活水调度联合人工湿地治理黑臭水体应用研究_汤青峰.pdf

活水调度联合人工湿地治理黑臭水体应用研究汤青峰1*，孙磊2，杨菲2，陈建强3，厉雷雷3，倪淼3（1.淮安市淮安区住房和城乡建设局，江苏淮安223000；2.北京首创生态环保集团股份有限公司，北京100044；3.淮安首创生态环境有限公司，江苏淮安223200）摘要：淮安市属于平原河网，经常出现河流静滞的水动力不足现象，加重城市内河的黑臭现象。为彻底消除黑臭，确保水域呈现“河畅、水清、岸绿、景美”的生态美景，根据研究区域污染源成因分析及整治条件，拟定了水质改善和水动力改善综合方案。利用自然高差及泵站提升的方式对新路圩河及周边3条河道进行泵闸联合调度，减少水体停留时间。同时设置人工湿地，通过生物修复治理黑臭水体。经改造后新路圩河水质由地表水环境质量标准（GB 38382002）劣类水体提升至类水体，水体流速提升至0.05 m/s以上，常规污染物去除率最高达90%，溶解氧和透明度提高30%。分析结果可为新路圩河流域治理及其他同类工程提供依据和参考。关键词：黑臭水体；活水调度；人工湿地；水环境改善中图分类号：X522文献标志码：A文章编号：2096-2347（2023）02-0061-06收稿日期：2022-09-30作者简介：汤青峰，高级工程师，主要从事水环境工程技术研究。E-mail:引用格式：汤青峰，孙磊，杨菲，等.活水调度联合人工湿地治理黑臭水体应用研究J.三峡生态环境监测，2023，8（2）：61-74.Citation format:TANG Q F,SUN L,YANG F,et al.Applied research on water scheduling combined with constructed wetland used for black andodorous water body treatmentJ.Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges，2023，8（2）：61-74.Applied Research on Water Scheduling Combined with Constructed WetlandUsed for Black and Odorous Water Body TreatmentTANG Qingfeng1*,SUN Lei2,YANG Fei2,CHEN Jianqiang3,LI Leilei3,NI Miao3(1.Housing and Urban-Rural Development Agency of Huaian District,Huaian 223000,Jiangsu,China;2.Beijing Capital Ecologyand Environment Group Co.,Ltd.,Beijing 100044,China;3.Huaian Capital Ecology and Environment Co.,Ltd.,Huaian 223200,Jiangsu,China)Abstract:Huaian City belongs to plain river network,and there are often insufficient hydrodynamic forces due to river stagnation,which aggravates the black and smelly phenomenon of urban rivers.In order to clean foul water and ensure ecological scenery,thispaper built a comprehensive solution for water quality and hydrodynamic force improvements according to the causes and controlmethods of area pollution.Based on the natural height difference and the lifting of the pump station,the Xinlu xu River and thethree surrounding rivers are scheduled by pump and sluice joint dispatching,so as to reduce the retention time of the water body.Meanwhile,artificial wetlands are been set up to control black and odorous water bodies through bioremediation.After the reconstruction,the water quality of Xinlu xu River has been improved from grade to grade in Environment Quality Standards forSurface Water(GB 38382002),the water flow rate has been increased to more than 0.05 m/s,the removal rate of conventionalpollutants has been up to 90%,and the dissolved oxygen and transparency have been increased by 30%.The analysis results canprovide a reference for the pollution control of Xinlu xu River and other similar projects.Key words:black and odorous water body;water regulation;constructed wetland;water quality improvementDOI：10.19478/ki.2096-2347.2023.02.08水体研究三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年6月Jun.2023第8卷第2期Vol.8No.2三峡生态环境监测http:/ 1。目前，城市黑臭水体治理的常规手段多从生态治理、水污染治理等角度出发 2。近年来活水调度工程常常被用作改善河流水质的有效的治理方案 3-4。江苏水系发达，江河洪水和内涝积水严重危害城市水安全和水环境。淮安市地处苏北平原腹地，水量丰沛，自南向北有苏北灌溉总渠、淮河入海水道、大运河、里运河、废黄河、盐河6条流域性河流穿过，区域地形及水系特征明显，防洪排涝压力巨大 5。淮安市所在的平原河网地区河流坡度小和水动力条件差 6。丰水型城市河道可进行引水和活水畅流，加强水体交换，改善水环境 7。枣庄地区采用地面水、地下水等多重水资源联合优化调度，建立了分区管理调度和统一调度协调模型 8。苏州古城区运用水质水量耦合模型，确定了不同约束条件下水系的调度优化方案 9。因此，可采用活水调度技术手段，在淮安地区闸泵联合调度，满足防洪排涝目标的同时提升水质。但是活水调度工程也存在一些缺点，其处理效果易受水量、水温等季节性气候因素影响产生较大的波动 10。因此，在城市活水调度工程中，需要增加运行更加稳定的河水处理设施，以弥补活水调度工程的不稳定性。十部委联合发布的关于推进污水资源化利用的指导意见中指出，要在“关键节点因地制宜建设人工湿地水质净化等工程设施，对处理达标后的排水和微污染河水进一步净化改善后，纳入区域水资源调配管理体系”。生态环境部办公厅印发的重点流域水生态环境保护“十四五”规划编制技术大纲将建设人工湿地作为改善河湖生态环境的重要措施。人工湿地运行稳定，操作简单，成本较低且抗冲击能力强。研究水动力改善协同生态水质净化的有效途径，为城市黑臭水体治理和小流域综合整治提供技术参考。1研究区域新路圩河南北段为硬质斜式边坡，两侧为48 m小区绿化带，排口较多，臭气四溢，水面垃圾、漂浮物拥塞。东西段为自然边坡，岸边长满植物，水面杂草丛生，经判定为重度黑臭。研究区域包括城市内水河道2 600 m，新挖河道200 m，修建人工湿地0.8 hm2，分别位于四处河道两旁，修建生态浮岛0.6 hm2，分别位于四处河道两侧与中央。该工程水源主要由新路圩河引水洞、新路进水闸和罗柳河引水泵三处活水引水，设计引水水量为2105m3/d，其水流方向及工艺单元位置如图1所示。首先是由新路圩河引水洞引水向东南方向后转向东北方向，依次与由城河引水的罗柳河以及新路斗渠汇合流向新路泵站，经泵站提升至新泗河。另外是由新路闸引水向东南，一部分流向新路斗渠，其余转向东北由头河流向新泗河，最终均流向新泗河引水闸。图1平原河网水利设施、人工湿地分布示意图Fig.1Sketch map of hydraulic facility and constructed wetland in plain river network2工程设计2.1工艺流程活水调度联合人工湿地治理城市内水工艺流程11970E119730E11980E33320N33320N11970E119730E11980ES8S5S3S1S4S7S2S6新路圩河引水洞新路圩河新路斗渠河下景观湖罗柳河城河头河闸新路泵站头河新泗河引水闸新路闸乌沙洞泵站水闸人工湿地0 125250500mN第8卷第2期63如图2所示。从乌沙河分别调水0.85 m3/s和1.25 m3/s至头河及新路斗渠，共计调水2.10 m3/s。从里运河调水（0.15 m3/s）至新路圩河，从城河调水（0.05 m3/s）至罗柳河。里运河调水全部流入新路圩河，城河调水全部流向罗柳河。头河、新路斗渠、新路圩河、罗柳河分别设置异位人工湿地增强水质改善。新路圩河、新路斗渠、罗柳河下游流经新路泵站，然后提升至新泗河。头河下游重力自流汇入新泗河。图2活水调度工艺流程图Fig.2Technological process diagram of river scheduling2.2工艺单元设计参数2.2.1新路进水闸引水下开式进水闸，现有 1 孔，闸底高程 6.1 m，闸宽B=2.2 m，闸高H=4.2 m，进水闸与河道连接处断面宽度4 m，平均水深1.5 m，河道中心线水深2.1 m。从乌纱干渠引水进入新路斗渠，为新路斗渠+头河、新路圩河、罗柳河3条河道提供水源。2.2.2新路圩河引水洞引水新路圩河活水涵洞，现状1孔圆涵，内径0.5 m，进水孔底高程7.5 m（废黄河高程），从里运河引水进入新路圩河。新路圩河日常水位保持在1.52 m。2.2.3罗柳河引水罗柳河、八一新村排涝沟附近古城民居为保护建筑，水系沟通需要拆迁，实施困难。故拟采用泵站引水，在魁星阁脚下池塘内泵站引水，该塘与城河、萧湖连通，压力管道送至罗柳河上游。压力管道选择无房屋处浅埋，在穿越河下古镇街道时采用拖拉管。2.2.4新路泵站新路泵站建成于2007年，位于新路圩河与新泗河交汇处，用于抽排新路圩河河水至新泗河，2台机组，设计流量2.4 m3/s。新路泵站抽排面积1.07 km2，按照城区20年一遇规划抽排流量4.41 m3/s。2.2.5人工湿地人工湿地沿河道两旁阶地修建，为长方形结构，尺寸50 m 2 m1.2 m，8格，有效水深 0.8 m，水力停留时间4 h，表面有机负荷为15 g/（m2d）。底层防渗层使用夯实的黏土与土工布，湿地底部铺设15 cm成分为砾石陶粒活性钙石=622的基质。以水流方向从前往后以此设置生物接触曝气、沉水植物、挺水植物、浮水植物等功能区域。其中接触曝气区域长10 m，底部均匀分布曝气盘，池内填充40%聚乙烯填料，投加有效微生物群菌、硝化菌、好氧菌等生物制剂，设计表面有机负荷为300 g/（m2d）。其余为湿地植物种植区：沉水植物区种植狐尾藻、苦草等，挺水植物区种植菖蒲、美人蕉、鸢尾等，浮水植物区种植耐寒睡莲、大薸等。3运行效果分析新路泵站常开的情况下，河道流速在0.05 m/s以上的长度占比80%以上。新路闸和引水洞同时开启，并未显著提高所在区域的透明度。综合考虑最优闸、泵调度方案，选择8个取样点，如图1所示的S1S8，通过透明度、溶解氧（dissolved oxygen，DO）、氨氮（ammonia nitrogen，NH3-N）、有机污染物（organic contaminants，OC）、总磷（totalphosphorus，TP）5个指标，研究对比改造前后各个指标的变化情况。水质指标的监测时间为2021 年10 月，数值为每周多次水质监测结果平均值。3.1透明度变化改造前后水体透明度的变化情况如图3所示。从图3中可以看出，连通水系、增加人工湿地对新路圩河（S1、S2取样点）、头河（S5取样点）和新路斗渠（S4取样点）的水体透明度的提升效果最为显著。其余各河道的水体透明度也均有不同程度的提升，S2、S4、S5、S6、S7取样点的水体透明度均提高至1 m左右。S4、S6改造前数据分别和S3、S7一致，图上未再列出。乌沙河里运河头河人工湿地新路斗渠新路圩河人工湿地人工湿地罗柳河人工湿地城河新路泵站新泗河0.85 m3/s2.10 m3/s1.25 m3/s0.15 m3/s1.45 m3/s2.3 m3/s0.05 m3/s汤青峰，等：活水调度联合人工湿地治理黑臭水体应用研究三峡生态环境监测http:/ of water transparency before and after reconstruction3.2溶解氧变化改造前后溶解氧的变化情况如图4所示。从图4中可以看出，改造之前河道的溶解氧水平在47 mg/L，改造完成之后，水体溶解氧浓度增加明显，溶解氧水平在6.49.5 mg/L，已达到河道正常溶解氧水平。对比取样点S1、S3、S8的数据可以发现，不同河道的连通对溶解氧的提升有一定的作用。对比取样点S1与S2、S6与S7的溶解氧数据可以发现，在河道连通的基础上，人工湿地的增加，对溶解氧的提升效果更加显著，同一条河道的两个取样点，溶解氧能够提高2 mg/L左右。图4改造前后溶解氧的变化Fig.4Variation of dissolved oxygen before and after reconstruction3.3氨氮去除改造前后氨氮浓度的变化情况如图5所示。如图5所示，改造之前S1、S2位置水质较差，为劣类水质；改造完成运行稳定之后，分别达到了类水和类水标准。其余位置在改造之后的水质提升效果亦显著，S4、S5、S6取样点的水质达到了类水标准，S3、S8取样点的水质达到了类水标准，S7取样点的水质甚至满足了类水标准。图5改造前后氨氮浓度的变化Fig.5Variation of ammonia nitrogen concentration beforeand after reconstruction3.4化学需氧量变化改造前后化学需氧量的变化情况如图6所示。从图6可以看出，在改造之前S1位置水质仅满足类水标准，改造之后化学需氧量浓度明显降低，图6改造前后化学需氧量的变化Fig.6Variation of COD before and after reconstruction透明度/cmNH3-N/（mgL-1）DO/（mgL-1）COD/（mgL-1）改造前改造后120100806040200S1S2S3S4S5S6S7S8取样点改造前改造后2.82.42.01.61.20.80.40.0S1S2S3S4S5S6S7S8取样点改造前改造后121086420S1S2S3S4S5S6S7S8取样点改造前改造后24201612840S1S2S3S4S5S6S7S8取样点第8卷第2期65达到了类水标准，去除效果达到了72%以上。改造之前，其余各取样点位置水质均为类水标准，改造之后均达到了类水标准，化学需氧量平均值维持在6.88 mg/L。3.5总磷去除改造前后总磷浓度的变化情况如图7所示。从图7可以看出，改造之前各河道水体总磷浓度较高，属于劣类水质；改造完成之后，各河道水体的总磷浓度降低明显。其中，S1取样点的水体未经过人工湿地处理，在将新路圩河与里运河连通后，S1 取样点处总磷浓度由 1.41 mg/L 降低至0.29 mg/L，约降低了79%；河流经过S1点和后面增加的人工湿地，流到S2取样点处，该位置总磷浓度由 1.25 mg/L 降低至 0.13 mg/L，约降低了89.6%。对比S1与S2两个取样点的水质数据可知，人工湿地对总磷的降解效果较为显著。图7改造前后总磷浓度的变化Fig.7Variation of total phosphorus concentration before andafter reconstruction3.6人工湿地实际运行效果新路斗渠、新路圩河和罗柳河增加人工湿地各一处，改造后新路圩河总磷去除效果显著，罗柳河氨氮去除效果明显，均超过设计去除率。三条河有机污染物去除率均未达到设计值（表1），推测与人工湿地运行时间较短，植物、基质与微生物尚未完全形成协同作用有关。3.7流速变化通过闸泵联合调度优化，将上游水位保持在1.5 m，下游水位维持在0.9 m，新路进水闸、引水洞和新路泵站全部打开，结果显示水体停留时间由15 d缩短为10 d，同时水体流速提升至0.05 m/s以上，有效改善了河道水动力条件，有效解决了河水静滞问题。表1人工湿地运行情况Table 1Operation effect of constructed wetland指标设计指标最差运行情况氨氮去除率/%5060有机污染物去除率/%8070总磷去除率/%60654结语经过活水调度工程联合人工湿地共同治理城市黑臭水体，水质现状有了较大程度的改善，改造前研究区域水体均为 地表水环境质量标准（GB 38382002）规定的劣类水质，经活水调度及人工湿地改造并运行稳定后：（1）水体停留时间降低1/3，水体流速提升至0.05 m/s以上；（2）溶解氧和透明度提高30%左右；（3）有机污染物、氨氮、总磷、总氮等常规指标均达到地表水环境质量标准（GB 38382002）类水水质标准。本研究围绕平面河网常见水质和水动力的问题，针对河道小流域全系统的治理、修复和管理，依照“生态自然”的理念，在淮安城市流域综合治理项目中成功应用，充分说明了活水调度和人工湿地在提升治水管水能力方面的作用，为城市小流域水环境综合治理提供了可复制、可推广的经验。参考文献1 陈朴.城市黑臭水体综合整治技术探索J.工程技术研究，2021，6（24）：191-193.CHEN P.Exploration on comprehensive treatment technology of urban black and odorous water bodyJ.Engineeringand Technological Research，2021，6（24）：191-193.(in Chinese)2 孙磊，马巍，吴金海，等.城市黑臭水体治理进展及水利措施研究J.中国农村水利水电，2021（8）：23-28.TP/（mgL-1）改造前改造后1.51.00.50.0S1S2S3S4S5S6S7S8取样点汤青峰，等：活水调度联合人工湿地治理黑臭水体应用研究三峡生态环境监测http:/ L,MA W,WU J H,et al.Research on the progressof urban black-odorous water governance and water conservancy measuresJ.China Rural Water and Hydropower,2021（8）：23-28.(in Chinese)3 董胜男，张龙阳.阜阳市颍西片区活水工程方案研究J.工程与建设，2019，33（6）：913-914,917.DONG S N,ZHANG L Y.Study on living water projectscheme in Yingxi District of Fuyang CityJ.Engineeringand Construction，2019，33（6）：913-914，917.(in Chinese)4 杨建中.张家口市区及崇礼县补水工程设计J.水科学与工程技术，2014（1）：58-62.YANG J Z.The replenishment projectdesign of ChongliCounty and 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