基于水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性分析的城市內(nèi)河生態(tài)補(bǔ)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(chǎn)業(yè)投資有限公司，湖北武漢 430100)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，人類活動(dòng)對水環(huán)境的影響急劇增強(qiáng)，我國城市水環(huán)境污染日益嚴(yán)重，水質(zhì)問題尤為突出，黑臭現(xiàn)象普遍存在[1-3]。引水沖污可以有效改善城市內(nèi)河水質(zhì)，通過生態(tài)補(bǔ)水，可增強(qiáng)水體水動(dòng)力，提高水體流動(dòng)性，增加水體環(huán)境容量，提升其景觀功能[4-6]。目前，針對水環(huán)境治理效果評價(jià)研究，以及城市內(nèi)河水系水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制和黑臭水體治理的生態(tài)補(bǔ)水工程技術(shù)研究較多，如韓亞萍等[7]采用灰水足跡理論與MIKE21水質(zhì)模型，對城市內(nèi)湖水環(huán)境治理效果進(jìn)行綜合評價(jià)；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(zhì)達(dá)標(biāo)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(tài)補(bǔ)水方案效果進(jìn)行研究；史貴君等[10]以深圳市寶安區(qū)鐵排河為研究對象，探索城市高度建成區(qū)河道生態(tài)補(bǔ)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(tài)補(bǔ)水方案。然而，針對河道不同調(diào)度方案條件下水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)的生態(tài)補(bǔ)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(gòu)建一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬主要水質(zhì)指標(biāo)化學(xué)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(biāo))的變化趨勢，進(jìn)行水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性分析，研究旱天和雨天不同運(yùn)行工況條件下的補(bǔ)水方案，以期為城市內(nèi)河水環(huán)境綜合治理提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域概況

黃孝河位于武漢市江岸區(qū)，明渠段起于京廣鐵路以北100 m處，止于末端張公堤南側(cè)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(qū)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(shè)渠入?yún)R，下游經(jīng)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(nèi)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(qū)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(tǒng)，承接漢口舊城武勝路、單洞門、臺(tái)北路、三眼橋、花橋、解放公園等片區(qū)以及后湖新城、六合溝河堤角北片地區(qū)雨水匯入，后經(jīng)后湖泵站抽排或經(jīng)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(jìn)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(dǎo)致水體發(fā)臭、發(fā)黑，內(nèi)源污染嚴(yán)重。同時(shí)，旱天污水截留不徹底、明渠生態(tài)基流不足，雨天合流制污水溢流污染嚴(yán)重，以致其常年處于黑臭狀態(tài)。

為解決黃孝河水體黑臭問題，武漢市黃孝河、機(jī)場河水環(huán)境綜合治理一期工程已完成后湖片區(qū)和塔子湖片區(qū)截污及黃孝河明渠清淤工程;二期工程建設(shè)任務(wù)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(diào)蓄及處理設(shè)施)、生態(tài)補(bǔ)水、水生態(tài)修復(fù)、綠色景觀構(gòu)建等工程措施。工程實(shí)施后將大大提高黃孝河明渠水環(huán)境質(zhì)量，水質(zhì)指標(biāo)(pH、DO、CODCr、氨氮、TP、BOD5、SS、TN、類大腸桿菌群)達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，力爭主要水質(zhì)指標(biāo)(pH、DO、CODCr、氨氮、TP)達(dá)到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)。

2 數(shù)學(xué)模型

MIKE是由丹麥水利研究院(DHI)開發(fā)的系列軟件，包括MIKE11、MIKE21、MIKE3、MIKE FLOOD、MIKE URBAN等系列。其中，MIKE11主要應(yīng)用于河口、河道、河網(wǎng)水流、水質(zhì)、泥沙輸移等一維水動(dòng)力水質(zhì)模擬，具有功能全面、界面友好、穩(wěn)定性高、適用性廣及計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，成功應(yīng)用于國內(nèi)外眾多水環(huán)境治理、水系規(guī)劃、流域防洪和海綿城市建設(shè)項(xiàng)目。因此，本文采用MIKE11構(gòu)建黃孝河明渠一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，對水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)進(jìn)行模擬分析。

2.1 模型原理

本文應(yīng)用MIKE11水動(dòng)力模塊、對流擴(kuò)散模塊進(jìn)行水環(huán)境數(shù)值模擬分析。

(1)水動(dòng)力學(xué)方程

水動(dòng)力模塊利用Abott-Ionescu六點(diǎn)隱式差分格式求解圣維南方程組，求得河道控制節(jié)點(diǎn)水位、流量、流速等要素，為污染物對流擴(kuò)散模擬提供水動(dòng)力計(jì)算條件[12]，連續(xù)性方程如式(1)，動(dòng)量方程如式(2)。

(1)

(2)

其中：x——距離，m；

t——時(shí)間，s；

A——過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

h—水位，m；

Q——流量，m3/s；

q——旁側(cè)入流，m3/s；

g——重力加速度，m/s2；

C——謝才系數(shù)，m1/2/s；

R——水力半徑，m。

(2)對流擴(kuò)散方程

對流擴(kuò)散模塊根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算基礎(chǔ)，對污染物擴(kuò)散傳輸進(jìn)行模擬，方程如式(3)。

(3)

其中：m——污染物質(zhì)量濃度，mg/L；

D——擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

K——降解系數(shù)，h-1；

m2——源/匯項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度，mg/L。

2.2 模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)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(nèi)澇問題，將明渠斷面由30 m拓寬至60～80 m，黃孝河明渠擴(kuò)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(jì)斷面41個(gè)。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(shè)渠，為增加河道過流斷面和調(diào)蓄能力，建設(shè)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(diǎn)源入?yún)R。

經(jīng)實(shí)地調(diào)研分析，黃孝河明渠沿線雨污混合排口共10余個(gè)，其中，污水排口3個(gè)，雨污混合排口4個(gè)，雨水排口3個(gè)，具體分布情況如圖2所示。考慮排口分布位置，采取中點(diǎn)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(diǎn)斷面處(圖3)。

2.2.2 初始及邊界條件設(shè)置

根據(jù)旱天和雨天不同運(yùn)行工況，對黃孝河明渠、排口及塔子湖明渠進(jìn)行水質(zhì)采樣檢測分析。

(1)旱天工況

根據(jù)調(diào)度機(jī)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(tài)補(bǔ)水，補(bǔ)水地點(diǎn)為明渠起端。鐵路橋地下污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬t/d(約為1.157 m3/s)，出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，主要指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中地表水環(huán)境質(zhì)量IV類標(biāo)準(zhǔn)。具體出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

根據(jù)實(shí)測旱天水質(zhì)數(shù)據(jù)，污水排口和雨污混合排口共7個(gè)，排口排污量共計(jì)2.5萬t/d(約合為0.289 m3/s)，排口污染物濃度按照中點(diǎn)概化法進(jìn)行計(jì)算[13]。塔子湖明渠匯流量為0.212 m3/s，主要水質(zhì)指標(biāo)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(zhì)Tab.1 Effluent Quality of Underground WWTP of Railway Bridge

表2 旱天水質(zhì)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Water Quality in Dry Season

(2)雨天工況

根據(jù)調(diào)度機(jī)制，小到中雨工況條件下，開啟CSOs調(diào)蓄和強(qiáng)化處理設(shè)施處理暗涵過量來水，確保污水不進(jìn)明渠；大到暴雨工況條件下，初期合流制污水進(jìn)入鐵路橋地下污水處理廠及CSOs調(diào)蓄設(shè)施處理，超量來水進(jìn)入明渠。根據(jù)實(shí)測雨天水質(zhì)數(shù)據(jù)，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(zhì)指標(biāo)濃度如表3所示。

表3 雨天水質(zhì)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of Water Quality in Rainy Days

根據(jù)旱天生態(tài)補(bǔ)水方案模擬計(jì)算，CODCr、氨氮和TP可達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，將旱天CODCr、氨氮和TP水質(zhì)達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)作為大到暴雨工況模型計(jì)算的初始條件，同時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果作為雨后生態(tài)補(bǔ)水方案模擬初始濃度(表3)。

2.2.3 參數(shù)設(shè)置

MIKE11一維水動(dòng)力水質(zhì)模型主要參數(shù)包括河床糙率、污染物橫向擴(kuò)散系數(shù)以及各種污染物的源項(xiàng)和降解系數(shù)。本次模型參數(shù)選取參考《武漢市黃孝河、機(jī)場河水環(huán)境綜合治理規(guī)劃及系統(tǒng)化方案設(shè)計(jì)》中黃孝河明渠水質(zhì)模型計(jì)算參數(shù)，能夠反映該河段水文水質(zhì)狀態(tài)特征，故而不對模型參數(shù)進(jìn)行率定與驗(yàn)證。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研過程中拍攝照片獲取的河道、河岸植被情況，參考水力學(xué)手冊及其他項(xiàng)目該河段，經(jīng)率定和驗(yàn)證的水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，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(kuò)散系數(shù)由紊流模型中得到，擴(kuò)散系數(shù)取值為5 m2/s。污染物種類不同，其降解系數(shù)亦不相同，參考中小河流CODCr和氨氮降解系數(shù)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(shù)。根據(jù)國內(nèi)對于TP降解系數(shù)已有研究成果[15-16]，類比同區(qū)域其他河流TP降解系數(shù)，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(shù)取值Tab.4 Degradation Coefficient Values under Different Simulated Conditions

3 生態(tài)補(bǔ)水方案模擬分析

3.1 補(bǔ)水方案

根據(jù)調(diào)度機(jī)制，旱天時(shí)，黃孝河流域生活污水經(jīng)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(shí)，開啟CSOs調(diào)蓄和強(qiáng)化處理設(shè)施處理暗涵過量來水，確保污水不進(jìn)明渠;大到暴雨，即降雨量超過24.4 mm/65 min時(shí)，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(tài)補(bǔ)水方案和大到暴雨CSOs工況條件下的生態(tài)補(bǔ)水方案分析。

根據(jù)生態(tài)補(bǔ)水方案模擬計(jì)算，考慮有污水排口的情況、旱天最大補(bǔ)水量(10萬t/d)方案條件下，氨氮和TP未能達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，補(bǔ)水方案設(shè)計(jì)中除旱天補(bǔ)水量為10萬t/d工況外，其他補(bǔ)水方案均不考慮有排口工況。

3.1.1 旱天補(bǔ)水方案

根據(jù)調(diào)度機(jī)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(tài)補(bǔ)水。最大補(bǔ)水量方案條件下，考慮有無排口工況進(jìn)行水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性分析，并設(shè)置不同生態(tài)補(bǔ)水量方案(表5)，進(jìn)行水質(zhì)改善效果分析，補(bǔ)水方式為持續(xù)補(bǔ)水，補(bǔ)水周期為5 d。

3.1.2 雨天補(bǔ)水方案

根據(jù)調(diào)度機(jī)制，大到暴雨工況條件下，合流制污水進(jìn)入明渠，將對其水質(zhì)產(chǎn)生影響。設(shè)置雨后不同生態(tài)補(bǔ)水方案，并考慮不同補(bǔ)水方式對水質(zhì)改善的效果(表6)，探索不同補(bǔ)水方式對水質(zhì)改善的效果。補(bǔ)水量為鐵路橋地下污水處理廠出水10萬t/d，模擬計(jì)算周期為7 d，補(bǔ)水方式分為持續(xù)補(bǔ)水和間歇補(bǔ)水，持續(xù)補(bǔ)水即24 h不間斷補(bǔ)水。由于污水處理廠正式投入使用后為全天候不停歇運(yùn)行，無法通過間歇補(bǔ)水方式進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，但考慮到污水處理廠進(jìn)水分配主要集中于特定時(shí)間段，因此，可將其出水近似看作為間歇補(bǔ)水，補(bǔ)水時(shí)長考慮16、18、20、22 h這4種方案，每天6點(diǎn)開始補(bǔ)水。

表5 黃孝河明渠旱天生態(tài)補(bǔ)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(tài)補(bǔ)水方案Tab.6 Ecological Water Supplement Schemes for Open Channel of Huangxiao River in Rainy Days

3.2 生態(tài)補(bǔ)水效果分析

根據(jù)旱天和雨天不同運(yùn)行工況，從水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)、主要污染物濃度削減量及削減速率等角度對生態(tài)補(bǔ)水效果進(jìn)行分析。

3.2.1 旱天生態(tài)補(bǔ)水效果分析

(1)有排口工況

旱天生態(tài)補(bǔ)水量為10萬t/d且考慮有排口排污工況條件，經(jīng)過一段時(shí)間持續(xù)補(bǔ)水，黃孝河明渠沿程各斷面水質(zhì)情況如圖4所示，CODCr及排口上游斷面氨氮和TP可達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，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(tài)補(bǔ)水方案黃孝河明渠水質(zhì)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(jù)生態(tài)補(bǔ)水方案模擬，在無排口工況、不同補(bǔ)水量情況下，黃孝河明渠沿程各斷面水質(zhì)情況及滿足水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)所需的補(bǔ)水時(shí)長如圖5所示。

由圖5可知，經(jīng)生態(tài)補(bǔ)水，除方案5(補(bǔ)水量為5萬t/d)，TP濃度處于劣V類水平之外，其他補(bǔ)水方案，CODCr、氨氮和TP均可達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對比滿足水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)的補(bǔ)水方案2～4，隨著補(bǔ)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?yún)R口下游斷面先快速降低，后降低速率有所減緩。

從水質(zhì)改善情況分析，持續(xù)補(bǔ)水方式條件下，補(bǔ)水量越大，水質(zhì)改善情況越好，滿足水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)所需的補(bǔ)水時(shí)長越短，如補(bǔ)水量為10萬t/d時(shí)，CODCr、氨氮和TP滿足水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)所需的補(bǔ)水時(shí)長最短，分別為23、42 h和38 h，且滿足水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)的濃度最低、水質(zhì)改善情況最好的目標(biāo)。

圖5 無排口工況下旱天生態(tài)補(bǔ)水方案黃孝河明渠水質(zhì)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(bǔ)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(bǔ)水周期內(nèi)的水質(zhì)變化情況(圖6)。由圖6可知，上游補(bǔ)水口附近斷面水質(zhì)改善效果最好，改善速率最快，CODCr、氨氮和TP均可達(dá)到地表水IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；中游斷面前有塔子湖明渠入?yún)R，水質(zhì)改善速率有所減弱，改善效果相對較差，僅CODCr可達(dá)到地表水IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮和TP均只達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；下游斷面水質(zhì)改善速率最慢，但改善效果相對較好，CODCr和氨氮可達(dá)到地表水IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TP可達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 雨天生態(tài)補(bǔ)水效果分析

(1)水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)分析

對大到暴雨工況條件下，合流制污水對明渠產(chǎn)生污染后，通過生態(tài)補(bǔ)水措施實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)進(jìn)行分析。對比雨天生態(tài)補(bǔ)水方案1～5，黃孝河明渠沿程各斷面水質(zhì)情況及滿足水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)所需補(bǔ)水時(shí)長如圖7所示。

由圖7可知，不同生態(tài)補(bǔ)水方案均能實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)，即CODCr、氨氮和TP均可達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。與持續(xù)補(bǔ)水方案1相比，間歇補(bǔ)水方案2～5控制斷面污染物濃度削減率更高，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)所需補(bǔ)水時(shí)長更短，因此，水質(zhì)改善效果也更好。

綜合考慮CODCr、氨氮和TP達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需補(bǔ)水時(shí)長，間歇補(bǔ)水方案2(每天持續(xù)補(bǔ)水16 h)所需補(bǔ)水時(shí)長最短，僅需33 h；持續(xù)補(bǔ)水方案1所需補(bǔ)水時(shí)長最長，需36 h。

(2)污染物濃度削減效果分析

以水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)所需最長補(bǔ)水時(shí)長36 h為補(bǔ)水周期，對比分析各生態(tài)補(bǔ)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(xù)補(bǔ)水方案1相比，間歇補(bǔ)水方案2～5污染物濃度削減率更高，且每天持續(xù)補(bǔ)水時(shí)長越短，補(bǔ)水流量越大，污染物濃度削減率越高，削減速率越快，水質(zhì)改善效果越好。

根據(jù)雨天生態(tài)補(bǔ)水方案模擬計(jì)算結(jié)果，選取明渠斷面0+500、2+000和4+500，分析其主要水質(zhì)指標(biāo)CODCr、氨氮和TP達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的削減率(表7)。由表7可知，上游補(bǔ)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(zhì)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(tài)補(bǔ)水方案黃孝河明渠水質(zhì)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(bǔ)水周期黃孝河明渠水質(zhì)情況Fig.8 Water Quality of Open Channel of Huangxiao River in 36 h Water Supplement Period

表7 雨天生態(tài)補(bǔ)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(zhì)改善效果最佳，黃孝河明渠沿程各斷面水質(zhì)情況如圖9所示。

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

4 結(jié)論

高密度建成區(qū)城市內(nèi)河大多為雨源型河流，受季節(jié)性降雨影響，枯水期河道生態(tài)基流不足、水環(huán)境容量小、水體自凈能力低、水質(zhì)污染情況嚴(yán)重[17-19]。以黃孝河明渠為例，采用污水處理廠尾水作為生態(tài)補(bǔ)水水源，結(jié)合地下污水處理廠、調(diào)蓄池等工程措施，運(yùn)用MIKE11構(gòu)建一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，進(jìn)行不同調(diào)度方案條件下水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)的生態(tài)補(bǔ)水方案研究，主要水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)為CODCr、氨氮和TP，結(jié)論如下。

(1)通過旱天生態(tài)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)，建議采取關(guān)閉明渠沿程污水排口、敷設(shè)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(bǔ)水量方案進(jìn)行模擬計(jì)算分析，持續(xù)補(bǔ)水條件下補(bǔ)水量不少于6萬t/d時(shí)，可通過生態(tài)補(bǔ)水的方式實(shí)現(xiàn)明渠水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)，且補(bǔ)水量越大，污染物濃度削減率越高，水質(zhì)改善效果越好。

(3)根據(jù)污水處理廠進(jìn)出水規(guī)律，雨天生態(tài)補(bǔ)水方案考慮持續(xù)補(bǔ)水和間歇補(bǔ)水2種補(bǔ)水方式。通過模型計(jì)算，不同補(bǔ)水方式均可實(shí)現(xiàn)雨后水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)，相較持續(xù)補(bǔ)水，間歇補(bǔ)水方案CODCr、氨氮和TP達(dá)到地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需補(bǔ)水時(shí)長較短，水質(zhì)改善效果較好。在間歇補(bǔ)水方案中，每天持續(xù)補(bǔ)水時(shí)長越短，補(bǔ)水流量越大，污染物濃度削減率越高，削減速率越快，水質(zhì)改善效果越好。

本文基于水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)，提出黃孝河明渠生態(tài)補(bǔ)水方案，為雨源型河流生態(tài)補(bǔ)水提供了理論依據(jù)和科學(xué)借鑒，為高密度建成區(qū)城市內(nèi)河黑臭水體治理提供系統(tǒng)解決方案。