基于水質目標可達性分析的城市內河生態補水方案

陳燕平，霍培書，湯丁丁，趙 皇，周 艷，鄭碧娟，劉 軍，鄧德宇

(中建三局綠色產業投資有限公司，湖北武漢 430100)

隨著社會經濟持續發展，人類活動對水環境的影響急劇增強，我國城市水環境污染日益嚴重，水質問題尤為突出，黑臭現象普遍存在[1-3]。引水沖污可以有效改善城市內河水質，通過生態補水，可增強水體水動力，提高水體流動性，增加水體環境容量，提升其景觀功能[4-6]。目前，針對水環境治理效果評價研究，以及城市內河水系水質達標控制和黑臭水體治理的生態補水工程技術研究較多，如韓亞萍等[7]采用灰水足跡理論與MIKE21水質模型，對城市內湖水環境治理效果進行綜合評價；孟瑩瑩等[8]采用EPA SWMM及MIKE11模擬評估不同灰綠措施組合對河道水質達標的影響效果；周文琦等[9]以南京市南河為例，對其枯水期生態補水方案效果進行研究；史貴君等[10]以深圳市寶安區鐵排河為研究對象，探索城市高度建成區河道生態補水治理方案；盧慧[11]研究典型雨源型河流——合肥市十五里河生態補水方案。然而，針對河道不同調度方案條件下水質目標可達的生態補水方案研究還相對較少。

論文以武漢市黃孝河明渠為例，采用MIKE11構建一維水動力水質模型，模擬主要水質指標化學需氧量(CODCr)、氨氮和總磷(TP)(黃孝河明渠控制斷面主要考核指標)的變化趨勢，進行水質目標可達性分析，研究旱天和雨天不同運行工況條件下的補水方案，以期為城市內河水環境綜合治理提供技術支撐。

1 區域概況

黃孝河位于武漢市江岸區，明渠段起于京廣鐵路以北100 m處，止于末端張公堤南側后湖泵站攔污柵前，長為5.4 km，坡度為0.2‰；上游箱涵段起于江漢區青年路，止于京廣鐵路橋以北100 m處，長為5.0 km，坡度為0.5‰～2‰。黃孝河明渠沿線有塔子湖明渠和建設渠入匯，下游經后湖泵站匯入府河(圖1)。

圖1 黃孝河明渠水系圖Fig.1 Hydrographical Chart of Huangxiao River Open Channel

黃孝河明渠屬于典型的雨源型城市內河，晴天主要承接漢口舊城黃孝河箱涵及明渠沿線塔子湖、后湖西區污水排入；雨天兼具排洪功能，黃孝河箱涵與黃孝河明渠屬于黃孝河低排系統，承接漢口舊城武勝路、單洞門、臺北路、三眼橋、花橋、解放公園等片區以及后湖新城、六合溝河堤角北片地區雨水匯入，后經后湖泵站抽排或經岱家山閘自排入府河。

黃孝河明渠段除雨季箱涵淤泥沖刷進入造成污染外，水中各種漂浮物、懸浮物、岸邊垃圾、未清理的水生植物和水華藻類等腐爛沉入水底，形成黑臭底泥，導致水體發臭、發黑，內源污染嚴重。同時，旱天污水截留不徹底、明渠生態基流不足，雨天合流制污水溢流污染嚴重，以致其常年處于黑臭狀態。

為解決黃孝河水體黑臭問題，武漢市黃孝河、機場河水環境綜合治理一期工程已完成后湖片區和塔子湖片區截污及黃孝河明渠清淤工程;二期工程建設任務包括明渠拓寬、旱天截污(鐵路橋地下污水處理廠、閘門)、合流制溢流(CSOs)污染控制(CSOs調蓄及處理設施)、生態補水、水生態修復、綠色景觀構建等工程措施。工程實施后將大大提高黃孝河明渠水環境質量，水質指標(pH、DO、CODCr、氨氮、TP、BOD5、SS、TN、類大腸桿菌群)達到地表水V類水質標準，力爭主要水質指標(pH、DO、CODCr、氨氮、TP)達到地表水IV類標準。

2 數學模型

MIKE是由丹麥水利研究院(DHI)開發的系列軟件，包括MIKE11、MIKE21、MIKE3、MIKE FLOOD、MIKE URBAN等系列。其中，MIKE11主要應用于河口、河道、河網水流、水質、泥沙輸移等一維水動力水質模擬，具有功能全面、界面友好、穩定性高、適用性廣及計算精度高等優點，成功應用于國內外眾多水環境治理、水系規劃、流域防洪和海綿城市建設項目。因此，本文采用MIKE11構建黃孝河明渠一維水動力水質模型，對水質目標可達進行模擬分析。

2.1 模型原理

本文應用MIKE11水動力模塊、對流擴散模塊進行水環境數值模擬分析。

(1)水動力學方程

水動力模塊利用Abott-Ionescu六點隱式差分格式求解圣維南方程組，求得河道控制節點水位、流量、流速等要素，為污染物對流擴散模擬提供水動力計算條件[12]，連續性方程如式(1)，動量方程如式(2)。

(1)

(2)

其中：x——距離，m；

t——時間，s；

A——過水斷面面積，m2；

h—水位，m；

Q——流量，m3/s；

q——旁側入流，m3/s；

g——重力加速度，m/s2；

C——謝才系數，m1/2/s；

R——水力半徑，m。

(2)對流擴散方程

對流擴散模塊根據水動力計算基礎，對污染物擴散傳輸進行模擬，方程如式(3)。

(3)

其中：m——污染物質量濃度，mg/L；

D——擴散系數，m2/s；

K——降解系數，h-1；

m2——源/匯項污染物質量濃度，mg/L。

2.2 模型構建及參數設置

2.2.1 河道及排口概化

黃孝河明渠部分箱涵橋過水能力有限，防洪能力不足，為有效解決黃孝河流域內澇問題，將明渠斷面由30 m拓寬至60～80 m，黃孝河明渠擴建有效用地約為60～140 m，可滿足明渠拓寬要求。本次研究對象為黃孝河明渠拓寬后河段，長為4.6 km，坡度為0.2‰，共計斷面41個。旱天截污工程完成后，黃孝河明渠上游箱涵旱天無溢流，沿線主要支流有塔子湖明渠和建設渠，為增加河道過流斷面和調蓄能力，建設渠與黃孝河明渠在末端合并成一條渠。因此，本次模擬僅考慮塔子湖明渠來水，其來水量較小，概化為點源入匯。

經實地調研分析，黃孝河明渠沿線雨污混合排口共10余個，其中，污水排口3個，雨污混合排口4個，雨水排口3個，具體分布情況如圖2所示。考慮排口分布位置，采取中點概化方法[13]，將污水排口和雨污混合排口概化到控制河段中點斷面處(圖3)。

2.2.2 初始及邊界條件設置

根據旱天和雨天不同運行工況，對黃孝河明渠、排口及塔子湖明渠進行水質采樣檢測分析。

(1)旱天工況

根據調度機制，旱天黃孝河箱涵無溢流，明渠入流量為鐵路橋地下污水處理廠生態補水，補水地點為明渠起端。鐵路橋地下污水處理廠設計規模為10萬t/d(約為1.157 m3/s)，出水水質滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，主要指標達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中地表水環境質量IV類標準。具體出水水質標準如表1所示。

根據實測旱天水質數據，污水排口和雨污混合排口共7個，排口排污量共計2.5萬t/d(約合為0.289 m3/s)，排口污染物濃度按照中點概化法進行計算[13]。塔子湖明渠匯流量為0.212 m3/s，主要水質指標情況如表2所示。

圖3 黃孝河明渠概化示意圖Fig.3 Generalized Map of Huangxiao River Open Channel

表1 鐵路橋地下污水處理廠出水水質Tab.1 Effluent Quality of Underground WWTP of Railway Bridge

表2 旱天水質統計Tab.2 Statistics of Water Quality in Dry Season

(2)雨天工況

根據調度機制，小到中雨工況條件下，開啟CSOs調蓄和強化處理設施處理暗涵過量來水，確保污水不進明渠；大到暴雨工況條件下，初期合流制污水進入鐵路橋地下污水處理廠及CSOs調蓄設施處理，超量來水進入明渠。根據實測雨天水質數據，大到暴雨工況條件下，箱涵出口溢流污水流量為3.472 m3/s，塔子湖明渠匯流量為0.525 m3/s，主要水質指標濃度如表3所示。

表3 雨天水質統計Tab.3 Statistics of Water Quality in Rainy Days

根據旱天生態補水方案模擬計算，CODCr、氨氮和TP可達到地表水V類水質標準，因此，將旱天CODCr、氨氮和TP水質達標標準作為大到暴雨工況模型計算的初始條件，同時，模型計算結果作為雨后生態補水方案模擬初始濃度(表3)。

2.2.3 參數設置

MIKE11一維水動力水質模型主要參數包括河床糙率、污染物橫向擴散系數以及各種污染物的源項和降解系數。本次模型參數選取參考《武漢市黃孝河、機場河水環境綜合治理規劃及系統化方案設計》中黃孝河明渠水質模型計算參數，能夠反映該河段水文水質狀態特征，故而不對模型參數進行率定與驗證。

根據實地調研過程中拍攝照片獲取的河道、河岸植被情況，參考水力學手冊及其他項目該河段，經率定和驗證的水動力學模型參數，確定黃孝河明渠河道主槽糙率取值為0.03，兩岸糙率取值為0.035。

本模型的擴散系數由紊流模型中得到，擴散系數取值為5 m2/s。污染物種類不同，其降解系數亦不相同，參考中小河流CODCr和氨氮降解系數的取值范圍[14]，確定黃孝河明渠不同來水情況下CODCr和氨氮的降解系數。根據國內對于TP降解系數已有研究成果[15-16]，類比同區域其他河流TP降解系數，確定其取值為0.045～0.085，具體情況如表4所示。

表4 不同模擬工況降解系數取值Tab.4 Degradation Coefficient Values under Different Simulated Conditions

3 生態補水方案模擬分析

3.1 補水方案

根據調度機制，旱天時，黃孝河流域生活污水經三金潭污水處理廠和鐵路橋地下污水處理廠處理。小到中雨，即降雨量小于24.4 mm/65 min時，開啟CSOs調蓄和強化處理設施處理暗涵過量來水，確保污水不進明渠;大到暴雨，即降雨量超過24.4 mm/65 min時，打開暗涵末端鋼壩閘，開啟行洪模式。因此，本文僅開展旱天生態補水方案和大到暴雨CSOs工況條件下的生態補水方案分析。

根據生態補水方案模擬計算，考慮有污水排口的情況、旱天最大補水量(10萬t/d)方案條件下，氨氮和TP未能達到地表水V類水質標準。因此，補水方案設計中除旱天補水量為10萬t/d工況外，其他補水方案均不考慮有排口工況。

3.1.1 旱天補水方案

根據調度機制，旱天黃孝河箱涵無溢流，明渠入流量為鐵路橋地下污水處理廠生態補水。最大補水量方案條件下，考慮有無排口工況進行水質目標可達性分析，并設置不同生態補水量方案(表5)，進行水質改善效果分析，補水方式為持續補水，補水周期為5 d。

3.1.2 雨天補水方案

根據調度機制，大到暴雨工況條件下，合流制污水進入明渠，將對其水質產生影響。設置雨后不同生態補水方案，并考慮不同補水方式對水質改善的效果(表6)，探索不同補水方式對水質改善的效果。補水量為鐵路橋地下污水處理廠出水10萬t/d，模擬計算周期為7 d，補水方式分為持續補水和間歇補水，持續補水即24 h不間斷補水。由于污水處理廠正式投入使用后為全天候不停歇運行，無法通過間歇補水方式進行生態補水，但考慮到污水處理廠進水分配主要集中于特定時間段，因此，可將其出水近似看作為間歇補水，補水時長考慮16、18、20、22 h這4種方案，每天6點開始補水。

表5 黃孝河明渠旱天生態補水方案Tab.5 Ecological Water Supplement Schemes for Open Channel of Huangxiao River in Dry Season

表6 黃孝河明渠雨天生態補水方案Tab.6 Ecological Water Supplement Schemes for Open Channel of Huangxiao River in Rainy Days

3.2 生態補水效果分析

根據旱天和雨天不同運行工況，從水質目標可達、主要污染物濃度削減量及削減速率等角度對生態補水效果進行分析。

3.2.1 旱天生態補水效果分析

(1)有排口工況

旱天生態補水量為10萬t/d且考慮有排口排污工況條件，經過一段時間持續補水，黃孝河明渠沿程各斷面水質情況如圖4所示，CODCr及排口上游斷面氨氮和TP可達到地表水V類水質標準，排口下游斷面氨氮和TP濃度仍處于劣V類水平。

圖4 有排口工況下旱天生態補水方案黃孝河明渠水質Fig.4 Water Quality of Huangxiao River Open Channel under Conditions of Discharge Outlets Conditions and Ecological Water Supplement Schemes in Dry Season

(2)無排口工況

根據生態補水方案模擬，在無排口工況、不同補水量情況下，黃孝河明渠沿程各斷面水質情況及滿足水質目標可達所需的補水時長如圖5所示。

由圖5可知，經生態補水，除方案5(補水量為5萬t/d)，TP濃度處于劣V類水平之外，其他補水方案，CODCr、氨氮和TP均可達到地表水V類水質標準。對比滿足水質目標可達的補水方案2～4，隨著補水量的均勻降低，沿程各斷面CODCr、氨氮和TP削減量有所降低，在塔子湖明渠入匯口下游斷面先快速降低，后降低速率有所減緩。

從水質改善情況分析，持續補水方式條件下，補水量越大，水質改善情況越好，滿足水質目標可達所需的補水時長越短，如補水量為10萬t/d時，CODCr、氨氮和TP滿足水質目標可達所需的補水時長最短，分別為23、42 h和38 h，且滿足水質目標可達的濃度最低、水質改善情況最好的目標。

圖5 無排口工況下旱天生態補水方案黃孝河明渠水質情況Fig.5 Water Quality of Huangxiao River Open Channel under Conditions of No-Draining Conditions and Ecological Water Supplement Schemes in Dry Season

針對方案2(補水量為10萬t/d)情況，選取明渠斷面0+500、2+000和4+500，分析其補水周期內的水質變化情況(圖6)。由圖6可知，上游補水口附近斷面水質改善效果最好，改善速率最快，CODCr、氨氮和TP均可達到地表水IV類水質標準；中游斷面前有塔子湖明渠入匯，水質改善速率有所減弱，改善效果相對較差，僅CODCr可達到地表水IV類水質標準，氨氮和TP均只達到地表水V類水質標準；下游斷面水質改善速率最慢，但改善效果相對較好，CODCr和氨氮可達到地表水IV類水質標準，TP可達到地表水V類水質標準。

3.2.2 雨天生態補水效果分析

(1)水質目標可達分析

對大到暴雨工況條件下，合流制污水對明渠產生污染后，通過生態補水措施實現水質目標可達進行分析。對比雨天生態補水方案1～5，黃孝河明渠沿程各斷面水質情況及滿足水質目標可達所需補水時長如圖7所示。

由圖7可知，不同生態補水方案均能實現水質目標可達，即CODCr、氨氮和TP均可達到地表水V類水質標準。與持續補水方案1相比，間歇補水方案2～5控制斷面污染物濃度削減率更高，實現水質目標可達所需補水時長更短，因此，水質改善效果也更好。

綜合考慮CODCr、氨氮和TP達到地表水V類水質標準所需補水時長，間歇補水方案2(每天持續補水16 h)所需補水時長最短，僅需33 h；持續補水方案1所需補水時長最長，需36 h。

(2)污染物濃度削減效果分析

以水質目標可達所需最長補水時長36 h為補水周期，對比分析各生態補水方案污染物濃度削減效果，將明渠各斷面主要污染物濃度削減率的平均值作為明渠污染物削減率，具體情況如圖8所示。

由圖8可知，與持續補水方案1相比，間歇補水方案2～5污染物濃度削減率更高，且每天持續補水時長越短，補水流量越大，污染物濃度削減率越高，削減速率越快，水質改善效果越好。

根據雨天生態補水方案模擬計算結果，選取明渠斷面0+500、2+000和4+500，分析其主要水質指標CODCr、氨氮和TP達到地表水V類水質標準時的削減率(表7)。由表7可知，上游補水口附近斷面污染物濃度削減率最高，中游斷面次之，下游斷面最低。對比主要污染物濃度削減率，氨氮削減率最高，CODCr次之，TP最小。

圖6 方案2工況黃孝河明渠不同斷面水質變化Fig.6 Water Quality Changes of Different Sections of Open Channel of Huangxiao River under Scheme Two

圖7 雨天生態補水方案黃孝河明渠水質情況Fig.7 Water Quality of Open Channel of Huangxiao River under Conditions of Ecological Water Supplement Schemes in Rainy Days

圖8 36 h補水周期黃孝河明渠水質情況Fig.8 Water Quality of Open Channel of Huangxiao River in 36 h Water Supplement Period

表7 雨天生態補水方案污染物濃度削減率對比Tab.7 Comparison of Pollutant Concentration Reduction Rates of Ecological Water Supplement Schemes in Rainy Days

綜合對比各方案明渠斷面0+500、2+000、4+500污染物濃度削減率，可知方案2水質改善效果最佳，黃孝河明渠沿程各斷面水質情況如圖9所示。

圖9 最佳補水方案2工況條件下黃孝河明渠水質Fig.9 Water Quality of Open Channel of Huangxiao River under Optimal Water Supplement Scheme Two

4 結論

高密度建成區城市內河大多為雨源型河流，受季節性降雨影響，枯水期河道生態基流不足、水環境容量小、水體自凈能力低、水質污染情況嚴重[17-19]。以黃孝河明渠為例，采用污水處理廠尾水作為生態補水水源，結合地下污水處理廠、調蓄池等工程措施，運用MIKE11構建一維水動力水質耦合模型，進行不同調度方案條件下水質目標可達的生態補水方案研究，主要水質評價指標為CODCr、氨氮和TP，結論如下。

(1)通過旱天生態補水方案研究，有排口、排污工況條件下，排口下游斷面氨氮和TP濃度處于劣V類水平，無法實現水質目標可達，建議采取關閉明渠沿程污水排口、敷設沿河截污管道等措施確保晴天污水不入河。

(2)對旱天無排口排污條件下，不同補水量方案進行模擬計算分析，持續補水條件下補水量不少于6萬t/d時，可通過生態補水的方式實現明渠水質目標可達，且補水量越大，污染物濃度削減率越高，水質改善效果越好。

(3)根據污水處理廠進出水規律，雨天生態補水方案考慮持續補水和間歇補水2種補水方式。通過模型計算，不同補水方式均可實現雨后水質目標可達，相較持續補水，間歇補水方案CODCr、氨氮和TP達到地表水V類水質標準所需補水時長較短，水質改善效果較好。在間歇補水方案中，每天持續補水時長越短，補水流量越大，污染物濃度削減率越高，削減速率越快，水質改善效果越好。

本文基于水質目標可達，提出黃孝河明渠生態補水方案，為雨源型河流生態補水提供了理論依據和科學借鑒，為高密度建成區城市內河黑臭水體治理提供系統解決方案。