平原河網水質提升關鍵技術與案例分析
——以虹口河道為例

鄒帥文，王海珍，袁時玨

(上海洗霸科技股份有限公司，上海 200437)

上海市虹口區屬于典型的長江下游平原河網地區，水體流動性差。受感潮影響，水體流向往復，造成污染物長期淤積，河道水環境容易惡化。雖然水污染防治取得階段性成效，區內各河道水質和景觀面貌均有明顯提升，但仍會受到沿岸合流制泵站放江的影響。短期內大量含有高有機質含量的管網、泵站沉積物進入河道，快速消耗水體溶解氧(DO)，而河道水體低DO環境直接影響微生物對有機污染物的降解速率，河道水質呈現反復波動的情況，河道水環境也面臨重大的挑戰[2-3]。為進一步鞏固河道治理效果，維持并提升河道水質，相關的整治措施必不可少。

本研究針對虹口區河道水質現狀，提出水質提升工程整體解決方案，鑒于之前經過多次整治提升，仍無法徹底解決水質達標的情況，為此選定水動力最差的河段進行試驗段工程實施，探討平原河網地區生態清潔小流域建設的治理思路和水質提升關鍵技術體系，為全面實施本區河道水質提升改造工程提供重要的借鑒，同時也為其他平原河網地區生態清潔小流域建設提供治理思路。

1 項目概述

1.1 河道概況

虹口區境內現有黃浦江、江灣市河、南泗塘-沙涇河、西泗塘-俞涇浦-虹口港、吳淞江-蘇州河、沽西浜6條河道，以及4座湖泊和22個小微水體。本項目主要針對江灣市河、南泗塘-沙涇港、西泗塘-俞涇浦-虹口港3條河道進行水質提升。3條河道基本情況如表1所示。虹口區河道概況如圖1所示。

表1 虹口河道基本情況Tab.1 Basic Information of Hongkou River

圖1 虹口區河道概況圖Fig.1 Overview Map of Hongkou River

項目3條河道相互連通，南連黃浦江，北連蕰藻浜，西經走馬塘。虹口區內河南有虹口港水閘、北有西泗塘水閘、南泗塘水閘(圖2)。在漲潮期，引黃浦江水源到內河；在退潮時，關閉虹口港水閘，開啟西泗塘、南泗塘水閘將內河水源排放到蕰藻浜。其中，江灣市河為東西走向河道，在南引北排為主的調度方式下，往復流現象突出，水體反復震蕩，容易造成水質惡化現象。

圖2 虹口河道水系連通圖Fig.2 Water System of Hongkou River

1.2 水環境現狀與分析

為更好地監測水質，虹口區相關機構共設置了14處監測點位，其中，江灣市河設置2處，南泗塘-沙涇港設置6處，西泗塘-俞涇浦-虹口港設置6處。2018年3條河道的高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮、DO和總磷(TP)檢測結果(取多個監測點的平均值)如圖3所示。根據檢測數據，3條河道CODMn、氨氮和TP指標全年基本能滿足地表V類水水質標準，但DO質量濃度在各監測點位均出現不同程度的偏低現象，呈間歇性劣V類水質。2018年江灣市河DO最低質量濃度為1.11 mg/L，嚴重低于地表V類水標準(2 mg/L)，5月—9月DO質量濃度<2 mg/L。南泗塘-沙涇港河道全年DO最低質量濃度為1.97 mg/L左右；西泗塘-俞涇浦-虹口港河道全年DO最低質量濃度為1.69 mg/L左右，7月和9月DO質量濃度<2 mg/L。3條河道水質均呈間歇性劣V類水質，主要原因是10月—來年4月上海降雨較少，雨水管道內流量低導致污染物易在管道內淤積，合流制泵站停止放江；5月—9月上海降雨增加，需要經常性采取排澇放江措施，此使管道和泵站內淤積的大量污染物隨雨水進入河道內，大量消耗河道水體DO，導致DO濃度明顯降低；同時，河道北段整個片區水體流動性差，其中江灣市河水體流動性最差，自凈能力弱，也是導致水中DO低的原因之一；此外，夏季河道溫度升高也加速了河道中耗氧速率，河道中淤積厭氧底泥上浮并加劇了河道DO含量降低。

圖3 3條河道水質指標變化Fig.3 Changes of Water Quality Indices for Three Rivers

1.3 主要問題

根據現場調查和水質數據分析，虹口區江灣市河、南泗塘-沙涇港和西泗塘-俞涇浦-虹口港3條河道均出現不同程度的水污染問題，主要表現如下。

(1)水體DO含量不足。整個河道片區下游段(北段)常出現DO質量濃度<2 mg/L的情況，主要出現在5月(枯水期-豐水期過渡時期)和6月—9月(夏季炎熱時期)。夏季河道厭氧底泥上浮現象，成為影響河道水中DO的主要因素。

(2)水動力不足。江灣市河呈東西流向，整體流動性較差，導致污染物淤積，水質相對較差。南泗塘-沙涇港和西泗塘-俞涇浦-虹口港河道北段水體流動性較差。

由于兩端口網絡的噪聲分析可以直觀的描述一個網絡的噪聲性能，所以將低噪聲放大器中所采用的晶體管等效為一個二端口的噪聲網絡，如圖2所示。

(3)間歇性劣Ⅴ類水質。6月—9月(夏季炎熱時期)部分河段存在氨氮和TP指標出現間歇不達標的現象。

(4)南泗塘-沙涇港河、西泗塘-俞涇浦-虹口港2條河道沿線的分流制雨水系統共存在6處泵站排水口，泵站排水類型為混合廢污水，放江時污染嚴重。城區泵站放江已凸顯為影響上海中心城區河流水質穩定和持續改善的主要問題[4]。

2 改造方案

根據調查3條河道周邊已完成居民小區雨、污混接改造。為削減虹口片區初期雨水對河道水環境污染的影響，虹口區對曲陽污水處理廠進行功能調整，作為初期雨水調蓄池，已完成大部分主體工程。3條河道的部分水域設置了生態浮島，通過水生植物的根系及附著的微生物對水體進行水質凈化。

本次水質提升改造工程的目標是改善河道水動力，水體DO質量濃度常年保持在2 mg/L以上，改造內容主要包括曝氣增氧和改善水動力措施。其中，曝氣增氧主要采用微孔曝氣、射流曝氣和微納米曝氣等多種形式，并沿河道進行有針對性差異化配置。此外，在萬安路與春生街交匯口(即江灣市河最東段景觀亭處)等水動力嚴重不足處，設置相應的水動力措施，包括射流曝氣以及推流式水車，以改善此處水動力，增強水體流動性[5-6]。

2.1 曝氣增氧方式比選

微納米曝氣裝置能生產直徑在50 μm至數十納米的微小氣泡，可快速溶解于水體中，溶解效率大大提高。根據文獻報道，采用納米曝氣技術曝氣后DO總體平均值可為9.88 mg/L，而射流曝氣DO總體平均值為6.37 mg/L[7-8]，主要原因是納米曝氣產生的大量微納米級的氣泡懸浮于水體并隨之一起運動，形成超飽和狀態；射流曝氣設備的工作原理是用潛水泵將水吸入增壓從泵體高速推出后，利用在出水管道的水射器將空氣吸入，氣-水混合液經水力混合切割后進入水體，氣泡大小只能達到微米級。雖然射流曝氣的溶氧效率低于納米曝氣，但納米曝氣無法有效改善水動力，而射流曝氣既可以對河道進行充氧又能利用其自身能量對水體產生一定推動力來改善周邊水動力。微孔曝氣是一種以低成本向大面積水體增氧的曝氣裝置，采用沉水風機后，可避免傳統鼓風機擾民的問題。推流式水車能形成定向的水流，適合于水深較淺的水域。根據各種曝氣設備性能分析比較，并結合虹口區3條河道的水質現狀和不同河段的工況，應采用組合曝氣增氧方式方可達到預期效果。

根據理論計算，要保證3條河道常年DO質量濃度不低于2 mg/L，整個河道所需充氧量為1 291.96 kg O2/h，因此，本項目曝氣裝置的配置如表2所示。本項目計劃布置微納米曝氣共35套，射流曝氣共39套，微孔曝氣共31套，總計充氧量可達到1 496.50 kg O2/h。

表2 曝氣裝置設施參數Tab.2 Facilities Parameters of Aeration Systems

2.2 水動力改善

河道春生街與萬安街交叉口的景觀亭和江灣市河蟠曲坊這2處位置存在水動力嚴重不足的現象，也直接導致污染物淤積和DO含量不足。景觀亭位于江灣市河與沙涇港交匯處，呈現“凸”出形態，亭子下方存在“死水”區；蟠曲坊離河岸僅有2～3 m，船舫內側水體流動性差。

為改善水動力，分別在景觀亭和蟠曲舫設置2套射流曝氣和2套推流式水車(圖4～圖5)，在對河道進行充氧的同時，也推動河道水體流動。

圖4 景觀亭曝氣設施布置圖Fig.4 Layout of Aeration Systems for Landscape Pavilion

圖5 蟠曲舫曝氣設施布置圖Fig.5 Layout of Aeration Systems for Panqu Ship

2.3 激波振蕩脈沖射流曝氣+微納米曝氣組合技術工程改造

圖6 曝氣設備和電氣平面布置圖Fig.6 Layout for Aeration Instruments and Electrical Systems

鑒于本項目投資額較大，工程全面實施存在水質依舊不達標的風險，在工程實施中決定選取江灣市河這一水質最差河段進行試驗段工程改造，待改造后若成果驗證有效，再進行全河道提升改造工程。通過各種曝氣設備的性能比選，并針對河道現狀，采用激波振蕩脈沖射流曝氣+微納米曝氣組合技術。本試驗段施工分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個安裝區域，每個安裝區域分別安裝1套微納米曝氣設備、2套射流曝氣設備以及配套電箱與控制箱系統。設備和電氣平面布置如圖6所示。曝氣系統配置方式采用在微納米曝氣設備兩側配套設置激波振蕩射流曝氣機，以最大效能發揮微納米曝氣設備在水體的擴散，提升曝氣效果。

為保證效果，本項目采用了激波振蕩脈沖射流曝氣設備而非傳統的射流曝氣器。對于傳統的射流曝氣器，小氣泡容易在擴散管出口的周邊區域聚集并形成大氣泡從水面溢出，降低了其傳質系數和充氧效能。提高氧在水體中轉移速度的方法有提高氧總傳質系數(KLα)和提高液相中的氣相飽和濃度(Cs)，在相同條件下，前者遠比后者容易實現，而激波振蕩過程就是實現KLα提高[9]。本射流曝氣系統主要通過3次混合來實現氣液充分混合，如圖7所示。

圖7 激波振蕩脈沖射流曝氣裝置示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Shock Oscillation Pulse Jet Aeration System

第一次通過管道混合器，使氣與水充分碰撞混合；第二次氣水混合液在振蕩器中充分振蕩，以脈沖的形式出水，達到二次混合；第三次在出水噴射管內，高DO濃度的脈沖水與河道原水以一定比例混合，同時混合水在噴射管內沿旋流軌道出水，以減少出水阻力，配合其脈沖式出水，能夠極大地增加推流距離和提高水體的對流擴散能力。在以空氣為氣源和原水DO質量濃度為0～2 mg/L的條件下，出水口的DO質量濃度可達到7～8 mg/L，如氣源更換為氧氣，出口DO質量濃度將超過20 mg/L。

3 實施效果

本試驗段水質提升工程于2020年4月開始，于6月完工并開始運轉。通過2020年6月—9月的持續監測，I區、II區和III區附近水域中DO含量與治理前相比得到明顯提升，平均值分別達到2.53、2.52 mg/L和2.55 mg/L，如圖8所示。在江灣市河監控斷面水質考核中，DO質量濃度均高于2 mg/L，順利通過市級考核，為虹口河道水質提升工程全面實施提供了重要的借鑒作用。

圖8 各監測點治理前后DO含量變化Fig.8 Changes of DO Content for Each Monitoring Point

4 結語

隨著水生態文明建設的不斷深入和推進，2021年3月上海全面啟動生態清潔小流域建設，生態清潔小流域的內涵和外延不斷豐富，不再局限于河道本身的治理，涉及水網、綠網、路網、管網這幾張“網”的統籌。在實現水清岸潔的同時，更要實現河湖聯通、河岸交融及綠色生態的河岸空間。

整治后的虹口區江灣市河先行試驗段，是上海生態清潔小流域建成后的縮影。本研究分析平原河網地區虹口區生態清潔小流域建設面臨的主要問題，發現河道由于自身缺陷存在間歇性劣Ⅴ類水質現象，尤其是在5月—9月DO質量濃度持續低于2.0 mg/L。其主要原因是降雨排澇放江期間大量污染物隨雨水進入河道，河道水體流動性差，水體自凈能力弱。針對水質和水動力最不利的江灣市河段，通過合理配置曝氣系統和推流系統，可以有效地提升河道中DO含量，實現監控斷面水質考核全年達標。

本研究探討了平原河網地區生態清潔小流域建設的治理思路和水質提升關鍵技術體系，為推進平原河網地區河道水體DO含量提升工程的全面實施，以及老城區河道水質提升提供了重要的經驗和借鑒作用，也為平原河網地區生態清潔小流域建設提供思路。