上海濱江森林公園補水水源凈化措施研究

王旭旭

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

1 概述

上海濱江森林公園位于上海市浦東新區(qū)高橋鎮(zhèn)，黃浦江、長江與東海“三水交匯”處。公園于2007年開園，占地面積為120hm2。2015年，為解決公園補水水源水質差、除澇排水能力低等問題，公園開展了全園范圍的水系整治工程。通過新建泵站、涵閘、涵管等工程措施，基本解決了園區(qū)防汛除澇和水源水質的問題，形成了“補活結合，南灌北排，中控邊泄”的水系布局構架。經(jīng)整治后公園補水水源由高三港調整為長江，水源水質有較大改善，然而長江補水水源中固體懸浮物含量高，透明度低，現(xiàn)有調水通道缺乏調蓄凈化措施，高濁度水源直接進入公園核心水系，導致水體透明度低，水生態(tài)系統(tǒng)構建困難。

2 水環(huán)境現(xiàn)狀

2.1 園區(qū)水系布局

公園內部水系錯綜復雜，但與外界相對獨立，共有6河1湖1濕地。園區(qū)內河道總長約6.0km，包括東西向的隨塘河、盈湖西河、盈湖東河、西迎賓河、東迎賓河及南北向的西河、引水河、東河；園區(qū)中部為盈湖，湖區(qū)面積約1.07萬m2；園區(qū)西部為濕地區(qū)，面積約1.74萬m2。園區(qū)內常水位水面積約12.0萬m2，槽蓄量18.5萬m3，水面率約10%。

由于地勢高低不同，按照水位高程，園區(qū)內的水系可分為隨塘河與南部水系2部分，2部分水系之間均布置有1根管徑70cm的涵管，涵管通過岸邊電動閘閥控制。隨塘河常水位4.6m，預降水位4.3m；南部水系常水位5.2m，預降水位4.9m。園區(qū)補(活)水泵站(0.5m3/s)位于園區(qū)北部，其有2處進水口，分別位于長江和隨塘河，1處出水口位于引水河，補水工況由長江取水，活水工況由隨塘河取水。隨塘河北岸建有1座排江涵閘，口寬1.2m×1.2m。公園水系格局分布圖如圖1所示。

圖1 公園水系格局分布圖

2.2 園區(qū)水系調度

(1)補水調度

園區(qū)補水水源為長江，位于園區(qū)北側的補水泵站將長江水引入引水河進而向南部水系補水。如需整體換水時，可將南部水系北端的1#—4#涵管閘閥及位于隨塘河上的排江涵閘開啟，以實現(xiàn)整體換水。

(2)活水調度

通過開啟活水泵站及1#—6#涵管閘閥的啟閉，以實現(xiàn)園區(qū)順(逆)時針循環(huán)。如通過開啟活水泵站(隨塘河進水口)、2#、6#閘閥，關閉1#、3#、4#、5#涵管閘閥可實現(xiàn)隨塘河-引水河-盈湖西河/西迎賓河-西河-隨塘河的園區(qū)水系順時針循環(huán)；通過開啟活水泵站(隨塘河進水口)、4#、6#涵管閘閥，關閉1#、2#、3#、5#涵管閘閥可實現(xiàn)隨塘河-引水河-盈湖東河/東迎賓河-隨塘河的園區(qū)水系逆時針循環(huán)。

目前公園水系調度以補水調度為主，公園補水選擇長江大潮時進行補水，每月共計約14d進行補水，每次補水歷時4h，每次補水水量約1.44萬m3。

2.3 補水水源水質現(xiàn)狀

2019—2020年對補水水源及園區(qū)主要水體感官及水質進行調研，得到如下結果：

(1)補水水源及引水河透明度僅為30～40cm，其余水體透明度在40～80cm。水色方面主要表現(xiàn)為黃濁色、自然綠、黃褐色及藻綠色4類。

(2)不同季節(jié)的水質監(jiān)測結果顯示，補水水源及園區(qū)主要水體水質呈Ⅲ—劣Ⅴ類，主要超標因子為TP，整體呈現(xiàn)補水水源水質差則園區(qū)水體水質差的特點。

由于長江補水水源中固體懸浮物含量高，透明度低，現(xiàn)有調水通道缺乏調蓄凈化措施，高濁度水源直接進入公園核心水系，導致水體透明度低，感觀較差，水生態(tài)系統(tǒng)構建困難。為進一步了解引水水源懸浮物沉降規(guī)律，對公園補水水源(泵站長江進水口)及引水河(泵站引水河出水口)等區(qū)域水體進行采樣并開展72h沉降觀測試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 沉降試驗結果

試驗結果顯示，從水體SS濃度來看，72h沉降效果相對較好，補水水源及引水河SS濃度分別降低了84.5%及84.9%，但自然沉降對水體透明度的改善效果較為有限，72h透明度僅改善約15cm。公園引水水源和引水河隨可通過自然沉降去除大顆粒懸浮物，但對小顆粒懸浮態(tài)的懸浮物去除效果卻不明顯，這也是公園透明度較差的主要原因。

3 凈化措施研究

3.1 方案比選

根據(jù)水系調度方式及水質分析可知，公園補水水源為長江，水體濁度較高，引水河承擔了補水水源的調蓄凈化功能，但其所在位置植被郁閉度高，光照強度低，導致水生植物生長條件差，無法有效發(fā)揮植物凈化功能。此外，引水河河道長度較短且斷面束窄，補水時流速較大并不利于水體懸浮物沉降，且可能造成沉積物的再懸浮，造成公園補水調度時水體透明度較低，進而導致公園主要水體水生植物無法生長、水體自凈能力弱等問題。

因此，本工程擬在充分利用現(xiàn)有水利設施的基礎上，研究補水水源水質凈化措施，以實現(xiàn)引清入園，為園區(qū)水生生態(tài)系統(tǒng)恢復提供基礎條件。

(1)方案一：新建一體化凈水設備

方案一擬于引水河西岸6#涵管處新建一座絮凝微濾一體化設備，絮凝微濾一體化設備通過向導入設備的水體中添加絮凝劑，促進水體中懸浮顆粒物絮凝成為較大顆粒物，在通過設備中的纖維板框微濾系統(tǒng)濾除顆粒物，達到水體凈化的目的。這種工藝對水體中的懸浮顆粒和TP去除效果較好，可以較快地提高水體透明度，但對氨氮等水溶性污染物去除效果較差，且有一定的污泥產(chǎn)生。關閉6#涵管閘閥，將5#—6#涵管之間的引水河作為補水調蓄池，補水泵站將長江水引入引水河調蓄池，補水時調蓄池內的水體經(jīng)一體化設備凈化后進入南部水系，實現(xiàn)補水凈化的功能。

(2)方案二：引水管道三通改造

方案二擬在現(xiàn)有補水泵站引水河出水口的基礎上，通過三通改造新增隨塘河出水口。隨塘河總長約2km，其水面開闊，光照充足，適宜水生植物生長。通過在隨塘河內種植水生植物，布置生物填料、生態(tài)攔截屏障等生態(tài)修復措施，對補水進行生態(tài)凈化，以達到穩(wěn)定來水水質，降低SS，提高水體透明度，消納水中氮磷污染物的目的。凈化好的隨塘河水體通過泵站的活水運行工況向公園核心南部水系進行循環(huán)調水。

2個方案均可實現(xiàn)補水凈化的功能，從凈化效果、施工難易程度、運行管理、工程占地、工程投資、運維費用、環(huán)境影響等因素，綜合對比上述2個方案，詳見表1。

根據(jù)表1可知，方案一水質凈化效果穩(wěn)定、見效快，方案二在工程投資、工程占地、運維費用及環(huán)境影響等方便相對更有優(yōu)勢。考慮公園森林資源的珍稀性，以及噪聲對游客的游園體驗影響，推薦方案二作為本次補水水源凈化措施，如運行過程中出現(xiàn)水質不穩(wěn)定的情況時，可配合移動式應急一體化設備進行處理。

表1 方案比選表

3.2 設計方案

根據(jù)公園的水環(huán)境現(xiàn)狀、水系調度方案及水質達標需求，依據(jù)“分區(qū)治理，逐級凈化，生境構建”的總體思路對公園進行水生態(tài)修復設計，將公園水系劃分為強化預處理區(qū)和生態(tài)維持凈化區(qū)2個生態(tài)功能分區(qū)。

強化預處理區(qū)設置于隨塘河全段，面積約3.0萬m2。強化預處理區(qū)穩(wěn)定來水水質、水量，降低SS，提高透明度，消納水中氮磷污染物，主要措施共布置生物填料830m3，種植沉水植物群落約2.3萬m2，構建生態(tài)攔截屏障380m2。

生態(tài)維持凈化區(qū)設置于南部水系，面積約8.3萬m2。為進一步削減水體中的TN、TP，維持水體水質，在本區(qū)域恢復沉水植物，健全生態(tài)系統(tǒng)結構，通過水生生態(tài)系統(tǒng)維護和保障水質。共種植沉水植物群落約4.6萬m2。

4 效果分析

選用MIKE 21 FM的水動力模塊模擬二維水流，構建公園園區(qū)內水系二維水動力數(shù)學模型，ecolab模塊模擬污染物在水中的對流擴散及降解過程。

模型水質初始條件采用2019年夏季至2020年春季公園水系的平均水質，長江補水水質參考2019年夏季至2020年春季長江水質的最不利水質組合條件，COD濃度為5.76mg/L，NH3-N濃度為0.77mg/L，TP濃度為0.55mg/L，SS濃度為197mg/L。

模擬方案為長江補水至隨塘河凈化處理3d后，打開1#管涵閘閥，形成隨塘河-引水河-盈湖西河/西迎賓河-濕地區(qū)-隨塘河的園區(qū)水系西部順時針循環(huán)，向南部水系補水。補水后園區(qū)水系TP和SS濃度分布如圖3—4所示。

圖3 園區(qū)水系TP濃度分布圖

圖4 園區(qū)水系SS濃度分布圖

模擬表明，在長江水質最不利條件沖擊下，隨塘河出水口水質濃度上升，經(jīng)過隨塘河的強化預處理區(qū)的處理3d后，水質明顯改善，TP濃度從0.55mg/L下將至滿足Ⅳ類水標準，懸浮物從197mg/L降至30mg/L以內。在空間上，緩滯流區(qū)水質相對較差，SS在主要流動通道較差。整體上水生態(tài)修復工程可以保證長江來水預處理至Ⅳ類水水質，同時可以大幅度降低長江來水懸浮物，補水運行應按照西部順時針循環(huán)和東部逆時針循環(huán)交替進行，最大程度減小園區(qū)死水區(qū)范圍。

5 結語

本文針對上海濱江森林公園水環(huán)境問題，利用隨塘河作為補水調蓄空間，凈化補水水源。水動力和水質模擬分析表明，換水模式可有效改善公園補水水源水質及濁度，提高公園核心區(qū)水體透明度，本文提出的補水水源凈化措施可為城市公園水環(huán)境治理提供新思路。然而水環(huán)境問題的產(chǎn)生是經(jīng)歷復雜人工及自然干擾條件形成的結果，其形成原因并不局限于水體本身，因此公園水環(huán)境整治是一項綜合性的系統(tǒng)工程，除凈化補水水質外，仍應結合控源截污、清淤固岸等多種途徑方可構建健康持續(xù)的水環(huán)境。