杜 炯，贺 力

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

随着我国经济社会高速发展，现代化、城市化进程的不断推进，近年来国内部分流域和城市出现了相对严重的水环境问题。从2015年至今，国务院及相关部门陆续颁发了“水十条”、《城市黑臭水体整治工作指南》《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》等指导文件，要求通过技术、管理手段对黑臭水体做到控制和消除[1]。近年“长江大保护”成为中央工作重点后，长江流域的水环境治理，特别是长江一、二级支流的治理工程，受到政府的高度重视和人们的广泛关注。

在该背景下，重庆市实施了某长江一级支流的水环境整治工程。该河道干流长度为66.25 km，支流共28条，支流长度约为110 km,河道流域总面积约为268.46 km2，流域人口约为50万人，起点为某饮用水水库，末端直接汇入长江干流，河道起讫点高差约为226 m，平均坡降为3.40‰，河道两侧坡岸陡峭，其常水位和5年一遇的水位落差可达11 m，5年一遇和50年一遇水位差可达6 m。沿途有瀑布1处，落差达41.85 m，还有人工跌坎22处(落差达3 m以上)，具有典型山地城市河道特征。

作为典型的山地城市水体，河道两岸管路错接严重，且存在大量合流箱涵。该合流箱涵埋深大，完全溯源进行雨污分流难度大，之前采取的改善措施并没有达到预期效果。此外，针对山地城市水环境治理的工程研究甚少报道，缺乏可供借鉴的治理思路，这对治理工程提出了更大的挑战。如何精准定位山地城市水环境治理的主要矛盾，探索出适用于山地城市河道治理的可实施方案，并在保障断面水质达标的基础上，采用系统性思维对河道面源、点源、内源污染进行治理，兼顾山地城市海绵建设、护岸防洪、景观等需求，实现自然环境与经济社会和谐发展，是该项目的难点和重点。

1 工程背景

重庆某河道位于重庆市主城区，具有典型山地城市河道特征。流域中上游属城乡结合地区，起点水库区域为农村，中游以小聚集区的街镇为主，下游属于城市区，以老城区为主。

该河道21世纪初以来旱季生活污水、工业废水直排严重，雨季城市径流污染、溢流污染问题突出，支流垃圾堆积、农业面源污染以及水土流失等情况并发，导致河道内水质迅速下滑为劣V类，周边居民反应强烈。近年经过当地政府的系列措施，河道黑臭治理已初见成效，但仍有断面水质低于V类水体标准，离Ⅳ类水质目标仍有一定差距(表1)。

表1 2018年10月河道水质监测数据Tab.1 River Water Quality Monitoring Data in October 2018

项目采用政府和社会资本合作(PPP)模式，其建设期3年，运营期22年，项目建成后的目标是河道水质在旱季和小雨时均能稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类水质，考核指标为COD、氨氮、TP。

为进一步研究山地城市典型河流水环境治理的特点，笔者的工作团队加强了对相关资料的收集和整理，在此基础上提出了难点归纳和解决路径探索，以期为国内山地城市水环境整理提供借鉴。

2 流域现状调查

造成水环境恶化的因素众多，且具有很强地域性，各城市间无法直接借鉴，同时现场调查也是掌握主要矛盾、制定总体方案的前提，因此，基础资料的收集显得尤为重要。

本底排摸工作是一切水环境治理的基础，其准确度和详细程度直接决定了工程措施的可靠性和有效性。调查排摸时间为2020年4月—2021年1月，持续9个月，调查重点内容为河道水质断面、流域内排水管网和箱涵情况、污染源普查、沿河排口水质水量分析、管道内窥检测、泥质分析等，调查内容和数据简要介绍如下。

2.1 水质断面监测

调查期间多次对河道进行分段水质监测，一方面便于掌握实际水质情况，另一方面可分析水质变动重点河段，也是模型计算的基础数据[2]之一。

本次调查根据河段长度以及支流汇入情况，在干流上布置18处取样点，如图1所示。通过对枯水期、平水期及丰水期，晴天、小雨(0～10 mm)和中大雨等情况下河道水质进行取样分析。总体来看，水库在晴天和小雨时水质基本稳定在Ⅲ类，大雨时COD同比提高约70%；而下游断面中，大雨时较晴天主要是氨氮和TP提高较多，平均为43.36%和37.71%。初步分析，水库周边居民少，大雨时冲刷入库的主要是水土流失部分，成分以COD为主，故COD大雨时大幅升高；下游大雨时，雨水管道内积存的污染物冲刷入河，其中含N、P污染物较多，故造成氨氮和TP的升高。

图1 沿河取样点设置示意图Fig.1 Schematic Diagram of Sampling Points along the River

2.2 排水管线调查

一般意义上排水管线摸排通过物探手段解决，但针对水环境整治类工程，需以问题、目标为导向，因此，对管线探测的精度提出了更高要求。

根据资料，该河道流域内雨污水管道总长度约为600 km。由于城市建设时序和施工的不规范，实际有10%以上管道已无法找到，有掩埋、无检查井、被破坏等多种情况。本次采用先对现状检查井测量，通过CCTV机器人试爬，确定位置后明挖或沉井的方式确定管位，同时新建检查井也作为后期维护的永久设施。

2.3 污染源调查

该河道流域范围内共涉及6个街镇，本次调查分街镇对辖区内的污染源进行普查，调查发现中上游城乡接合部及城区内“城中村”的化粪池由于疏于管理，均不同程度地出现了冒溢并排入河道的现象。故本次将其作为污染源进行分析，共调查出流域内污染源1 161个，主要水质数据如表2所示。

表2 典型污染源水质数据Tab.2 Water Quality Data of Typical Pollution Sources

2.4 沿河排口调查

沿河直排口是水环境整治的核心内容，是工程定量分析的重要对象。基于排口类型将其分为雨水排口、污水排口、合流箱涵排口、自然排口及临时排口等类型，自然排口分地下渗水、地块内渗水、管道渗水等多种情况。针对排口调查的复杂性，编制了沿河排口统计分类表，如表3所示。

表3 排口统计分类Tab.3 Statistical Classification of Discharge Outlet

在未提供该表前，勘察单位提供的排口资料仅表示了雨水排口和污水排口，准确率仅有70%左右，导致设计工作无法开展。鉴于此，编制了这张排口统计分类表，勘察单位根据此表对排口类型进行辨别后其准确度提高到了95%左右。

2.5 管道内部调查

管道内部调查的目的是掌握管道结构属性、功能属性及空间属性，同时对渗水、外水入侵、混接、淤积等状态进行判断。本次采用CCTV手段进行内窥，对淤积严重段则先进行清淤降水后再内窥。

2.6 总结

经过以上调查分析，该河道污染属于输入型污染，其中COD污染主要来源为城市面源，占比51.2%，雨季初期冲刷效应凸显，点源污染占比42.8%，内源污染占比4.3%，农业面源和水土流失占比低；氨氮污染以点源为主，占比75.4%，城市面源占比22.6%；TP污染以点源为主，占比81.3%，城市面源占比12.9%，水土流失占比4.7%。

3 工程设计难点及解决措施

控源截污是水环境治理的治本之策，本工程内最主要的污染源为点源和面源。首先，通过对沿河直排口的整治和各系统管网进行雨污分流和补全[3]，做到污水应收尽收，雨水和污水各行其道；其次，对无法做到完全分流的四大混接雨水箱涵，在前端应分尽分[4]的基础上，考虑补充末端集中处理站，配合合流制溢流(CSO)调蓄池起到集中面源和点源的控制；再次，对流域内的污水厂和净化站进行提标，使其也作为生态补水的一部分，同时考虑从其他水源引水，作为旱季基流的保障措施；沿河两岸利用山地城市特点建设下凹绿地等海绵城市措施，对分散面源污染进行处理，并考虑与景观风貌整体打造；对水土流失明显的河段和防洪标准较低的河段，进行护岸治理、土体固化；最后，内源的整治主要考虑在控源截污工程完善后，对干流、支流进行清淤和垃圾收运[5]。

针对沿河居民的垃圾倾倒、小企业作坊的废水直排等情况，则需要依靠管理手段。通过各行政主管部门出台相应的管理规定，如加强污水接入管理、重点企业监管等方式，达到“长治久清”的目的。

根据治理理念，本工程按水环境、水生态、水安全、景观工程及智慧水务五大分项进行谋划。其中，水环境实施内容是直接改善河道断面水质的，是本工程的重中之重。鉴于各板块内容较多，本文对最关键的水环境实施内容进行具体分析论证，其余内容另篇介绍。

水环境工程主要包含截污干管改扩建、雨污分流改造[6]、补齐管网空白、沿河直排口纳管、新建再生水厂等点源污染治理措施，调蓄池配合箱涵末端水质净化站的集中面源治理措施，以及箱涵、河道清淤等内源治理措施。鉴于内容较多，本文仅对处理的重难点——合流箱涵、水质净化站、截污干管布置、雨水排口改造分别予以介绍。

3.1 合流箱涵整治难

重庆老城区中箱涵众多，以暗涵形式为主，多为河道支流上部加盖后形成箱涵，附近新建的住宅均将排污管接入箱涵，一接了之。这些原来的清水箱涵也就变成了旱天排污水、雨天排混合水的合流箱涵。山区城市由于城区落差大，造成合流箱涵具有平原城市箱涵没有的特点。

1)埋深大、坡度变化大。箱涵的坡度基本和山形走势一致，但也有差异，如实测中发现有一根合流箱涵，最大埋深处达到38 m，基本无法从上部地面进入箱涵。箱涵内忽平忽陡，坡度变化大，导致箱涵内部设置有较多处台阶状跌坎，最高台阶约有0.8 m，目前国内各类型内窥机器人均无法通过(图2)。

图2 合流箱涵内部图Fig.2 Internal Structure of Combined Drainage Box Culvert

2)箱涵入口少，结构脆弱。经实测，重庆地区的老箱涵入口间距为500～1 500 m，人员进入作业时间受氧气瓶限制，不得超过30 min，其行进距离一般在500 m左右，理论上无法实现全部内窥。有些箱涵建造于20世纪90年代，基本结构还是条石堆砌而成，且年久失修，垮塌风险很大，不具备重新开孔条件。

勘察单位采用了各种先进的内窥机器人，但都无法通过跌坎和内部少量的淤泥淤积段，最终还是确定采用人工测量的方式才得以解决。在人员安全保障上，考虑到内部空气在水流作用下仍处于持续流动状态，内部空气条件会好于预期，拟采用多处进口机械强制通风并结合内部硫化氢浓度实时监控的方式。实际操作发现，通风1.5 d后，内部硫化氢质量浓度即从11 mg/m3降至0。由于箱涵内无信号，人员进入后采用三维激光扫描结合GPS物探法采集箱涵及排口内部平面及高程数据。

3.2 水质净化站设置难

拿到箱涵走向及内部汇入点数据后，接下来的工作就是解决旱天污水入河问题。经对合流箱涵内窥数据、勘探资料进行分析，该合流箱涵均存在周边无法实施截污干管、本体结构稳定性差、坍塌风险大等问题，进行完全的雨污分流改造无法实施。鉴于该实际情况，结合同步进行初期雨水治理的目标，明确合流箱涵实施方案为：部分管道雨污分流+箱涵末端设置调蓄池+水质净化站[7]。方案首先通过对易实施的管道进行改造，将易分流的污水从箱涵出水中剥离出来，剩余难分流的污水旱天全部进入水质净化站处理，处理后水质达准Ⅳ类标准排放。净化站处理工艺采用AAO+MBR工艺，节省河边占地，同时AAO池分多格，以适应旱天、雨天不同水量(图3)。

图3 水质净化站工艺流程图Fig.3 Process Flow Chart of Water Purification Station

雨天时利用调蓄池对初期雨水进行储存，防止高浓度集中面源污染直排。配合净化站的处理能力，可保障小雨(0～10 mm/d)时混合污水不溢流。本次调蓄池容积根据重庆市雨型及汇流区模型计算得出，相当于服务区域内5 mm截留量，计算可削减50%～70%的污染物，调蓄池考虑放空时间24 h。图4为采用的最不利雨型及调蓄池容积模型。

图4 采用雨型及调蓄池容积模型计算图Fig.4 Calculation Diagram of Rain Pattern and Volume Model of the Storage Tank

难点一：水质净化站旱天、雨天水量、水质大幅变化情况下达标运行难度大。解决方案：生反池分组增加，旱天水量小时仅开启部分反应池，在出水达标的情况下最大限度节省能耗；采用MBR膜工艺，其出水水质抗冲击能力强，适用于此种水质水量多变的情况。

难点二：水质净化站均位于河边风光带，融入周边环境难度大。解决方案：采用集约化设计，整个净化站仅有一个单体，并采用屋顶绿化、复合造型等方式使其完全融入周边环境；采用生物除臭+吸附模块(应急)+土壤滤池的高效组合除臭工艺，按公园空气净化标准严格要求。图5为某水质净化站外观效果图。

图5 某水质净化站外观效果图Fig.5 Appearance Effect Drawing of a Water Purification Station

水质净化站+调蓄池的组合处理模式具有以下优点：1)旱天时杜绝污水入河，并可维持净化站微生物活性，对河道提供宝贵基流，改善河道旱天枯水窘境；2)小雨时初期雨水全部进入调蓄池，可实现污染物不入河，净化站全力开启，雨后迅速腾空调蓄池；3)中大雨时对初期雨水进行截流，后续雨水通畅排河，净化站始终运行，降低污染物入河。

3.3 生态基流匮乏解决难

项目所涉河道为行政区内“母亲河”，基本没有出现断流情况。但通过现场调查发现，旱季时该河道生态基流已十分匮乏。在河道中下游段，基流仅通过现状水坝旁的一根DN200管道流出，其水量不足5 000 m3/d(图6)，而经计算，该河道的最低生态基流量为0.6 m3/s。

图6 旱季基流状况Fig.6 Base Flow in the Dry Season

恢复生态基流是水环境治理里非常关键的一环，没有基流就没有“水清岸绿、鱼翔浅底”，没有基流稳定的水质也将成为奢求。通过3.2小节中合流箱涵出口增设水质净化站的方案是保障河道不同位置断面基流的有效措施之一。

另外,项目还考虑了上游从周边水库引水，在枯水季节确保河道满足最小基流要求。

3.4 截污管道布置难

大部分水环境治理中都需要建设大量的沿河截污干管，将原排入河道的污水管或合流管全部接入干管内输送至末端处理设施处理后排放。山地城市的河道的特点是河道常水位与周边地块标高落差大，可达20～30 m。如该河道常水位为176.00 m，5年洪水位可达186.97 m，100年洪水位可达194.74 m，周边地块标高为200 m左右，与河道常水位落差为24 m，且河道边坡陡峭，河道边与构建筑物之间几乎无布置空间。

经研究并走访调研了重庆地区截污干管运行管理单位，根据反馈意见，给出了2种解决方案。

埋设方案一：确保截污干管检查井顶标高高于洪水位，管道通过支撑柱立于河床边，管道上采用垂直绿化或彩绘的方式进行美化，与周边环境融为一体。该方案的优点是便于检修，适用于截污主干管或管道坡度小，清淘维护管理工作量大的管段。

埋设方案二：管道埋设于河床内，检查井盖板高出常水位1 m左右，采用压力盖板，盖板上连接透气管至百年一遇洪水位以上。优点是管道平时看不到，对周边环境更友好，缺点是雨季时检查井位于水位下检修不便，适用于河道两边无挂管空间，且管道检修概率低的管段。

3.5 雨水排口改造难

由于山地城市特点，主河岸上存在众多雨水排口位于河岸中部，雨天时初期雨水直接排入河道既会对河道造成面源污染又对河岸直接造成冲刷[8]。

针对排查后应保留的雨水排口，结合生态驳岸和现状地形，本工程在排口处设置下凹式绿地、旱溪等生物滞留设施(图7)，按解决单个雨水排口服务范围5 mm初期雨水量考虑容积。可及时处理、滞留、渗透和消纳雨水，从而减少雨水对河道的污染、雨水径流对生态驳岸的冲刷，并通过微地形处理形成雨水传输带[9-11]。

图7 雨水排口点源整治Fig.7 Remediation of Rainwater Outlet Points

4 成效预测

水环境容量是水体消纳污染物能力的指标，通过前期基础资料的收集，将污染物排放点概化后，建立一维模型计算工程治理前后河道水环境容量和污染物排放量的差值，以分析总体水质目标的可达性。具体计算如式(1)。

(1)

其中：Wi——第i河段水体纳污能力或环境容量，kg/d；

Qi——第i河段设计流量，m3/s；

Ui——第i河段设计平均流速，m/s；

Li——第i河段长度，m；

Ki——第i河段污染物降解系数，d-1；

Csi——第i河段所在功能区水质目标值，mg/L；

C0i——第i河段上一河段水质目标值，mg/L。

根据本工程的考核目标，主要对COD、氨氮、TP这3个指标进行分析。其中，COD排放主要由城市面源、点源和内源污染构成;氨氮排放主要由点源、城市面源和农业面源污染构成;TP排放主要由点源、城市面源和水土流失污染构成。

点源污染中生活污水排放采用实测值，工业废水及污水处理厂尾水均采用规范上限值；面源污染中水土流失、家禽养殖、农业种植、垃圾入河均按重庆市和三峡库区相关公报、年鉴数据取值，种植业入河率取0.08，垃圾入河率取0.05。城市面源污染(雨水径流)则是参考山地城市相关研究取值(表4)；本工程内源污染取值均按分段底泥检测值确定。

表4 生活污水和工业废水点源污染取值[12]Tab.4 Value of Point Source Pollution Concentration of Domestic Sewage and Industrial Wastewater[12]

城市面源污染(雨水径流)是指地表沉积物在降雨淋溶和冲刷作用下，扩散性进入水体，造成城市水环境质量下降的过程。参考重庆地区相关文献，取城市面源污染浓度如表5所示。

表5 城市面源雨水径流平均污染取值[13-14]Tab.5 Value of Average Pollution Concentration of Urban Non-Point Source Rainwater Runoff[13-14]

水土流失是雨水冲刷下泥沙携带污染物进入河道，造成水体污染。根据中科院2020年发布的三峡库区水土流失面源污染指标取值如下：CODCr、氨氮、TP质量分数分别为4 612、105、300 mg/kg。

模型计算中污染物降解系数参考《三峡水库对重庆库段生态环境影响及整治对策研究》中水环境容量参数，并用河道2018年—2020年水质监测资料和污染负荷校核调整后得出，降解系数设计值如表6所示。

表6 污染物降解系数取值Tab.6 Pollutant Degradation Coefficient Values

在图1表述的18个考核断面基础上，取消在支线上的2个断面及开端的水库断面，对剩余15个断面分别计算现状水环境容量和现状污染物排放量，并利用河道水质检测数据对计算参数进行率定和计算结果校核。计算结果显示，多数河道断面现状污染排放量大于水环境容量，即水质不达标(图8)。

图8 各断面改造前污染物排放量与水环境容量曲线Fig.8 Curve of Pollutant Discharge and Water Environment Capacity before Reconstruction of Each Section

以现状污染排放与水环境容量计算结果作为基准，每个断面均给出了工程措施实施后的断面水环境容量提升量计算和污染物排放削减量(图9)。

图9 各断面改造后容量及削减量对照图Fig.9 Comparison Diagram of Capacity and Reduction after Reconstruction

通过对所有15个断面的计算，本工程实施后，河道内各考核断面COD、氨氮、TP指标排放均大大降低，并且小于地表Ⅳ类水质标准下的水环境容量，工程目标可达。

5 结语

水环境整治是一项关于民生的综合性工程，具有复杂性、动态性、可实施性，而可实施性应建立在对实际情况、资料的充分掌握上。

本文重点分析了山地城市河流水环境治理的难点及解决路径，介绍了本底调查的方式方法，对合流箱涵、截污干管、雨水排口方面进行了重难点分析并给出了解决方案，并对断面建立水质模型并进行了成效预测，通过成效预测来指导项目内容的实施和推进，为我国众多山地城市水环境治理工作的开展提供了样板和借鉴。