，需要重新設(shè)計并優(yōu)化排水系統(tǒng)，增加隔離設(shè)備以確保污水不流入河流。

面源污染主要涉及雨水?dāng)y帶的污染物。在雨季初期，雨水中的污染物濃度特別高。為了處理這種情況，可以考慮建立生態(tài)駁岸或采用海綿城市技術(shù)，這樣可以在雨水流入河流之前先進行收集和凈化。

內(nèi)源污染是由于長時間的沉淀和堆積導(dǎo)致河流底部的污染物積累。這些沉淀物可能會引起水質(zhì)的二次污染。為了應(yīng)對這種情況，可以采用機械式的清淤技術(shù)或者進行生態(tài)底泥修復(fù)，以減少這些沉淀物并降低其對河流環(huán)境的潛在威脅。

3.2 人工凈化工程

首先是調(diào)整水流方案。通過調(diào)節(jié)水流，可以將河道中的污染物導(dǎo)入下游，從而在一定程度上減輕特定區(qū)域的污染。但這種方法可能會向下游地區(qū)轉(zhuǎn)移污染，因此在實際應(yīng)用中需要謹慎考慮。

其次，考慮到污水中的溶解氧濃度往往偏低，這會妨礙微生物分解污染物，因此增氧變得尤為重要。可以通過各種方法，如射流曝氣、噴泉曝氣和微孔曝氣來增加水中的溶解氧含量，從而加速污染物的分解。

最后，利用原生生物活化技術(shù)也是一種有效的策略?？紤]到本地微生物對河流的污染影響相對較小，通過活化這些微生物可以促使它們分解污染物。此外，這種方法還有助于恢復(fù)和平衡河流的生態(tài)環(huán)境。

3.3 生境構(gòu)建與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)

生態(tài)重建和生境構(gòu)建是關(guān)鍵步驟，以恢復(fù)河流的生態(tài)平衡并增強其自凈功能。在對河流進行翻新和修復(fù)時，注重生態(tài)平衡的維護至關(guān)重要，因為它直接影響到水質(zhì)的提升。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，可以考慮在污染的水域內(nèi)建立各種水生植物群落，例如挺水植物、浮水植物和沉水植物。這些植物可以幫助吸收污染物，從而提高水質(zhì)，減少富營養(yǎng)化，并促進整體生態(tài)系統(tǒng)的健康和平衡。其中，沉水植物在整個生態(tài)恢復(fù)過程中扮演著核心角色，而濕地植物則有助于逐步重建和穩(wěn)定水域的生態(tài)環(huán)境。

4.案例分析

以某城市河流為例，該河流長達6.5km，河流經(jīng)歷了嚴重的污染。這條河流穿越一個面積為15.6km2的流域，其水深在2～3m 之間。由于污染的影響，水體的透明度僅為0.31m，水質(zhì)已經(jīng)達到了黑臭水體的程度，嚴重影響了河流的生態(tài)環(huán)境。經(jīng)過樣品測試，化學(xué)需氧量（COD）為85.6mg/L，總磷（TP）為3.4mg/L，氨氮（NH3-N）為4.54mg/L，溶解氧（DO）為0.85mg/L。所有這些讀數(shù)都未能達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）的第五類水標(biāo)準(zhǔn)。為了解決這個問題并提高河流的水質(zhì)，當(dāng)?shù)貨Q定采用以生態(tài)修復(fù)為主導(dǎo)的綜合治理策略，并迅速開始了修復(fù)工程[4]。

4.1 集成技術(shù)綜合治理

4.1.1 封閉或生物圍護的方法

這種措施通過構(gòu)建物理屏障或使用特殊的生物膜技術(shù)，來防止污水和管道中的淤積物進入河流。這種方法可以從源頭上減少污染，避免污水對河流生態(tài)系統(tǒng)造成損害。實施這種措施時，考慮到周圍環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施的要求，確保措施的有效性和可行性。

4.1.2 優(yōu)化排水系統(tǒng)

優(yōu)化排水系統(tǒng)改善排水設(shè)施，確保雨水和污水分流，并增強對積累淤泥的清理。通過改造現(xiàn)有的排水系統(tǒng)，設(shè)計新的排水系統(tǒng)來實現(xiàn)。在實施這種措施時，考慮排水系統(tǒng)的容量、排水效率、耐久性和環(huán)境影響等因素。優(yōu)化排水系統(tǒng)可以有效地防止污水積聚在河流中，減少對水質(zhì)的污染。

4.1.3 沿河建立生態(tài)坡

結(jié)合海綿城市的概念，建立生態(tài)坡可以減少河流中的污染物，同時增強河流的自凈能力。生態(tài)坡是由植物、土壤和微生物組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，可以減緩水流速度，促進水體凈化。在建立生態(tài)坡時，需要考慮地形、土壤類型、氣候和植物群落等因素，以確保生態(tài)坡的穩(wěn)定性和生態(tài)多樣性。

4.1.4 上游地區(qū)建立生態(tài)凈化屏障

考慮地形、水文、氣候和生態(tài)等多種因素，采用生態(tài)凈化屏障污染控制措施，可以進一步降低污染，確保河流的正常流動。生態(tài)凈化屏障位于河流的上游地區(qū)，由一系列生物和物理設(shè)施組成，可以去除水體中的有害物質(zhì)。實施這種措施確保其有效性和可持續(xù)性。

在處理已經(jīng)沉積在河床上的內(nèi)部污染時，采用清淤和生態(tài)降解的策略。包括將有害的淤泥去除或轉(zhuǎn)化，以減少其對水質(zhì)的負面影響。實施各種水質(zhì)改善措施，如增設(shè)噴泉曝氣設(shè)備，激活本地微生物和建立水生植物群落。這些措施旨在逐漸修復(fù)水域生態(tài)，提高河流的自凈功能，并達到凈化水質(zhì)的效果[5]。

在河流生態(tài)逐漸恢復(fù)的過程中，建立定期巡查的制度。包括強化河流的管理，嚴格禁止非法排放污水，及時清除河道中的垃圾，確保河面干凈。不僅可以保持河流水質(zhì)的改善效果，還可以確保水質(zhì)持續(xù)處于良好狀態(tài)。總的來說，治理一條河流需要從多個方面入手，包括控制污染源、處理內(nèi)部和外部污染、實施水質(zhì)改善措施以及建立定期巡查制度。只有綜合運用這些方法，才能有效地恢復(fù)河流生態(tài)，提高水質(zhì)，確保河流的健康和持久流動。

4.2 水質(zhì)檢測

經(jīng)過一系列的污染控制、生態(tài)修復(fù)和增強自凈功能的措施，河流的水質(zhì)明顯得到提升，逐漸展現(xiàn)出生態(tài)修復(fù)的新面貌。對比治理前后的數(shù)據(jù)，COD、NH3-N 和TP的減少率分別達到了62.22%、55.31%和88.07%。檢測結(jié)果如表1 所示。

表1 水質(zhì)檢測結(jié)果

治理后的結(jié)果顯示，各種水質(zhì)參數(shù)都有所進步。DO 濃度穩(wěn)定在 7.69mg/L，而水的透明度增加到了至少1.2m，使河流變得清晰可見。經(jīng)過這些改善，河流的水質(zhì)已經(jīng)滿足了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的V 類標(biāo)準(zhǔn)。

為達到這樣的效果，治理策略主要側(cè)重于初步加強污染源的控制和截止污染物的流入。這些措施減少了污染物的釋放。另外，通過微孔曝氣技術(shù)、激活河流中的本地微生物和建立水生態(tài)系統(tǒng)，河流的自凈功能得到了增強，從而確保了河流水質(zhì)的長期穩(wěn)定。

結(jié)語：

城市河流水環(huán)境的治理面臨著眾多挑戰(zhàn)，要求多技術(shù)、多策略的綜合應(yīng)用。諸如底泥疏通、水下森林建設(shè)、植物淺溝設(shè)施及人工濕地等技術(shù)都是對于城市河流水環(huán)境綜合治理不可或缺的手段。這些技術(shù)旨在降低河流內(nèi)部的污染負荷，提升污水處理設(shè)施的出水水質(zhì)，并有助于恢復(fù)和增強河流的生態(tài)功能。

展望未來，河流水環(huán)境的綜合治理將越來越多地依賴于跨學(xué)科的知識。這涉及到環(huán)境科學(xué)、水動力學(xué)、生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)等多個領(lǐng)域的合作和研究。通過這種綜合策略，我們不僅可以更全面地恢復(fù)河流的生態(tài)健康，還能為我國生態(tài)文明建設(shè)注入強大的動力。