昌北水環境綜合治理工程措施效果評估與分析

縱 霄，劉松平，張 亞，婁曉波，喻虎圻

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

1 流域概況

昌北水系主要由烏沙河水系構成。烏沙河發源于梅嶺山脈的洗腳塢，主流為銅源港水，流經幸福水庫、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、龍潭水、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。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(相應庫容1 555萬m3)，死水位42.06 m，死庫容21.6萬m3，調節庫容1 533萬m3，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、水產養殖等綜合效益的中型水庫。烏井水庫控制流域面積9.5 km2，現為灣里區城鎮供水水源水庫，水庫總庫容494萬m3，正常蓄水位190.0 m，相應庫容420萬m3，調節庫容396萬m3，屬多年調節水庫。

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，南達生米大橋，西至前湖水分水嶺，區域總匯水面積為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，發源于龍崗村昌銅高速附近，河流大體自西向東流經十一房、青山、望城等地，與兩岸沿線支流交匯后，可經嶺口匯入贛江或經老街閘匯入烏沙河，兩出口均屬機會性排水。

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，青山水于望城工業園創業北路附近與西干渠交匯，交匯后又分為物華渠、華南渠、永強渠等景觀明渠沿公路最終匯入前湖。另有云溪水發源于陸軍學院與云溪小區之間高地，流域面積7.5 km2，于嘉言路與學府大道交匯處匯入前湖。以前湖水庫大壩為界，前湖區域可分為壩上、壩下兩部分。壩下區域面積為14.7 km2，區內地勢低洼，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贛江南大道、嶺口路、清遠路、前湖大道之間。前湖下泄水量經學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，設計景觀水位17.5 m，渠系內水體流動性差。水系示意如圖1所示。

2 現狀調查與評價

2.1 現狀調查與評價

近年來，隨著城市迅猛發展，配套實施建設相對滯后，導致區域出現一系列的水安全、水環境問題。中心城區現狀綜合排澇能力僅在5～20 a之間，易澇點有104個，內澇風險面積達到0.942 km2。

根據南昌市環保局提供的2015年～2017年部分水質監測數據，以及2017年4月、7月兩期現場水質監測數據，采用標準指數法進行評價，結果顯示昌北片區河湖現狀水質多為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重，NH3-N、TN和TP超標倍數較高。前湖入湖口COD、NH3-N、TN和TP分別超標2.3、8.47、9.0倍和3.57倍，烏沙河下游6個監測斷面NH3-N超標5.93～10.4倍、TN超標6.24～11.6倍、TP超標2.57～5.7倍。

區域污染源主要來自生活散排、城鎮面源污染和污水處理廠尾水，三項合計COD、NH3-N、TN和TP量分別占區域污染負荷的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，造成內源污染。另外，區域存在污水管未接入污水管道、污水管網損壞、合流制溢流污染、雨污管道混接、施工廢水直排等問題，在前湖水系發現23處排口、7處垃圾堆，在烏沙河上游發現11處排口。污水處理廠處理率較低，排放標準均為一級B，排放標準較低。項目區內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模分別為61.4%、47.3%和67.9%。流域內可用活水量不足，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，主要承擔區域內的灌溉及供水任務，枯水期河道水量不能維持河道自身健康運行要求，河道水生態系統將遭到破壞。

2.2 污染負荷統計

污染負荷基礎數據依據《南昌市年鑒》(2016年)、《南昌市環境質量概要》、排污口統計以及污水處理廠運行數據資料，按行政區劃分對基礎數據進行統計分析，見表1。昌北片區現狀污染負荷總量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 各污染類型貢獻值 t/a

3 綜合治理措施

以習總書記“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水新思路為指導，通過現場監測、資料分析，系統梳理水資源、水安全、水環境等方面存在的問題，提出“流域統籌、系統規劃、多措并舉、標本兼治”的治理思路，通過流域水環境外源治理、內源治理、水力調控、生態修復、水景觀、智慧水務等綜合整治措施的實施，構建健康河湖生態系統，使水體水質達到水功能區劃目標。

3.1 外源治理

根據目前城市排水管網規劃及建設現狀，外源治理工程主要任務是：①改建或新建前湖水系和烏沙河上游區域排水管，實現雨、污分流制；本次設計范圍工程內容為河道兩岸污水干管和截流干管，城區內市政雨污水管網不納入本次設計范圍。②對河道兩側的現有排水口進行截流設計，對合流制污水和錯接入雨水管道的污水、初期雨水以及分流制的初期雨水進行截流。

通過雨污分流、河道兩側截流管網工程和調蓄處理工程措施改善水環境質量。

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座初雨調蓄處理站和1座調蓄塘，規模共計11.5萬m3。

3.2 內源治理

為消除底泥中的污染物質釋放到上覆水體，造成二次污染，根據治理范圍內的底泥檢測結果，需對烏沙河和前湖水系進行底泥環保清淤，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 水力調控工程

通過河道水質數學模型分析計算，為保障昌北各治理河湖主要水質指標達到Ⅳ類水質標準，需向前湖水系和烏沙河上游段、龍潭水、麥廬支渠及青嵐水等河湖進行補水，補水流量為3 m3/s。

本次補水工程采用兩級補水泵站的布置形式。對前湖水系和烏沙河上游段、龍潭水、麥廬支渠及青嵐水進行補水活化。一級補水泵站設計流量3 m3/s，二級補水泵站設計流量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 生態修復工程

本次工程構建清水型湖泊水生態系統、河流型生態系統，對污水處理廠尾水深度凈化，采取多介質濾床、浮動濕地、攔截吸附網膜、微生物附著基、雨水口凈化系統、基底改良工程，修建生態滲濾壩，布設曝氣增氧設備、PGPR生態修復設備等相關措施以恢復或修復生物棲息地。通過上述措施，增強水體的自凈能力，逐步減輕水體污染，提升水體的環境容量，穩定維持水質凈化效果。

3.5 水景觀工程

項目針對烏沙河水系(幸福水庫至翡翠山莊段)、前湖水系(留山濱水公園)進行景觀設計。景觀設計結合國家政策背景、上位規劃、現狀情況、自然歷史人文資源、相關基礎資料等進行規劃。在景觀設計中融入南昌的地域文脈，提升濱河景觀的文化內涵。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，串聯起從古至今的城市文脈，充分豐富市民的濱河文化體驗，為濱水景觀注入文化內涵。

3.6 智慧水務

本次設計在烏沙河上游段和前湖流域分別建立水文遙測站網布設、水質站網布設和管網布設。本工程水文自動監測系統共布置中心站1座、遙測水位雨量站1座、遙測水位站6座，結合已有測站4座，本工程水文自動測報系統規模為1∶10。初擬在本工程范圍內布設7座遙測水質監測站。管網監測站點初步擬定為污水監測需布設在灣里調蓄處理站進出口、留山調蓄處理站進出口、九龍湖調蓄處理站進出口、云溪水人工濕地進出口，共8處；初雨監測需在本次治理范圍烏沙河、中堡水布設15套，前湖水系布設35套。

3.7 污染負荷削減分析

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

(1)根據“水十條”要求，南昌市生活污水需要基本實現全收集、全處理。在實施完成截污干管建設且根據南昌市政府要求將周邊污水支管改造并接入主管網后，本次河道兩岸干管的建設結合小區污水管網的建設，實現生活污水收集處理率將從現狀的75%提高到95%。

(2)初期雨水在工程實施后削減50%的城鎮地表徑流污染負荷。

(3)畜禽養殖進行規模化養殖，污水收集后達標排放。

(4)通過內源治理、PGPR原位修復、濕地削減河道生態措施等進行生態修復。

表2 工程措施后污染負荷削減量 t/a

4 水環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、河網綜合模擬軟件，主要用于河口、河流、灌溉系統和其他內陸水域的水文學、水力學、水質和泥沙傳輸模擬，在防汛洪水預報、水資源水量水質管理、水利工程規劃設計論證均可得到廣泛應用。MIKE11包含如下基本模塊：水動力學模塊(HD)、降雨徑流模塊(RR)、對流擴散模塊(AD)、水質模塊(WQ)、泥沙輸運模塊(ST)。

4.2 模型構建

模型建立與分析過程包括以下5個步驟：

(1)子計算單元劃分。根據昌北水系河道地形資料，對地形進行數字化處理，建立烏沙河、青嵐水等共18條河流組成的昌北水系水動力-水質模型。

(2)初始條件。根據實測水動力、水質資料設定模型的初始條件，包括河道初始水位、初始水質濃度等。

(3)邊界條件。根據實測水動力、水質資料設定模型的邊界條件，包括上游邊界流量序列、上游水質濃度時間序列、下游水位時間序列等。

(4)模型參數率定與驗證。建立昌北水系水動力-水質數學模型并對2015年主要水質指標進行模擬，選取2015年前湖入口、出口處的水質實測數據與模擬值進行比較，對糙率及主要污染物衰減系數等進行率定，驗證模型可靠性，使模型精度達到模擬要求。

(5)數值模擬。根據昌北水系具體運行情況，結合工程措施實施進度等，利用驗證過的水動力-水質模型對昌北水系工程措施后的方案進行數值模擬。

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

模型水文劃分20個水文響應單元和386個實測斷面，水文分區及河網文件見圖2。

圖2 水文響應單元劃分

4.3 模型驗證

圖3 前湖入口處模擬值與實測結果對比(2017年)

圖4 前湖出口處模擬值與實測結果對比圖(2017年)

根據收集到的數據，選擇2017年作為模型的率定水平年，前湖入口、出口處的水質模擬結果與實測結果對比如圖3、4所示，前湖入口、出口處兩統計指標計算結果見表3。由于流域內的雨量站資料有限，而且缺少水文、流量資料，從而影響到污染負荷、河道水質的模擬，另外，各類污染源實際排放過程的不確定性也會造成結果和實測值之間的偏差，總體來說，模擬結果能夠基本反映河道斷面的水質變化趨勢。污染物進入河流在輸移過程中通過物理、化學及生物的作用發生濃度衰減，其衰減系數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合以往工程項目經驗，研究區域COD、氨氮和TP的衰減系數分別為0.05/d、0.04/d和0.01/d。

表3 前湖入口、出口處統計指標計算結果

4.4 計算結果效果分析

考慮工程措施后，在枯水年90%來水保證率下，根據《南昌市水生態實施方案》要求，控制斷面水質達標率在89%以上。選取氨氮模擬情況為例進行分析，NH3-N水質動態變化見圖5。

圖5 NH3-N水質變化動態示意

利用水動力-水質模型，對工程措施實施后現狀90%降雨保證率條件下的昌北水系進行水質模擬，各斷面主要指標(COD、NH3-N、TP)達標率列于表4。

表4 工程措施實施后現狀90%降雨保證率條件下各控制斷面主要指標達標率 %

由表4可以看出，考慮工程措施后，在3.0 m3/s的補水條件下，各控制斷面的水質主要指標達標率達到89%以上，符合《江西省生態文明先行示范區實施方案》對河流水功能區劃水質的要求。

5 結 語

本文在充分調查分析南昌市昌北地區現狀水資源、水環境、水安全及水生態存在主要問題的基礎上，合理制定近遠期水環境治理目標。在對污染物入河量分析計算的基礎上，從外源治理、內源治理、生態修復、水力調控、水景觀、智慧水務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行評估分析。結果顯示，通過引入先進的水生態環境治理理念，采取多目標綜合治理措施，能夠實現提出的近遠期水質目標。通過治水，突顯南昌市城市建設新面貌、形成城市競爭新優勢、打造城市治水新標桿，實現南昌市打造“鄱湖明珠·中國水都”的愿景。