福州市光明港二支河水動力優(yōu)化成效分析

王煥雄

（福建省環(huán)境保護設(shè)計院有限公司，福建 福州 350001）

1 光明港二支河概況

光明港二支河位于福州市臺江區(qū)，是光明港的支河之一，屬于感潮河道。其呈東西走向，與鰲峰路平行，中間相交光明港主河道，河長3.76 km，匯水面積約1.37 km2，現(xiàn)狀河寬4 m～17 m，現(xiàn)狀河底高程2.234 m～3.355 m，常水位水面標高2.712 m～3.826 m，規(guī)劃河寬12 m，規(guī)劃河底標高1.47 m～2.52 m。光明港二支河呈東西走向，沿線主要經(jīng)過連江路、前橫路和福光路。河道蜿蜒曲折，水流速度緩慢，在治理前河道水體基本不流動，河道水質(zhì)黑臭。

2011年間以“水清、河暢、路通、景美”為目標，綜合采用駁岸整修、截污、清淤、景觀建設(shè)等措施對河道進行過一輪整治，但效果難以持久。

2016年為實現(xiàn)福州市全面消除黑臭，改善城市水環(huán)境質(zhì)量在水系綜合治理中，福州市提出了“9+5”系列舉措。“9”是指全面截污、全面清淤、全面清疏、全面治理污染源、全面實施城中村改造、把水引進來、讓水多起來、讓水動起來、組建聯(lián)排聯(lián)調(diào)智慧管理體系共9大策略全面改善水環(huán)境質(zhì)量；“5”是指種樹、修路、亮燈、造景、建園共5個措施，打造水系周邊環(huán)境。

2 河道水質(zhì)不達標分析

2.1 污染物分析

由于長期以來接納未經(jīng)處理的生產(chǎn)生活污廢水及沿程生活垃圾傾倒，河道未經(jīng)及時的清淤，底泥中累積了大量污染物，受到了嚴重污染，主要污染因子為有機物、氮、磷。根據(jù)調(diào)查，底泥主要來自污水中的懸浮物、水土流失及垃圾等，淤積較嚴重的河段淤積高度在0.8 m～1 m之間，表層一般為厚度不等的流動浮泥層或淤泥層，呈絮凝狀，含水量高，粒徑較細，有機質(zhì)及氮、磷等污染物含量高，以粉砂和粘土為主，置于水中攪動就能產(chǎn)生再懸浮，使清水變黑，是河道底泥中最易污染上覆水體的部分。

污染底泥自身耗氧、再懸浮及污染物釋放是導致水體變黑的重要因素之一，已成為水質(zhì)惡化的一個重要內(nèi)污染源。據(jù)相關(guān)文獻分析，受污染底泥再懸浮、污染物釋放影響，上覆水COD 濃度可以增加32%～64%，可見，污染底泥對水質(zhì)的影響明顯，對污染底泥進行清淤，能有效降低水體污染物濃度，見表1。

表1 河道底泥檢測點位布置

根據(jù)有機質(zhì)檢測結(jié)果，光明港二支河上游有機質(zhì)最高，達到25.4 mg/kg，紅星河次高，為22.3 mg/kg，見圖1。

圖1 底泥有機質(zhì)檢測分析圖

根據(jù)總磷檢測結(jié)果，光明港二支河上游總磷含量最高，達到2354 mg/kg。紅星河次高，為1078 mg/kg，見圖2。

圖2 底泥總磷檢測分析圖

根據(jù)全氮檢測結(jié)果，光明港二支河上游全氮含量最高，達到2996 mg/kg。紅星河次高，為1582 mg/kg，見圖3。

圖3 底泥全氮檢測分析圖

淤泥中有機質(zhì)分析結(jié)果說明，生活類污染物在河道中的沉積，河道受到有機污染嚴重，有機污染主要來源于生活污水。

2.2 水動力分析

光明剛二支河按設(shè)計方案清淤后上游河底高程為2.158 m，下游河底高程為1.800 m，上下游河底高程差僅0.358 m，河道總長3.76 km，河底坡降僅0.095‰，在無外力作用下河道水流基本靜止。在外江潮水漲落時河道內(nèi)水體有一定的流動性，但基本也是水體在河段內(nèi)激蕩，難以形成有效穩(wěn)定流向。流速是表征水動力條件最基本、最直觀的因子，它對藻類的生長、聚集與分布具有十分明顯的影響[1]。于珊、楊柳等通過研究表明平原水系水動力改善與補水口分布、補水流量換水周期等密切相關(guān)[2-3]。王旭、胡鵬等研究認為較差的水動力條件、不通暢的水循環(huán)是引起河道水體黑臭的原因之一[4-5]。

3 活水補水方案

在福州市鼓臺中心區(qū)水系綜合治理項目建設(shè)中針對光明港二支河的水動力不足問題，設(shè)計單位提出了在光明港二支河上游設(shè)置規(guī)模為2.4 m3/s的一體化泵閘設(shè)計方案，利用一體化泵閘的推動，改善光明港二支河的河道水體流動性，實現(xiàn)活水補水。水動力提升技術(shù)特點是見效快、應(yīng)用范圍廣，可長期有效地保障河道水質(zhì)，適用于水動力條件較差的河流[6]。

經(jīng)過分析在長度接近4 km的河道內(nèi)僅通過上游的泵閘推流，難以達到顯著改善水動力條件。特別是受光明港水位頂托時，水動力提升效果難以體現(xiàn)。故考慮在上游利用泵閘推流的基礎(chǔ)條件下，在下游設(shè)置液壓鋼板壩和放水泵站進一步提升河道水動力。

陳儷丹等利用MIKE一維水動力水質(zhì)耦合模型比選出流速、水質(zhì)均達標且較為經(jīng)濟的最優(yōu)活水方案且實施后效果良好[7]。

3.1 模擬計算

為確保優(yōu)化方案的可靠性，方案優(yōu)化前采用MIKE11軟件建模分析。采用MIKE11 線性模型進行河道水動力模擬分析，采用MIKE11 RR模型非線性水庫法進行徑流過程計算，采用MIKE一維水動力水質(zhì)耦合模型比選出流速、水質(zhì)均達標且較為經(jīng)濟合理的方案。

邊界條件：下游光明港水位3 m，上游泵閘啟動流量2.4 m3/s，下游泵站規(guī)模設(shè)定為0.5 m3/s、1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s、2.4 m3/s五種規(guī)模形式，下游液壓壩頂高程4.0 m。初始按非汛期高水位運行考慮，設(shè)置水深1.5 m，河道COD初始濃度40 mg/L，假定補水水源COD濃度30 mg/L。

模擬工況：分別模擬未修建下游泵站以及修建下游泵站規(guī)模為0.5 m3/s、1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s、2.4 m3/s等五種規(guī)模下的河道水動力條件以及水質(zhì)恢復(fù)時間。共六種工況，見圖4、圖5。

圖4 不同泵站規(guī)模下河道流速分布

圖5 不同泵站規(guī)模下斷面流速變化

經(jīng)模型計算可知，河道中不同斷面流速不同，最大流速差不大于0.09 m/s。河道斷面流速隨著下游泵站的規(guī)模變化而變化，泵站規(guī)模越大，河道流速越大。當下游泵站規(guī)模在0 m3/s～2.0 m3/s之間時，泵站規(guī)模每增加0.5 m3/s，流速提升約1.4%。當泵站規(guī)模由2.0 m3/s提升至2.4 m3/s時，河道流速大幅度提升，由0.085 m/s提升至0.12 m/s，提升率達47.32%。因此泵站規(guī)模選取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間對水動力提升更顯著，見表2。

表2 不同泵站規(guī)模下河道水質(zhì)恢復(fù)時間

河道未修建下游泵站時，僅依靠上游泵閘2.4 m3/s的流量，河道COD濃度由40 mg/L下降至30 mg/L需要8.3 h；當下游修建泵站且流量小于0.5 m3/s時，對河道水質(zhì)恢復(fù)時間沒有影響；當下游修建規(guī)模大于0.5 m3/s的泵站時，不同規(guī)模的泵站對河道水質(zhì)恢復(fù)時間影響不一。其中泵站規(guī)模與泵閘流量相同都為2.4 m3/s時，對水質(zhì)恢復(fù)時間影響最大，河道水質(zhì)恢復(fù)時間減少2.8 小時，占總時長33.73%。當泵站規(guī)模在0.5 m3/s～1.5 m3/s之間時，泵站規(guī)模每增加0.5 m3/s，河道水質(zhì)恢復(fù)時間減少0.3 h。當泵站規(guī)模在1.5 m3/s～2.4 m3/s之間時，泵站規(guī)模每增加0.5 m3/s，河道水質(zhì)恢復(fù)時間減少約1.1 h。因此泵站規(guī)模選取在1.5 m3/s～2.4 m3/s之間對水質(zhì)恢復(fù)時間的影響更顯著。

經(jīng)過分析可知：以COD濃度恢復(fù)時間作為考慮條件時，泵站規(guī)模選取在1.5 m3/s～2.4 m3/s之間對水質(zhì)恢復(fù)時間的影響更顯著；以水動力提升作為考慮條件時，泵站規(guī)模選取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間對水動力提升更顯著。因此，兩者取交集，泵站選取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間對兩者影響顯著。建議泵站規(guī)模設(shè)定在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間。

3.2 建設(shè)方案

通過模擬分析為改善光明港二支河的水動力條件，在光明港二支河除按設(shè)計標高進行河道清淤疏浚外還設(shè)置的水動力設(shè)施有：

上游設(shè)置規(guī)模為2.4 m3/s一體化泵閘，該設(shè)施是泵閘一體結(jié)構(gòu)，在反轉(zhuǎn)閘門上設(shè)置軸流泵，有效利用空間。實現(xiàn)從光明港一支河補水進入光明港二支河。

下游鰲峰路處設(shè)置液壓鋼板壩，壩頂高程4.0 m，可實現(xiàn)控制光明港二支河水位以及擋外江潮水功能。

下游設(shè)置規(guī)模為2.4 m3/s一體化泵站，利用泵站將光明港二支河水體輸送至鋼板壩下游方向的光明港，從而加大光明港二支河河道水力坡降，提升水體流速。

優(yōu)化方案經(jīng)過福州市建設(shè)局審查通過后，2018 年1 月組織了光明港二支河下游液壓鋼板壩和下游泵站的實施，2018 年6 月液壓鋼板壩和泵站投入使用。

3.3 運營調(diào)度

為高效節(jié)能地利用水動力設(shè)施，改善河道水動力條件。針對光明港二支河，采用潮汐換水+機械推流調(diào)度方案。初步設(shè)定3 個初始工況，后期根據(jù)運行經(jīng)驗逐步積累數(shù)據(jù)，通過智慧化調(diào)度系統(tǒng)進一步優(yōu)化調(diào)度體系。

非汛期工況1：光明港水位低于3.1 m，上游一體化泵閘運行，下游鋼板調(diào)整至壩頂高程3.1 m，河道下游從鋼板頂溢流出水；

非汛期工況2：光明港水位高于3.1 m，上游一體化泵閘運行，下游鋼板調(diào)整至壩頂高程4.0 m，下游排水泵站開啟，河道下游通過泵站排水至光明港；

汛期工況：根據(jù)市聯(lián)排聯(lián)動中心預(yù)警系統(tǒng)通知，根據(jù)汛期應(yīng)急相應(yīng)要求，關(guān)閉上游一體化泵閘抬起閘門，放平下游液壓鋼板壩與河底齊平，下游泵站關(guān)閉。

4 優(yōu)化成效分析

4.1 治理前后水質(zhì)對比

通過持續(xù)的水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)分析，光明港二支河。在2018年6 月前河道水質(zhì)指標Do和ORP均較差屬于黑臭河道，在2018年6 月后水質(zhì)檢測指標中Do和ORP均符合河道考核優(yōu)秀目標要求，且越往后期水質(zhì)目標越穩(wěn)定向好，見圖6、圖7。

圖6 光明港二支河水質(zhì)檢測分析表（Do）

圖7 光明港二支河水質(zhì)檢測分析表（ORP）

4.2 治理前后水動力對比

項目實施前通過流速儀檢測時無法讀數(shù)，肉眼難以看見水體流動，水流速度小于0.02 m/s。

項目建設(shè)后上游泵閘以及下游泵站運行時，通過JZYLS300-A-直讀式流速流量測算儀現(xiàn)場檢測河道水流速度，上游河道流速為0.21 m/s，下游河道流速為0.16 m/s。水流速度達到預(yù)期目標。

5 結(jié)語

通過水動力優(yōu)化，光明港二支河項目治理具有顯著的成效，水質(zhì)從治理前的黑臭水體改善為接近Ⅴ類水標準，水體流動性由原來的近乎靜止到流速在0.15 m/s～0.2 m/s。水動力的提升，讓水體的自凈能力得以恢復(fù)，換水周期得到提升。通過水動力的優(yōu)化解決了河網(wǎng)水量分配不足、水流不暢等問題，提高了水環(huán)境容量，改善了水環(huán)境質(zhì)量。在模擬計算時，由于實際邊界較復(fù)雜，在模擬計算時部分邊界條件進行了模糊處理，致使模擬結(jié)果和實際運行存在一定的偏差，未來應(yīng)從多方面去完善邊界條件，更精準地進行模型演算，為項目決策提供更優(yōu)質(zhì)的理論支撐。

水環(huán)境治理是一個復(fù)雜綜合的問題，難以通過單一的水動力提升而得到根本性解決。應(yīng)從污染源控制，生態(tài)修復(fù)，水動力提升以及高品質(zhì)的運營等多方面去努力，從而改善水環(huán)境質(zhì)量，改善人居環(huán)境。