王煥雄

（福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)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(tái)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(zhǎng)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(biāo)高2.712 m～3.826 m，規(guī)劃河寬12 m，規(guī)劃河底標(biāo)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(guò)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(dòng)，河道水質(zhì)黑臭。

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

2016年為實(shí)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?！?”是指全面截污、全面清淤、全面清疏、全面治理污染源、全面實(shí)施城中村改造、把水引進(jìn)來(lái)、讓水多起來(lái)、讓水動(dòng)起來(lái)、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(shù)、修路、亮燈、造景、建園共5個(gè)措施，打造水系周邊環(huán)境。

2 河道水質(zhì)不達(dá)標(biāo)分析

2.1 污染物分析

由于長(zhǎng)期以來(lái)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(shí)的清淤，底泥中累積了大量污染物，受到了嚴(yán)重污染，主要污染因子為有機(jī)物、氮、磷。根據(jù)調(diào)查，底泥主要來(lái)自污水中的懸浮物、水土流失及垃圾等，淤積較嚴(yán)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(dòng)浮泥層或淤泥層，呈絮凝狀，含水量高，粒徑較細(xì)，有機(jī)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(dòng)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(dǎo)致水體變黑的重要因素之一，已成為水質(zhì)惡化的一個(gè)重要內(nèi)污染源。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)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(jiàn)，污染底泥對(duì)水質(zhì)的影響明顯，對(duì)污染底泥進(jìn)行清淤，能有效降低水體污染物濃度，見(jiàn)表1。

表1 河道底泥檢測(cè)點(diǎn)位布置

根據(jù)有機(jī)質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，光明港二支河上游有機(jī)質(zhì)最高，達(dá)到25.4 mg/kg，紅星河次高，為22.3 mg/kg，見(jiàn)圖1。

圖1 底泥有機(jī)質(zhì)檢測(cè)分析圖

根據(jù)總磷檢測(cè)結(jié)果，光明港二支河上游總磷含量最高，達(dá)到2354 mg/kg。紅星河次高，為1078 mg/kg，見(jiàn)圖2。

圖2 底泥總磷檢測(cè)分析圖

根據(jù)全氮檢測(cè)結(jié)果，光明港二支河上游全氮含量最高，達(dá)到2996 mg/kg。紅星河次高，為1582 mg/kg，見(jiàn)圖3。

圖3 底泥全氮檢測(cè)分析圖

淤泥中有機(jī)質(zhì)分析結(jié)果說(shuō)明，生活類污染物在河道中的沉積，河道受到有機(jī)污染嚴(yán)重，有機(jī)污染主要來(lái)源于生活污水。

2.2 水動(dòng)力分析

光明剛二支河按設(shè)計(jì)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(zhǎng)3.76 km，河底坡降僅0.095‰，在無(wú)外力作用下河道水流基本靜止。在外江潮水漲落時(shí)河道內(nèi)水體有一定的流動(dòng)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(dòng)力條件最基本、最直觀的因子，它對(duì)藻類的生長(zhǎng)、聚集與分布具有十分明顯的影響[1]。于珊、楊柳等通過(guò)研究表明平原水系水動(dòng)力改善與補(bǔ)水口分布、補(bǔ)水流量換水周期等密切相關(guān)[2-3]。王旭、胡鵬等研究認(rèn)為較差的水動(dòng)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(bǔ)水方案

在福州市鼓臺(tái)中心區(qū)水系綜合治理項(xiàng)目建設(shè)中針對(duì)光明港二支河的水動(dòng)力不足問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(jì)方案，利用一體化泵閘的推動(dòng)，改善光明港二支河的河道水體流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)活水補(bǔ)水。水動(dòng)力提升技術(shù)特點(diǎn)是見(jiàn)效快、應(yīng)用范圍廣，可長(zhǎng)期有效地保障河道水質(zhì)，適用于水動(dòng)力條件較差的河流[6]。

經(jīng)過(guò)分析在長(zhǎng)度接近4 km的河道內(nèi)僅通過(guò)上游的泵閘推流，難以達(dá)到顯著改善水動(dòng)力條件。特別是受光明港水位頂托時(shí)，水動(dòng)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(jìn)一步提升河道水動(dòng)力。

陳儷丹等利用MIKE一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型比選出流速、水質(zhì)均達(dá)標(biāo)且較為經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)活水方案且實(shí)施后效果良好[7]。

3.1 模擬計(jì)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(jìn)行河道水動(dòng)力模擬分析，采用MIKE11 RR模型非線性水庫(kù)法進(jìn)行徑流過(guò)程計(jì)算，采用MIKE一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型比選出流速、水質(zhì)均達(dá)標(biāo)且較為經(jīng)濟(jì)合理的方案。

邊界條件：下游光明港水位3 m，上游泵閘啟動(dòng)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(yùn)行考慮，設(shè)置水深1.5 m，河道COD初始濃度40 mg/L，假定補(bǔ)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(dòng)力條件以及水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間。共六種工況，見(jiàn)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(jì)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(dāng)下游泵站規(guī)模在0 m3/s～2.0 m3/s之間時(shí)，泵站規(guī)模每增加0.5 m3/s，流速提升約1.4%。當(dāng)泵站規(guī)模由2.0 m3/s提升至2.4 m3/s時(shí)，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(dá)47.32%。因此泵站規(guī)模選取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間對(duì)水動(dòng)力提升更顯著，見(jiàn)表2。

表2 不同泵站規(guī)模下河道水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間

河道未修建下游泵站時(shí)，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(dāng)下游修建泵站且流量小于0.5 m3/s時(shí)，對(duì)河道水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間沒(méi)有影響；當(dāng)下游修建規(guī)模大于0.5 m3/s的泵站時(shí)，不同規(guī)模的泵站對(duì)河道水質(zhì)恢復(fù)時(shí)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(shí)，對(duì)水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間影響最大，河道水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間減少2.8 小時(shí)，占總時(shí)長(zhǎng)33.73%。當(dāng)泵站規(guī)模在0.5 m3/s～1.5 m3/s之間時(shí)，泵站規(guī)模每增加0.5 m3/s，河道水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間減少0.3 h。當(dāng)泵站規(guī)模在1.5 m3/s～2.4 m3/s之間時(shí)，泵站規(guī)模每增加0.5 m3/s，河道水質(zhì)恢復(fù)時(shí)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(duì)水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間的影響更顯著。

經(jīng)過(guò)分析可知：以COD濃度恢復(fù)時(shí)間作為考慮條件時(shí)，泵站規(guī)模選取在1.5 m3/s～2.4 m3/s之間對(duì)水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間的影響更顯著；以水動(dòng)力提升作為考慮條件時(shí)，泵站規(guī)模選取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間對(duì)水動(dòng)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(duì)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(guò)模擬分析為改善光明港二支河的水動(dòng)力條件，在光明港二支河除按設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行河道清淤疏浚外還設(shè)置的水動(dòng)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(shí)現(xiàn)從光明港一支河補(bǔ)水進(jìn)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(shí)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(guò)福州市建設(shè)局審查通過(guò)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(shí)施，2018 年6 月液壓鋼板壩和泵站投入使用。

3.3 運(yùn)營(yíng)調(diào)度

為高效節(jié)能地利用水動(dòng)力設(shè)施，改善河道水動(dòng)力條件。針對(duì)光明港二支河，采用潮汐換水+機(jī)械推流調(diào)度方案。初步設(shè)定3 個(gè)初始工況，后期根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)逐步積累數(shù)據(jù)，通過(guò)智慧化調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)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(yùn)行，下游鋼板調(diào)整至壩頂高程4.0 m，下游排水泵站開(kāi)啟，河道下游通過(guò)泵站排水至光明港；

汛期工況：根據(jù)市聯(lián)排聯(lián)動(dòng)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(duì)比

通過(guò)持續(xù)的水質(zhì)檢測(cè)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(biāo)Do和ORP均較差屬于黑臭河道，在2018年6 月后水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)中Do和ORP均符合河道考核優(yōu)秀目標(biāo)要求，且越往后期水質(zhì)目標(biāo)越穩(wěn)定向好，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 光明港二支河水質(zhì)檢測(cè)分析表（Do）

圖7 光明港二支河水質(zhì)檢測(cè)分析表（ORP）

4.2 治理前后水動(dòng)力對(duì)比

項(xiàng)目實(shí)施前通過(guò)流速儀檢測(cè)時(shí)無(wú)法讀數(shù)，肉眼難以看見(jiàn)水體流動(dòng)，水流速度小于0.02 m/s。

項(xiàng)目建設(shè)后上游泵閘以及下游泵站運(yùn)行時(shí)，通過(guò)JZYLS300-A-直讀式流速流量測(cè)算儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)水動(dòng)力優(yōu)化，光明港二支河項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)，水體流動(dòng)性由原來(lái)的近乎靜止到流速在0.15 m/s～0.2 m/s。水動(dòng)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(guò)水動(dòng)力的優(yōu)化解決了河網(wǎng)水量分配不足、水流不暢等問(wèn)題，提高了水環(huán)境容量，改善了水環(huán)境質(zhì)量。在模擬計(jì)算時(shí)，由于實(shí)際邊界較復(fù)雜，在模擬計(jì)算時(shí)部分邊界條件進(jìn)行了模糊處理，致使模擬結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行存在一定的偏差，未來(lái)應(yīng)從多方面去完善邊界條件，更精準(zhǔn)地進(jìn)行模型演算，為項(xiàng)目決策提供更優(yōu)質(zhì)的理論支撐。

水環(huán)境治理是一個(gè)復(fù)雜綜合的問(wèn)題，難以通過(guò)單一的水動(dòng)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(dòng)力提升以及高品質(zhì)的運(yùn)營(yíng)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。