表流湿地与活水循环协同提升城市河网水环境品质——以苏州狮子山水系为例.pdf

第 19 卷 第 5 期湿地科学与管理 Vol.19No.5 2023 年 10 月WETLAND SCIENCE&MANAGEMENT oct.2023长三角城市地势低平、河网密布、河流水动力弱。受城市化进程的影响，面临水环境品质不高、水生态恶化趋势加剧等生态环境问题，极大地制约了区域经济社会可持续发展与创造幸福美好生活的愿景。十三五期间经过水污染防治，水环境治理取得显著成效，流域性与区域性河网水质逐渐提升，但水质不稳定，水体感观差、水环境品质相对较差，水体透明度基本维持在 30 50 cm，与百姓期望的高品质水环境仍有差距。随着长三角生态绿色一体化发展上升为国家战略，对水环境品质提出更高要求。在长三角平原河网区现状水动力弱、水体浑浊度高的天然条件下，如何提升城市河网水环境品质，成为亟待解决的技术难题。表流湿地作为城市河网生态修复的主要手段（李鑫斐等,2020），广泛应用于河湖水环境提升，在降解污染物（范远红等,2016）、提高水体透明度（曹昀等,2009）、提升水体自净能力（许铭宇等,2021）等方面发挥着重要作用。表流湿地生态系统可以通过物理、化学和生物三者综合作用实现对水体中营养盐、重金属等污染物的有效净化（苏文辉等,表流湿地与活水循环协同提升城市河网水环境品质以苏州狮子山水系为例丁 瑞1,2 范子武1,2李 云1,2谢 忱1,2 蔡秋鹏1,2（1南京水利科学研究院，江苏南京210024；2水利部太湖流域水治理重点实验室，江苏南京210024）摘要 表流湿地可通过组合水动力提升等措施，提升湿地系统净化能力。以苏州狮山河水系为研究对象，通过表流湿地建设，构建清水型生态系统，组合天狮湖泵站与装配式溢流堰等水动力调控设施，形成河道与湖泊水体循环流动体系。文中探讨了在表流湿地构建的生态系统条件下，通过闸泵堰工程联合调度，协同提升河道水质。结果表明：将表流湿地与水动力调控相结合，水动力调控提升水体溶解氧、形成适宜多样生物生存的水力条件，提升表流湿地的净化能力，水动力调控有助于精准调控表流湿地系统与外部河网的水体交换量，协同提升河网水环境品质。关键词 表流湿地；水动力调控；活水循环；水生态环境；苏州河网中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：1673-3290(2023)05-0034-05Synergistic Improvement of Urban River Environment Through Surface Flow Wetlands and River Flow Circulation:A Case Study of Lion Mountain River System in SuzhouDING Rui1,2 FAN Zi-wu1,2 LI Yun1,2 XIE Chen1,2 CAI Qiu-peng1,2(1 Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,Jiangsu,China;2 Key Laboratory of Taihu Basin Water Resources Research and Management of Ministry of Water Resources,Nanjing 210029,Jiangsu,China)Abstract Surface flow wetland combined with hydrodynamic improvement measurement,purification ability could be improved.The Lion mountain river system was taken as a case study,where the surface flow wetland was built to make a clean water ecosystem.Hydraulic regulation facilities in Tianshi Lake such as the pump station and the assembled overflow weir were integrated to establish a river and lake water circulation system.The paper explores joint regulation of floodgates,pumps and weirs to improve water quality in a synergistic way in the surface flow wetland ecosystem.The results showed that when surface flow wetland combined with hydrodynamic regulation,the hydrodynamic regulation enhances dissolved oxygen in water,and forms suitable hydraulic conditions for the survival of diverse organisms,which improve purification capacity of surface flow wetland.River hydrodynamic regulation benefits for accurate regulation of the quantity of water exchange between surface flow wetland systems and external rivers,therefore improves the river water quality in synergy.Key words Surface flow wetland;Hydrodynamic regulation;Flow circulation;Aquatic ecological environment;Suzhou river network收稿日期：2023-07-16基金项目：国家重点研发计划（2022YFC3202604）；江苏省水利科技项目(2021066,2022040)作者简介：丁瑞，高级工程师，博士，主要从事河湖治理方面研究工作。E-mail:*通讯作者：范子武。E-mail:DOI:10.3969/j.issn.1673-3290.2023.05.0735 第 5 期第 19 卷 第 5 期湿地科学与管理 Vol.19No.5 2023 年 10 月WETLAND SCIENCE&MANAGEMENT oct.20232015）。目前对表流湿地的研究与应用主要集中在污水处理厂尾水净化（黄俊等,2023）、湖泊生态修复（Liuetal.,2008）、封闭河道生态修复（谷勇峰等,2013），主要的水域基本为静止水体或流动性较弱的水体，对不同沉水植物的净化效率也做了响应研究（王耀辉等,2022）。部分学者也开展了在流动水体条件下表流湿地的研究与应用（陈庆江等,2020）。本文以苏州市高新区狮子山水系为研究对象，根据区域水系格局特点，以水动力调控为基础，提出了表流湿地与活水循环协同提升城市河网水环境的解决方案，为平原河网城市水生态修复提供理论与技术参考。1研究区概况苏州狮子山水系位于苏州高新区中心城区狮山片区，区域范围内主要为狮山文化广场，规划建设为科技馆（工业展览馆）、博物馆、艺术剧院等公共服务项目融入在内的开放性山水公园的文化广场，与金鸡湖沿苏州东西发展城市轴线遥相呼应，打造为“东有金鸡湖，西有狮子山”的城市轴线，成为苏州城市的新名片和新地标。狮子山水系主要包括狮山河、北裤子浜和天狮湖（图 1）。狮山河自金山东路至北裤子浜，长度约1 100 m，河道宽度 16 23 m，水域面积约 2.15 万m2；北裤子浜自狮山河至长江路段，长度约 950 m，河道宽度 15 22 m，水域面积约 1.73 万 m2；河道水深约 1.2 3.0 m，常水位 3.2 m。天狮湖规划水面面积 10.60 万 m2，并建设配套的水体与生态景观。狮山河北侧有 1 座狮山河泵闸，具备双向引排功能，泵站排水能力 4 m3/s，狮山河南侧与北裤子浜东侧自然敞开，与外部河网连通。狮山河与北裤子浜水质基本处于类，水质相对好，河道现状透明度较低，约 30 40 cm。现状排口基本为雨水排放口为主，雨水排放口 11 处，主要分布在狮山河与北裤子浜沿岸，降雨期间城市地表径流入河容易造成局部水质恶化。河道水面漂浮水葫芦（Eichhorniacrassipes），沿岸两侧分布较多纤维浮床，浮床表面种植挺水植物，景观较差，未发现沉水植物及其他滨水带景观挺水植物，河道驳岸为自然草皮、生态石笼与叠石等驳岸型式。根据狮山文化广场高标准定位，狮子山水系需要高标准提升区域水生态环境，主要水质指标达类，透明度达 1.2 m 以上；构建稳定的水生态系统，具有相应的污染负荷削减能力，形成稳定的清水型生态系统；增强生态系统自净能力。狮子山水系目前与外河水系直接连通，区域水质受外围水质影响较大，外围水质目前普遍无法稳定达到类水质标准，水体透明度普遍为 30 40 cm，无法达到区域水质为类、透明度为 1.2 m 的高品质水环境目标，需要形成可调控的水域范围。此外，区域动植物品种较少，生态食物链网缺失，水生态系统缺失，景观体验感较差，需要开展水生态修复提升水体自净能力。2水动力调控2.1水动力调控方案以天狮湖为中心，建设表流湿地涵养净化水体，建设管路连通天狮湖与狮山河，在狮山河与连通管路交汇口建设天狮湖泵站，形成狮山河-天狮湖-北裤子浜-狮山河的水体循环流动体系（图 2）。通过天狮湖、狮山河、北裤子浜表流湿地建设，构建清水型生态系统。水体循环应兼顾内部水体循环与外部水体交换，通过狮山河泵闸、狮山河堰、北裤子浜堰的联合调度，使80%的水体流量内部循环，20%的流量通过狮山河堰、北裤子浜堰向东、向南溢流，惠及周边河网。天狮湖泵站规模应考虑日常河湖水体交换，以及遭遇降雨河道水质受冲击后快速恢复。天狮湖地势高，汇水区基本为狮子山，没有雨水排口入河，区域水质和水体透明度基本不受降雨影响。因此，在降雨地表径流入河后，可促进河道与湖泊的水体丁 瑞等：表流湿地与活水循环协同提升城市河网水环境品质以苏州狮子山水系为例图 1 狮子山河网水系Fig.1 Lion mountain river network36湿地科学与管理 第 19 卷循环，尽快恢复水质与水体透明度。设置天狮湖泵站流量为 0.25 m3/s，可保障河道与湖泊 5 8 d 循环一次，通过表流湿地净化作用，可尽快恢复天狮湖水质与水体透明度。2.2 水动力调控装备需要在狮山河南侧、北裤子浜东侧布设两座溢流堰，起到调控水体、重构水动力的作用。溢流堰在城市水环境提升中得到了广泛应用（柳杨等,2019），目前溢流堰多采用钢坝闸等型式，结构复杂、施工周期长、造价高。在平原河网城市水环境提升中，堰上下游水头差较小，对溢流堰的设计强度要求低，因此，采用新型装配式景观溢流堰（图 3）（范子武等,2018），在工厂预制溢流堰箱体，运输到现场吊装到河道中，在溢流堰箱体与河道护岸之间布置双排钢板桩，现场施工安装周期大幅缩减。溢流堰采用翻板门可调节的型式，快速实现水位自由调节，满足汛期防洪排涝与活水配水调度需求。装配式溢流堰有如下优点：1）标准式加工，在工厂预制，标准化加工，简单快捷；2）装配式施工，工厂加工完成后，运输到河道现场，吊装安装，施工周期由传统溢流堰的 4 6 个月缩短为 2 d，无需河道干涸施工，无需修筑围堰与设备基础，对河道扰动少；3）造价大幅降低，仅为传统常规溢流堰的20%；4）可升降调节，底板可放到河底；5）景观效果好，以堰体结构和水动力特性为基础，合理布置景观绿化，溢流堰与河道自然景观融为一体。装配式溢流堰在上海进口博览会、宁波东部新城等区域水环境提升中得到了应用。2.3对防汛的影响构建高新区一维河网水文水动力模型，分析装配堰的建设对区域除涝的影响。采用有限差分法求解一维河网水动力学模型，采用 Preissman 四点隐格式对圣维南方程组进行离散。一维河网的洪水运动用圣维南方程组描述，其上、下游边界条件一般采用水位、流量、流量水位关系等（陈鸣等,2010），公式如下：式中：x、t分别为河道纵向坐标及时间；n为糙率系数；Q、Z分别为断面流量及水位；q为单位河长的旁侧入流量；A为过水断面面积；u、R分别为过水断面平均流速及水力半径；g为重力加速度。模型构建范围以水利分区为界，扩展至江南运河以西，太湖以东，计算总面积约 722.83 km2，选取望亭（大）、琳桥、太湖、胥口、瓜泾口作为水位边界条件。模型创建断面 3 124 个，河段 1 324 条，闸泵 358 座，工程调度按实际运行设置（图 4）。河道糙率值主要根据水力学手册太湖流域防洪规划河道整治规划设计规范等有关人工渠道以及天然河道的经验值，模型糙率初始值取图 2 狮子山水系工程布局与水流路径Fig.2 Water project Layout and flow path of Lion mountain river network图 3 装配式溢流堰布置示意图Fig.3 Layout of assembly type overflow weir图 4 苏州高新区河网模型Fig.4 River network model of Suzhou New District（1）（2）37 第 5 期0.025，模型计算时根据实测数据的率定，京杭大运河苏州段的糙率取值 0.019 0.020，区域河道糙率取值 0.022，城区河道糙率取值 0.024，城区河道综合糙率最大取值 0.044。依据 2009 年太湖流域枫桥、望亭（大）、苏州、瓜泾口和西山水文站实测日平均水位过程资料系列，枫桥、瓜泾口和西山 3 个雨量站实测日平均雨量过程资料系列，并结合区域闸泵工程的调度运用规则，对构建模型进行精度验证。枫桥站水位实测与计算对比如图 5 所示，计算水位和实测水位的变化趋势相似，水位最大误差能控制在 5 cm 内，能够满足模型计算要求。采用 20 a 一遇设计降雨，设置建堰与不建堰 2个计算工况，分析两座装配式溢流堰建设对狮子山水系除涝的影响。计算结果表明，狮山河堰与北裤子浜堰的建设对狮子山水系防汛除涝没有影响，狮子山水系最高水位上涨小于 1 cm。3 表流湿地系统的构建水生态修复方案由生境营造净化系统、排口拦截净化系统、沉水植物净化系统、滨水廊道净化系统、水生动物调控系统 5 部分构成。3.1河床底质改良沉水植物的种植需要一定的底泥基质，河底底泥通常分布不均，需要在沉水植物种植区进行找平处理，便于后续沉水植物的种植。底泥中一定包含了各种藻类的孢子等，在水体透明度提升而沉水植物净化系统未形成之前，容易引起藻类增殖，必须进行底质改良和消毒处理，同时降低有害物质含量。增加土壤中水生动植物生长发育所需要的常量元素和微量元素，改变恶臭底质，提高河底氧化性、除害杀菌、施肥以及改善底质。对实施范围内河底区包括沿岸的土壤进行底质改良，采用复合微生物缓释剂，调整底泥生态系统菌群，改善底泥环境，为水生植物恢复提供基础条件；通过功能性填料解离出大量钙离子形成难溶化合物，去除水中总磷；沉降后在底泥层形成一层覆盖，具有高效的阻断作用，遏制底泥层中磷的释放。3.2雨水排口拦截排口拦截净化系统主要包括过滤系统、生态填料、水生植物与曝气系统，通过滤料吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，对雨水中悬浮物进行截留，对污水进行净化，降低水体中的氮、磷含量，起到初步净化的效果。排口拦截可对进入河道的雨水起到缓冲作用，促进水流携带的颗粒物沉淀，加速氮、磷界面交换和传递，使污水中氮、磷的浓度快速减小，具有良好的净化效果，并对排口进行遮挡，形成滨水廊道生态景观。根据现状排口尺寸特点，共设置11 处雨水排口拦截净化系统。3.3沉水植物净化沉水植物是指植株全部或大部分沉没于水下的植物，是水体生物多样性赖以维持的基础，沉水植物的恢复是水生态修复的关键，其所产生的环境效应是生态系统稳定和水环境质量改善的重要依据。沉水植物可促进泥沙沉降，防止水底泥沙再悬浮；能够高效地吸收氮磷等营养物质，抑制底泥氮磷释放，促进氮的硝化/反硝化作用及磷的沉降；沉水植物能够产生大量的原生氧，可长久保持水体高溶氧状态；沉水植物为浮游动物提供避难所，增强生态系统对浮游植物的控制和系统自净能力。沉水植被是健康水生态系统的重要组成部分，沉水植被恢图 5枫桥站模型验证水位过程Fig.5 Fengqiao water level veritify of river network model图 6 狮子山水系水位过程对比Fig.6 water level process of Lion mountain river network丁 瑞等：表流湿地与活水循环协同提升城市河网水环境品质以苏州狮子山水系为例38湿地科学与管理 第 19 卷复不仅表征着退化水生态系统的恢复，而且具有稳定恢复的效果。沉水植物群落设计除考虑净化效率外，还需考虑其季节性演替性规律，充分考虑种间竞争对植物生长及水质净化的影响。物种选择以土著种为主，避免引入入侵种。综合考虑本工程水质净化和景观提升需求，选择苦草（Vallisnerianatans）、竹叶眼子菜（Potamogeton malaianus）和穗状狐尾藻（Myriophyllumspicatum）等适应性强且水体净化能力强的植物。沉水植物覆盖水力调控范围内所有河道与湖泊，包括天狮湖、狮山河与北裤子浜，水域总面积 14.48 万 m2。3.4滨水廊道构建在广场、栈桥、廊桥等两侧及重点水质提升区域，选择适宜当地生长的鸢尾（Iristectorum）、黄菖蒲（Irispseudacorus）、梭鱼草（Pontederialanceolata）、粉美人蕉（Cannaglauca）、蒲苇（Cortaderiaselloana）等挺水植物及不同花色的睡莲（Nymphaeatetragona）等浮叶植物，利用植物的花色、茎叶形态、植株高度等元素精细化的设计水中花境，形成“水面+驳岸+陆域”三维一体的纵向立体景观。在硬质驳岸 0.5 m 以内的浅水水域种植滨水植物，其中，在 0.3 m 以内的浅水水域种植挺水植物。挺水植物群落种植面积 3 822 m2，浮叶植物种植面积 960 m2。3.5水生动物调控水生动物是水体中重要的消费者，是河道生态系统食物链的重要环境，通过放养一定种类和数量的水生动物，可提高水生生态系统的稳定性。投放以肉食性鱼类为主，通过凶猛性鱼类控制杂食性鱼类及滤食性鱼类，减少浮游生物食性鱼类对浮游动物的捕食，以利于浮游动物种群（特别是枝角类）增长，总计投放 720 条，10 条/667 m2。为有效防止水体的水体富营养化，投放环棱螺（Sinotaia）、河蚌（Unionidae）等底栖动物，环棱螺和河蚌投放量分别为 1 080 kg 和 1 296 kg，完善了人工生态系统的食物链和食物网结构，改善土壤环境，稳定生态系统平衡，实现水体生物多样性。滤藻虫（Daphnia）是水体天然存在的一种水生动物，以藻类与有机碎屑为食，适应低温，滤藻能力强，抑制藻类生长繁殖，有效提高透明度，总计投放 1 440L，体长 3 6 mm，密度 1 000 个/L。4结论1）在苏州河网区利用原有工程，新建泵站与堰，重塑区域水动力格局，以天狮湖为中心，形成水体循环流动格局，通过闸泵堰工程群联合调度，可精准调控表流湿地系统与外部河网的水体交换量，协同提升河网水环境品质，且溢流部分清水惠及到周边河网。2）苏州狮子山水系采用新型装配式景观溢流堰和河网水动力模型计算，论证装配式溢流堰的建设对狮子山水系防汛除涝没有影响。3）在水动力调控范围内建设天狮湖、狮山河、北裤子浜表流湿地，通过河床底质改良、雨水排口拦截、沉水植物净化、滨水廊道构建、水生动物调控，构建清水型生态系统，与水动力调控相结合，提升水体溶解氧、形成适宜多样生物生存的水力条件，协同提升湿地涵养净化能力。参考文献曹昀,王国祥,黄齐.2009.人工湿地改善长江水体透明度的示范研究 J.人民长江,40(20):85-87.陈鸣,范子武,李云,等.2010.河流模拟系统软件及应用M.南京：河海大学出版社.陈庆江,丁瑞,王维维.2020.进博会区域河网水环境提升与效果评估 J.水利水运工程学报(3):122-128.范远红,崔理华,林运通,等.2016.不同水生植物类型表面流人工湿地系统对污水厂尾水深度处理效果 J.环境工程学报,10(6):2875-2880.范子武,丁瑞,王维维,等.2019.一种装配式景观溢流堰：CN201821571208.9P.谷勇峰,李梅,陈淑芬,等.2013.城市河道生态修复技术研究进展 J.环境科学与管理,38(4):25-29.黄俊,占明飞,王伟,等.2023.“螺蚌鱼草”生态湿地对农村生活污水的净化效果 J.湿地科学与管理,19(2):14-19.李鑫斐,黄羽.2020.浅析水质净化功能型河口生态湿地构建技术 J.湿地科学与管理,16(3):39-41.柳杨,范子武,谢忱,等.2019.常州市运北主城区畅流活水方案设计与现场验证 J.水利水运工程学报(5):10-17苏文辉,于晓菲,王国平,等.2015.沟渠化对三江平原湿地铁元素沉积过程的影响 J.环境科学,36(4):1431-1436.王耀辉,曹玉成,周昕彦.2022.沉水植物的湿地水质净化效率及其微生物群落结构对水力负荷的响应 J.山东农业大学学报：自然科学版,53(6):850-857.许铭宇,陈平,孙延军,等.2021.低养护生态湿地水景营建技术应用研究 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