德国埃姆歇河的治理奇迹:从“黑水变清”再到“重返自然”

http://www.water.hc360.com2020年07月24日09:16 来源:《净水技术》作者:尹文超 卢兴超等T|T

    德国埃姆歇河是莱茵河的重要支流,所处的鲁尔区曾今是德国的钢铁和煤矿中心。岁月变迁,辉煌不再,废弃的厂房变成城市颓垣断壁,而埃姆歇河也因工业废水的无序排放,变得臭气熏天,生态环境破坏严重,成为城市的桎梏。经过一个世纪的治理,河段和周边生态已恢复到了接近自然的水平,原本衰退的重工业基地也重新焕发了生机。德国埃姆歇河流域的脱变是世界污染水体成功治理的经典案例,学习埃姆歇河流域水生态环境综合治理案例,对我国流域水生态环境向“重返自然”的美好远景前进具有重要借鉴意义。   

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图片来源:笔者拍摄

    为此,中国建筑设计研究院绿色设计研究中心组建研究团队赴德国埃姆歇河流域学习交流考察,通过课程培训和实地调研等方式,深入研究姆歇河流域总体发展历程、污水处理、雨洪管理、水体污染治理和水生态环境修复技术措施。

    研究团队介绍

    研究小组来自于中国建筑设计研究院绿色设计研究中心,中心是城乡绿色生态建设领域集科研、设计和咨询于一体的综合性机构,现有员工60余人,其中教授级高级工程师4人,高级工程师10人,硕士以上学历33人,注册工程师13人。近年来,中心累计主持和参与完成了包括2022年冬奥会及冬残奥会延庆赛区项目可持续设计与顾问咨询、南宁市海绵城市建设及河道流域综合整治咨询和建筑与小区污水分散式生态处理技术研究与设备研发等国家、部委重点项目和课题研究。中心是中国城镇化促进会绿色经济与技术创新专业委员会、中国建筑节能协会建筑给水排水分会和中国建筑学会建筑给排水研究分会等学协会团体的挂靠支撑机构。

    研究小组立足城乡绿色生态规划与工程技术研究领域,通过不同层级的课题研究和规划设计,致力于从技术角度突破城乡经济社会发展过程中生产生活生态空间融合的瓶颈问题,深度落实国家生态文明建设和绿色发展理念要求。

    

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图片来源:笔者拍摄

    埃姆歇河流域的治理势在必行

    埃姆歇河是莱茵河的重要支流,位于德国西北部的北莱茵-威斯特法伦州,该河流为东西走向,起源于多特蒙德东南部,经过83km在丁斯拉肯流入莱茵河,河床高差达到122m,流经德国工业重地鲁尔区。埃姆歇河流域面积为865k㎡,包含22个城市,流域总人口220万人。煤炭业的快速发展,城市人口的增多,导致每天有大量的工业废水和生活污水产生。当时,污水排放唯一路径是排入埃姆歇河及其支流和开采沉陷区,造成地表水、地下水污染,洪水积存泛滥。20世纪20年代,埃姆歇河流域开始建设硬质渠道,露天明渠逐渐成为工业和生活污水的受纳水体,给周边区域的居民生活健康带来巨大威胁。19世纪末,随着埃姆歇河协会(以下简写为EMGE)的成立,埃姆歇河开始了一个多世纪的治理之路。

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    埃姆歇河流域区位(图片来源:EMGE)

    埃姆歇河流域的综合治理历程

    埃姆歇河整个治理历程分为四个阶段:卫生条件改变阶段(1906年—1949年),现代化阶段(1950年—1982年),综合治理第一阶段(1981年—1990年),第二阶段生态治理(1991年至今),与此同时,1991年开始了埃姆歇河协会制定了长期规划,2006年发布了埃姆歇河总体规划,2020年计划完成整个河道治理工程。

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    埃姆歇河治理的时间轴线图(图片来源:德国伍珀塔尔研究所(WIKUE,2013))

    “灰”、“绿”综合治理计划

    从1992年开始,埃姆歇河用20年时间,完善流域内污水处理厂和地下隧道系统的建设,即所谓灰色基础设施的建设;同时用大约25~30年时间,对埃姆歇河及其支流开展生态修复,即所谓河道的修复。另外,在全流域内开展雨水管理,建设绿色雨水基础设施。在埃姆歇河沿岸集中设置4座生活污水处理厂和26座工业废水处理厂,每年生活污水处理量6.29亿m,工业废水处理量1600万m;为保证污水输进污水处理厂的重要途径,埃姆歇河流域共建设地下深邃97km;修复河道及岸线生态系统是埃姆歇河流域“重返自然”的开始,通过恢复或拓宽河道断面,硬化岸坡恢复为生态岸坡,恢复河道弯曲等措施恢复河道的自然生态功能;建设绿色雨水基础设施,制定“15/15”项目,推广雨水花园、下凹绿地、透水铺装、绿色屋顶等生态设施,提高流域雨水的滞纳能力和消化效果。

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    综合治理计划(图片来源:EMGE)

    “灰”色措施—流域排水体制改善

    早期的埃姆歇河流域中生活污水和工业废水是通过散排的形式直接进入每个集水区的支干流,再在每个集水分区下游设置提升泵站,将污废水泵入污水输送干管,最终直接排入埃姆歇河,该排水体制解决了集水分区的污水和雨水排放问题,但造成埃姆歇河的地表水和地下水污染。

    新的埃姆歇河流域排水系统,通过合流制干管将生活污水和工业废水进行集中收集、输送到带溢流的雨污混合水沉淀净化池,并被输送到埃姆歇河沿岸新建设的地下隧道系统,最终进入雨季污水处理厂的高负荷下运行处理,最后排入埃姆歇河,实现雨污混合污水的全面净化处理。部分地下隧道系统中剩余的雨污混合水,先经过沉淀池沉淀净化,再溢流到混合污水的塘-湿地净化系统中进一步净化,最终排入埃姆歇河支流。

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    (a)改造前(b)改造后

    埃姆歇河流域排水体制(图片来源:EMGE)

    德国埃姆歇河流域生态环境综合治理的过程中特别强调了对受污染径流雨水的收集、调蓄、净化与利用,无论是合流制下水道的溢流水,还是分流制的雨水管道的径流雨水,都予以收集、调蓄、处理与利用,用作水资源。

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    波茨坦广场雨水综合利用系统(图片来源:笔者拍摄)

    除了雨季雨污混合污水通过市政污水处理厂处理外,还对溢流雨污水采用雨水沉淀池、雨水净化塘和地表径流人工湿地等进行处理。

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雨水净化塘(图片来源:笔者拍摄)

    “灰”色措施—污水处理厂建造或扩建

    建造或扩建污水处理厂是改善埃姆歇河流域水环境问题的第一步。在埃姆歇河沿岸埃共建设四个集中式市政污水处理厂进行二级生物处理,分别是埃姆歇河河口污水处理厂、多特蒙德-杜森污水处理厂、波特洛普污水处理厂,以及杜伊斯堡污水处理厂。2012年,四座污水厂的总处理污水量为6.29亿m。

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埃姆歇河流域市政污水处理厂分布图(图片来源:EMGE)

   (1)多特蒙德-杜森污水处理厂:服务人口为62.5万人,人均污水排放量为151L/(人·d),污水处理量为94375m/d。

    (2)波特洛普污水处理厂是在1929年在这个地方建立了第一座污水处理厂,仅为机械澄清设施。处理负荷为134万人口当量。

    (3)杜伊斯堡污水处理厂服务居民人口为37.5万人,其中24万人是家庭生活污水,其余的是蒂森克虏伯的工商业废水。

    (4)埃姆歇河口污水处理厂早前处理大量的河水以及上游污水处理厂净化后的出水,为保障埃姆歇河河水的干净提供了最后一道防线,2017年后转变为传统城市生活污水处理厂,从地下隧道中取雨污混合物污水进行处理,重建后将配备双层沉淀系统,处理效率提升日最大流量将为16.5m/s,处理负荷相当于230万人口当量。

    在埃姆歇河流域,所有污水处理厂都满足所要求的污染物排放浓度。根据“污水条例”,规模>100000人口当量的市政污水处理厂出水总氮必须低于13mg/L。考虑到对污水处理厂的营养物质削减的要求,如果氮的去除率低于75%,则需要采取行动。

    另外,在埃姆歇河流域有60家工业企业进行污水和冷却水的处理。与城市污水相比,废水量较低,为1600万m/a。经处理的工业废水还是排入埃姆歇河,并通过埃姆歇河口污水处理厂进行净化。

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生物化学除磷系统(图片来源:笔者拍摄)

    “灰”色措施—地下深邃系统构建

    地下深邃系统是埃姆歇河流域污水、雨水全面截污的重要措施。在雨季时,埃姆歇河流域的合流制地下深邃中进入大量雨水,污水处理厂在某些时候遇到超出负荷,地下深邃将雨水存储澄清池可防止系统崩溃,作为混合污水的地下储池,不能被污水处理厂立即处理;但雨水消退后,储存的雨水逐渐进入污水处理厂进行处理。经过地下深邃系统中的雨水溢流池和排水管渠,初期雨水中的污染物已经沉降在其底部,即使临时存储池被充满,高度稀释和机械预澄清的废水也可以直接排放到水体,也不会对水体带来太大压力。

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地下深邃系统分布图(图片来源:EMGE)

   埃姆歇河沿岸地下深邃系统是全世界最长的地下排水系统,分为两段,分别为第一段由多特蒙德东南部至多特蒙德-杜森污水处理厂和第二段由多特蒙德-杜森污水处理厂到埃姆歇河口污水处理厂。第一段长度为23km,直径为800~4000mm,埋深为2~20m,于2009年施工完成投入使用,负责将沿岸所有污水和受污染的雨水均通过地下隧道排入污水处理厂处理。第二段地下深邃长度为74km,直径为1600~2800,埋深10~40m,于2017年内完工,负责收集河道沿线污水、受污染雨水以及处理后的工业废水,并经三个大型提升泵站,分别是盖尔森基兴泵站、波特洛普泵站和奥博豪森泵站,提升进入波特洛普污水处理厂和埃姆歇河口污水处理厂处理。

    地下隧道系统建设参数(数据来源:EMGE)

    埃姆歇河的截流总干管为成本较低的单管道合流制管道,从多特蒙德-杜森污水处理厂至盖尔森基兴泵站之前2.6km形成一标段,总长度为47km,为单管系统。随着管道埋深增加,考虑到单管系统发生故障,而造成的功能丧失,从胡勒布鲁克到盖尔森基兴泵站之间采用双管道系统,当废水流量超过3m/s或管道埋深超过25m的地区,管道必须设计为双管道。在波特洛普污水处理厂中,有一个特殊的解决方案:现有的双管系统当液压系统出现故障时,可由第三条管道补充。地下隧道沿程坡度为1.5‰~1.7‰,在盖尔森基兴泵站之前坡度较大为1.6‰~1.7‰,从盖尔森基兴泵站往后的管段坡度均为1.5‰。

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 第二段地下隧道各管段参数详图(图片来源:EMGE)

   埃姆歇河流域地下深邃系统是一套庞大的工程技术系统,从规划设计到建造运营,历时近30年,投资量巨大,是结合德国经济社会发展情况,经过长期规划论证后的决策,并且分阶段实施验证效果。但是要清醒地认识到它的建设是在德国雨污水收集排放处理系统日趋完善的基础上提出的,要从总体上全局上看待这一技术系统应用的工程技术和时代条件背景。地下深邃系统是近30年实施的重大工程,是为流域“重返自然”做的又一铺垫。

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埃姆歇河深层隧道泵站(图片来源:笔者拍摄)

   “绿”色措施—河道生态修复体系

    埃姆歇河协会先后制定了重返自然、蓝绿生态网络、生态屏障等生态修复工程,以改善城市气候和水的自然循环。

    一是通过恢复或拓宽河道断面,使河道生态更有连续性和延伸性。

    二是逐段将梯形河槽恢复成自然河道,但按防洪要求保留原有堤坝。

    三是使河道弯曲,增加河道的水力粗糙度,降低河道水流速度。重返自然是从埃姆歇河支流开始,到目前为止,已经拆除了120km的开敞式的硬质污水明渠,并建立了大约相同长度的人行道和骑行道。

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 滨水步道和骑行道路(图片来源:EMGE)

    “绿”色措施—蓝绿生态网络

    从源头到莱茵河的河口,对埃姆歇河流流域中每一条河流进行生态空间优化,织成一张整体生态网络,以促进整个流域生态系统功能的提升,形成一个连续的、多样化的水生生物生态功能区,并在埃姆歇河1~3km内建设生态走廊,并将走廊进一步拓展到周边区域,形成“蓝绿生态网络”。蓝绿生态网络的构建其意义主要是实现了城市人工环境到河道自然生态环境的缓冲空间,最大限度地减少人工活动对自然水系的干扰。

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埃姆歇河支干流河道断面生态修复方式(图片来源:EMGE)

    

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埃姆歇河流域生态网络(图片来源:埃姆歇河协会——埃姆歇河未来总体规划,2006年)

    埃姆歇河入莱茵河河口处有大约6m高的跌水堰,该堰成为埃姆歇河与莱茵河之间的一道生态屏障,鱼和其他生物无法通过,从2014年开始对该河口进行建设,形成一个0.20k㎡的水草甸地区,建成后的河口根据莱茵河水位波动,形成充满水的塘、湿地和溪流。

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埃姆歇河汇入莱茵河入河口处(图片来源:EMGE)

   “绿”色措施—绿色雨水基础设施建设

    为了降低排入埃姆歇河的雨水量和径流污染负荷,埃姆歇河协会采用自然的、分散的方式进行雨水原位净化,避免雨水直接从汇水片区快排排入合流制管网中。从20世纪90年代以来,埃姆歇河流域实施了许多最佳管理实践(BMPs)项目,从2000年进入了大范围实施的阶段,埃姆歇河地区也称为“城市雨水管理”(USWM)的先驱者之一。城市雨水绿色管理,一方面减少雨水进入下水道系统,可以降低传统雨污水处理基础设施的建设规模和运营成本,另一方面,就地利用也有利于降低内涝和洪水风险,同时营造良好的城市景观和改善微气候。

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埃姆歇河流域雨水管理项目路线图(图片来源:M.Kaiser)

    埃姆歇河协会与周边17个城镇达成协议,在未来15年中计划降低15%的雨水径流进入下水道系统,称为“15/15”项目,其战略目标是将径流量(流量和峰值流量)减少15%,为此形成了“未来暴雨公约”。虽然该在公约要求只有15%的雨水径流进行原位消纳,雨水径流总量控制比重相对较少,但在总不透水面积为266km下,可切断的雨水径流约26.4亿m/a,这对埃姆歇河流域雨水的排放具有重要意义。在雨量上严格控制外,也特别重视入渗雨水可能对地下水带来的污染,以及对入渗可能造成建筑物、构筑物结构安全造成的影响,提出了相应保护距离,为此埃姆歇河协会建立起绿色雨水标准规范及指南如DWA-A138E标准和DWA-M153E标准。

    埃姆歇河流域建立起许多绿色雨水基础设施管理工程项目,涉及建筑小区、公园广场和城市水系等方面。例如,韦尔海默马克小区雨水控制与利用、波茨坦广场雨水调蓄与循环系统、凤凰湖(PhoenixSee)水质净化回用系统均是埃姆歇河流域绿色雨水基础设施建设的典型代表。

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波茨坦广场雨水控制利用系统流程(图片由AtelierDreiseitl绘制)

    韦尔海默马克小区是现代化住房小区,采用雨水渗透系统,将小区屋顶产生的干净雨水,直接汇集到小区低洼处的雨水调蓄塘和植草沟渠进行渗透。不能渗透的超量雨水溢流排入雨水排放管道,最终进入埃姆歇河。小区机动车路、广场、人行道等污染较为严重的雨水径流,通过雨水箅收集进入下水道系统,与生活污水一起进入污水处理厂处理。分类布局与设计不仅保护了埃姆歇河水环境,也提升了小区环境品质,而且排入下水道的雨水渐少,雨水收费也降低,租金附加成本也下降了,该项目获得埃姆歇协会颁发的“水印”奖。

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    韦尔海默马克小区渗透调蓄系统(图片来源:笔者拍摄)

    波茨坦广场雨水调蓄与循环系统分为屋面雨水调蓄利用系统和景观水体循环净化系统,主要设施包括:绿化屋顶面积达40000m,雨水储存池容积为3500m,人工湖面积为12000m,用于雨水处理的人工湿地1200m。屋面雨水收集净化后补充景观水体,多余的水通过溢流管排入兰德维尔河,景观水体中的水通过循环净化维持整个景观水体的水质。

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波茨坦广场景观水体净化湿地(图片由MarcoScht拍摄)

    凤凰湖靠近埃姆歇河的源头,主要承担雨水收集储存和洪涝调蓄功能。改造前为凤凰炼钢厂所在地,河水通过一根管道流过,改造后原有的钢厂搬迁,场地开挖形成了人工湖,其岸线长度:1230m,最大湖宽:310m,水深:大于4m,容量约为600000m,湖面面积为0.316km。凤凰湖处于整个区域的最低处,有利于通过重力排水调蓄周边区域是雨水。埃姆歇河沿湖北岸流过,凤凰湖在超过最高蓄洪水位后,向埃姆歇河排水。

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凤凰湖区域断面图(图片来源:周挺、张兴国绘制)

    凤凰湖和埃姆歇河岸线均为生态护岸,沿岸的道路均采用了透水铺装并配有线性排水沟槽,并有具有调蓄功能的树坑。为了保证湖体水质,在岸边新建一个膜过滤器和芦苇滤床的磷酸盐去除站,以确保凤凰湖泊的磷浓度处于稳定平衡状态。

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凤凰湖除磷工艺流程图(图片来源:笔者拍摄后绘制) 

    结论

    埃姆歇河流域生态环境综合治理从卫生条件改变阶段到现代化阶段,再到综合治理第一个阶段,最后到生态治理修复阶段,一直持续至今,历时100多年,从时间和空间上制定了切实可行的规划策略。首先,从排水体制上进行系统性规划布局,合理确定了雨污水排水路径和处理模式,完善了生态修复路径;其次,构建完善可靠的雨污水收集管网和构筑物、适应雨污混合污水的市政污水处理厂、高标准的工业废水处理厂等所谓灰色基础设施,建立起不可逾越的第一阶段;最后,建立沿河地下深邃截污-净化系统、流域支干流蓝绿生态网络和城市绿色雨水基础设施等体系,形成城市人工环境与自然生态环境之间“点—线—面”的缓冲系统,实现了流域“重返自然”美好向往的第二阶段。埃姆歇河流域生态环境综合治理的成功,除了得益于科学的工程技术措施外,也包括一些保障措施,如法律条文、标准规范、民众参与、以及社会资本的投入。

责任编辑:殷莹莹

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