福州市光明港二支河水動力優化成效分析

王煥雄

（福建省環境保護設計院有限公司，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江區，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3.76 km，匯水面積約1.37 km2，現狀河寬4 m～17 m，現狀河底高程2.234 m～3.355 m，常水位水面標高2.712 m～3.826 m，規劃河寬12 m，規劃河底標高1.47 m～2.52 m。光明港二支河呈東西走向，沿線主要經過連江路、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，河道水質黑臭。

2011年間以“水清、河暢、路通、景美”為目標，綜合采用駁岸整修、截污、清淤、景觀建設等措施對河道進行過一輪整治，但效果難以持久。

2016年為實現福州市全面消除黑臭，改善城市水環境質量在水系綜合治理中，福州市提出了“9+5”系列舉措。“9”是指全面截污、全面清淤、全面清疏、全面治理污染源、全面實施城中村改造、把水引進來、讓水多起來、讓水動起來、組建聯排聯調智慧管理體系共9大策略全面改善水環境質量；“5”是指種樹、修路、亮燈、造景、建園共5個措施，打造水系周邊環境。

2 河道水質不達標分析

2.1 污染物分析

由于長期以來接納未經處理的生產生活污廢水及沿程生活垃圾傾倒，河道未經及時的清淤，底泥中累積了大量污染物，受到了嚴重污染，主要污染因子為有機物、氮、磷。根據調查，底泥主要來自污水中的懸浮物、水土流失及垃圾等，淤積較嚴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浮泥層或淤泥層，呈絮凝狀，含水量高，粒徑較細，有機質及氮、磷等污染物含量高，以粉砂和粘土為主，置于水中攪動就能產生再懸浮，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致水體變黑的重要因素之一，已成為水質惡化的一個重要內污染源。據相關文獻分析，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，污染底泥對水質的影響明顯，對污染底泥進行清淤，能有效降低水體污染物濃度，見表1。

表1 河道底泥檢測點位布置

根據有機質檢測結果，光明港二支河上游有機質最高，達到25.4 mg/kg，紅星河次高，為22.3 mg/kg，見圖1。

圖1 底泥有機質檢測分析圖

根據總磷檢測結果，光明港二支河上游總磷含量最高，達到2354 mg/kg。紅星河次高，為1078 mg/kg，見圖2。

圖2 底泥總磷檢測分析圖

根據全氮檢測結果，光明港二支河上游全氮含量最高，達到2996 mg/kg。紅星河次高，為1582 mg/kg，見圖3。

圖3 底泥全氮檢測分析圖

淤泥中有機質分析結果說明，生活類污染物在河道中的沉積，河道受到有機污染嚴重，有機污染主要來源于生活污水。

2.2 水動力分析

光明剛二支河按設計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3.76 km，河底坡降僅0.095‰，在無外力作用下河道水流基本靜止。在外江潮水漲落時河道內水體有一定的流動性，但基本也是水體在河段內激蕩，難以形成有效穩定流向。流速是表征水動力條件最基本、最直觀的因子，它對藻類的生長、聚集與分布具有十分明顯的影響[1]。于珊、楊柳等通過研究表明平原水系水動力改善與補水口分布、補水流量換水周期等密切相關[2-3]。王旭、胡鵬等研究認為較差的水動力條件、不通暢的水循環是引起河道水體黑臭的原因之一[4-5]。

3 活水補水方案

在福州市鼓臺中心區水系綜合治理項目建設中針對光明港二支河的水動力不足問題，設計單位提出了在光明港二支河上游設置規模為2.4 m3/s的一體化泵閘設計方案，利用一體化泵閘的推動，改善光明港二支河的河道水體流動性，實現活水補水。水動力提升技術特點是見效快、應用范圍廣，可長期有效地保障河道水質，適用于水動力條件較差的河流[6]。

經過分析在長度接近4 km的河道內僅通過上游的泵閘推流，難以達到顯著改善水動力條件。特別是受光明港水位頂托時，水動力提升效果難以體現。故考慮在上游利用泵閘推流的基礎條件下，在下游設置液壓鋼板壩和放水泵站進一步提升河道水動力。

陳儷丹等利用MIKE一維水動力水質耦合模型比選出流速、水質均達標且較為經濟的最優活水方案且實施后效果良好[7]。

3.1 模擬計算

為確保優化方案的可靠性，方案優化前采用MIKE11軟件建模分析。采用MIKE11 線性模型進行河道水動力模擬分析，采用MIKE11 RR模型非線性水庫法進行徑流過程計算，采用MIKE一維水動力水質耦合模型比選出流速、水質均達標且較為經濟合理的方案。

邊界條件：下游光明港水位3 m，上游泵閘啟動流量2.4 m3/s，下游泵站規模設定為0.5 m3/s、1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s、2.4 m3/s五種規模形式，下游液壓壩頂高程4.0 m。初始按非汛期高水位運行考慮，設置水深1.5 m，河道COD初始濃度40 mg/L，假定補水水源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等五種規模下的河道水動力條件以及水質恢復時間。共六種工況，見圖4、圖5。

圖4 不同泵站規模下河道流速分布

圖5 不同泵站規模下斷面流速變化

經模型計算可知，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模變化而變化，泵站規模越大，河道流速越大。當下游泵站規模在0 m3/s～2.0 m3/s之間時，泵站規模每增加0.5 m3/s，流速提升約1.4%。當泵站規模由2.0 m3/s提升至2.4 m3/s時，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47.32%。因此泵站規模選取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間對水動力提升更顯著，見表2。

表2 不同泵站規模下河道水質恢復時間

河道未修建下游泵站時，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；當下游修建泵站且流量小于0.5 m3/s時，對河道水質恢復時間沒有影響；當下游修建規模大于0.5 m3/s的泵站時，不同規模的泵站對河道水質恢復時間影響不一。其中泵站規模與泵閘流量相同都為2.4 m3/s時，對水質恢復時間影響最大，河道水質恢復時間減少2.8 小時，占總時長33.73%。當泵站規模在0.5 m3/s～1.5 m3/s之間時，泵站規模每增加0.5 m3/s，河道水質恢復時間減少0.3 h。當泵站規模在1.5 m3/s～2.4 m3/s之間時，泵站規模每增加0.5 m3/s，河道水質恢復時間減少約1.1 h。因此泵站規模選取在1.5 m3/s～2.4 m3/s之間對水質恢復時間的影響更顯著。

經過分析可知：以COD濃度恢復時間作為考慮條件時，泵站規模選取在1.5 m3/s～2.4 m3/s之間對水質恢復時間的影響更顯著；以水動力提升作為考慮條件時，泵站規模選取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間對水動力提升更顯著。因此，兩者取交集，泵站選取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間對兩者影響顯著。建議泵站規模設定在2.0 m3/s～2.4 m3/s之間。

3.2 建設方案

通過模擬分析為改善光明港二支河的水動力條件，在光明港二支河除按設計標高進行河道清淤疏浚外還設置的水動力設施有：

上游設置規模為2.4 m3/s一體化泵閘，該設施是泵閘一體結構，在反轉閘門上設置軸流泵，有效利用空間。實現從光明港一支河補水進入光明港二支河。

下游鰲峰路處設置液壓鋼板壩，壩頂高程4.0 m，可實現控制光明港二支河水位以及擋外江潮水功能。

下游設置規模為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。

優化方案經過福州市建設局審查通過后，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施，2018 年6 月液壓鋼板壩和泵站投入使用。

3.3 運營調度

為高效節能地利用水動力設施，改善河道水動力條件。針對光明港二支河，采用潮汐換水+機械推流調度方案。初步設定3 個初始工況，后期根據運行經驗逐步積累數據，通過智慧化調度系統進一步優化調度體系。

非汛期工況1：光明港水位低于3.1 m，上游一體化泵閘運行，下游鋼板調整至壩頂高程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，上游一體化泵閘運行，下游鋼板調整至壩頂高程4.0 m，下游排水泵站開啟，河道下游通過泵站排水至光明港；

汛期工況：根據市聯排聯動中心預警系統通知，根據汛期應急相應要求，關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，下游泵站關閉。

4 優化成效分析

4.1 治理前后水質對比

通過持續的水質檢測數據分析，光明港二支河。在2018年6 月前河道水質指標Do和ORP均較差屬于黑臭河道，在2018年6 月后水質檢測指標中Do和ORP均符合河道考核優秀目標要求，且越往后期水質目標越穩定向好，見圖6、圖7。

圖6 光明港二支河水質檢測分析表（Do）

圖7 光明港二支河水質檢測分析表（ORP）

4.2 治理前后水動力對比

項目實施前通過流速儀檢測時無法讀數，肉眼難以看見水體流動，水流速度小于0.02 m/s。

項目建設后上游泵閘以及下游泵站運行時，通過JZYLS300-A-直讀式流速流量測算儀現場檢測河道水流速度，上游河道流速為0.21 m/s，下游河道流速為0.16 m/s。水流速度達到預期目標。

5 結語

通過水動力優化，光明港二支河項目治理具有顯著的成效，水質從治理前的黑臭水體改善為接近Ⅴ類水標準，水體流動性由原來的近乎靜止到流速在0.15 m/s～0.2 m/s。水動力的提升，讓水體的自凈能力得以恢復，換水周期得到提升。通過水動力的優化解決了河網水量分配不足、水流不暢等問題，提高了水環境容量，改善了水環境質量。在模擬計算時，由于實際邊界較復雜，在模擬計算時部分邊界條件進行了模糊處理，致使模擬結果和實際運行存在一定的偏差，未來應從多方面去完善邊界條件，更精準地進行模型演算，為項目決策提供更優質的理論支撐。

水環境治理是一個復雜綜合的問題，難以通過單一的水動力提升而得到根本性解決。應從污染源控制，生態修復，水動力提升以及高品質的運營等多方面去努力，從而改善水環境質量，改善人居環境。