昆山市牛灣涇黑臭河道治理與生態修復
摘要：針對昆山市牛灣涇黑臭河道現狀，綜合運用物理、化學、生物-生態、水動力學等優勢技術，提出了控源截污、生態清淤、生態修復、景觀營造、智慧管理的總體治理思路，開展了牛灣涇黑臭河道治理與生態修復工作。該工程建成后經過6個月的穩定運行，水體已全面消除黑臭，各項水質指標均達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準，保障了生態景觀系統的恢復，構建了牛灣涇“水清、岸綠、景美”的水環境，實現了水生態系統的良好循環。
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隨著城市經濟的發展，江蘇省昆山市牛灣涇河道周邊區域居民小區、商業店鋪及飯店數量劇增，周邊市政管網不完善導致排入河道的污染物日益增加，水體黑臭嚴重，影響周邊居民生活及城市形象。為貫徹落實《水污染防治行動計劃》，加快城市黑臭水體治理，改善人民生活壞境，昆山市委市政府將牛灣涇河道治理列為黑臭水體整治的重點項目之一。按照住房和城鄉建設部《城市黑臭水體整治工作指南》的要求，開展了牛灣涇黑臭河道治理與生態修復工作，綜合運用物理、化學、生物-生態、水動力學等優勢技術，打造牛灣涇“水清、岸綠、景美”的水環境。
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01 牛灣涇概況 空氣凈化www.hihpy.com
牛灣涇位于西河聯圩，聯圩總面積1.932km2，牛灣涇為圩內一條骨干河道，東起青陽港，西至東環城河，中間橫穿4條主干道（分別是珠江路、黃河路、長江路、黑龍江路），主要通過牛灣涇東西站閘排澇及日常引調水，總長1.8km，平均河口寬20m。 www.hihpy.com
牛灣涇河段概況見圖1。 水凈化www.hihpy.com
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牛灣涇水體感官渾濁，流動性差，河道兩岸多為垂直硬質駁岸，隱藏大量直排雨污水管。河道水深約2.5m，2013年清淤以來已產生較厚淤泥層，深約1m，攪動氣泡較多，池底厭氧程度高，無高等水生生物，總體呈現黑臭現象。治理前，委托專業檢測機構對橫穿牛灣涇的跨河橋梁段處進行取樣和水質檢測分析。水質取樣點及水質檢測結果如表1所示。由表1可知，根據《城市黑臭水體整治工作指南》規定，黃河路橋梁段總體水質指標劣于重度黑臭標準（主要體現在氨氮指標上），評價為重度黑臭水體；珠江路橋梁段、長江路橋梁段和黑龍江路橋梁段有多項指標符合輕度黑臭標準，評價為輕度黑臭水體。經檢測，4個檢測點的溶解氧、COD、氨氮、總氮、總磷均不滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準，尤其是珠江路橋梁段和黃河路橋梁段的氨氮和總氮超標8～10倍，評價為劣Ⅴ類水。 水凈化www.hihpy.com
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02 治理目標及總體思路
牛灣涇黑臭河道治理與生態修復的治理目標是通過控源截污，消除城市生活污水和工業廢水直接排入河道的現象，結合生態修復，改善河道水質，全面消除河道黑臭，通過景觀營造真正實現“水清、岸綠、景美”的效果，最終河道水質達到地表水Ⅴ類標準。根據河道現狀及其治理目標，牛灣涇河道治理總體思路如下：①控源截污。通過控源截污、初期徑流污染控制工程的實施，消除河道直接污染源。②生態清淤。通過生態清淤，消除內源污染，結合基底改良，提升河道自凈能力。③生態修復。重建河道水生生態系統，保持水體水質長效穩定。④景觀營造。通過景觀綠化及其配套工程的建設，營造城市美麗景觀，改善人居環境。⑤智慧管理。利用大數據、物聯網等先進管理手段，使工程建設與后期運行更加高效便捷。
03 工程設計
3.1 控源截污工程
牛灣涇兩側共有各類污水直排口75個，周邊地區雨污分流不徹底，雨水管和污水管混接嚴重，且原有沿河側污水管道建設年代久遠，滲漏嚴重。針對牛灣涇水體黑臭狀況，現狀污水直排口全部進行截流式改造，結合昆山市相關規劃及《室外排水設計規范》（GB 50014—2006，2016年版），確定截流倍數為2.0。牛灣涇南北兩側沿岸新建窨井103座、溢流井14座、凈化池1座；累計翻建DN400～DN600污水主管565m（包含翻建DN600混凝土管315.8m、DN400混凝土管249.2m），新建DN400～DN600污水主管1 489.3m。為防止地下水滲入污水管網，污水截流主管采用HDPE波紋管。采用可調式閘門進行截流，通過調節閘門高度精確控制進入河流的溢流水量，旱季閘門將污水全部截入污水主管，汛期通過人工提閘方式保障河道順利泄洪。牛灣涇常水位2.50m，20年一遇洪水位3.10m，河道地面高程約4.0m，截污主管的管底大部分位于洪水位以下，為防止河水倒灌，設置了浮箱式拍門，為減小雨季雨污合流水對污水處理廠的影響，還須設置限流閥。
3.2 生態清淤工程
3.2.1 河道清淤
由于牛灣涇河道不通航、水位淺以及岸邊存在建筑和工廠，考慮采用干河施工、水力沖挖清淤方式，先將清淤區域采用圍堰隔水，再通過高壓水槍沖洗泥漿表面，使其形成水潭，放下泥漿泵抽吸泥漿，送到排泥區，最后通過專用泥漿車外運。淤泥清除部分可根據實際河床面高程及后期生態修復需求來考慮清淤程度，如需種植水下森林，則宜保留適量底泥。根據勘測單位測量成果計算，河道清淤總量大致為1.3×104m3。針對河道清淤對底層干擾嚴重、易產生二次污染的問題，采用“河道綠色生態清淤處理系統及其處理方法”專利技術，清淤精度達0.1mm，在清除表層底泥的同時保證下層底泥不被破壞，保留底泥中的大量微生物及營養物質，降低清淤過程中的二次污染。采用原位透析技術分段隔離，逐段采用微磁強化絮凝-超磁高效沉淀工藝，設備內投加少量復合絮凝劑和改性磁粉，使泥水迅速形成磁核絮體，再通過高效沉淀實現泥水分離，增加淤泥泥漿水脫水干化工序，使淤泥泥漿水變成泥塊，方便運輸，經計算運輸成本降低約20%，且產生的淤泥經過改性處理后，可用于景觀營造和護坡設計，可節約8%左右的工程成本。
3.2.2 基底修復
為種植水生植物以及保障其存活，清淤后會保留適量底泥，但此時河道基底仍積累了大量腐殖質及有毒污染物，可引發二次污染。根據一般工程經驗，河道治理慎用化學藥劑，以免破壞生態以及造成二次污染，故使用微生物制劑對河道基底進行改良是較好的選擇，該方法溫和高效、環保無污染，可為后續河道水生生態系統修復和生態群落結構構建創造有利環境，提高河道自凈能力，且已有較多成熟應用案例。本工程清淤后，將基底底泥暴曬5～8d，然后投加底泥改良微生物制劑，按照每0.5kg微生物制劑添加50L水的比例稀釋后均勻潑灑在底泥上，處理面積4.6×104m2，8d后按照首次投放量進行第二次投放，基本可以達到改良效果。
3.2.3 淤泥處理處置
淤泥的處理處置是目前黑臭河道治理中的關鍵節點和重要難點，經取樣分析，牛灣涇河底淤泥重金屬指標未超出《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）標準限值，為避免淤泥運輸處置或棄置造成二次污染和處理成本高的問題，探索出一條低成本原料處理和高性能產品生產的淤泥制磚資源化利用路徑，以深度干化后的淤泥為主要原料（淤泥摻量可達到80%），添加硅鋁類改性劑和復合礦料（如長石、高嶺土、石英、云母等），擠壓成型后進行干燥，在950～1050℃煅燒后制得劈開磚。不同淤泥摻量生產的劈開磚見圖2。
本工程共實現0.8×104m3淤泥的資源化利用，生產約2×104m2的劈開磚，節約近10萬元的礦土原料成本。經檢測，制得的劈開磚吸水率、強度、收縮以及放射性等性能均滿足有關技術標準要求（見表2）。該技術采用自然堆場、陽光房和煅燒窯尾氣三階段組合干燥技術進行淤泥制磚，能耗降低16%，同時減輕了大量淤泥棄置對環境產生的二次污染，為淤泥的資源化利用提供了重要的技術支持。
3.3 生態修復工程
3.3.1 生態浮床
牛灣涇河道較寬，可以沿河構建浮床凈化帶，特別是橫穿牛灣涇的珠江路、黃河路、長江路、黑龍江路跨河橋梁段處直排口較多，污染較為嚴重，水質較差，因此須重點設計和布置。河道沿線設計布置高密度聚乙烯材質的生態浮床，其中沿岸布置間距為20～40m，單個浮床面積為15m2，以駁岸牽引方式固定，在凈化水質的同時軟化硬質駁岸；河道中央布置間距為30～50m，單個浮床面積為20m2，以重物拋錨方式固定，營造水面景觀。浮床下層布設DN32微孔曝氣管，水生植物采用種植籃形式加固在浮島中心圓孔中，以本土植物為主，減少后期維護。
3.3.2 水生植物修復帶
牛灣涇沿岸存在多處雨水排口，初期徑流污染對河道水質影響較大，同時為減輕引水、風浪對底泥的擾動，提高水域生態系統的生物多樣性，在雨水排口處設置水生植物修復帶（見圖3），用于雨天凈化初期雨水，非雨天原位凈化河水，設計距河邊1~5 m處為挺水植物種植帶，距河邊2～5m處為浮葉植物種植帶，距河邊7～10m處為沉水植物種植帶，其中距河邊1～2m且水深在0.7m以上的為伊樂藻、金魚藻和苦草套種區，距河邊5～8m且水深為0.8～1.5m的為輪葉黑藻和菹草套種區，在水質較差的珠江北路段—黃河路段兩側設置挺水植物帶（香菇草36m2、黃菖蒲13m2、香蒲4m2），挺水植物結合浮葉植物帶（睡蓮62m2、鳶尾12m2），挺水植物結合沉水植物帶（千屈菜7m2、美人蕉8m2、粉綠狐尾藻34m2）。
3.3.3 水動力改善及微生物強化降解
曝氣增氧技術成本低廉，能夠顯著促進水體流動、增加水中溶解氧含量和消除水體氣味，成為目前治理黑臭河道的首選技術。牛灣涇水體黑臭且流動性差，溶解氧低于2mg/L，適宜采用曝氣增氧技術。選擇表面曝氣結合底部曝氣兩種增氧措施：沿河道兩端及4條主干路跨橋處均布置1臺強力推流式曝氣機（18kW），促進河道水體流動；沿河全線布置6臺表曝增氧機（單臺2kW），增加設備周圍水體溶氧量；在污染較重區域增設底部曝氣設備，配置曝氣風機和底部微孔曝氣管，曝氣區總長約650m，充氧量0.10～0.25kg/（m3·h），具體參數設置根據河道不同區域水質實際情況進行調整。
凈水菌群是指一類既可以凈化水體，調節河道水質，提高植物的成活率，又可以為水生動物提供豐富食物，對水體沒有任何毒副作用的益生菌。河道蓄水后，每1kg凈水菌劑添加200L水進行稀釋，然后均勻潑灑入水體，每月潑灑一次，共潑灑2～3次，同時配合曝氣增氧設備可將上泛的底泥和動植物尸體及殘骸強力分解，將一些有害的污染物快速吸收和轉化成無毒害或毒害較小的無機營養元素，避免了二次污染。
3.4 景觀營造工程
根據河道30年一遇防洪標準，通過岸坡斷面構建技術、生態浮島與水生植物組合生態修復等，對牛灣涇河道進行過水斷面拓寬、駁岸及擋墻設計等一系列景觀改造。經過實地踏勘及地形分析，牛灣涇河床整治以河道主流槽改造為主，使河道主流槽線型蜿蜒曲折，急流與緩流相間，深潭與淺灘交錯；拆除部分硬質駁岸，新建生態石籠墻進行生態改造，以此改善地面徑流與河水交接滲透，同時增強景觀效果。新建格賓網式生態石籠擋墻1km，濕地平臺及擋墻底基礎處理962.27m3，生態護坡外購土方1.8×104m3。
3.5 雨后水環境保障措施
昆山市為亞熱帶季風氣候，夏季時常出現短時強降雨，牛灣涇水體溫度、pH、溶解氧等發生劇烈變化，容易引起泛底缺氧，導致水生動物缺氧中毒和有益藻類的死亡，天氣轉晴后，藻類快速大量繁殖，引起壞水現象。為保障牛灣涇雨后水環境質量，須采取如下措施：強化雨后巡視檢查，密切關注沿線排水情況及河道水環境，發現問題快速反饋、及時處理；加強雨后河道保潔，增加圍網，及時打撈水面漂浮物；科學調度西河聯圩循環水體；采取架設樁膜圍堰、播灑生物制劑、加大曝氣裝置充氧量、穩固生態浮床等措施改善河道水質，抑制藍藻生長。
3.6 智慧管理
近年來對河道治理的信息化、可視化水平要求日益提高，智慧河道應用越來越廣泛。智慧河道是指通過數采儀、無線網絡、水質水量表、水位控制裝置等在線監測設備實時感知河道運行狀態，并將其匯集到云計算服務器或數據平臺進行快速分析，做出相應的判斷和建議，以更加精細和動態的方式管理河道，達到高效、智慧的狀態。牛灣涇黑臭河道治理和生態修復離不開有效的管理手段，除水域日常保潔、定期開展河道清淤、水處理設施日常維護等常態化管理措施外，還在河道兩岸定點設立水質水量監測站進行實時監控。監測站由站房、水質/水量傳感器和數據采集儀等組成，將采集到的數據通過無線裝置實時發送至智慧管理平臺電腦端，使河道主管部門通過顯示屏隨時隨地了解河道現狀。在牛灣涇沿岸兩側直排口處尤其是滬士電子雨污水管總排口處設置水量監測站，實時監測排污情況，檢查截污效果；在橫穿牛灣涇的珠江路、黃河路、長江路、黑龍江路跨河橋梁段處設置水質監測站，實時監測河道水質情況；沿河道全線定點設置在線視頻監控，為河道治污和排污監控預警和追源取證；通過水位控制裝置自行啟動引調水系統，流量5.0m3/s。
自該工程運行以來，已自動調水20余次，年均引調水頻率6～8次。智慧河道建設與運維流程見圖4。
04 工程實施效果
昆山開發區在牛灣涇黑臭水體治理及長效管理方面做了大量工作，河道水質改善取得了顯著成效（見表3）。
該工程于2017年建成后經過半年的運行，水體已全面消除黑臭，各項水質指標均達到地表水Ⅴ類標準。河道生態群落逐步形成，水體自凈能力逐步恢復。牛灣涇治理前、后效果對比見圖5。
05 結論
牛灣涇黑臭河道治理與生態修復，通過截污控污、生態清淤、生態修復、景觀營造、智慧管理等工程措施，解決了周邊生活污水和工業廢水直接排入河道的問題，全面消除了河道黑臭，增強了水體自凈能力，恢復了牛灣涇水體生態系統健康，使河道水質達到了《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準，構建了“水清、岸綠、景美”的水環境，實現了人居環境的改善。通過使用多項先進技術，該項目整體建設費用較低，處理效果穩定，淤泥制磚資源化利用有效解決了淤泥處理處置難題，重建后水生態系統的維護通過智慧管理手段得到有效保障，具有工程化應用推廣的可能性，可為類似工程設計提供參考。
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