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源头暗涵化河道形成过程与系统治理思路

导读

城镇快速发展过程中,小型河道特别是源头段落因基流量小、断面较窄等原因,易被民用住房、商业建筑、城镇道路等构筑物和公共设施覆盖形成暗涵,广泛存在于城镇和城郊水系范围内,是黑臭水体形成的重要污染来源。暗涵化的河道治理需要依据暗涵的空间属性、排水系统特征和城镇规划定位等内外部特征“因涵施策”,结合实际案例并以污染负荷最大削减为原则开展系统治理,注重采用由问题到源头的治理逻辑和近远期结合的综合措施,实现暗涵的治理效果不断提升。

随着城市黑臭水体治理的持续开展,小型河道的暗涵段落具有封闭混乱、结构复杂等特征,成为最棘手的问题之一。对暗涵实施简单截污或末端截流处理的方式无法满足河道水质持续稳定达标的需求,反而造成水体黑臭反复现象。本文通过深化对暗涵形成的规律认知,系统阐述治理思路和技术手段,并结合实际案例为同类暗涵治理提供参考借鉴。

01源头水系演变与暗涵问题出现

1.1 城镇河网源头水系衰减与消失

城镇化发展带来了城市河流水系衰减、水面率下降、支流退化、河网复杂度下降等系列问题。1960年代至2010年代年长三角地区河网密度整体呈下降趋势,河网密度减少近20%,高度、低度城市化地区源头支流衰减剧烈,衰减幅度分别为28. 45%68.34%。武汉市城市水系板块在20002010年间的变化过程中整体呈现出由复杂无规则向简单化转变的特点,河湖水系数量、密度、面积均呈持续减少的变化趋势。

水系的缩减,源头河道面临更大的消失压力。例如美国2008Baltimore City地区,相比较未开发状态,20%的河道消失,而汇水面积为10~104 hm²的小型源头溪流河网被覆盖达到66%。小型河道及源头河道最容易受到忽视而被侵占暗涵化。在国内,2000年以后南京消失的城市中小河流有20多条,无主管河塘湖泊大量被填埋。深圳市20世纪80年代至2005年,河网总长度减少17%,其中小型源头河道大量减小,半径长度为1~2 km范围成为河网消失的主要区域,2005年至2019年暗涵长度由61.7 km增加至348 km。以上为典型城市源头河流消失及暗涵化的缩影。

1.2 暗涵化河道治理相关进展

近年来,国内部分学者开始重视河道沟渠覆盖暗涵化的问题,深圳市龙华区观澜河流域主要支流暗涵段的污染情况调研中发现,暗涵对下游水体水质影响十分显著,主要污染为氨氮和总磷。上海、厦门等大中型城市高密度城区内暗涵的雨季溢流污染控制对于地表水环境提升具有重要意义。国内外许多城市均在尝试复原河道。深圳市木墩河过去是一条暗涵臭水沟,2019开始木墩河暗渠复明工程,现已打造为国内暗涵整治样板工程。韩国首尔市2003年拆除长达5.9 km的高架,打开河上混凝土板清淤补水,重现清溪川潺潺溪流。美国纽约市为减少CSO溢流污染的长期控制方案中(LTCPs),计划将部分暗涵进行生态明渠化处置。明渠化是最佳的处理方式,而受空间和资金约束,大部分暗涵整治的重点仍是控源截污为主体的治理思路。

02源头暗涵化河道成因及动态过程

2.1 暗涵化河道形成原因

因暗涵化河道与市政排水暗涵形式上均为封闭空间,城镇规划和建设期间由于定位不同和认识不足等原因,容易造成混淆处理,加之河道管理重视程度不足,大量源头或小型河道裁弯取直、明渠加盖或被箱涵替代,从而形成常见的暗涵。暗涵化河道根据暗涵段河道的上下游位置分类为上游暗涵、中游暗涵、下游暗涵及组合暗涵。

天然河渠在转变为地下暗涵后,由于缺乏光照和充足的溶氧,河道的生态功能逐渐退化。为满足周边生产和生活需求,暗涵内普遍存在内部污水直排、合流制排口溢流排放、生活垃圾堆积及其他不利因素造成涵内淤积和厌氧发酵,河流功能逐渐演变为排水功能,变化情况见表1。以上原因,造成的水质恶化和重度黑臭成为暗涵化河道的典型特征。

1 暗涵化河道功能变化对比

2.2 暗涵化河道的动态形成过程

在无序的用地开发和排水系统建设情况下,以河道驳岸物理形态和污染源输入描述小型河道暗涵黑臭化过程:自然河道(驳岸成自然冲刷状态,仅少量面源污染)-轻干扰河道(驳岸受水利和农业改造,存在散居生活排水、小型工业企业排水和农业面源)-重干扰河道(两岸人口聚集,住宅、公共建筑、商业设施、过河桥涵等沿河而建,驳岸逐渐硬质化,坡率增大或成垂直驳岸状态,承接沿岸生活污染、工业污染及面源污染等)-暗涵化河道(通过垂直驳岸加盖、桩基础建筑或市政路桥覆盖、直接修建涵洞等形成变为暗涵,接纳并输出污染)。

03源头暗涵化河道的系统整治

源头暗涵化河道整治应积极遵循“预防为主”及“主动修复”的思路,首先宜结合城市综合规划和排水系统规划等上位条件,避免现状河道再走暗涵化的路子,为河道解决“存在”和“存续”问题。其次为现状暗涵在既定的空间条件下结合各类改造工程,寻求最佳的工程技术解决方案。

3.1 河道与城市博弈和融合

整治暗涵需首先解决生态红线管控问题,统筹生态保护与城镇发展之间的矛盾,对于小流域源头河道要注重保护,积极修复,控制污染,合理处置好河道与排水系统之间的相互关系见图1

1 红线保护与城市发展关系

3.2 暗涵化河道系统化治理思路

暗涵化河道治理是水环境综合治理,特别是黑臭水体治理的关键“黑箱”部分,国内外有很多暗涵治理实践经验和教训。对于现状暗涵化河道,需按照调查分析、明确目标、确定原则及工程应用的系统治理思路进行最优化处置,见图2

2 暗涵化河道系统治理路线

3.3 确定治理一般原则

暗涵化河道治理可根据其内外部特征及目标情况确定不同的治理方式,在确定具体技术方案前需择取适用的一般原则,总体原则为:

暗涵河道治理服务于整体水环境目标实现;

允许条件下,优先明渠亮化、生态化处理;

源头削减,过程控制的思路下开展近治理;

以控源截污为核心,重点控制污水直排和合流制排口溢流污染;

暗涵排口整治应以暗涵普查、排口溯源和源头改造为基本手段;

暗涵整治与排水系统改造灵活结合,注重近远期治理;

合理选择底泥清淤方式,优先资源化利用;

结构安全可靠,技术经济合理,运营维护方便。

3.4 主体工程技术选择

在适用的治理原则下,应以河道整体水环境质量为目标和外部条件选择相应主体工程技术方案,主体工程主要介绍明渠化改造及控源截污治理内容如下:

3.4.1 明渠化改造

暗涵化改造明渠化改造最有效的治理方式为借助城镇旧城改造、水系统综合治理、基础设施建设的契机,克服征地拆迁困难,打开暗涵顶部盖板还原自然河道。

自然河道的还原在平面上宜充分利用腾退的空间,将调查的河床及历史上的河滩地纳入其中;纵断面上需形成交替的深潭和浅滩,引蓄水构筑物宜合理设置;横断面上应减少规则的矩形断面,让河床能够有一定的摆动幅度,尽量预留水陆生态过渡带。

3.4.2 控源截污治理

暗涵在控源截污后应实现其河道水质特征,与排水系统协同实现雨污水“各行其道”,全面准确的排口调查及溯源条件下,根据目标水质和水环境容量,对所有点源实施截污改造并有效控制初雨污染和合流制溢流污染。暗涵在不同排水体制下的改造方式见表2,不同条件下或不适宜,应灵活选择。

2 暗涵控源截污治理

3.4.3 灵活处置及改造利用

1)在不影响行洪的条件下,通过增加智能控制设施,将盖板暗涵转换为隧道调蓄设施,控制中小降雨强度下的污染“零入河”,实现初期雨水和合流制溢流污染有效控制。

2)利用暗涵化河道旁侧市政道路空间,结合河道断面进行横断面改造,将暗涵打开塑造柔性护岸和开放空间,接纳透水路面的下渗雨水的同时形成蓄滞空间和局部的雨水自净区域。

04源头暗涵化河道改造案例

西南地区某地一源头型河流基本情况见图3,该河流总长1.2 km,为国家黑臭水体治理重点督办项目,其中暗涵化长度比例达70%以上,按照系统治理思路对改暗涵进行最优化处置。

3 西南地区某源头暗涵化河道范围

4.1 暗涵基本情况

河道分为暗涵段及下游自然河道段,除暗涵为合流制外,其他区域管网为分流制排水系统。其中,下游自然河道在原控制性详细规划中取消,为防护绿地。暗涵段周边大部分为现状工业用地,涵身紧挨城市支路,无空间恢复为明渠河道。

经方案论证,争取下游自然河道区域恢复为蓝线,避免水体继续暗涵化,按照规划定位打造成为重要的区域性生态廊道和居民亲水休憩区;上游暗涵实施需进行控源截污和源头管网改造,减少对下游河道的污染转移。

4.2 暗涵治理的内外部特征调查

1)涵身特征。总长约800 m,暗涵位于上游源头段,断面尺寸5.4 m×4.0 m,钢筋混凝土与浆砌片石挡墙加盖形式,简易结构。

2)水体特征。水质情况:重度黑臭,主要指标如图4治理前阶段;流量情况:晴天污水+山体存蓄水,雨天合流制排水。

3)排水特征。排水体制:源头分流制-过程合流制;排涝能力:断面基本满足行洪需求,无明显区域内涝情况;排口数量:暗涵内部12+源头排水管网混错接。

4)沿线情况。业态分布:工业企业及居住小区;建筑关系:部分横跨暗涵化河道;人口情况:人口密集,数个大型社区及医疗卫生企业。

5)政策背景。位于规划生态廊带范围;环保重点督查黑臭水体;暗涵排水重度黑臭,居民反应强烈。

4.3 暗涵外部管网普查+排口溯源+拓扑关系分析

经调查发现,暗涵内共有13处雨污合流排口、3处污水排口、8处雨水排口,雨污合流排口、污水排口总数中市政管网排口占20%,企业排口占80%。准确评估暗涵中渗流流量大小,同时通过系统监测方案和监测数据验证管网普查资料中管道拓扑关系的合理性,在排水分区内选择了17处点位进行为期一周的水量监测,动态评估暗涵排水情况。

4.4 治理原则及工程技术措施

1)根据区域规划,暗涵化河道所在区域为工业用地及居住用地,且均为建成区,且无区域改造计划,无法实现河道明渠化生态处理,需按照“保留改善”方式治理。

2)暗涵位于整个河道上游,且源头为分流制排水体制建设区域,宜按照“雨污分流能分须分;全面提高出水水质”原则,减少对下游河道的污染输出,消除黑臭水体,保障长制久清。

3)通过管网普查及溯源,污水主要来源于暗涵内排口及暗涵上游分流制排水管道。涉及截污工程因工程范围和用地条件限制无法一次性实施,暗涵治理需分期进行并设置临时相应设施。

4)截污系统建设。一期建设截污系统接纳直排口及截留式合流制排水口污水,二期针对源头分流制管网进行厂区或居住区内部混错接改造。考虑截污系统分期建设,过程污水及合流制溢流污水进入暗涵,在暗涵末端及暗涵中段设置临时截水墙和截流管,旱季及小雨期间截留至新建污水干管中。近期工程完成后,对二期优化改造范围的厂区及居住区范围内部进行排水管网改接,进一步降低源头污水排放和初期雨水污染。待截污系统建设完成后取消临时设施,提高截污管网内部污水浓度,减小下游污水处理厂处理负荷。

5)远期海绵化改造及暗涵周期维护。

4.5 暗涵治理效果

通过综合治理判断和工程技术应用,暗涵在治理前和分期控源截污后,暗涵出口水质明显改善,水质情况见图4。下游水体透明度(大于50 cm)和ORP(均值约75)均值满足消除黑臭水体标准,主要指标达到地表水Ⅳ类标准。因远期源头园区范围内部的混错接、初雨污染及涵内沉积底泥污染缓释等原因,降雨过后暗涵出水水质仍有轻微反弹现象。

4 分期治理效果水质情况

05结语

1)源头暗涵化河道治理受城镇已开发建设条件约束,治理难度高,需求资金大。在新时代城镇规划建设领域,应摒弃先暗涵化后治理的开发方式,按照生态建设思路,严守生态保护红线,在城镇中保留河道的自然形态,保持河网水系密度,避免支流发育程度继续降低。

2)政策引导下,国土空间规划应严格保护河道蓝线、红线,结合新城基础设施建设和老旧城区改造,暗涵化河道治理在技术经济合理的条件下优先实施生态明渠化改造,改善河道水质,提供更加自然的城市河流生态系统。

3)源头暗涵化河道的整治要有系统化的治理思维,实施“因涵施策”,针对不同的调查特征,采取基于空间位置和近远期结合的主体工程技术方案,实现当前水环境目标,并预考量远期目标的可达性。

4)作为保护生态红线的重要支撑,城镇源头河道保护对应的流域面积临界值纳入政策材料和规划依据应进行积极的探索和研究。美国清洁水法及FEMA的泛洪管理中对小型河道(溪流)进行了定义,但无特别清晰的保护措施;国内也缺乏相关尺度和方法的系统研究。

微信对原文有修改。原文标题:源头暗涵化河道形成过程与系统治理思路;作者:吴伟龙、蔡然、瞿文风、游宇、王光春;作者单位:北京首创生态环保集团股份有限公司、四川水汇生态环境治理有限公司。刊登在《给水排水》2021年第12期。