徐 勇

(商丘市睢陽(yáng)區(qū)水務(wù)局，河南 商丘 476000)

0 引 言

水資源是人類(lèi)生產(chǎn)與生活的主要資源，決定著社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r。水資源主要載體為河道，不但是居民飲用水的來(lái)源，也是發(fā)電、運(yùn)輸與養(yǎng)殖的主要場(chǎng)所。由此可見(jiàn)，河流是城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展、運(yùn)行的血液，也是系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵媒介，承擔(dān)著能量循環(huán)、物質(zhì)交換的任務(wù)，決定著城市的繁榮與衰落[1]。近幾年，中國(guó)地表水質(zhì)量惡化程度明顯，城市河流污染嚴(yán)重。截至2020年底，中國(guó)達(dá)到黑臭河道的污染河流約為2 000個(gè)。隨著河流水質(zhì)的惡化，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也受到了極大的破壞，例如輸水泄洪、容納降解污染物、供給水產(chǎn)品等，還會(huì)威脅人體的健康，影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，黑臭河道的治理至關(guān)重要。

黑臭河道已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重環(huán)境污染問(wèn)題，受到國(guó)家與相關(guān)部門(mén)的重視[2]。針對(duì)黑臭河道治理問(wèn)題，國(guó)家發(fā)布了相應(yīng)的政策文件，以此來(lái)指導(dǎo)黑臭河道的治理。現(xiàn)有黑臭河道治理方法主要以?xún)?nèi)源治理、控源截污為主，雖然治理效果明顯，但會(huì)消耗較多的成本，部分試劑也會(huì)對(duì)水體質(zhì)量產(chǎn)生二次污染，景觀性、文化性較差。為了迎合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在黑臭河道治理過(guò)程中，也應(yīng)該保持其良好的生態(tài)。因此，以生態(tài)設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，制定相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)黑臭河道治理的目的。為了驗(yàn)證生態(tài)設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用效果，提出生態(tài)設(shè)計(jì)理念在黑臭河道治理中的應(yīng)用研究。希望通過(guò)生態(tài)設(shè)計(jì)理念彌補(bǔ)河道生態(tài)功能的損失，并加強(qiáng)河道治理的時(shí)效性，提升河道水質(zhì)量。

1 基于生態(tài)設(shè)計(jì)理念的黑臭河道治理方法研究

1.1 黑臭河道影響因子分析

要想提升黑臭河道治理效果，首要任務(wù)即深入分析黑臭河道影響因子，為后續(xù)黑臭河道治理框架搭建打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

城市河道主要污染來(lái)源為污水處理廠排出的廢水，而針對(duì)黑臭河道來(lái)看，污染物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然水體，水體污染程度較為嚴(yán)重。為了簡(jiǎn)化研究步驟，采用單項(xiàng)污染指標(biāo)法計(jì)算黑臭河道單項(xiàng)污染指數(shù)，表達(dá)式為：

(1)

式中：Wi為第i種污染物對(duì)應(yīng)的污染指數(shù)；Ai為第i種污染物的實(shí)際測(cè)量濃度數(shù)值；Ain為第i種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)已有文獻(xiàn)研究可知，黑臭河道影響因子污染指數(shù)均與色閾值有著緊密的聯(lián)系，故此研究利用色閾值對(duì)黑臭河道影響因子進(jìn)行識(shí)別與分析。色閾值濃度可以直接體現(xiàn)河道污染的程度[4]。色閾值濃度數(shù)值越大，表明河道污染程度越高；反之，色閾值濃度數(shù)值越小，則表明河道污染程度越低。

由于篇幅的限制，無(wú)法對(duì)全部影響因子進(jìn)行詳細(xì)敘述，故所提出方法以氨氮為例，其與色閾值的相關(guān)性見(jiàn)圖1。

圖1 氨氮與色閾值相關(guān)性示例圖

圖1中，氨氮與色閾值兩者呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.629 0，充分表明水體中的氨氮濃度極大地影響了色閾值的高低，即認(rèn)定氨氮是黑臭河道的主要影響因子之一[5]。

依據(jù)上述過(guò)程對(duì)河道水體污染物進(jìn)行精確地識(shí)別，確定黑臭河道影響因子為pH、CODcr、DO、BOD5、NH3-N與TP，需要將上述污染物濃度降至一定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，滿(mǎn)足工業(yè)、娛樂(lè)或者居民用水需求，才算實(shí)現(xiàn)黑臭河道治理目標(biāo)[6]。

目前，黑臭河道治理標(biāo)準(zhǔn)為IV類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)值范圍見(jiàn)表1。

表1 黑臭河道治理標(biāo)準(zhǔn)表

IV類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)能夠滿(mǎn)足工業(yè)用水與娛樂(lè)用水，此標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足生態(tài)需求，故黑臭河道治理以IV類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)。

1.2 黑臭河道治理框架搭建

以上述分析得到的黑臭河道影響因子為基礎(chǔ)，引入生態(tài)設(shè)計(jì)理念，搭建黑臭河道治理框架，為最終黑臭河道治理的實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備。

生態(tài)設(shè)計(jì)理念主要指的是兩個(gè)方面：一方面是從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，降低資源的消耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；另一方面是從商業(yè)角度出發(fā)，降低治理成本，提升黑臭河道治理性能[7]。

依據(jù)黑臭河道的特征、污染水平以及生態(tài)破壞程度，結(jié)合生態(tài)設(shè)計(jì)理念，搭建黑臭河道治理框架，具體見(jiàn)圖2。

圖2 黑臭河道治理框架圖

從本質(zhì)角度出發(fā)，黑臭河道是水體中溶解氧平衡遭到破壞，導(dǎo)致CODcr、BOD5、TP等污染物濃度提升，從而出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。黑臭河道由于自身污染程度過(guò)高，致使其水生動(dòng)植物無(wú)法生存，水體冒泡，臭味彌漫，水生態(tài)逐漸崩潰，甚至出現(xiàn)“水華”現(xiàn)象，不但影響城市生活環(huán)境，也會(huì)對(duì)生態(tài)健康造成極大的不利影響。

1.3 生態(tài)治理技術(shù)設(shè)計(jì)

以上述搭建的黑臭河道治理框架為基礎(chǔ)，以生態(tài)設(shè)計(jì)理念為核心，設(shè)計(jì)生態(tài)治理技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)黑臭河道的治理，恢復(fù)其生態(tài)功能，提升河道水體質(zhì)量。

1.3.1 食藻蟲(chóng)訓(xùn)化技術(shù)

黑臭河道氮磷污染物濃度超標(biāo)，致使水體呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，為藻類(lèi)提供大量的養(yǎng)分，促使藻類(lèi)迅速生長(zhǎng)與繁殖，破壞了水體的自?xún)裟芰?，極大地降低水體質(zhì)量。而食藻蟲(chóng)能夠在短時(shí)間內(nèi)吞噬藻類(lèi)，通過(guò)自身分解技術(shù)迅速提升水體的透明度[8]。食藻蟲(chóng)實(shí)質(zhì)上是一種浮游動(dòng)物，能夠?qū)崿F(xiàn)人工訓(xùn)化與改良，以水體中的藻類(lèi)為生，平均每個(gè)食藻蟲(chóng)每天能夠進(jìn)食近10倍體重?cái)?shù)量的藻類(lèi)。由此可見(jiàn)，應(yīng)用食藻蟲(chóng)可以高效、無(wú)污染地提升水體的透明度。

食藻蟲(chóng)訓(xùn)化技術(shù)路線見(jiàn)圖3。

圖3 食藻蟲(chóng)訓(xùn)化技術(shù)路線圖

由圖3可知，食藻蟲(chóng)是從自然界中獲取的，通過(guò)人工訓(xùn)化與改良，引入黑臭河道中，能夠大大地降低河道的藻類(lèi)，提升水體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，符合生態(tài)設(shè)計(jì)理念，不需要其他試劑或水源來(lái)稀釋污染，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有水體產(chǎn)生二次污染[9]。

1.3.2 “水下森林”營(yíng)建技術(shù)

黑臭河道污染濃度居高不下的根本原因是自?xún)裟芰^低或者消失。水體自?xún)裟芰χ饕伤叩戎参锾峁c水環(huán)境聯(lián)系也極其密切，故以沉水植物為核心，構(gòu)建健康的水生態(tài)系統(tǒng)，即“水下森林”營(yíng)建。

“水下森林”中的沉水植物可以對(duì)水體中的氮、磷產(chǎn)生消除作用，也可以為水生植物提供營(yíng)養(yǎng)環(huán)境與場(chǎng)所。由此可見(jiàn)，營(yíng)建“水下森林”是治理黑臭河道的重要環(huán)節(jié)。依據(jù)抗污性能選擇沉水植物，具體見(jiàn)圖4。

圖4 沉水植物示意圖

沉水植物是河道水體是否惡化的判定標(biāo)志之一，故要想治理黑臭河道，重點(diǎn)就是增加水體中的沉水植物，“水下森林”營(yíng)建就成為河道治理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。另外，還需要適當(dāng)投放一定量的水生動(dòng)物，維持生態(tài)的平衡，保障“水下森林”的長(zhǎng)期穩(wěn)定。沉水植物生產(chǎn)狀態(tài)由多種因素決定，例如底質(zhì)、光照強(qiáng)度、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度等。其中，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度影響程度最大，故此研究對(duì)其進(jìn)行深入探究[10]。

常規(guī)情況下，沉水植物具有一定程度的營(yíng)養(yǎng)鹽耐受力，但是若是黑臭水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度超出其耐受范圍，就會(huì)導(dǎo)致沉水植物繁殖緩慢，甚至死亡。營(yíng)養(yǎng)鹽耐受范圍見(jiàn)表2。

（1）通過(guò)不斷的運(yùn)行摸索，在保證鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提下，降低鍋爐運(yùn)行中的運(yùn)行風(fēng)量，尤其是一次風(fēng)量，采用低風(fēng)量、低氧量運(yùn)行方式，提高床溫，既減小了循環(huán)流化床鍋爐的磨損，延長(zhǎng)了鍋爐運(yùn)行周期，又降低了風(fēng)機(jī)耗電率。通過(guò)不斷優(yōu)化調(diào)整，鍋爐風(fēng)機(jī)耗電率較優(yōu)化調(diào)整前降低約0.5%～0.7%。

表2 營(yíng)養(yǎng)鹽耐受范圍表 /mg·L-1

由表2可知，“水下森林”營(yíng)建過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)測(cè)量營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，保障其濃度在耐受范圍內(nèi)，發(fā)揮“水下森林”的最大治理效用。

1.3.3 生態(tài)浮島構(gòu)建技術(shù)

生態(tài)浮島構(gòu)建技術(shù)指的是應(yīng)用高分子材料作為床體，將水生植物放置在網(wǎng)架中，植物形態(tài)豐富，景觀化效果明顯。另外，在生態(tài)浮島構(gòu)建過(guò)程中，為了提升其與河道的融合，對(duì)生態(tài)浮島進(jìn)行差異化布局，防止出現(xiàn)同樣大小、同樣位置的布局[11]。

生態(tài)浮島構(gòu)建需要依據(jù)黑臭河道實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的組合與搭配，不但可以為水生動(dòng)植物提供場(chǎng)所，也能夠作為城市的水景景觀，增加黑臭河道的景觀性。生態(tài)浮島示例見(jiàn)圖5。

圖5 生態(tài)浮島示例圖

由圖5可知，通過(guò)生態(tài)浮島的構(gòu)建，可以增加黑臭河道水生動(dòng)植物的數(shù)量，極大地增加水體的自?xún)粜阅?，使得水體污染物濃度逐漸降低，達(dá)到治理的目標(biāo)。

與此同時(shí)，還能將生態(tài)浮島與浮橋進(jìn)行有效結(jié)合，建造一個(gè)創(chuàng)新、互動(dòng)、獨(dú)特的公共空間，為居民提供娛樂(lè)空間，推動(dòng)居民與自然進(jìn)行直接的交流，提升居民保護(hù)環(huán)境意識(shí)[12]。

1.3.4 曝氣復(fù)氧技術(shù)

黑臭河道最主要的原因就是溶解氧含量較低，致使水生動(dòng)植物無(wú)法生存，水體自?xún)裟芰οВ廴疚餄舛戎饾u增加。因此，依據(jù)黑臭河道水質(zhì)、污染物濃度等特點(diǎn)，采用曝氣復(fù)氧技術(shù)提升水體氧化還原電位，以此來(lái)恢復(fù)水體的自?xún)裟芰?，是黑臭河道治理的保障手段?/p>

為了增加黑臭河道治理的景觀性，可以將曝氣復(fù)氧技術(shù)與生態(tài)浮島技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，即將曝氣復(fù)氧裝置安裝在生態(tài)浮島的中心位置，充當(dāng)噴泉景觀，既可以增加河道的景觀性，也能夠通過(guò)污水與空氣的混合，加速植物根系的降解，激活整個(gè)水環(huán)境，優(yōu)化水質(zhì)[13]。

通過(guò)上述生態(tài)治理技術(shù)的應(yīng)用，可以增加黑臭河道水體的溶解氧含量，減小藻類(lèi)含量，并增加水生動(dòng)植物數(shù)量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間作用，水體透明度提升，自?xún)裟芰謴?fù)，達(dá)到黑臭河道治理目標(biāo)[14]。與此同時(shí)，生態(tài)治理技術(shù)具有可持續(xù)性能，能夠持續(xù)為河道水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，保障河道水體的質(zhì)量，為周?chē)用裉峁└玫纳瞽h(huán)境。

2 生態(tài)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用效果測(cè)試

為了驗(yàn)證生態(tài)設(shè)計(jì)理念在黑臭河道治理中的應(yīng)用效果，選取修復(fù)黑臭水體的SCEU強(qiáng)化環(huán)保生態(tài)方法[15]為對(duì)比方法，設(shè)置對(duì)比測(cè)試，具體如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

選取某城市黑臭河道作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為保障測(cè)試的順利進(jìn)行，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行一定的了解，并明確黑臭河道的治理目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象現(xiàn)有問(wèn)題如下：

·河道周邊排污口較多，并大多數(shù)在水面線上面，嚴(yán)重污染河道水體。

·河道兩側(cè)居民小區(qū)較多，水系空間受到大幅壓縮。與此同時(shí)，河道護(hù)岸綠化較少，雨水能直接流入河道，污染河道水環(huán)境。

·河道周邊水系較為復(fù)雜，具有多個(gè)支流，如果支流水質(zhì)較差，也會(huì)污染河道。

·實(shí)驗(yàn)河道水體水動(dòng)力不足，水體基本保持在靜止?fàn)顟B(tài)，河道自?xún)裟芰懿?，水生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重地破壞，并無(wú)法自然恢復(fù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)黑臭河道實(shí)際情況，確定其治理目標(biāo)，見(jiàn)表3。

表3 黑臭河道治理目標(biāo)表 /mg·L-1

由表3可知，應(yīng)用黑臭河道治理技術(shù)對(duì)河道水質(zhì)進(jìn)行改善及其治理，使河道水質(zhì)滿(mǎn)足表3要求，恢復(fù)河道水體的自?xún)裟芰Γ訌?qiáng)水動(dòng)力，打造景觀性較強(qiáng)、水質(zhì)較好的水環(huán)境。

2.2 黑臭河道治理評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

為了量化顯示黑臭河道治理效果，構(gòu)建黑臭河道治理評(píng)價(jià)模型，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算提供幫助。

依據(jù)治理效果評(píng)價(jià)需求，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表4。

表4 黑臭河道治理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表

以選取的黑臭河道治理評(píng)價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，構(gòu)造黑臭河道物元矩陣，表達(dá)式為：

(2)

式中：RN為黑臭河道物元矩陣；Ni為事物描述；Cn為隸屬于N的特征；(ain,bin)為特征對(duì)應(yīng)的取值范圍。

利用關(guān)聯(lián)度函數(shù)將定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量問(wèn)題，探索指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的關(guān)聯(lián)程度。關(guān)聯(lián)度函數(shù)表達(dá)式為：

(3)

式中：Kj(vi)為評(píng)價(jià)指標(biāo)i與等級(jí)j之間的關(guān)聯(lián)度；Vij為有限空間；d()為距離計(jì)算函數(shù)；ViP為節(jié)域。

最終黑臭河道治理評(píng)價(jià)等級(jí)為：

Kj=max{Kj(vi)}

(4)

通過(guò)上述過(guò)程完成了黑臭河道治理評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取做準(zhǔn)備。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用提出方法與對(duì)比方法對(duì)黑臭河道進(jìn)行治理，治理效果見(jiàn)圖6。

圖6 黑臭河道治理效果圖

由圖6可知，治理前河道水體呈現(xiàn)黑色，對(duì)比方法治理后，水體呈現(xiàn)綠色，但較為渾濁；而提出方法治理后，水體呈現(xiàn)淡綠色，透明度較高，表明提出方法治理效果更為明顯。

依據(jù)河道健康評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)，對(duì)應(yīng)分值分別為81～100、61～80、41～60、21～40與0～20分。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得黑臭河道治理評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖7。

圖7 黑臭河道治理評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)圖

由圖7可知，與對(duì)比方法相比較，應(yīng)用提出治理方法獲得的評(píng)價(jià)分值與等級(jí)更高，表明提出方法治理效果更為顯著，充分證實(shí)生態(tài)設(shè)計(jì)理念在黑臭河道治理中具備較好的應(yīng)用性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

此研究以生態(tài)設(shè)計(jì)理念為核心出發(fā)，提出了相應(yīng)的黑臭河道治理方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法治理效果更顯著，表明生態(tài)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用效果較高，為黑臭河道治理提供新的手段支撐，也為河道可持續(xù)治理研究提供一定的理論支持。