縱 霄，劉松平，張 亞，婁曉波，喻虎圻

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550081)

1 流域概況

昌北水系主要由烏沙河水系構(gòu)成。烏沙河發(fā)源于梅嶺山脈的洗腳塢，主流為銅源港水，流經(jīng)幸福水庫、招賢、長堎、瀛上，至魚目山匯入贛江。烏沙河流域面積263.3 km2，主河道長度約40 km，主河道縱比降0.446%，流域平均高程135 m。烏沙河主要由中堡水、前湖水、龍?zhí)端?、青嵐水等支流匯合而成，主流及支流中、下游河段均地處昌北主城區(qū)。烏沙河上游有幸福水庫，中堡水上游有烏井水庫。

幸福水庫控制流域面積30.2 km2，水庫總庫容2 069萬m3，正常蓄水位55.0 m(相應(yīng)庫容1 555萬m3)，死水位42.06 m，死庫容21.6萬m3，調(diào)節(jié)庫容1 533萬m3，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫。烏井水庫控制流域面積9.5 km2，現(xiàn)為灣里區(qū)城鎮(zhèn)供水水源水庫，水庫總庫容494萬m3，正常蓄水位190.0 m，相應(yīng)庫容420萬m3，調(diào)節(jié)庫容396萬m3，屬多年調(diào)節(jié)水庫。

前湖水匯水范圍以南昌大橋西引道與昌樟高速路為界，東臨贛江，南達(dá)生米大橋，西至前湖水分水嶺，區(qū)域總匯水面積為61.8 km2。前湖水左鄰烏沙河，右傍贛江。前湖水上游源頭稱青山水，發(fā)源于龍崗村昌銅高速附近，河流大體自西向東流經(jīng)十一房、青山、望城等地，與兩岸沿線支流交匯后，可經(jīng)嶺口匯入贛江或經(jīng)老街閘匯入烏沙河，兩出口均屬機(jī)會(huì)性排水。

圖1 昌北水系

前湖水主要由青山水和幸福水庫壩下的西干渠來水組成，青山水于望城工業(yè)園創(chuàng)業(yè)北路附近與西干渠交匯，交匯后又分為物華渠、華南渠、永強(qiáng)渠等景觀明渠沿公路最終匯入前湖。另有云溪水發(fā)源于陸軍學(xué)院與云溪小區(qū)之間高地，流域面積7.5 km2，于嘉言路與學(xué)府大道交匯處匯入前湖。以前湖水庫大壩為界，前湖區(qū)域可分為壩上、壩下兩部分。壩下區(qū)域面積為14.7 km2，區(qū)內(nèi)地勢低洼，地面高程一般為17.0～18.0 m；壩上集雨面積為47.1 km2，主要為低丘崗地，來水均匯入前湖水庫。前湖電排站排水主要將前湖壩下區(qū)域面積匯水與大壩下泄流量排至贛江。

前湖水庫壩下有紅角洲景觀渠，位于紅谷灘中心城區(qū)贛江南大道、嶺口路、清遠(yuǎn)路、前湖大道之間。前湖下泄水量經(jīng)學(xué)府大道向右流入紅角洲景觀渠，渠系橫縱交叉，沿紅谷南大道與前湖電排站前池相連，總面積約1.1 km2，設(shè)計(jì)景觀水位17.5 m，渠系內(nèi)水體流動(dòng)性差。水系示意如圖1所示。

2 現(xiàn)狀調(diào)查與評價(jià)

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查與評價(jià)

近年來，隨著城市迅猛發(fā)展，配套實(shí)施建設(shè)相對滯后，導(dǎo)致區(qū)域出現(xiàn)一系列的水安全、水環(huán)境問題。中心城區(qū)現(xiàn)狀綜合排澇能力僅在5～20 a之間，易澇點(diǎn)有104個(gè)，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)面積達(dá)到0.942 km2。

根據(jù)南昌市環(huán)保局提供的2015年～2017年部分水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及2017年4月、7月兩期現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示昌北片區(qū)河湖現(xiàn)狀水質(zhì)多為V類或劣V類，其中前湖水系和烏沙河中下游段及支流污染嚴(yán)重，NH3-N、TN和TP超標(biāo)倍數(shù)較高。前湖入湖口COD、NH3-N、TN和TP分別超標(biāo)2.3、8.47、9.0倍和3.57倍，烏沙河下游6個(gè)監(jiān)測斷面NH3-N超標(biāo)5.93～10.4倍、TN超標(biāo)6.24～11.6倍、TP超標(biāo)2.57～5.7倍。

區(qū)域污染源主要來自生活散排、城鎮(zhèn)面源污染和污水處理廠尾水，三項(xiàng)合計(jì)COD、NH3-N、TN和TP量分別占區(qū)域污染負(fù)荷的82%、58%、73%和72%。由于多年來的長期污染，河床底部沉積了大量的垃圾、淤泥等污染物，造成內(nèi)源污染。另外，區(qū)域存在污水管未接入污水管道、污水管網(wǎng)損壞、合流制溢流污染、雨污管道混接、施工廢水直排等問題，在前湖水系發(fā)現(xiàn)23處排口、7處垃圾堆，在烏沙河上游發(fā)現(xiàn)11處排口。污水處理廠處理率較低，排放標(biāo)準(zhǔn)均為一級B，排放標(biāo)準(zhǔn)較低。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)3座污水處理廠紅谷灘污水處理廠(20萬m3/d)、九龍湖污水處理廠(3萬m3/d)和灣里污水處理廠(1.5萬m3/d)2016年污水處理量占其規(guī)模分別為61.4%、47.3%和67.9%。流域內(nèi)可用活水量不足，烏沙河流域干支流上游已建有幸福水庫、烏井水庫、雙嶺水庫、青嵐水庫，主要承擔(dān)區(qū)域內(nèi)的灌溉及供水任務(wù)，枯水期河道水量不能維持河道自身健康運(yùn)行要求，河道水生態(tài)系統(tǒng)將遭到破壞。

2.2 污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

污染負(fù)荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)《南昌市年鑒》(2016年)、《南昌市環(huán)境質(zhì)量概要》、排污口統(tǒng)計(jì)以及污水處理廠運(yùn)行數(shù)據(jù)資料，按行政區(qū)劃分對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表1。昌北片區(qū)現(xiàn)狀污染負(fù)荷總量COD、NH3-N、TN和TP分別為14 231.3、1 054.2、2 226.5 t/a和242.7 t/a。

表1 各污染類型貢獻(xiàn)值 t/a

3 綜合治理措施

以習(xí)總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水新思路為指導(dǎo)，通過現(xiàn)場監(jiān)測、資料分析，系統(tǒng)梳理水資源、水安全、水環(huán)境等方面存在的問題，提出“流域統(tǒng)籌、系統(tǒng)規(guī)劃、多措并舉、標(biāo)本兼治”的治理思路，通過流域水環(huán)境外源治理、內(nèi)源治理、水力調(diào)控、生態(tài)修復(fù)、水景觀、智慧水務(wù)等綜合整治措施的實(shí)施，構(gòu)建健康河湖生態(tài)系統(tǒng)，使水體水質(zhì)達(dá)到水功能區(qū)劃目標(biāo)。

3.1 外源治理

根據(jù)目前城市排水管網(wǎng)規(guī)劃及建設(shè)現(xiàn)狀，外源治理工程主要任務(wù)是：①改建或新建前湖水系和烏沙河上游區(qū)域排水管，實(shí)現(xiàn)雨、污分流制；本次設(shè)計(jì)范圍工程內(nèi)容為河道兩岸污水干管和截流干管，城區(qū)內(nèi)市政雨污水管網(wǎng)不納入本次設(shè)計(jì)范圍。②對河道兩側(cè)的現(xiàn)有排水口進(jìn)行截流設(shè)計(jì)，對合流制污水和錯(cuò)接入雨水管道的污水、初期雨水以及分流制的初期雨水進(jìn)行截流。

通過雨污分流、河道兩側(cè)截流管網(wǎng)工程和調(diào)蓄處理工程措施改善水環(huán)境質(zhì)量。

前湖水系新建DN400～1400污水管19.75 km，新建DN600～1800截流管20.62 km；烏沙河上游水系新建DN400～1400污水管29.42 km，新建DN600～2000 截流管12.70 km；新建3座初雨調(diào)蓄處理站和1座調(diào)蓄塘，規(guī)模共計(jì)11.5萬m3。

3.2 內(nèi)源治理

為消除底泥中的污染物質(zhì)釋放到上覆水體，造成二次污染，根據(jù)治理范圍內(nèi)的底泥檢測結(jié)果，需對烏沙河和前湖水系進(jìn)行底泥環(huán)保清淤，清淤河段總長約32.3 km。烏沙河水系底泥清淤量為9.0萬m3，前湖水系清淤量為26.6萬m3。

3.3 水力調(diào)控工程

通過河道水質(zhì)數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算，為保障昌北各治理河湖主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，需向前湖水系和烏沙河上游段、龍?zhí)端?、麥廬支渠及青嵐水等河湖進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)水流量為3 m3/s。

本次補(bǔ)水工程采用兩級補(bǔ)水泵站的布置形式。對前湖水系和烏沙河上游段、龍?zhí)端Ⅺ湉]支渠及青嵐水進(jìn)行補(bǔ)水活化。一級補(bǔ)水泵站設(shè)計(jì)流量3 m3/s，二級補(bǔ)水泵站設(shè)計(jì)流量4.5 m3/s。一級輸水管道干管長度4 032 m，管徑2×DN1200；支管長度1 617 m，管徑DN600；二級輸水管道長度8 192 m，管徑2×DN1600。輸水管道均采用K9級球墨鑄鐵管。

3.4 生態(tài)修復(fù)工程

本次工程構(gòu)建清水型湖泊水生態(tài)系統(tǒng)、河流型生態(tài)系統(tǒng)，對污水處理廠尾水深度凈化，采取多介質(zhì)濾床、浮動(dòng)濕地、攔截吸附網(wǎng)膜、微生物附著基、雨水口凈化系統(tǒng)、基底改良工程，修建生態(tài)滲濾壩，布設(shè)曝氣增氧設(shè)備、PGPR生態(tài)修復(fù)設(shè)備等相關(guān)措施以恢復(fù)或修復(fù)生物棲息地。通過上述措施，增強(qiáng)水體的自凈能力，逐步減輕水體污染，提升水體的環(huán)境容量，穩(wěn)定維持水質(zhì)凈化效果。

3.5 水景觀工程

項(xiàng)目針對烏沙河水系(幸福水庫至翡翠山莊段)、前湖水系(留山濱水公園)進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)。景觀設(shè)計(jì)結(jié)合國家政策背景、上位規(guī)劃、現(xiàn)狀情況、自然歷史人文資源、相關(guān)基礎(chǔ)資料等進(jìn)行規(guī)劃。在景觀設(shè)計(jì)中融入南昌的地域文脈，提升濱河景觀的文化內(nèi)涵。深入挖掘沿岸文化印記場所，融入南昌的典型精神文化元素，串聯(lián)起從古至今的城市文脈，充分豐富市民的濱河文化體驗(yàn)，為濱水景觀注入文化內(nèi)涵。

3.6 智慧水務(wù)

本次設(shè)計(jì)在烏沙河上游段和前湖流域分別建立水文遙測站網(wǎng)布設(shè)、水質(zhì)站網(wǎng)布設(shè)和管網(wǎng)布設(shè)。本工程水文自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)共布置中心站1座、遙測水位雨量站1座、遙測水位站6座，結(jié)合已有測站4座，本工程水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)規(guī)模為1∶10。初擬在本工程范圍內(nèi)布設(shè)7座遙測水質(zhì)監(jiān)測站。管網(wǎng)監(jiān)測站點(diǎn)初步擬定為污水監(jiān)測需布設(shè)在灣里調(diào)蓄處理站進(jìn)出口、留山調(diào)蓄處理站進(jìn)出口、九龍湖調(diào)蓄處理站進(jìn)出口、云溪水人工濕地進(jìn)出口，共8處；初雨監(jiān)測需在本次治理范圍烏沙河、中堡水布設(shè)15套，前湖水系布設(shè)35套。

3.7 污染負(fù)荷削減分析

污染負(fù)荷削減剩余量=污染負(fù)荷入河量-工程措施削減量。本工程通過截污干管、生態(tài)修復(fù)、雨水調(diào)蓄工程針對污染負(fù)荷削減量進(jìn)行削減，在各工程措施實(shí)施后污染物削減情況分析見表2。

(1)根據(jù)“水十條”要求，南昌市生活污水需要基本實(shí)現(xiàn)全收集、全處理。在實(shí)施完成截污干管建設(shè)且根據(jù)南昌市政府要求將周邊污水支管改造并接入主管網(wǎng)后，本次河道兩岸干管的建設(shè)結(jié)合小區(qū)污水管網(wǎng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)生活污水收集處理率將從現(xiàn)狀的75%提高到95%。

(2)初期雨水在工程實(shí)施后削減50%的城鎮(zhèn)地表徑流污染負(fù)荷。

(3)畜禽養(yǎng)殖進(jìn)行規(guī)模化養(yǎng)殖，污水收集后達(dá)標(biāo)排放。

(4)通過內(nèi)源治理、PGPR原位修復(fù)、濕地削減河道生態(tài)措施等進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。

表2 工程措施后污染負(fù)荷削減量 t/a

4 水環(huán)境綜合模型效果評估分析

4.1 模型簡介

本次選用MIKE11軟件。MIKE11一維河道、河網(wǎng)綜合模擬軟件，主要用于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其他內(nèi)陸水域的水文學(xué)、水力學(xué)、水質(zhì)和泥沙傳輸模擬，在防汛洪水預(yù)報(bào)、水資源水量水質(zhì)管理、水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)論證均可得到廣泛應(yīng)用。MIKE11包含如下基本模塊：水動(dòng)力學(xué)模塊(HD)、降雨徑流模塊(RR)、對流擴(kuò)散模塊(AD)、水質(zhì)模塊(WQ)、泥沙輸運(yùn)模塊(ST)。

4.2 模型構(gòu)建

模型建立與分析過程包括以下5個(gè)步驟：

(1)子計(jì)算單元?jiǎng)澐?。根?jù)昌北水系河道地形資料，對地形進(jìn)行數(shù)字化處理，建立烏沙河、青嵐水等共18條河流組成的昌北水系水動(dòng)力-水質(zhì)模型。

(2)初始條件。根據(jù)實(shí)測水動(dòng)力、水質(zhì)資料設(shè)定模型的初始條件，包括河道初始水位、初始水質(zhì)濃度等。

(3)邊界條件。根據(jù)實(shí)測水動(dòng)力、水質(zhì)資料設(shè)定模型的邊界條件，包括上游邊界流量序列、上游水質(zhì)濃度時(shí)間序列、下游水位時(shí)間序列等。

(4)模型參數(shù)率定與驗(yàn)證。建立昌北水系水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型并對2015年主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行模擬，選取2015年前湖入口、出口處的水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬值進(jìn)行比較，對糙率及主要污染物衰減系數(shù)等進(jìn)行率定，驗(yàn)證模型可靠性，使模型精度達(dá)到模擬要求。

(5)數(shù)值模擬。根據(jù)昌北水系具體運(yùn)行情況，結(jié)合工程措施實(shí)施進(jìn)度等，利用驗(yàn)證過的水動(dòng)力-水質(zhì)模型對昌北水系工程措施后的方案進(jìn)行數(shù)值模擬。

(6)結(jié)果演示及分析。利用后處理程序處理模型計(jì)算得到的水動(dòng)力和水質(zhì)模擬結(jié)果，通過圖、表等形式分析工程措施后的效果。

模型水文劃分20個(gè)水文響應(yīng)單元和386個(gè)實(shí)測斷面，水文分區(qū)及河網(wǎng)文件見圖2。

圖2 水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐?/p>

4.3 模型驗(yàn)證

圖3 前湖入口處模擬值與實(shí)測結(jié)果對比(2017年)

圖4 前湖出口處模擬值與實(shí)測結(jié)果對比圖(2017年)

根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，選擇2017年作為模型的率定水平年，前湖入口、出口處的水質(zhì)模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比如圖3、4所示，前湖入口、出口處兩統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表3。由于流域內(nèi)的雨量站資料有限，而且缺少水文、流量資料，從而影響到污染負(fù)荷、河道水質(zhì)的模擬，另外，各類污染源實(shí)際排放過程的不確定性也會(huì)造成結(jié)果和實(shí)測值之間的偏差，總體來說，模擬結(jié)果能夠基本反映河道斷面的水質(zhì)變化趨勢。污染物進(jìn)入河流在輸移過程中通過物理、化學(xué)及生物的作用發(fā)生濃度衰減，其衰減系數(shù)反映了污染物在水體作用下降解速度的快慢。通過模型的率定并結(jié)合以往工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，研究區(qū)域COD、氨氮和TP的衰減系數(shù)分別為0.05/d、0.04/d和0.01/d。

表3 前湖入口、出口處統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

4.4 計(jì)算結(jié)果效果分析

考慮工程措施后，在枯水年90%來水保證率下，根據(jù)《南昌市水生態(tài)實(shí)施方案》要求，控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率在89%以上。選取氨氮模擬情況為例進(jìn)行分析，NH3-N水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化見圖5。

圖5 NH3-N水質(zhì)變化動(dòng)態(tài)示意

利用水動(dòng)力-水質(zhì)模型，對工程措施實(shí)施后現(xiàn)狀90%降雨保證率條件下的昌北水系進(jìn)行水質(zhì)模擬，各斷面主要指標(biāo)(COD、NH3-N、TP)達(dá)標(biāo)率列于表4。

表4 工程措施實(shí)施后現(xiàn)狀90%降雨保證率條件下各控制斷面主要指標(biāo)達(dá)標(biāo)率 %

由表4可以看出，考慮工程措施后，在3.0 m3/s的補(bǔ)水條件下，各控制斷面的水質(zhì)主要指標(biāo)達(dá)標(biāo)率達(dá)到89%以上，符合《江西省生態(tài)文明先行示范區(qū)實(shí)施方案》對河流水功能區(qū)劃水質(zhì)的要求。

5 結(jié) 語

本文在充分調(diào)查分析南昌市昌北地區(qū)現(xiàn)狀水資源、水環(huán)境、水安全及水生態(tài)存在主要問題的基礎(chǔ)上，合理制定近遠(yuǎn)期水環(huán)境治理目標(biāo)。在對污染物入河量分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，從外源治理、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)、水力調(diào)控、水景觀、智慧水務(wù)等方面合理布置工程措施，并采用MIKE11軟件對工程治理前后的效果進(jìn)行評估分析。結(jié)果顯示，通過引入先進(jìn)的水生態(tài)環(huán)境治理理念，采取多目標(biāo)綜合治理措施，能夠?qū)崿F(xiàn)提出的近遠(yuǎn)期水質(zhì)目標(biāo)。通過治水，突顯南昌市城市建設(shè)新面貌、形成城市競爭新優(yōu)勢、打造城市治水新標(biāo)桿，實(shí)現(xiàn)南昌市打造“鄱湖明珠·中國水都”的愿景。