新阳主排洪渠位于福建省厦门市海沧区中东部地区, 西起新景西二路, 东至新阳大桥, 渠道总长约4.92km, 总面积约59.63hm², 其中水面面积约30.11hm², 陆地面积约29.52hm² (见图1) 。

新阳主排洪渠常水位2.0m, 50年一遇洪水位3.0m, 直接汇水面积约3.42km², 上游转输汇水面积约24.83km², 工程建设前主要功能为流域行洪通道。2015年, 厦门市成功申报我国第一批海绵城市建设试点城市, 新阳主排洪渠位于海沧区海绵建设试点区流域末端, 上游有不同的支渠汇入。由于区域市政配套管网尚未完善, 大量污水直接排入渠中造成新阳主排洪渠水质较差, 恶臭气味严重影响周边居民生活质量及城市环境。对黑臭水体的系统化治理, 实现水体不黑臭是海绵城市建设的主要目标之一, 因此需要在顶层设计的指引下, 对新阳主排洪渠进行系统化治理。

海沧区是我国主要的国家级台商投资区, 新阳主排洪渠周边工业、企业众多。大量外来务工人员涌入周边村庄, 使得区域人口剧增, 污水排放量也显著增加。由于区域市政设施规划及建设相对较为滞后, 造成区域污水泵站超负荷运行, 溢流频繁, 大部分污水直接溢流排入主排洪渠。主排洪渠南侧城中村大部分污水管线未设置化粪池且雨污管线混接, 部分污水随雨水直接汇入新阳主排洪渠。区域海绵城市建设及改造正处于起步阶段, 流域面源污染也对新阳主排洪渠水质造成一定的影响。以上综合原因导致了主排洪渠水体水质恶化, 底泥淤积严重, 水体发黑发臭, 属重度黑臭水体, 2017年列入住房和城乡建设部和环保部联合重点挂牌督办的城市黑臭水体名单, 新阳主排洪渠沿线水环境情况见图2。

为了解新阳主排洪渠水质情况, 建设方曾委托华侨大学于2016年1～8月对新阳主排洪渠渠内水质进行了取样检测。取样布点位置及主要水质情况见图3。

从结果可以看出, 新阳主排洪渠水质较差, 属黑臭水体: (1) COD监测值较高, 平均值约达到43.7mg/L, 各季节COD平均都超过标准限值。同时可以看出冬季 (2016年1月21日) COD值较低, 可能是采样期临近春节, 大部分外来务工人员回乡, 区域生活污水及工业废水排水浓度降低所致。也可推断新阳主排洪渠流域收区域生活污水及工业废水污染问题较为突出。 (2) DO浓度沿新阳主排洪渠流向呈现出较为离散的状态, 平均DO浓度约2.87mg/L, 主要由于上游来水 (雨水、污水) 湍流搅动的影响, 所取监测点溶解氧含量较高, 同时也可能受到取样扰动的影响。 (3) 氨氮平均监测浓度约25.5mg/L, 处于较高的污染水平。

新阳主排洪渠本段沿线共有34处排水口 (含排污支渠) , 随着南岸新垵村和霞阳村大量外来务工人口的涌入, 沿线污水排放量剧增, 绝大部分生活污水管线未经过化粪池和隔油池初步处理, 直接排入新阳主排洪渠汇水支渠;村内排水管连接混乱, 污水管和雨水管串接现象严重, 大量未经处理的雨污混合排水和冲刷垃圾直接进入新阳主排洪渠, 水面垃圾漂浮, 水底淤泥沉积堵塞河道。新阳主排洪渠沿线排口情况及主要污染贡献量见表1～表3。

新阳主排洪渠分流制混接污染、污水直排及合流制溢流问题较为突出, 其中本段直排和溢流量约2 130.81m³/年, 占全流域污染负荷的86.2%;混接污染污染贡献量占到全流域100%, 达到1 825.71m³/年。

新阳主排洪渠直接汇水面积约3.42km², 上游转输汇水面积约24.83km²。根据《厦门市海沧区统计年鉴 (2015年) 》, 流域范围内未发展畜禽养殖业、水产养殖业、农业和矿石开采业。因此主要的面源污染为雨水冲刷造成的径流污染以及污水管线错接雨水管造成的污染。新阳主排洪渠流域内雨水管网正在逐步完善, 道路及新建居住区、办公等片区雨水得到有效收集。试点区海绵城市建设 (改造) 工程也在稳步推进, 面源污染有所改善, 但村庄内部雨水管网建设不足, 大部分村庄均为雨污合流制排水系统。尤其是新垵村和霞阳村, 由于人口众多, 管理力度不足, 生活垃圾随意丢弃现象严重, 因雨水冲刷造成的面源污染不容小觑。新阳主排洪渠流域面源污染情况见图4和表4。

从表4中可以看出, 新阳主排洪渠本段流域面源污染总量约为203.34t/年, 约占总流域面源污染总负荷的13.9%, 比重相对较小, 一方面是由于新阳主排洪渠直接汇水流域在总流域中面积占比相对较小;另一方面由于新阳主排洪渠直接汇水流域地处海绵城市建设试点区, 大部分海绵城市建设项目正在稳步推进中, 有效削减了面源污染。

新阳主排洪渠沿岸预留了一定的绿化空间作为附近新城生活居民平时休憩散步的场所, 但由于没有统一的景观规划, 绿地景观单一, 不成系统, 效果较差, 与建立生态宜居的海沧生活区定位不符。没有充分利用绿地和水岸空间打造宜居的环境。现有步道、亲水驳岸等公共服务设施缺失, 不能满足周边居民散步、锻炼、纳凉等休闲需求, 整体景观环境有待改造、提升 (图5) 。由于沿岸排水管网截污工程、调蓄池工程和地铁站点的建设, 造成护岸破损, 因此有必要在生态修复工程中改善, 提升周边居民的生活品质及增加工程给居民带来的获得感。

由于新阳主排洪渠自身缺乏上游稀释外来水源, 入渠污染负荷远超过环境承载能力, 导致排洪渠水环境不断恶化。目前主要依靠与外海联通的闸门在涨潮期开闸引入海水倒灌冲刷净化。因此渠内水环境复杂, 属咸淡水交替水系, 不利于渠内生态系统的稳定, 也给后续的生态治理造成一定的困难。新阳主排洪渠盐度检测结果见图6。

新阳排洪渠黑臭在水里, 根源在岸上, 在量化分析问题成因的基础上, 有针对性地制定流域解决方案。从源头-过程-末端系统梳理, 明确阶段工程措施应达到的削减目标, 确保流域整体工程方案的实施效果。通过对区域污染治理的整体分析, 在现有河道清淤, 区域污水截流和面源污染控制等工程已经逐步开展的条件下, 作为海沧区试点区流域排水终端, 本生态修复工程的主要治理目标为新阳主排洪渠本段合流制排口的溢流污染控制和沿线水生态环境的改善。各排口年溢流次数及年溢流污染负荷见表5。

新阳主排洪渠作为马銮湾流域综合治理的最后一道“屏障”, 其重要治理功能定位为对新阳主排洪渠沿岸溢流污染物进行处理和削减。在确保渠道行洪安全的基础上遵循生态优先的原则, 充分利用沿岸改造的渠道绿地腹地空间, 设计一定规模的台地 (垂直流人工湿地) , 利用台地对新阳主排洪渠河水进行循环处理。

目前新阳主排洪渠有马二桥闸和新阳大桥翁厝六孔闸2个闸门与马銮湾外湾相通, 根据检测结果, 新景桥至霞飞桥河段平均盐度小于1%, 为咸淡交替水质;霞飞桥至新阳大桥河段平均盐度为1%～2%, 为咸水水质。目前新阳主排洪渠下游河段盐度较高的主要原因为定期通过闸口利用海水潮汐对渠道内污染物进行冲刷和闸口封闭不严造成潮汐高潮时海水流入。新阳主排洪渠规划为淡水水系, 通过日后闸门的修复和开闭的控制可以营造淡水水系景观环境。

综合考虑上位规划和现状水质特点, 首先对新阳主排洪渠入渠排水口进行截污处理, 将面源冲刷雨水中的大块漂浮物和垃圾等污染物进行初步拦截, 以降低污染物对新阳主排洪渠水质的影响。利用岸线可利用的绿化腹地设置台地 (雨水湿地) , 台地内种植抗污耐盐碱的芦苇、菖蒲等水生植物, 利用台地对河水进行循环净化处理, 以实现对河道溢流污染的循环净化处理。远期, 待流域内截污工程、源头LID工程及上游再生水厂建成后, 新阳主排洪渠将逐步恢复淡水水系景观, 台地可作为淡水水系循环净化设施和再生水厂补水的深度处理措施。由于短时间内上游截污和面源污染控制问题难以得到彻底根治。且旱季时, 新阳主排洪渠流动性较差, 单靠天然曝气作用, 水体的自然净化过程非常缓慢, 故可采用人工曝气充氧措施, 弥补天然曝气的不足^[1]。根据水质数学模型计算结果, 选择水体流动缓慢、污染物富集较为严重的关键节点, 设置推流曝气装置, 起到对渠内水体进行曝气增氧和推流的作用。充入的溶解氧可以迅速地氧化有机物厌氧降解时产生的致黑致臭物质, 加快改善、缓和水体的黑臭程度^[2] (见图7) 。

经上游雨污管线优化改造后, 本次生态修复工程涉及末端雨水排水口共22处, 设置污染物拦截设施, 对入口进行截污处理。排污口高效拦截系统利用多种过滤填料, 对进水中漂浮的大块污染物进行截流, 降低对新阳主排洪渠的污染。

截污设施用宾格网安装填料, 高度为2m, 呈半圆形, 半径为2m, 填料厚度为0.5m。通过技术经济比选, 本工程选用具有较大比表面积, 孔隙率较高, 且有一定机械强度, 当地较易获取的沸石、牡蛎壳、柱状活性炭组合填料 (见图8) 。

新阳主排洪渠目前水质较差, 水环境恶劣, 经采取前端截污减排, 生态驳岸改造后极大的削减了入渠污染物排放量, 恢复了水生和陆生生态环境交互通道。但要彻底恢复水系的生态功能和水环境, 还需要在前期工程的落实的条件下, 贯穿“减源、截留、修复”的三级控制思想, 通过建立水系水质保持系统工程, 逐步恢复的水系自净功能。工程设计中利用渠道两岸可利用的腹地空间, 设计为沿岸台地, 用于渠道水系统的循环净化和远期补水的深化处理。

COD负荷去除为55.44t/年, 台地设计参照垂直流人工湿地设计, COD去除负荷按50g/ (m²·d) 。根据工程实践经验, 新阳主排洪渠沿线CSO排水口溢流污染主要集中在雨季, 同时考虑平时台地空间对新阳主排洪渠内水质的净化作用, 台地运行天数按全年考虑, 由此可知, 台地COD平均去除负荷量为154t/d, 根据垂直流人工湿地COD平均去除负荷50g/ (m²·d) , 可知需要台地净面积约3 080m²。

新阳主排洪渠水面约30hm², 根据现场实际运行条件, 经与水务部门及建设方沟通, 平均水深按1m, 总蓄水量约30万m³。考虑到新阳主排洪渠面积较大, 蓄水水量大, 循环处理周期按30d考虑, 则日循环处理量为1万m³, 水力负荷见式 (1) :

式中q_hs———水力负荷, m³/ (m²·d) ;

Q———台地设计进水量, m³/d;

A———台地面积, m²。

参考国内外建设人工湿地处理景观环境水经验, 湿地的进水水力负荷取值范围为0.3～1.2m³/ (m²·d) , 在本设计中q_hs选取0.8, 据此计算台地需要净面积面积为12 500m²。

根据负荷核算, 两岸台地设置有效面积不应小于12 500 m², 根据设计指标结合两岸景观设计方案, 共设计台地面积约40 100m², 扣除补水区、集水区、台地间田埂等无效面积, 台地处理有效面积约占总面积70%为28 070m², 满足负荷去除要求。

主排洪渠长度约4 920m, 平均宽度约60m, 按推流式生化反应器的作用原理, 综合考虑了有机物耗氧、硝化耗氧、底泥耗氧和大气复氧等作用进行简化。考虑不利情况下, 马銮湾新阳主排洪渠未完全截污, 有旱季污水汇入, 同时雨季时有沿岸的合流制溢流污染。旱季污水量约为1 500m³/d;雨污合流污水量约为22 000m³/d。

此次河流需氧量按照组合推流反应器模型计算法, 并综合各项耗氧因素进行计算。如式 (2) 所示:

其中反应器流量Q, m³/d, 生化反应速率K_c=0.25/d, 硝化反应速率K_N=0.08/d, 底泥耗氧强度α=2gO₂/ (m²·d) , 大气复氧量C₀=0.5mg/L。

充氧速率:R=1.2O_d=3 449.7kg/d, R通常取O_d的1.2～1.5倍, 此取1.2。标况下, 单位时间转移到脱氧清水中的溶解氧量:Ro=K_{La (20)} C_sV。实际中R (21℃) =αK_La (₂₀) (βρC_s (_T) -C) 1.024 ^(T-20) V。因此可得:

其中α, β分别在0.80～0.85和0.90～0.97, 式中分别取0.80和0.90, 因此, 总需氧量为4 468.7kg/d。结合每日需氧量与水体净化原理, 结合所选曝气机类型及动力效率, 每日工作时间8h, 总增氧量为4 468.7kg/d。

根据海沧区水系统规划, 新阳主排洪渠水质规划为淡水水系, 马銮湾新阳主排洪渠生态修复工程水面面积30.11hm², 厦门市逐月降雨量及水面蒸发量见表6。

由表6可知, 不考虑其他生态用水的情况下, 马銮湾新阳主排洪渠因水面蒸发和渗透造成的水体补水量约为258 300.0m³/年;其中10月份补水量最大, 约为55 980.0 m³/m (1 805.8 m³/d) ;5月和6月份补水量最小, 在仅作为蒸发、入渗的基础上可基本维持水系的水量平衡。

根据区域规划, 新阳主排洪渠为区域排洪和景观河道, 生态修复工程并非为单一的水利防洪功能和水质改善功能, 而是意在通过改善水环境, 逐步建立稳定的水生和陆生相交融的生态系统。同时为周边众多居民提供可供休闲娱乐的场所, 提升工程本身给居民带来的获得感和认同感, 提高生态修复工程带来的“附加值”。因此, 在生态修复工程设计中, 以修补因沿岸地铁施工而破坏的驳岸为契机, 融入了景观提升元素, 在设计中体现特有的自然线性开敞空间的“景观之河”的理念。从整体上恢复原有的自然生态结构, 充分考虑动植物的生存条件和水体的景观美感, 构建层次分明、结构合理、功能健全的生态型护岸, 使水体充分发挥出其生态服务功能。在充分考虑安全性和功能性的前提下, 使人工护岸硬朗的线条柔和化、生态化。充分利用排洪渠滨河绿化带作为河道植被缓冲带, 通过生物群落对污染物进行过滤、吸附、分解、吸收等作用减少污染物进入排洪渠的数量, 完善植物群落结构, 并适当增加储水设施如植草沟、雨水花园, 实现对雨水的调蓄、过滤和利用等, 为工程化护岸增添自然植物色彩。在满足行洪排涝要求的基础上, 保证岸坡的稳定、防止水土流失的前提下进行景观提升。

在按照系统化治理方案各步骤稳步推进的条件下, 对排入新阳主排洪渠的污水进行了有效截留, 流域面源污染也得到了一定控制, 经过工程为期近一年的调试, 新阳主排洪渠渠内水质情况见表7。

从表7中可以看处, 现状渠内水质已明显好转, 实现基本消除黑臭。现场可以看到生物多样性的恢复, 有鱼、虾、蛇、龟、白鹭等动物栖息, 水生态、水景观得到有效提升。

经过为期近1年的紧张施工, 新阳主排洪渠沿线景观有了明显的改善。优化的驳岸设置, 修补了原有步道, 局部增加了小型广场, 成为周边居民日常休闲娱乐的好出去, 增加了居民的幸福感和获得感 (见图9) 。

厦门市是我国海绵城市建设首批试点城市之一, 马銮湾试点区是厦门市海绵城市建设的重点区域, 新阳主排洪渠作为试点区的主要汇水末端, 其水环境修复工程的实施和水质的改善, 直接关系到海绵城市建设的进度和成果。

新阳主排洪渠作为马銮湾区域综合治理的重要组成部分, 其生态修复与水质改善与流域综合整治不可分割。实现新阳主排洪渠的全面还清, 关键的是需要在解决原有内源污染的基础上, 控制好岸上污水点源污染排入, 削减雨水径流面源污染汇入。在清淤、截污、控源的基础上依托新阳主排洪渠生态修复及原位治理, 才能有效实现新阳主排洪渠标本兼治的目标。

根据流域污染控制方案和顶层设计思路, 在源头面源污染控制, 雨污分流改造和内源污染去除的基础上, 新阳主排洪渠通过采取排口截污, 局部增加必要曝气和推流设施, 利用绿化腹地进行湿地化改造等综合措施后。新阳主排洪渠渠内主要水质指标有了明显的改善, 现已基本消除黑臭。

新阳主排洪渠位于海沧区繁华地区, 周边本地居民和外来人口较多, 供人们集中休闲场所较少。结合新阳主排洪区生态修复工程在改善水环境的同时, 提升渠道两侧空间的景观效果, 为居民提供更多的“福利”, 增加人们的幸福感和获得感, 这是关系到海绵城市建设 (改造) 能否顺利进行的关键。

生态修复工程, 技术是基础, 管理是关键, 建立健全完善的渠道日常管理体系和水质监测体系, 是维持水系水质的重要内容, 也是确保新阳主排洪渠水质不“反弹”的关键。