0 引 言
据统计，截至2016年，全国295个地级以上城市黑臭水体总认定数为2014个，城市水体普遍受到污染，黑臭水体逐渐增多，已严重影响了居民的生活质量。城市河道黑臭问题的治理已成为政府和学界关注的城市环境改善的重点和难点。相关学者在黑臭水体治理的项目中取得了一些实践成果，对城市黑臭水体治理提出了有效建议[1-5]。
以重庆盘溪河黑臭水体治理为例，在借鉴国内外成功治理案例经验的基础上[6-9]，通过现场调研分析该流域黑臭水体的污染来源，提出了同步治理内源和外源污染，因地制宜地采取工程性措施，以达到消除黑臭、提升水体自净能力及生态逐步恢复的目的。
1 流域概况
盘溪河位于重庆市主城北部(图1)，流域面积约为28.13 km2、河道全长为21.19 km(其中主河道长11 km)，流经两江新区、渝北区、江北区3个行政区，最后汇入嘉陵江。盘溪河全部河道均为硬化河道，其中7.41 km为箱涵暗河，13.78 km为开敞河道，河道加盖率为35%。河道底坡为0.3%～11.7%。流域内共有10个湖库与河道连通，分别为翠微湖、八一水库、青年水库、茶坪水库、六一水库、人和水库、百林水库、五一水库、战斗水库及红岩水库。
2017年1月调查显示：盘溪河流域ρ(COD)为17.10～63.00 mg/L，ρ(TP)为1.04～1.63 mg/L，ρ(NH3-N)为5.70～9.73 mg/L，ρ(TN)为10.30～16.10 mg/L，详见表1。按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，盘溪河流域内部分断面的TP、TN、NH3-N等指标超标2.5～4倍、5～8倍、2.5～5倍，盘溪河段水质常年处于劣Ⅴ类。根据《城市黑臭水体整治工作指南》的相关规定，ORP(氧化还原电位)、氨氮、DO、透明度指标值均处于“轻度黑臭”级。因此判定盘溪河段为轻度黑臭。
图1 盘溪河流域水系分布
Fig.1 The waterbodies of Panxi River Basin
表1 盘溪河流域水质
Table 1 Water quality of Panxi River Basin
监测断面ORP/mVpHρ(COD)/(mg·L-1)高锰酸盐指数/(mg·L-1)ρ(NH3-N)/(mg·L-1)ρ(TP)/(mg·L-1)ρ(TN)/(mg·L-1)ρ(DO)/(mg·L-1)透明度/m水质类别1-11.38.4317.106.16.211.0711.606.590.40劣Ⅴ类2-12.78.4921.006.35.701.0410.305.690.75劣Ⅴ类3-24.68.4627.807.98.061.2813.005.960.32*劣Ⅴ类4-13.58.3236.408.77.991.3812.606.820.22劣Ⅴ类5-47.78.3517.406.26.411.0610.602.450.32劣Ⅴ类6-72.08.4446.7011.18.061.3516.101.250.38劣Ⅴ类7-115.88.5836.4010.68.261.4815.103.040.18劣Ⅴ类8-94.88.4363.0017.59.731.6314.501.420.08*劣Ⅴ类
注：*表示实际水深。
2 污染源识别
2.1 点源污染
研究区域内的点源污染主要为生活污水直排口，虽然部分进行了雨污分流，但不彻底，同时有部分污水管在末端直接排入盘溪河。盘溪河两侧还有多处不完全分流制截流井，设计截流倍数较低，雨季极易溢流，导致合流污水溢流进入湖库和河道。调研发现：重庆市消防总队及其附近小区、金科天籁城美社及其附近小区、石门、大庆社区等均为生活污水直排；玉祥门及松石大道附近小区为雨污混排，北城国际中心小区2条DN500排水管，天一新城小区雨水排口夹杂部分生活污水混排。此外，动步公园旁轻轨站含有大量泥沙的施工废水及其他施工项目的施工废水直排入红岩水库及下游河道。点源污染负荷的计算参照李怀恩等[10]提出的污染负荷计算方法。
流域内服务范围为4.44 km2，人口密度为1.5万人/km2，综合用水量为420 L/(人·d)，产污系数为0.85，管网收集率为0.95，地下水入渗率为1.05。考虑到部分老旧小区难以彻底分流，流域内污水截留率按80%考虑，流域内年污水量为777.45万m3。按照重庆市生活污水平均污染物浓度计算，盘溪河流域内点源污染负荷COD、NH3-N、TN和TP分别为2487.80，233.20，311.00，27.20 t/a。
2.2 面源污染
城市面源污染主要是指城市降雨携带的污染物。一般认为，初期雨水携带整场降雨50%～80%的污染物。随着点源污染控制率的提高，城市面源污染对水体污染的贡献逐渐显现，已成为水体污染的重要来源。面源污染负荷的计算参照施为光等[11]提出的径流污染负荷计算方法。盘溪河地表径流污染负荷COD、NH3-N、TN和TP分别为1392.09，36.36，71.43，8.40 t/a。
2.3 内源污染
水体中的大量污染物沉淀后累积在河底，底泥是排入河流中各种污染物的主要归所之一[12]。盘溪河多个湖库的出水采用溢流坝的形式出水，淤泥易于累积。整个流域中内源污染最为严重的是流域下游的红岩水库，汇流面积大，且近几年承受了战斗水库汇入盘溪河的支流和百林水库汇入盘溪河的支流大量的生活污水、施工废水等污染物质的输入，多方面因素的共同作用造成库内中上游淤泥的快速累积。2011年清淤后至今，湖库中上游最深处已累积了3 m深的黑臭淤泥。内源污染负荷的计算参照郑艳霞等[13]提出的水库污染负荷计算方法，根据现场调研盘溪河流域各湖库的水面面积(约为24.54 hm2)，以及淤泥体积。重庆市湖河底泥各污染物平均释放强度见表2。经计算得出：盘溪河底泥中COD、NH3-N、TN和TP年释放量分别为63.02，0.29，0.58，0.11 t/a。
表2 盘溪河底泥污染物平均释放强度
Table 2 Average release intensity of sediments in
Panxi River kg/(m3·a)
项目CODNH3-NTNTP湖库0.320.00180.00360.0007河流1.000.00360.00720.0014
2.4 负荷分析
盘溪河流域污染物主要来自生活污水和地表径流，河湖周围地表径流和淤泥释放。盘溪河流域污染源负荷见表3。
表3 盘溪河流域污染源负荷
Table 3 Pollution source load in Panxi River Basin
水体名称指标外源点源外源面源内源负荷值/(t·a-1)占比/%负荷值/(t·a-1)占比/%负荷值/(t·a-1)占比/%合计/(t·a-1)盘溪河流域总计COD2487.863.101392.135.3163.0241.603942.924氨氮233.286.4036.413.490.2920.11269.892TN311.081.2071.418.640.5840.15382.984TP27.276.168.423.520.1140.3235.714
由表3可知：在盘溪河污染源负荷中，生活污水占比最大，其次是雨水径流，内源释放量相对较低。
3 治理方法
3.1 治理思路
分析表明，盘溪河流域主要污染来自4个方面，按污染严重等级排序依次是生活污水>不完全分流制溢流污染>面源污染>湖库内源污染，因此控源截污和活水补水是盘溪河整治的两大关键工程。外源减排和内源清淤是基础，水质净化是阶段性手段，水动力改善和生态恢复是长效保障措施[14]。对污染严重的黑臭水体进行生态清淤，降低黑臭水体的内源污染负荷，避免因底泥污染产生的厌氧环境对水生动植物产生毒害。结合以上分析提出了盘溪河黑臭水体治理方案：外源治理主要实施管网改造、污水处理、溢流污染控制、初期雨水污染控制；内源治理主要实施河道、湖内清淤工程，同步构建流域活水和湖库生态系统。
3.2 黑臭水体治理措施
3.2.1 控源截污工程
1)推进雨污分流改造、完善污水收集系统，对直排水体的点源污染采取截污措施。对流域内10.48 km污水管网和13.01 km雨水管网进行改造，考虑到部分老旧小区难以彻底分流，流域内污水截留率按80%考虑。不能实施雨污分流改造的区域，建议考虑在管网末端设置蓄水池或者其他处理设施。
2)推进海绵城市建设，控制面源污染。修建溢流污染调蓄池，削减排水管道的峰值流量，控制不完全分流制溢流污染控制。
盘溪河流域内的不完全分流制溢流污染调蓄池共设有11座，调蓄容积为13935 m3，其中两江新区4座，有效容积为5091 m3；渝北区为5座，有效容积为7341 m3；江北区为2座，有效容积为1503 m3。
3.2.2 初期雨水控制工程
盘溪河主要流经城市建成区，初期雨水控制以调蓄处理为主，参照国内相关城市截流量标准[15-16]，结合重庆市城市环境、气候以及经济发展状况，本次截留降雨量按6 mm计算，局部用地受限的排水分区取4 mm。在接入排水箱涵的雨水支管上，设置初期雨水调蓄池，其有效容积为该支管汇水面积内所收集的6 mm初期雨水量，在池内进行絮凝、沉淀，上清液排至雨水管网，污泥泵送至市政污水管(图2)。
图2 初期雨水处理方案
Fig.2 Initial rainwater treatment plan
结合现场条件，盘溪河流域集水面积为1056 ha，总容积为63200 m3，流域内设置初期雨水调蓄池为27座，占地面积为14856 m2。
3.2.3 补水活水工程
向黑臭水体中补充清洁水，增加水体流量，促进水的流动和污染物的稀释、扩散与分解。补水水源包括城市再生水、清洁地表水、海绵系统净化的雨水等。目前，盘溪河下游的唐家沱污水处理厂已处于满负荷运行状态，控源截污工程完成后，预计该厂将增加4万t/d的污水量，这对尾水达标是不利的。为提高水资源利用率，在流域内新建2座污水处理站：天湖公园污水处理站(1.5万t/d)、动步公园污水处理站(2.5万t/d)，处理出水作为盘溪河流域生态补水工程的水源。
3.2.4 天湖公园污水处理站
1)选址及形式。处理站选址于天湖公园内，西侧紧邻金山大道，结构为全地下式污水处理站。
2)设计规模。天湖公园污水处理站收集处理六一水库周边及上游生活污水，设计规模为Q=1.5×104 t/d。该污水处理站的设计出水水质执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标。
3)旱季，设计污水量为1.5万t/d，考虑雨水混入，水量增加30%；雨季，设计变化系数为1.3，处理能力为1.95万t/d。污水综合处理间为全地下结构形式，占地面积为4674 m2。地上设置管理用房，占地面积为368 m2。
天湖公园污水处理站采用AAO+MBR处理工艺，工艺流程详见图3。
图3 污水处理工艺
Fig.3 The sewage treatment process
3.2.5 动步公园污水处理站
1)选址及形式。处理站选址于动步公园内，靠近星光大道侧，结构为全地下式污水处理站。
2)设计规模。动步公园污水处理站收集处理五一水库周边及上游生活污水，设计规模为Q=2.5×104 t/d。该污水处理站的设计出水水质执行GB 18918—2002一级A标。
3)工艺流程与方案设计。工艺流程与天湖公园污水处理站一致。旱季，设计污水量为2.5×104 t/d，考虑雨水混入，水量增加30%；雨季，设计变化系数为1.3，处理能力为3.25×104 t/d。污水综合处理间为全地下结构形式，占地面积为9268 m2。地上设置管理用房，占地面积约为3200 m2。
3.2.6 生态净化工程
由于盘溪河上游的雨、污混排水常年输入，红岩水库内已淤积有较厚的淤泥层，发黑发臭。内源治理以清淤为基础，通过清淤疏浚来清除底泥、垃圾、生物残体等固态污染物，削减内源污染。研究指出，清淤可使水体中有机质、悬浮物以及透明度明显下降[17]。结合现场调研，各水库清淤量分别为：战斗水库2.3万m3，红岩水库2.2万m3。
3.2.7 生态恢复改造工程
人工湿地、生态堤岸是提高水体自净能力的重要途径之一[18]。传统的河道硬化方式割裂了土壤与水体的渗透关系，破坏了生物多样性，影响了河流的自净能力。对盘溪河开敞的“三面光”河段(共7.3 km)进行生态恢复改造，以“河床下挖+植物遮挡+堤岸表面改造+砾石床”的形式恢复生态功能，将河道改造为复式河道，旱季时河水由中部窄河道流行，使水流流速>0.1 m/s，保障水体自净能力。
4 结论与建议
盘溪河流域通过采取控源截污、初期雨水控制、补水活水、生态净化以及生态恢复改造等工程措施进行整治。2017年12月的检测显示：盘溪河1—8检测断面的透明度为20～62 cm，氧化还原电位为53.20～142.30 mV，ρ(NH3-N)为3.69～7.66 mg/L, 满足《城市黑臭水体整治工作指南》中无黑臭标准。因此，盘溪河河段基本可达到无黑臭目标，NH3-N指标值虽有所改观，但NH3-N、TP、TN还需进一步治理，才能达到GB 3838—2002 Ⅴ类水质标准。建议对盘溪河因地制宜地采用微生态原位净化技术，包括曝气造流、生物毯、人工水草、水生动物、水生植物5个方面，该技术的净化机理包括强制循环、曝气增氧、微生物分解等。此外，还可采用生物接触氧化技术处理景观水。结合现场条件，上述技术可单独或组合使用。
黑臭水体的综合整治可结合区域海绵城市的建设开展，统筹解决城市各方面的问题，强化生态效应。此外，环保部门应该增强对已完成治理河道的监督管理，动员人民群众参与到水环境的保护中，保证水体长治久清。
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