在城市化进程加剧的背景下, 水资源消耗和污染排放不断攀升, 导致城市水环境不断恶化, 我国城市水体黑臭现象普遍存在^[1]。雨源型河流是城市水体中重要的类型, 由于此类河流径流量主要来自于本区域降雨, 有雨则产流, 无雨则基本断流, 且以小河沟居多, 因此环境容量小、生态脆弱, 往往面临水质恶化、断流甚至生态退化的多重威胁^[2,3]。

水量不足导致雨源型河流流态不佳、动力不足、复氧和传质能力下降, 易引起黑臭。因此, 生态环境需水量是治理雨源型河流的关键。在欧洲水资源管理中非常重视河流的“环境需水量”, 如英国使用“最小可接受流量”强调对河流生态的重视^[4]。国内外河流治理工程范例中, 例如北京永定河治理工程^[5]、韩国清溪川修复工程^[4], 生态补水成为河道修复的重要环节。关于生态基流、生态环境需水量^[6,7]等研究也得到愈来愈多的关注, 为河流生态修复提供更为科学的支撑与依据。

何家沟位于我国黑龙江省哈尔滨市西部城区, 为松花江南岸一级支流, 全长32.64km, 总流域面积125km², 缺乏自然常态的水源补给, 丰水期河道水源以降雨地表径流汇入为主, 枯水期则缺乏自然基流, 属于典型雨源型城市河流。何家沟作为哈尔滨市西南城区主要排污通道, 常年接纳工业废水、生活污水, 水环境严重恶化, 从而形成黑臭水体。自2010年, 哈尔滨市开展了何家沟综合治理工程, 通过控源截污、硬化河道、绿化岸线、引松花江水补水, 一定程度上缓解了污染问题并美化了环境, 但由于补水水源水量不足、水质不佳, 仍存在“有水则污、无水断流”的尴尬局面。

本文以何家沟为典型案例进行研究, 以河流生态环境修复及整体水质提升为根本目标, 因地制宜, 提出针对不同河段生态环境需求的补水策略和水量水质统筹解决的河流整治方案, 为城市雨源型内河治理提供借鉴。

何家沟由西河沟、东河沟及干沟组成, 自南向北流动并汇入松花江。西河沟发源于平房区南虹公园, 以平房污水处理厂为界分为上游和下游, 长22.71km, 流域内主要为工业园区;东河沟发源于哈达屯境内, 长6.78km, 流域内为密集居民区;干沟从东西沟汇入点清河湾到松花江, 长3.15km, 入松花江前有近2km回水段。20世纪中期, 何家沟仍是一条自然生态良好的清澈溪流。水源主要来自于泉水及地下水、雨水的补给, 水流常年不断, 旱季河流径流量0.35~1.2m³/s, 雨季可达30m³/s左右^[8]。随着城市发展, 何家沟河道、水文等特征经历了两次重要变迁: (1) 排污沟阶段 (20世纪80年代末至21世纪初) :常年接纳工业废水及生活污水, 河流黑臭, 严重影响居民生活及松花江水质; (2) 综合治理阶段 (2006~2017年) 陆续实施污水截流、污水处理厂建设、河岸绿化及工程补水等举措。何家沟基本水文信息^[9,10]见表1。

哈尔滨市近年来启动“清水水源工程”以补充“三沟”生态用水, 其中何家沟补水现状如下:平房污水处理厂位于西河沟中游, 排放尾水就近补给下游用水;磨盘山净水厂滤池反冲洗水经处理后利用现有DN1 800市政雨水管道为西河沟下游补水;松花江水经由第二净水厂 (即第三净水厂松花江取水设施部分) 输送至第三净水厂, 经过混凝沉淀处理后, 通过新建管线DN500提升至东沟源头哈达屯进行补水;西河沟上游接纳少量企业生活尾水, 尚无其他补水水源。群力污水处理厂位于何家沟下游入江口, 尾水经何家沟河口进入松花江。何家沟河流概况与补水现状如图1所示。

经现场勘查, 综合整治后, 何家沟两岸构建防护林带及步道, 西河沟上游及东沟修建生态河道, 河道内种植芦苇、菖蒲等水生植物, 为何家沟生态修复提供良好基础。西河沟下游为梯形渠化河道, 并建有生态护岸。干沟则保持直立硬化沟渠形式。在“清水水源工程”启动后何家沟仍存在局部断流或黑臭现象。何家沟各断面采样测试结果如图2所示。西河沟及干沟水质状况相对较差, 东河沟整体水质良好。其中, 西河沟上游 (平房公园上游河段) 水体中COD和氨氮浓度严重超标, 溶解氧浓度趋近于0, 呈现严重黑臭状态。西河沟中下游及干沟下游局部河段也存在不同程度的水质超标现象。采样点S4、S5、S10出现溶解氧过饱和现象, 推测为藻类较多、光照强烈及温度、气压的共同作用所致。

由此可见, 当前工程补水措施存在一定局限性, 具体表现为: (1) 水源水量不足, 水源位置及水量受限, 未考虑不同河段间需求差异, 因而仍存在局部断流现象; (2) 水源水质较差, 污水处理厂尾水及水厂生产废水未达到景观补水水质标准, 在河流无稀释容量且流动性差的条件下, 易形成黑臭或底泥淤积; (3) 东河沟采用清洁水源成本较高、不可持续, 不宜作为长期整治对策。总体来讲, 当前工程治理措施对生态环境基本需求及水质水量之间的关联考虑不充分, 使断流及黑臭问题无法得到根本解决。

河流生态环境需求因河道形态、自然状况及外部环境而不同, 因此, 综合考虑何家沟的河道特征、沿岸排水情况及整治现状, 将河段分为:西河沟上游、西河沟下游、东河沟、干沟 (非回水段) 和干沟 (回水段) 进行生态环境需水研究。其中, 西河沟以平房污水处理厂为界分为两段, 干沟生态补水仅考虑干沟非回水段。何家沟各河段河道特征信息见表2。生态环境需水量预测是何家沟生态修复及治理的首要任务, 其生态环境需水量主要包括: (1) 满足生态功能和保证景观环境水质的非消耗型需水量; (2) 水文循环过程产生的消耗型需水量。生态环境需水总量^[11]计算见式 (1) :

式中Q_b———基本生态需水量, 采用Tennant方法^[7]计算, Q_b=λQ (λ为径流系数, Q为多年平均径流量) , 并以多年平均径流量的30%来确保水生生物达到良好的生存条件, 根据文献资料^[12], 何家沟多年平均径流量为2.89m³/s;

Q_e———景观环境需水量, 鉴于何家沟沿岸全面截污且无自然常态水源, 基本丧失稀释净化能力, 因此本研究基于何家沟现状, 考虑将生态重建、自然净化与稀释能力的恢复作为长远目标, 而当前治理中首要考虑水源水质保障及河道中水力停留时间对水质的影响, 借鉴景观工程补水需水量计算^[13], 以生态水容积V与停留时间T的比值计算景观环境需水量, 并合理选取停留时间, 避免停留时间过长引起负面环境影响。根据《城市污水再生利用景观环境用水水质》 (GB/T 18921—2002) 相关规定并考虑再生水、雨水 (松花江水) 水质差异, 停留时间分别选取5d和10d;

Q_v———蒸发需水量, Q_e=A (E-P) (E>P) ;Q_e=0 (E<P) (A为水面面积, E为水面蒸发深度, P为降水量) , 根据哈尔滨市相关统计资料, 日均水面蒸发深度为4.20mm, 日均降水量为1.44mm;

Q_p———渗透需水量, Q=KA×3.17×10^-8[11] (K为渗透系数, A为水面面积) , 根据何家沟各河段特征选取相应渗透系数, 见表1。

根据式 (1) 和表2信息计算可得何家沟各河段生态环境需水总量, 见表3。

近年来国内外积极探索实践污水再生回用、雨水收集利用、海水淡化等先进理念技术, 在缓解水资源压力的同时, 也为河流生态补水提供了新思路。考虑何家沟所处的气候、地理及排水环境, 采用再生水、雨水作为生态环境补水的替代水源具有较大潜力与优势。

平房污水处理厂自投入运行以来, 日平均处理污水量为3.58万m³。据《哈尔滨市城市排水及再生水利用工程专项规划》 (2010~2020年) , 平房污水 (再生水) 厂到规划期末 (2020年) 污水收集处理量为13.5万m³/d, 规划将其二级出水全部再生, 则再生水量约为12万m³/d。另外, 远景规划于哈南新城东部建设再生水厂, 将增大马家沟和何家沟景观补水量。因此, 再生水水量充足, 可用于何家沟生态环境补水。

何家沟流域以分流排水体制为主, 为雨水集中收集利用提供有利条件, 且汇水面积达125km², 具有较大雨水回用潜力。雨水资源潜力采用式 (2) 计算^[14]:

式中Q———雨水资源潜力, 万m³;

S———汇水面积, km²;

H———设计降雨量, mm;

ψ———综合径流系数;

α———季节折减系数, 取0.85^[15];

k———初期雨水弃流系数, 取0.87^[16], 设计降雨量H参考近10年月平均降雨量;根据哈尔滨城区相关规划, 老城区和新建城区综合径流系数分别取0.67和0.50, 由于哈尔滨市11月至次年3月处于冰封期, 何家沟生态环境补水及雨水资源潜力计算仅考虑4~10月份。

图3为何家沟各河段逐月雨水资源潜力。由于西河沟流域面积广阔, 雨水资源可收集量显著大于其他区域, 且5~9月均满足生态环境用水需求, 4月与10月亦可满足60%~80%用水需求;东河沟仅6~8月份雨水量满足需求;干沟汇水面积较小, 雨水量不足, 但可通过接纳东西河沟汇流而满足生态用水需求。

根据何家沟生态环境用水需求及再生水及雨水资源潜力分析, 当前西河沟上游段及中下游段雨水及再生水量充足, 可为河道提供补给。总体补水方案如表4所示。由表4可见:

(1) 考虑污水处理厂位置及建设成本, 西沟上游优先考虑雨水作为水源。

(2) 西河沟下游处于建成区, 缺乏雨水调蓄有利条件, 但位于平房污水处理厂下游, 因此宜就近接纳污水处理厂再生水作为水源, 考虑到水质及泥沙问题, 净水厂反冲洗水经处理后可被净水厂就近回用。

(3) 东河沟目前已建成引水管网, 可继续以松花江水作为补水水源, 为节约水资源及运行成本, 丰水期改用雨水作为补水水源。

(4) 干沟水源由东西河沟汇流, 优先考虑增加西沟再生水水量共同补给。

水质与水量是水体生态环境不可分割的两个属性。在何家沟治理中, 需统筹解决水质水量问题。首先, 经需水预测及水源分析, 再生水和雨水可为何家沟提供水量保障, 其中雨水作为非持续水源, 需通过调蓄设施保障持续补水。其次, 何家沟自身缺乏天然水源及稀释自净容量, 非达标水源将对生态环境构成严重威胁, 通过何家沟现状污染贡献分析 (见表5) 可知, 污水处理厂尾水和雨水径流污染为主要污染来源, 应作为重点削减对象。因此, 补水方案将采取配套水源水质提升措施, 以保障河流水质。相关案例表明, 改善水动力亦可有效提高水质^[17], 因此采取适当河道生态修复与功能强化措施来提升水体稀释自净能力很有必要。

污水处理厂尾水水量充足且相对稳定, 对其就近再生使用可有效降低成本和水资源浪费。当前平房污水处理厂采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 一级B标准, 尾水中污染物本底浓度仍较高, 超出地表水Ⅴ类水质标准, 会加重河流污染, 不利于水生态环境的恢复与提升, 因此不能直接用于河道补水。污水处理厂尾水作为补水水源, 应首先满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》 (GB/T 18921—2002) 标准。根据该标准, 一级B尾水中总氮、氨氮、BOD₅、阴离子表面活性剂以及石油类等指标均不达标, 相应去除率需达到25%、37.5% (冬季:67%) 、50%、50%和67%才能回用作河道类景观环境用水。根据哈尔滨市排水规划, 平房污水处理厂将通过内部挖潜, 构建再生处理设施, 对当前尾水进行深度处理进行排放及再利用。

经深度处理后的再生水仍含有较高浓度的氮磷营养盐, 加之小型河流水流较浅、沉积物累积效应等影响, 排入再生水将加剧富营养化风险。另外, 再生水中含有的有毒有害物质如重金属、新型微污染物等在长期补给河流过程中不断积累, 对水生生物及水生态系统造成威胁;同时, 伴随着自然下渗, 亦会对地下水安全产生不利影响^[18]。因此, 有必要采取相应措施, 例如, 通过增设跌水等设施增强水力循环、种植挺水植物与藻类形成竞争、投放食藻水生动物构建水生态平衡等方法削减富营养化风险;通过增设旁路生化处理及循环净化设施, 更大程度削减有毒有害污染物浓度等, 以此来减轻再生水补水带来的不利环境影响, 增加正效应。

何家沟汇水面积广, 雨量充足, 且流域内以分流制排水为主, 雨水收集利用可行性较高。收集雨水用于河流生态补水需首先解决径流污染及水量不稳定的问题。一方面, 降雨形成径流后由于冲刷等作用, 携带一定污染物, 相关规范^[19]要求, 雨水用于河流生态补水时, COD及SS应分别不高于30 mg/L和10mg/L, 因此需采取相应措施去除径流污染。研究及监测数据^[20,21]表明, 根据一般冲刷规律, 雨水径流污染物浓度随降雨历时而下降, 由于降雨特征及管网分布情况不同, 水质变化会出现波动, 但总体符合下降趋势, 后期雨水水质则趋于稳定。因此, 为达到补水要求, 本方案采取初期雨水弃流、后期雨水处理净化后补水的双重保障策略, 以确保补水水质。首先, 在雨水管网末端集中设置初雨弃流调蓄池, 收集初期雨水并于降雨过后就近排入市政管道进行处理。弃流量参考相关规范进行选取:《室外排水设计规范》 (GB 50014—2006, 2016年版) 指出, 用于分流制排水系统径流污染控制时, 雨水调蓄量按降雨量计, 可取4~8mm。为最大限度的提高雨水收集利用效率, 选取4mm设计降雨量来确定初雨控制的有效调蓄容积。其次, 为保证补水水质, 后期雨水经生态净化及调蓄后进行补水。雨水收集及生态净化工艺流程如图4所示。其中, 除初雨弃流外, 方案采用生态过滤系统、雨水生态塘、潜流雨水湿地构建生态调蓄-净化系统, 充分发挥对泥沙颗粒、有机污染物、无机盐的过滤、降解及深度净化作用, 最终雨水通过清水塘进行存储及配水。

另一方面, 为提高雨水回用率并保证持续补水, 可在降雨时收集雨水满足多日用水, 由此确定后期雨水调蓄处理设施规模^[22]。根据哈尔滨降雨特点^[15]:多年平均降雨日数约50d, 日均降雨量达10mm, 且70%以上降雨事件间隔小于5d, 确定后期雨水调蓄处理规模为何家沟相应河段的5d需水量, 由此可满足充足的雨水供给并实现持续补水。根据现有土地利用情况及哈南排水规划, 并充分利用现有水系或水景调蓄设施, 西河沟上游河段补水方案布局如图5所示: (1) 利用人工修建的中心湖进行相应区域雨水的调蓄净化, 并作为支流汇入何家沟; (2) 利用上游沿岸农田及闲置土地修建生态净化设施, 结合平房、南虹等公园水景设置调蓄设施进行补水。

东河沟位于哈尔滨市建成区, 建筑密集, 不宜采用生态调蓄处理设施, 故采用占地面积较小的人工调蓄设施及强化处理措施, 雨水处理工艺主要考虑物化处理, 可采用《建筑与小区雨水利用工程技术规范》推荐工艺, 即初雨弃流池→沉淀→过滤→消毒→清水池。为减少占地面积及保障雨水水质, 可采用地下雨水模块进行雨水收集、沉淀, 并增设深度处理设施。未采用雨水进行生态补水的局部河段 (西河沟下游及干沟) , 雨水径流仍将成为水环境质量的重要威胁, 应采取全面控制措施。由于西河沟及干沟河段位于建筑密集的城区, 不利于构建大规模调蓄处理设施, 因此相应区域宜采取初雨弃流及雨水的原位处理利用 (水景、绿化灌溉、路面喷洒) 等措施, 从而从源头对径流污染进行有效削减。

主要采取生态修复、水体复氧、河道疏浚等措施, 来改善水体生境、强化何家沟生态自净功能。非硬化河段, 通过人工栽植, 合理配置挺水、浮水与沉水植物, 恢复并健全水生植物群落, 构建植被缓冲区以净化径流污染、防治冲刷;何家沟中下游河道容积相对较大, 可采取推流曝气或提水景观式曝气措施, 或于较宽河段构建人工浮岛进行植物复氧, 用以提高污染净化效率与河流生态系统的良性循环, 何家沟上游河道容积较小, 生态相对脆弱, 且河道较窄易产生淤积等, 不宜进行开发或采取人工强化措施, 可通过堆石等跌水措施进行改善;干沟底泥淤积严重, 产生厌氧环境, 应及时清淤并定期疏浚, 以改善流态, 保障水体环境的更新稳定。

保障生态环境需水量是城市雨源型河流治理的关键。何家沟生态环境需水预测及水源分析结果表明, 以再生水和雨水为替代水源, 采用不同河段、不同季节灵活补水方案, 可满足何家沟各河段水量需求。本研究在总体补水方案基础上, 提出水质保障及河流生态修复强化方案, 将有利于何家沟整体生态环境质量的有效提升。何家沟作为雨源型河流典型代表, 其生态补水及黑臭治理方案可为其它同类型河流治理提供借鉴。