城市高度建成區河道生態補水治理方案研究

史 貴 君，仝 曉 輝，汪 銀 龍，劉 曉 寧，張 永 宜

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 2.西安中交環境工程有限公司，陜西 西安 710065)

隨著城市的發展，人類對自然資源進行了大量的改造和開采，自然環境功能逐漸退化，城市環境已遠遠超過了它的環境容量與環境承載力。城市環境惡化中最為嚴重的就是水環境污染，水環境污染使得生態自然功能明顯下降[1-3]。在城市高度建成區中，多數河道接收居民及工業排放的污水，此類河流徑流量較小，河道水體主要依靠城區的降雨，降雨能增大河道徑流，無雨則斷流干枯，河道水體環境容量小、生態較脆弱[4]。河道水體流量不足往往會引起復氧和生態功能下降，導致水體黑臭，大大地降低了河道的生態功能[5]。

生態補水是治理城市黑臭水體的關鍵，許多河流通過生態補水進行河道生態治理修復。如英國將“最小可接受流量”作為河道生態補水總則，并通過最小流量生態補水治理了許多河流，韓國清溪川通過生態補水修復了河道生態功能[6]；國內也有許多生態補水治理河流的成功案例，如利用巢湖水對城市景觀河道進行生態補水[7]、福州市臺江區內河補水工程[8]、北京永定河生態補水工程[9]等。大量城市河道治理的成功案例表明，河道補水是城市水體污染治理的關鍵，是河道水質的長效保障措施[10]。然而，針對城市高度建成區河道生態補水的研究還相對較少。

本文以鐵崗水庫排洪河(鐵排河)生態補水工程作為城市高度建成區河道治理修復的典型案例，以河道生態功能恢復為目標，因勢利導，根據河道生態環境需水量、水質等指標，提出鐵排河生態補水方案，以期為城市高度建成區河道的水體治理提供借鑒。

1 研究區概況

1.1 流域概況

鐵排河位于深圳市西部的寶安區境內，處于城市高度建成區中，整個區域河流多而復雜(見圖1)。河道以鐵崗水庫為起始，匯入珠江，河長8.05 km，河道流域總面積115.56 km2，上游水庫總控制面積108 km2。河道上游地勢東高西低，堤岸地面高程4.5～15.5 m，河床高程0.80～8.12 m，河寬10～15 m，河堤內地形平坦、起伏較小，多為直立漿砌石擋墻；河道下游屬于海積平原地貌，地勢東高西低，堤岸地面高程2.5～4.5 m，河床高程-0.5～0.8 m，河寬約20 m，河堤內地形平坦、起伏較小，多為復式斷面堤岸。

鐵排河缺乏自然水源補給，豐水期河道水源主要來自流域內降雨徑流，枯水期河道基流較小，甚至斷流。鐵排河作為城區的主要排污通道，大量污水及垃圾排入河道，造成水環境嚴重惡化、水體重度黑臭。2017年起，深圳市開展了鐵排河水環境綜合整治工程，通過實施雨污分流、控源截污、生態補水及生態修復等措施，較大程度解決了水體污染問題。

圖1 鐵排河示意

1.2 水功能區及水質現狀

根據《深圳市水功能區劃報告》，鐵排河流域內涉及兩處水功能區，河道上游涉及鐵崗水庫水資源保護區，水質目標為Ⅲ類；河道終點為珠江河流，水質目標為V類。根據深圳市寶安區2015～2016年各季度的河流水質監測資料，鐵排河現狀水質污染非常嚴重，水質屬于劣Ⅴ類，其中COD、BOD5、NH3-N及TP含量分別是地表Ⅴ類水標準的2.7,4.0,14.5倍及6.5倍，而溶解氧不足Ⅴ類水標準的1/6(見表1)。河道水體呈墨綠色；中游在城區漏排口的影響下，水體逐漸變為黃褐色且局部有黑色浮泥；下游及河口水質較差?？傮w來看，水體基本處于黑臭狀態且表面有大量浮渣等污染物。

表1 2015～2016年各季度鐵排河流水體水質指標

2 生態環境需水量及補水來源分析

2.1 生態環境需水量預測

根據相關研究，影響河流生態環境需水量的因素主要有河流形態、流域狀況及外部環境等。因此，綜合考慮鐵排河的河道環境現狀、沿岸排水情況以及集水區的劃分，將河段分為兩段：鐵排河上游(鐵崗水庫至寶安大道段)和下游(寶安大道至入珠江口段)，其中下游主要為感潮河段，受珠江河水頂托現象嚴重。鐵排河上、下河道信息見表2。

表2 鐵排河上、下游河道特征信息

生態補水量的預測是河道補水的基礎數據支撐。根據鐵排河的污染現狀，提出其生態補水量主要包含兩個方面：① 河道生態環境修復及景觀環境需水量；② 河道水體的蒸發及下滲等方面的需水量。河道總需水量[11]計算如下：

Q=max{Qb，Qe}+Qv+Qp

(1)

式中，Qb為基本生態需水量，其中Qb=λQ(λ為河道徑流系數，Q為河道徑流量)，采用水文學Tennant法計算河道基本生態需水量[12]，水體生物最低需水量為徑流量的30%。Qe為景觀環境需水量，借鑒景觀工程補水量方法計算。Qv為蒸發需水量，其中Qv=A(E-P)，E>P；Qv=0，E

鐵排河沿岸已全面截污且沒有自然水源，河道基本喪失生態及自凈功能。因此本研究基于鐵排河現狀，考慮將生態系統重建與自然凈化能力恢復作為河道整治遠期目標。綜合考慮補水水質及河道水力停留時間，根據景觀環境需水量計算方法[14]，以及GB/T 18921-2002 《城鎮污水再生利用的景觀環境用水水質》相關規定，最終確定再生水與雨水的停留時間為2 d和4 d。據式(1)和表2河道信息計算鐵排河上、下游河段不同條件下的需水量,計算結果見表3。

表3 鐵排河上、下游河段生態環境需水量

由表3可知，鐵排河上游需水約為1.589萬m3/d，下游需水約為2.516萬m3/d。上游補水量較小，主要是因為河道較窄，兩岸均為垂直硬質駁岸，只有河底部分為自然河道，其生態需水量相對較低；下游河道性質與上游剛好相反，其河道較為寬敞，兩岸以草坡為主的自然河道，自然系統較為完善，生態需水量則相對較多。根據上、下游兩段河道的生態、景觀需水量的預測，對河道進行全面生態補水。

2.2 補水來源分析

近年來，已有學者對污水再生水、雨水的回用做了大量研究，為河流的生態補水工程提供了有效的科學依據[15]。因鐵排河處于城市高度建成區中，所以水資源非常寶貴，根據流域內氣候、地理及排水狀況，在以鐵崗水庫最小下泄流量為基礎的前提下，以固戍污水廠再生水及流域降雨作為河道生態補水水源。

2.2.1鐵崗水庫下泄流量分析

鐵崗水庫位于深圳高度建成區中，根據濕地調查，下游沒有農業用地，兩岸居民用水主要以城市給水廠供水為主，沿岸無其他用水。因此，最小下泄流量分析不再考慮灌溉及居民用水需求。

本文采用水文學Tennant法計算最小下泄流量，取多年平均流量的10%作為最小生態流量。統計分析鐵崗水庫水文站流量資料，得到鐵排河年平均流量系列，計算出多年平均流量的10%約為0.14 m3/s，即日下泄量為1.2萬/m3。

2.2.2再生水補水潛力分析

根據《深圳市寶安區再生水利用工程規劃》(2008～2020)，固戍污水處理廠再生水近期規模為10.0萬m3/d，遠期規模為20.0萬m3/d，目前，再生水主要用于咸水涌西鄉河2條河流的景觀用水與西鄉街道、新安街道的市政雜用、工業回用，有富余。固戍污水廠深度處理設施及提升泵站均已建成，設計規模為24萬m3/d，現狀旱季再生水約15萬～18萬m3/d，通過泵站提升西鄉河的總量僅有10萬～11萬m3/d，仍有4萬～7萬m3/d再生水直接排入海。因此，再生水資源充足，可滿足鐵排河的生態環境需水量。

2.2.3雨水補水潛力分析

鐵排河流域經雨污分流整治后，目前流域內形成了100%的分流體制，為雨水的收集利用提供了良好條件。河道流域總匯水面積為116.30 km2，上游匯水面積為79.54 km2，下游匯水面積為36.76 km2，具有較大的雨水資源利用的潛力。雨水潛力資源量計算如下[16]：

Q=SHφαk

(2)

式中，Q為雨水資源量，萬m3；S為匯水面積，km2；H為設計降雨量，mm；φ為綜合徑流系數，取0.67；α為季節折減系數，取0.85；k為初雨水棄流系數，取0.87[17]。

由于深圳市降雨主要集中在汛期，其中3～9月降水量占全年降水量的80.0%，因此計算只考慮3～9月份。另外，本研究以鐵崗水庫實測降雨量資料為準，選取近10 a月平均降雨量作為設計降雨量H，根據式(2)計算的雨水資源量如圖2所示。

由圖2可知，在不同月份內，鐵排河流域內雨水資源量差異較大，雨水量主要集中在6，7，8三個月內，這3個月的上游雨水量滿足基本生態用水，但不滿足水環境的需水量；在所有月份中，下游的雨水量最高為0.703萬m3/d，低于基本生態需水量。因此，鐵排河需要常態補水，才能滿足河道生態用水需求。

圖2 鐵排河上、下游河段雨水資源量

3 補水方案設計

根據對鐵排河生態環境需水量、流域的污水廠再生水及雨水資源的潛力分析,可知河道需水量較大，雨水資源較少，不能夠完全滿足生態需水，但固戍污水廠的再生水資源潛力較大，完全可以滿足鐵排河生態補水。即在以鐵崗水庫最小下泄量為基礎的前提下，總體補水來源為固戍污水處理廠再生水與流域降雨(見表4)，具體補水方案包括：

(1)以鐵崗水庫最小下泄生態水量為基礎，將河道上、下游流域內雨水量及固戍污水廠的再生水作為生態環境需水的補水來源，且再生水為常態水源。

(2)為保證下泄生態流量，需在鐵崗水庫擋水壩內死水位以下1 m處設置下泄流量放水管。此外，還應在放水管出水處安裝一套在線計量及視頻監控設施，用于監控下泄流量情況，以維持和保障河段的生態用水。

(3)河道上游雨水資源較充足，所以主要以雨水作為生態補水，固戍污水廠再生水作為河道常態補水。利用現狀已鋪設到西鄉河的廣深高速橋下的DN1200補水管，從該管道末端西北向新鋪設一條長為845 m的DN600管，至鐵崗水庫排洪河的溢洪道分洪閘下，在河道上游提供生態補水。

(4)河道下游雨水資源較少，補水來源主要為固戍污水廠再生水。利用寶安大道現有DN1200補水管道，從寶安大道補水管開始新建一條長為780 m的DN600管，至河道下游形成常態補水系統(見圖3)。

圖3 鐵排河生態補水方案

表4 鐵排河生態環境補水方案

4 方案分析

4.1 補水水源水質水量分析

在鐵排河補水設計方案中，補水水質、水量的保障是工程的關鍵。根據鐵排河現狀及可利用水源分析，其補水來源主要為水庫下泄水量、自然降雨和固戍污水廠的再生水，其中雨水作為間歇水源，下泄水量與固戍污水處理廠再生水作為常態水源。另外，鐵排河處于城市中心，自身缺乏水質凈化功能，補水水質將直接影響河道生態功能的修復。固戍污水處理廠再生水和匯水區徑流污染應作為污染削減的重點對象。因此，補水方案應對水源采取相應的水質改善措施，保障河道補水水質達標。

4.1.1鐵崗水庫水質水量分析

鐵崗水庫正常蓄水位28.7 m，相應庫容9 400萬m3，設計水位28.80 m(100 a一遇)，對應庫容9 570萬m3；校核洪水位29.29 m(2 000 a一遇)，總庫容為9 950 萬m3。水庫以防洪、調蓄、供水為主，是深圳市供水網絡干線工程的終端水庫，其庫容量較大，水量充足，可以為鐵排河不間斷地提供下泄生態需水。另外鐵崗水庫作為一級保護水源地，目前水質為地表Ⅲ類水，各水質指標均滿足河道補水要求(Ⅴ類)，可以直接排入河道作為生態需水。

4.1.2固戍污水廠再生水水質水量分析

固戍污水處理廠采用GB 18918-2002 《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，尾水中污染物濃度高于地表水Ⅴ類標準，COD、總氮及氨氮均超出標準的15%,30%及45%(見表5)。直接作為水源補水會加重河流污染，不利于河道水環境生態功能的恢復與提升，污水廠尾水需要進行深度處理。因此，固戍污水處理廠對其尾水經深度處理達到再生水標準后再進行排放利用。

經深度處理的再生水含有較低的污染物濃度，多數指標滿足地表水Ⅴ類標準，但氮、磷營養鹽指標仍然較高，再加上內源污染的影響，河道排入再生水仍然有輕度富營養化風險；另外，再生水中含有的重金屬其他微量污染物等會在長期補給過程中不斷積累，最終威脅水生生物及水環境系統[18]。因此，需在河流中采取一定的措施，對再生水進行進一步凈化。例如，補水以跌水的形式進入河流，不僅能增加水體形態，而且能提高河流水動力和水體溶解氧含量；建設生態礫石床與植物碎石床對水質進行凈化；適量投放本土優勢水生生物及河底水下森林的建設，既能形成完善的生態系統又可以降低富營養化和重金屬污染風險，以此來減小再生水對河流生態系統的負面影響，加強河道水環境生態的穩定性[19]。

表5 固戍污水處理廠尾水水質指標

4.1.3流域內雨水水質水量分析

利用雨水進行河道補水，最重要的是解決雨水水質水量的問題。降雨形成的徑流會對地表污染物進行沖刷，經沖刷的污染物會隨著徑流匯入到河流，對水體造成污染[20]。根據相關規范要求，用于生態補水的雨水中COD和SS的含量應不超過30 mg/L和10 ml/L，因此對進入河流的雨水實施相應的水質改善措施。已有文獻表明，徑流污染物濃度主要集中在初期雨水中，但隨著降雨過程的推移，污染物濃度逐漸降低，降雨后期徑流水質逐步趨于穩定[21-23]。因此，雨水補水方案采取初雨棄流及調蓄凈化等措施，以確保雨水符合生態補水水質要求。首先，在雨水管網末端設置初雨棄流裝置，將初期雨水收集并排到市政排水管網中進行最終處理。根據GB 50014-2006 《室外排水設計規范》中雨水調蓄量規定，該方案將調蓄設計降雨量定為4 mm。其次，為保證入河雨水的水質，雨水經歷生態凈化后進行補水。包括生態過濾、雨水花園及生態礫石床等一體化水質深度凈化系統(見圖4)，該生態系統通過過濾、吸附及生物膜處理等措施，對雨水中的泥沙顆粒、有機污染物和無機鹽進行了深度處理凈化。

圖4 鐵排河雨水生態凈化工藝流程

鐵排河上游位于深圳市高度建成區中，建筑密集，可利用空間較小，不利于采用生態處理設施，故采用占地面積較小的初雨水集水池調蓄以及物化技術改善水質，依據GB 50400-2016 《建筑與小區雨水控制及利用工程技術規范》，雨水處理采用的工藝為：初雨棄流池沉淀過濾補水。另外，上游部分河段岸線可利用空間不足5 m，且多為硬質河岸，不利于調蓄池建設，因此對該區域采用初雨棄流和后期雨水原位利用等措施，從而解決雨水徑流入河污染水體的問題。

4.2 補水方案工程技術分析

鐵排河流經深圳寶安城市中心，河流沿岸均為居民、商業及工業區域，整體水環境整治難度較大。補水方案設計遵循“少開挖、少擾民、高效率、高質量”的原則，確保工程如期保質保量完成。為此進行了以下幾方面工程措施：① 保證下泄生態流量，在少開挖的前提下，以頂管的形式下放壓力管，并安裝在線計量及視頻監控設施，確保下泄生態流量，維持和保障河段的生態用水。② 上游及下游的污水廠再生水補水均遵循“就近原則”，分別以西鄉河和寶安大道補水管為基礎，新建壓力水管進行補水。③ 降雨作為間歇性水源，初雨水質較差，首先進行調蓄池蓄水，然后通過生態植草溝、生態礫石床等措施進行處理，最終排入到河道進行補水。根據計算及現場調研，3種補水水量和能夠滿足鐵排河生態環境需水。

5 河道水環境治理效果分析

5.1 河道水質大幅改善

通過控源截污、清淤疏浚及生態補水三大工程綜合治理后，鐵排河河道水體水質得到了極大改善。河道全線的雨污分流及截污措施，阻礙了外源對河道的污染；清淤根治了河道內源污染；生態補水則提高了水體動力，大幅改善了水體水質。根據2019年7月的日水質監測數據知，河道水體溶解氧(DO)含量處于7～8 mg/L之間，平均為7.45 mg/L，遠遠超過Ⅴ類水質標準，另外NH3-N≤2 mg/L，COD≤20 mg/L，TN≤15 mg/L，均達到了地表Ⅴ類水質標準(見圖5)。整體來看，河道水質較好，符合城市河流入海水質標準(Ⅴ類)，河道水體可以直接排放入到珠江。

圖5 2019年7月河道水體DO,COD,TN及NH3-N日含量變化

5.2 河道生態修復與功能強化

河道的常態補水為生態環境、景觀提供了永久的水源，有利于河道生態功能的恢復[24]。鐵排河河道主要采取岸線控源截污、底泥疏浚及生態補水等措施，改善了水環境和強化河道的生態自凈功能。在復式斷面河道段，通過人為種植技術，以當地水生植物為主，合理配置分層植物栽植，形成有效的水底森林，修復并健全垂直水生植物群落，構建多元植被緩沖帶來進一步凈化河流水質在直立硬化河段。岸邊增設了硬質護岸砌塊，并在砌塊中種植適量植物，包括紫花馬櫻丹、勒杜鵑、滿天星及沿階草等植物，使得硬質護岸更好地融入生態系統。在鐵排河中下游寬度較大的河道段，構建了人工浮島進行植物復氧，用以提高水體凈化效率。上游河道硬化嚴重，水質較差，產淤較深，沿岸空間狹小，水生態環境相對薄弱，不宜進行機械開發和硬岸生態化，因此，通過堆石跌水、生態礫石床和植物碎石床措施改善水質，保障了水體生態環境穩定。

6 結 論

(1)鐵排河生態補水潛力來源主要為鐵崗水庫水、流域內的雨水徑流和固戍污水處理廠的再生水。上游雨水徑流能夠滿足基本生態需水量，但不能滿足生態環境需水；下游雨水徑流量遠小于基本生態需水量。因此，本次補水方案以水庫下泄流量為前提，流域徑流為間歇補水水源，固戍污水處理廠再生水作為常態水源。

(2)鐵崗水庫水和固戍污水處理廠再生水水質滿足地表水Ⅴ類標準，可以直接進行河流生態補水。雨水徑流污染嚴重，需要實施相應的水質改善措施。在可利用空間較大的鐵排河下游河段，可采用生態過濾、雨水花園及生態礫石床等生態措施進行雨水水質凈化；在上游建筑密集城區的河段，可采用初雨棄流與物化技術處理相結合的方式改善雨水水質，從源頭對河道污染進行有效削減。

(3)鐵排河生態環境系統極度脆弱，需要及時改善。在上游直立硬岸河段，設置臺階式生態砌塊護坡，并種植適量景觀植物；河道內鋪設生態礫石床和植物碎石床進行水環境改善。在可利用空間較大的下游河段，構建人工浮島進行植物復氧，分層栽種植物建設水下森林，同時投放適量優勢水生動物，構建完整的水環境生態系統，保障了生態功能的穩定。