青島市李村河下游生態補水方案

楊仲韜，資 強，渠元闖，孟 濤，燕家琪

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381)

在河道綜合治理過程中，生態補水是在控源截污實施效果良好的前提下改善河道水環境的重要措施[1]。生態補水的作用主要表現在以下兩個方面：一是生態補水可以維持河道徑流，增加河道流速，有利于水體復氧，提高水體自凈能力；二是生態補水可維持水生動植物的基本生境，恢復河道生態系統。

近年來，青島市在《水污染防治行動計劃》、《李村河流域水環境治理工作方案》等的指導下，逐步實施了污水廠提標改造、雨污分流、沿線污染源治理、河道生態化整治等綜合措施。由于缺少穩定的補水，李村河下游河段多個斷面存在斷流現象。因此通過生態補水增加河道流量、提升河道水質十分重要。文章主要對李村河綜合治理過程中的生態補水方案進行研究討論，為工程的實施和開展提供指導。

1 李村河概況

李村河全長16.7km，流域總面積139.0km2，是青島市區最大的水系，也是市區主要的防洪排澇河道，水清溝河、鄭州路河、大村莊河等共九條支流匯集于此。李村河是一條典型的季節性河流，暴雨季節，河道水位暴漲，而平時則河床中水量較少，部分區域野草叢生、土地裸露。李村河下游三角地至入海口段目前通過擋潮閘攔蓄一部分污水廠排放再生水及漲潮海水，形成長度約1000m、水面寬220～360m的蓄水區，蓄水深度0.8～2.5m。李村河勝利橋處設有國控水質監測斷面如圖1所示，水質要求為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的V類標準以上。

圖1 李村河下游平面示意圖

2 生態補水工程重要性

自2009年以來，李村河沿線先后實施了一系列的整治工作，建設內容包括截污、防洪、道路、橋梁、景觀綠化等，沿河修建了多處橡膠壩、跌水堰等，河道防洪能力得到有效加強，景觀效果大幅提升。

但是目前由于缺少穩定的補水，李村河下游三角地至勝利橋河段多個斷面存在斷流現象。基于李村河水量少、水質差的現狀，在河道沿線實施控源截污的前提下，通過引調清潔水源對河道進行生態補水，從而改善河道水動力循環條件，恢復河道生態、保障河道水質，是迫在眉睫的工作。此外，隨著社會經濟的發展，人們對居住環境的要求日益提高，追求依山傍水、近山近水、樂山樂水、親山親水的山水情結也與日俱增[2]，補水工程營造的怡人水面景觀將為市民的休閑娛樂生活增添亮麗的色彩。綜上，本補水工程對保護及改善半島流域水環境質量，促進半島流域經濟、社會和環境的可持續發展具有重要意義。

3 補水水源

常用的河道生態補水水源有雨水徑流、水庫蓄水、區域調水、再生水等。由于李村河為季節性河道，上游缺少穩定、足量的徑流，沒有大型水庫，因此無法依靠上游來水和水庫蓄水對河道進行生態補水。雨水徑流補水僅在汛期有可行性，但需要解決雨水收集、調蓄、水質凈化等一系列問題，工程難度大，成本高。青島市水資源并不充裕，依靠區域調水和采用地下水進行補水更不現實。城市污水廠再生水水量、水質穩定可靠，將之作為河道生態補水的水源、實現水資源循環利用是各大城市的通用做法。

青島市李村河流域現有李村河污水廠(25萬m3/d)、世園會再生水凈化廠(0.75萬m3/d)、張村河水質凈化廠(4萬m3/d，在建)，另外計劃在三角地新建一座5萬m3/d的污水處理廠。

李村河上游世園會再生水凈化廠和張村河水質凈化廠向下游補水4.75萬m3/d。但是由于三角地上游河段沿程蒸發量大、滲漏損失嚴重，現狀補水量難以滿足李村河下游的生態環境用水需求。位于李村河下游南岸入膠州灣口處的李村河污水處理廠，經改造提標及四期擴建工程后日處理能力將達到30萬m3，出水水質優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準，詳見表1。該污水廠距離三角地約5km，且水量、水質均能得到有效保證，是李村河下游理想的補水水源。綜上，本工程擬將李村河污水處理廠再生水通過泵站提升至三角地處給李村河下游補水。

表1 補水水源水質及國控斷面水質要求限值 單位：mg/L

4 補水規模

4.1 生態環境需水量

目前，計算河道內生態需水量的方法眾多，由于不同河道所處區域、自身特點千差萬別，還未形成相應的規范或標準。國內外河道內生態需水量計算主要包括水文學法、水力學法、水文-生物分析法、生境模擬法、環境功能設定法等方法[3]。

李村河為季節性河流，非汛期河道內流量很小，河道內部分區域河床裸露，存在局部斷流現象，幾無水生脊椎動物生存，歷史流量資料缺乏，因此不宜采用水文學法、水文-生物分析法、生境模擬法等方法計算生態環境需水量。

水力學方法是根據河道水力參數確定河流所需流量，所需水力參數(河寬、水深、流速和濕周等)可以采用曼寧公式計算獲得，代表方法有濕周法[4]、R2-Cross法[5]等方法。該方法無需歷史流量及生物種群資料，較適合北方季節性缺水河流推算生態需水量。

環境功能設定法是一種將河流水量與水質保護相結合的方法，是針對我國水環境污染嚴重狀況提出的[6- 7]。城市河流受人類活動影響較大，受到污染威脅較多，一般要求河流具有一定的納污稀釋功能，需要綜合考慮水質保護與水量維持之間的關系。在水系發達、河網密布的地區可以借助數學模型對水動力、水質進行分析研究[8- 9]。

綜上所述，結合李村河河道現狀及所掌握資料，本文采用水力學方法計算李村河下游最小生態需水量，并結合環境功能設定法分析補水工程對國控斷面水質達標的影響，計算該生態補水量下的水環境容量。

4.2 水力學法計算

R2-Cross方法[5]認為河流流量的主要生態功能是維持河流棲息地，其采用河流寬度、平均水深、平均流速以及濕周率等指標來評估河流棲息地的保護水平，從而確定河流生態流量。該法以曼寧方程為基礎，根據實測資料或設計資料確定相關參數，可依據水力參數將河流劃分區段，計算各區段的生態流量，并最終確定能維持河流生態流量的最小流量。

根據李村河下游綜合治理方案，李村河下游三角地至勝利橋段定位為生態溪流段，采用生態流速作為水力學法計算的控制條件。一般為保持城市水生態系統的良性循環，使系統中大多數水生動植物能夠生存，水體環境質量在現狀條件下不會繼續惡化，可選擇0.3m/s作為城市河流的最小生態流速的參考值[10]。

李村河入海口處設置了擋潮閘進行了蓄水，使得河水滯留，回水范圍至勝利橋附近，對于這段河道，擬從生態水深方面考慮它的生境適宜性。參考維多利亞河流的環境等級標準[10]，該河段的平均水深需維持在1.5m以上。

李村河三角地至勝利橋河段水面寬度25～30m，比降約為1‰～2‰；勝利橋至擋潮閘段水面寬度250～370m，比降約為0.6‰。結合河道內水生植物生長情況，河道糙率取值為0.033～0.035。因河道水力情況較為復雜，計算采用明渠非均勻流公式，通過上文擬定的河道水力要素進行反復試算，并結合沿線其他補水需求確定補水規模。

最終確定李村河污水處理廠向李村河下游(三角地至入海口段)生態補水總規模為20萬m3/d，其中向李村河三角地位置補水15萬m3/d，向李村河下游主要支流(水清溝河、大村河等)及沿線景觀綠化澆灌等補水5萬m3/d。該補水量補入李村河下游后，可維持三角地至勝利橋段平均水深為0.32m，平均流速為0.3m/s，擋潮閘蓄水段平均水深為1.55m。河道沿程平均水深及平均流速情況如圖2所示。

圖2 補水工程實施后李村河下游沿程平均水深及平均流速

4.3 環境功能校核

以水體中BOD和溶解氧沿程濃度變化情況作為校核該生態補水規模的依據。目前，在不考慮水體中植物產氧及底泥沉降等影響的條件下，水體中BOD降解速率及溶解氧復氧速率計算方法較為成熟，一般采用如下公式進行計算[11]。

(1)

(2)

式中,L—x處河水中的BOD濃度，mg/L；C—x處河水中的溶解氧濃度，mg/L；Cs—河水某溫度時中的飽和溶解氧濃度，mg/L；u—河水平均流速，m/s；K1—BOD衰減系數，d-1；K2—溶解氧衰減系數，d-1。

(3)

DL=1.76×10-4×[1.037(T-20)]

(4)

本工程補水水源BOD濃度和下游國控斷面水質要求BOD濃度限值均為10mg/L。根據BOD衰減系數的研究成果，K1取值在0.01～0.05d-1[12]。由于該段河道長度較短，在4km左右，補水沿程歷時約為6.5h，BOD降解比例小于9%，因此河道的自凈作用對BOD消減作用有限，即該段河道以BOD計的環境容量極小。該段河道需貫徹落實沿線控源截污，確保污水不進入河道，才能保證國控斷面BOD指標達標。

對于溶解氧沿程變化情況，將該河段微分為5m每區間進行計算，即dx，取值為5m。根據李村河污水廠再生水的水質情況，補水水體溶解氧初始濃度為2mg/L，計算結果表明至擋潮閘蓄水區可復氧至6.1mg/L左右。根據國內一些學者的研究結果，河流中適宜魚類生存的溶解氧應達到5mg/L[13]，所以實施本補水工程后在擋潮閘蓄水區段可形成較為適宜魚類生存的條件。溶解氧及BOD沿程濃度變化情況如圖3所示。

圖3 補水工程實施后李村河下游溶解氧及BOD濃度沿程變化情況

5 輸水方案比選

根據李村河污水處理廠改造提標及四期擴建工程(以下簡稱污水廠四期工程)情況，生態補水與該工程結合相對較為合適，但需要等到污水廠四期工程建成后才具備補水條件。李村河水環境治理是青島市政府2018年的重點工作，考慮李村河總體水環境治理時間上的緊迫性，提早實現向河道內補水，配合李村河其他水環境治理措施改善河道水質是迫在眉睫的工作。因此，綜合李村河河道水環境治理總體措施布局及時間要求和污水廠四期工程，提出以下輸水工程方案：

(1)方案一

采用5萬m3/d+15萬m3/d建設方案：利用老廠區已建中水泵站，新建DN800管線至三角地，輸水規模5萬m3/d；15萬m3/d生態補水泵站在污水廠四期工程先行建設，近期自老廠區濾布濾池取水，在污水廠四期工程建成后切換至污水廠四期工程排放泵房取水。15萬m3/d補水泵站至河道岸邊采用DN1200管線輸水，于排河口位置連接排放井及河內DN1200管線，在非汛期向三角地補水點輸水15萬m3/d，汛期河道不需要補水時，通過排河口閥門切換，由排河井直接排入河道。

(2)方案二

20萬m3/d生態補水泵站結合污水廠四期工程排河泵站建設，利用廠區排河的其中一根DN1600管線輸水，在DN1600管線排河口位置連接DN1600管線向三角地補水點輸水20萬m3/d。排河管與再生水管共用，在汛期河道不需要補水時，通過廠內水泵及排河口閥門實現一個管道兩種功能的切換。

(3)方案三

在李村河污水廠排河管末端的河邊綠化帶內新建20萬m3/d取水泵站，泵站結合排水口，自排河管道末端取水，通過新建一根DN1600管道向三角地補水點輸水，管道補水規模20萬m3/d，富余的水通過溢流口溢流入河。

方案選擇：對比各方案的優缺點，方案二和方案三直接采用DN1600鋼管輸送20萬m3/d較為簡潔，如果DN1600管道具備敷設條件且通水時間滿足李村河水環境治理進度的話，是較為可行的方案。但一方面DN1600管道在河道內敷設需要穿越多處障礙，包括鐵路橋、公路橋、橡膠壩等，施工難度大、工期長；另一方面進入6月汛期后，更加劇了施工難度。考慮李村河總體水環境治理時間上的緊迫性，方案二和方案三在時間上不能滿足李村河總體水環境治理需求。其次，方案三的取水泵站位置與高壓電纜沖突，不能滿足施工及后期運行要求。

方案一首先在時間上可實現2018年5月份DN800管道的5萬m3/d首先通水，滿足李村河總體水環境治理前期補水需求，同年10月份DN1200管道可實現15萬m3/d通水，滿足李村河水環境治理總體補水需求。其次DN800和DN1200在河道內施工可采用定向鉆施工工藝穿越障礙，施工速度快。并且該方案也充分利用了廠區已建泵站，減小了新建泵站規模。綜上，推薦采用方案一，該方案平面布置如圖4所示。

圖4 方案一平面示意圖

6 結語

利用李村河污水處理廠的再生水對李村河下游進行生態補水是行之有效的工程方案，在補水規模為20萬m3/d時可維持李村河下游的最小生態流速和最小生態水深，保障河道生態性，進而逐步建立河道生態系統。結合河道沿線控源截污工作的有效開展，可保障國控斷面水質達標。輸水工程采用5萬m3/d+15萬m3/d方案：利用李村河污水處理廠已建泵站及DN800管道輸送5萬m3/d水量；利用在污水廠四期工程先行建設的生態補水泵站及DN1200管道輸送15萬m3/d水量。該方案管道工程施工速度快，泵站建設工程規模小，兼顧李村河水環境治理工程近期及遠期的補水要求，可取得較好的環境效益和生態效益。