曾秀云，陳鈺林

（1.福州工商學(xué)院，福建 福州 350715；2.福州市城市排水有限公司，福建 福州 350001）

引言

近年來(lái)，隨著福州市生態(tài)文明建設(shè)的不斷提升，人居環(huán)境不斷改善，福州西湖作為福州市的重要旅游文化景點(diǎn)，也是福州市重要的城市名片。本項(xiàng)目位于西湖入口處，面積近10 000 m2，整治任務(wù)主要包括截污口整治、應(yīng)急清淤、補(bǔ)水以及水動(dòng)力改善等工程，作為此次整治工程的截污工程已先行實(shí)施，因此評(píng)估該工程措施對(duì)改善西湖水質(zhì)，特別是西湖沉淀區(qū)水質(zhì)的成效，為將來(lái)類似工程方案的選擇和制定提供較為準(zhǔn)確的定量分析，是科學(xué)決策的重要依據(jù)。

1 工程概況

本項(xiàng)目以福州西湖沉淀區(qū)水體治理為目標(biāo)，從水體水動(dòng)力和水質(zhì)模型建模入手，通過對(duì)控源截污方案的模擬評(píng)估，用以實(shí)際工程加以驗(yàn)證，以達(dá)到恢復(fù)西湖沉淀區(qū)水質(zhì)的目標(biāo)。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)河湖水質(zhì)數(shù)學(xué)模型開展了大量的研究工作[1]，開發(fā)了一系列公用和專用的水質(zhì)模型，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。目前主要的河湖水質(zhì)模型有Mike 系列、QUAL2E、WASP、EFDC、DELFT3D 等。對(duì)于不同地域的湖泊流域，水利條件和水質(zhì)條件均不相同，需根據(jù)項(xiàng)目的具體情況選擇構(gòu)建模型。國(guó)內(nèi)卿曉霞等[2]為評(píng)估河流治污措施對(duì)西湖水質(zhì)改善的效果，用MIKE21 模型對(duì)伏牛溪西湖主要污染物氨氮和CODMn進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，西湖沿程點(diǎn)源全部截污后，可降低43%的氨氮和65%的CODMn；補(bǔ)充不同處理程度的污水廠尾水可使西湖滿足V 類水標(biāo)準(zhǔn)且組合措施優(yōu)于單一措施。廖振良等[3]利用開發(fā)的蘇州河模型，對(duì)蘇州河水環(huán)境整治工程方案進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算，計(jì)算方案包括：截污、底泥疏浚、上下游水質(zhì)邊界條件的改變、支流排放的影響、不同的調(diào)水方式、降雨放江以及局部曝氣復(fù)氧等，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果對(duì)蘇州河水環(huán)境整治目標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)分析計(jì)算，得到了優(yōu)化的工程措施排序和水資源調(diào)度方案。陳鈺林等[4]使用Mike21 水動(dòng)力模型對(duì)閩江竹岐段入河的污染源截污情況進(jìn)行模擬，閩江來(lái)水在特枯期的徑流條件下，模擬發(fā)生不同程度水體污染的工況，對(duì)主要污染物為氨氮的空間變化過程以及氨氮的輸移基本特征進(jìn)行模擬分析，用以評(píng)估水源地農(nóng)業(yè)生活污染元的風(fēng)險(xiǎn)，并相應(yīng)制定應(yīng)對(duì)水污染風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急策略。

本項(xiàng)目結(jié)合國(guó)內(nèi)外的湖體的水動(dòng)力和水質(zhì)模型的研究情況，本項(xiàng)目采用Mike21 水動(dòng)力模型對(duì)西湖進(jìn)行模擬評(píng)估。

2 水動(dòng)力模型的建立

2.1 整體網(wǎng)格模型

福州西湖位于福州市區(qū)中心，由屏西河、銅盤河自北側(cè)匯入，經(jīng)白馬河水閘調(diào)控湖區(qū)水位后，形成白馬河出流。本項(xiàng)目以西湖沉淀區(qū)為研究目標(biāo)，根據(jù)西湖-左海地形圖，將西湖30.3 hm2的湖區(qū)概化為14 361 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)擬評(píng)估的西湖沉淀區(qū)近1.1 hm2的湖面進(jìn)行網(wǎng)格加密[5]。西湖沉淀區(qū)水動(dòng)力的平面布局如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 西湖沉水動(dòng)力的平面布局

2.2 模型邊界條件設(shè)置

西湖湖區(qū)的模型邊界共有3 處，2 處為入流邊界，1 處為出流邊界。其中，西湖北側(cè)的屏西河為主入流，流量為2.90 m3/s～3.10 m3/s，取3.00 m3/s；西湖東北側(cè)的銅盤河為支流入流，入流的流量為0.90 m3/s～1.10 m3/s，取1.00 m3/s；南側(cè)為白馬河，出水邊界按液位模式，水位高度5.50 m。

2.3 模型參數(shù)率定驗(yàn)證

本項(xiàng)目西湖湖區(qū)的水動(dòng)力模型采用實(shí)測(cè)屏西河、銅盤河、白馬河等各邊界流量、液位進(jìn)行率定。具體以屏西河入口的實(shí)測(cè)流量為初始條件，對(duì)白馬河出水閘的流速和液位進(jìn)行驗(yàn)證和率定。模型率定結(jié)果為：湖底糙率為，流速平均誤差為3.99%，水動(dòng)力條件滿足要求。

2.4 西湖水質(zhì)

2.4.1 整治前

西湖沉淀區(qū)整治工程在開展截污整治前，于2020 年5 月10 日至12 日對(duì)西湖水質(zhì)進(jìn)行采樣檢測(cè)，檢測(cè)的有關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1。

表1 西湖沉淀區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀

入流的屏西河、銅盤河水質(zhì)如表2。

表2 銅盤河水質(zhì)現(xiàn)狀

2.4.2 整治后

整治工程對(duì)主入流屏西河周邊開展了截污，主要對(duì)軟件大道、丞相路、泉塘巷、錢塘巷等進(jìn)入屏西河的污染源排口進(jìn)行截污，這些排口位于湖區(qū)外，截污工程僅考慮屏西河入流的水質(zhì)參數(shù)的影響。截污工程共完成4 個(gè)主要排口的截污工作，排口水量及污染物情況見如表3。入流污的染物折算COD 削減522.4 kg/d，NH3-N 削減72.5 kg/d，SS 削減267.4 kg/d。截污后，屏西河入流水質(zhì)為COD 指標(biāo)為4.97 mg/L，ρ（NH3-N）指標(biāo)0.52 mg/L，ρ（SS）指標(biāo)10.13 mg/L，換算污染物指標(biāo)COD 下降2.02 mg/L，ρ（NH3-N）下降0.28 mg/L，ρ（SS）下降1.03 mg/L，截污后屏西河水質(zhì)參數(shù)如表4。

表3 排口水量及污染物情況統(tǒng)計(jì)表

表4 屏西河水質(zhì)參數(shù)表

3 截污效果的評(píng)估

3.1 截污控源模型的建立

對(duì)于截污控源工程措施，考慮到污染物在沉淀區(qū)的停留時(shí)間較短，水質(zhì)變化主要由水的對(duì)流擴(kuò)散條件引起，因此，水質(zhì)模型采用AD 模型。由于截污措施均在研究區(qū)域外，整體表現(xiàn)為對(duì)屏西河入流水質(zhì)的影響，因此，對(duì)截污前后入流水質(zhì)的變化進(jìn)行評(píng)估模擬。截污前的水質(zhì)情況如圖2 所示。

圖2 屏西河截污前沉淀區(qū)水質(zhì)變化

3.2 截污控源效果分析

對(duì)屏西河截污后，西湖沉淀區(qū)的水質(zhì)變化如下頁(yè)圖3。由圖3 可見，在截污后，屏西河入流進(jìn)入西湖沉淀區(qū)以后10 h 時(shí)，水質(zhì)指標(biāo)已有一定改善。

圖3 屏西河截污后沉淀區(qū)水質(zhì)變化

為綜合評(píng)估截污后西湖沉淀區(qū)的水質(zhì)變化，在西湖沉淀區(qū)的東側(cè)設(shè)置3 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（t1、t2、t3）、西側(cè)設(shè)置4 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（t4、t5、t6），如圖4 位置。東西側(cè)各測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)取均值計(jì)算，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在截污前后的水質(zhì)變化如表5、表6。

表5 各測(cè)點(diǎn)在截污前后的水質(zhì)變化（東側(cè)）

表6 各測(cè)點(diǎn)在截污前后的水質(zhì)變化（西側(cè)）

圖4 各測(cè)點(diǎn)位置

4 結(jié)論

1）對(duì)屏西河入流的污染源采取截污措施后，入流的污染物顯著減少，COD 減少了28.90%，NH3N 減少了35.0%，SS 減少了9.23%。

2）屏西河采取截污措施后，湖區(qū)東側(cè)污染物COD減少了1.96 mg/L，減少了26.5%；ρ（NH3N）減少了0.27 mg/L，減少了30.3%；ρ（SS）減少了1.01 mg/L，減少了8.3%。湖區(qū)西側(cè)污染物COD 減少了2.02 mg/L，減少了28.9%；ρ（NH3N）減少了0.28 mg/L，減少了35.0%，ρ（SS）減少了1.03 mg/L，減少了9.2%。

綜上，通過模擬發(fā)現(xiàn)，對(duì)于西湖的主入流屏西河采取截污措施后，對(duì)于西湖沉淀區(qū)減少COD、NH3N 污染物貢獻(xiàn)較為明顯，對(duì)于減少SS 污染物有一定成效。