昌北水环境综合治理工程措施效果评估与分析

纵 霄，刘松平，张 亚，娄晓波，喻虎圻

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

1 流域概况

昌北水系主要由乌沙河水系构成。乌沙河发源于梅岭山脉的洗脚坞，主流为铜源港水，流经幸福水库、招贤、长堎、瀛上，至鱼目山汇入赣江。乌沙河流域面积263.3 km2，主河道长度约40 km，主河道纵比降0.446%，流域平均高程135 m。乌沙河主要由中堡水、前湖水、龙潭水、青岚水等支流汇合而成，主流及支流中、下游河段均地处昌北主城区。乌沙河上游有幸福水库，中堡水上游有乌井水库。

幸福水库控制流域面积30.2 km2，水库总库容2 069万m3，正常蓄水位55.0 m(相应库容1 555万m3)，死水位42.06 m，死库容21.6万m3，调节库容1 533万m3，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、水产养殖等综合效益的中型水库。乌井水库控制流域面积9.5 km2，现为湾里区城镇供水水源水库，水库总库容494万m3，正常蓄水位190.0 m，相应库容420万m3，调节库容396万m3，属多年调节水库。

前湖水汇水范围以南昌大桥西引道与昌樟高速路为界，东临赣江，南达生米大桥，西至前湖水分水岭，区域总汇水面积为61.8 km2。前湖水左邻乌沙河，右傍赣江。前湖水上游源头称青山水，发源于龙岗村昌铜高速附近，河流大体自西向东流经十一房、青山、望城等地，与两岸沿线支流交汇后，可经岭口汇入赣江或经老街闸汇入乌沙河，两出口均属机会性排水。

图1 昌北水系

前湖水主要由青山水和幸福水库坝下的西干渠来水组成，青山水于望城工业园创业北路附近与西干渠交汇，交汇后又分为物华渠、华南渠、永强渠等景观明渠沿公路最终汇入前湖。另有云溪水发源于陆军学院与云溪小区之间高地，流域面积7.5 km2，于嘉言路与学府大道交汇处汇入前湖。以前湖水库大坝为界，前湖区域可分为坝上、坝下两部分。坝下区域面积为14.7 km2，区内地势低洼，地面高程一般为17.0～18.0 m；坝上集雨面积为47.1 km2，主要为低丘岗地，来水均汇入前湖水库。前湖电排站排水主要将前湖坝下区域面积汇水与大坝下泄流量排至赣江。

前湖水库坝下有红角洲景观渠，位于红谷滩中心城区赣江南大道、岭口路、清远路、前湖大道之间。前湖下泄水量经学府大道向右流入红角洲景观渠，渠系横纵交叉，沿红谷南大道与前湖电排站前池相连，总面积约1.1 km2，设计景观水位17.5 m，渠系内水体流动性差。水系示意如图1所示。

2 现状调查与评价

2.1 现状调查与评价

近年来，随着城市迅猛发展，配套实施建设相对滞后，导致区域出现一系列的水安全、水环境问题。中心城区现状综合排涝能力仅在5～20 a之间，易涝点有104个，内涝风险面积达到0.942 km2。

根据南昌市环保局提供的2015年～2017年部分水质监测数据，以及2017年4月、7月两期现场水质监测数据，采用标准指数法进行评价，结果显示昌北片区河湖现状水质多为V类或劣V类，其中前湖水系和乌沙河中下游段及支流污染严重，NH3-N、TN和TP超标倍数较高。前湖入湖口COD、NH3-N、TN和TP分别超标2.3、8.47、9.0倍和3.57倍，乌沙河下游6个监测断面NH3-N超标5.93～10.4倍、TN超标6.24～11.6倍、TP超标2.57～5.7倍。

区域污染源主要来自生活散排、城镇面源污染和污水处理厂尾水，三项合计COD、NH3-N、TN和TP量分别占区域污染负荷的82%、58%、73%和72%。由于多年来的长期污染，河床底部沉积了大量的垃圾、淤泥等污染物，造成内源污染。另外，区域存在污水管未接入污水管道、污水管网损坏、合流制溢流污染、雨污管道混接、施工废水直排等问题，在前湖水系发现23处排口、7处垃圾堆，在乌沙河上游发现11处排口。污水处理厂处理率较低，排放标准均为一级B，排放标准较低。项目区内3座污水处理厂红谷滩污水处理厂(20万m3/d)、九龙湖污水处理厂(3万m3/d)和湾里污水处理厂(1.5万m3/d)2016年污水处理量占其规模分别为61.4%、47.3%和67.9%。流域内可用活水量不足，乌沙河流域干支流上游已建有幸福水库、乌井水库、双岭水库、青岚水库，主要承担区域内的灌溉及供水任务，枯水期河道水量不能维持河道自身健康运行要求，河道水生态系统将遭到破坏。

2.2 污染负荷统计

污染负荷基础数据依据《南昌市年鉴》(2016年)、《南昌市环境质量概要》、排污口统计以及污水处理厂运行数据资料，按行政区划分对基础数据进行统计分析，见表1。昌北片区现状污染负荷总量COD、NH3-N、TN和TP分别为14 231.3、1 054.2、2 226.5 t/a和242.7 t/a。

表1 各污染类型贡献值 t/a

3 综合治理措施

以习总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水新思路为指导，通过现场监测、资料分析，系统梳理水资源、水安全、水环境等方面存在的问题，提出“流域统筹、系统规划、多措并举、标本兼治”的治理思路，通过流域水环境外源治理、内源治理、水力调控、生态修复、水景观、智慧水务等综合整治措施的实施，构建健康河湖生态系统，使水体水质达到水功能区划目标。

3.1 外源治理

根据目前城市排水管网规划及建设现状，外源治理工程主要任务是：①改建或新建前湖水系和乌沙河上游区域排水管，实现雨、污分流制；本次设计范围工程内容为河道两岸污水干管和截流干管，城区内市政雨污水管网不纳入本次设计范围。②对河道两侧的现有排水口进行截流设计，对合流制污水和错接入雨水管道的污水、初期雨水以及分流制的初期雨水进行截流。

通过雨污分流、河道两侧截流管网工程和调蓄处理工程措施改善水环境质量。

前湖水系新建DN400～1400污水管19.75 km，新建DN600～1800截流管20.62 km；乌沙河上游水系新建DN400～1400污水管29.42 km，新建DN600～2000 截流管12.70 km；新建3座初雨调蓄处理站和1座调蓄塘，规模共计11.5万m3。

3.2 内源治理

为消除底泥中的污染物质释放到上覆水体，造成二次污染，根据治理范围内的底泥检测结果，需对乌沙河和前湖水系进行底泥环保清淤，清淤河段总长约32.3 km。乌沙河水系底泥清淤量为9.0万m3，前湖水系清淤量为26.6万m3。

3.3 水力调控工程

通过河道水质数学模型分析计算，为保障昌北各治理河湖主要水质指标达到Ⅳ类水质标准，需向前湖水系和乌沙河上游段、龙潭水、麦庐支渠及青岚水等河湖进行补水，补水流量为3 m3/s。

本次补水工程采用两级补水泵站的布置形式。对前湖水系和乌沙河上游段、龙潭水、麦庐支渠及青岚水进行补水活化。一级补水泵站设计流量3 m3/s，二级补水泵站设计流量4.5 m3/s。一级输水管道干管长度4 032 m，管径2×DN1200；支管长度1 617 m，管径DN600；二级输水管道长度8 192 m，管径2×DN1600。输水管道均采用K9级球墨铸铁管。

3.4 生态修复工程

本次工程构建清水型湖泊水生态系统、河流型生态系统，对污水处理厂尾水深度净化，采取多介质滤床、浮动湿地、拦截吸附网膜、微生物附着基、雨水口净化系统、基底改良工程，修建生态渗滤坝，布设曝气增氧设备、PGPR生态修复设备等相关措施以恢复或修复生物栖息地。通过上述措施，增强水体的自净能力，逐步减轻水体污染，提升水体的环境容量，稳定维持水质净化效果。

3.5 水景观工程

项目针对乌沙河水系(幸福水库至翡翠山庄段)、前湖水系(留山滨水公园)进行景观设计。景观设计结合国家政策背景、上位规划、现状情况、自然历史人文资源、相关基础资料等进行规划。在景观设计中融入南昌的地域文脉，提升滨河景观的文化内涵。深入挖掘沿岸文化印记场所，融入南昌的典型精神文化元素，串联起从古至今的城市文脉，充分丰富市民的滨河文化体验，为滨水景观注入文化内涵。

3.6 智慧水务

本次设计在乌沙河上游段和前湖流域分别建立水文遥测站网布设、水质站网布设和管网布设。本工程水文自动监测系统共布置中心站1座、遥测水位雨量站1座、遥测水位站6座，结合已有测站4座，本工程水文自动测报系统规模为1∶10。初拟在本工程范围内布设7座遥测水质监测站。管网监测站点初步拟定为污水监测需布设在湾里调蓄处理站进出口、留山调蓄处理站进出口、九龙湖调蓄处理站进出口、云溪水人工湿地进出口，共8处；初雨监测需在本次治理范围乌沙河、中堡水布设15套，前湖水系布设35套。

3.7 污染负荷削减分析

污染负荷削减剩余量=污染负荷入河量-工程措施削减量。本工程通过截污干管、生态修复、雨水调蓄工程针对污染负荷削减量进行削减，在各工程措施实施后污染物削减情况分析见表2。

(1)根据“水十条”要求，南昌市生活污水需要基本实现全收集、全处理。在实施完成截污干管建设且根据南昌市政府要求将周边污水支管改造并接入主管网后，本次河道两岸干管的建设结合小区污水管网的建设，实现生活污水收集处理率将从现状的75%提高到95%。

(2)初期雨水在工程实施后削减50%的城镇地表径流污染负荷。

(3)畜禽养殖进行规模化养殖，污水收集后达标排放。

(4)通过内源治理、PGPR原位修复、湿地削减河道生态措施等进行生态修复。

表2 工程措施后污染负荷削减量 t/a

4 水环境综合模型效果评估分析

4.1 模型简介

本次选用MIKE11软件。MIKE11一维河道、河网综合模拟软件，主要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟，在防汛洪水预报、水资源水量水质管理、水利工程规划设计论证均可得到广泛应用。MIKE11包含如下基本模块：水动力学模块(HD)、降雨径流模块(RR)、对流扩散模块(AD)、水质模块(WQ)、泥沙输运模块(ST)。

4.2 模型构建

模型建立与分析过程包括以下5个步骤：

(1)子计算单元划分。根据昌北水系河道地形资料，对地形进行数字化处理，建立乌沙河、青岚水等共18条河流组成的昌北水系水动力-水质模型。

(2)初始条件。根据实测水动力、水质资料设定模型的初始条件，包括河道初始水位、初始水质浓度等。

(3)边界条件。根据实测水动力、水质资料设定模型的边界条件，包括上游边界流量序列、上游水质浓度时间序列、下游水位时间序列等。

(4)模型参数率定与验证。建立昌北水系水动力-水质数学模型并对2015年主要水质指标进行模拟，选取2015年前湖入口、出口处的水质实测数据与模拟值进行比较，对糙率及主要污染物衰减系数等进行率定，验证模型可靠性，使模型精度达到模拟要求。

(5)数值模拟。根据昌北水系具体运行情况，结合工程措施实施进度等，利用验证过的水动力-水质模型对昌北水系工程措施后的方案进行数值模拟。

(6)结果演示及分析。利用后处理程序处理模型计算得到的水动力和水质模拟结果，通过图、表等形式分析工程措施后的效果。

模型水文划分20个水文响应单元和386个实测断面，水文分区及河网文件见图2。

图2 水文响应单元划分

4.3 模型验证

图3 前湖入口处模拟值与实测结果对比(2017年)

图4 前湖出口处模拟值与实测结果对比图(2017年)

根据收集到的数据，选择2017年作为模型的率定水平年，前湖入口、出口处的水质模拟结果与实测结果对比如图3、4所示，前湖入口、出口处两统计指标计算结果见表3。由于流域内的雨量站资料有限，而且缺少水文、流量资料，从而影响到污染负荷、河道水质的模拟，另外，各类污染源实际排放过程的不确定性也会造成结果和实测值之间的偏差，总体来说，模拟结果能够基本反映河道断面的水质变化趋势。污染物进入河流在输移过程中通过物理、化学及生物的作用发生浓度衰减，其衰减系数反映了污染物在水体作用下降解速度的快慢。通过模型的率定并结合以往工程项目经验，研究区域COD、氨氮和TP的衰减系数分别为0.05/d、0.04/d和0.01/d。

表3 前湖入口、出口处统计指标计算结果

4.4 计算结果效果分析

考虑工程措施后，在枯水年90%来水保证率下，根据《南昌市水生态实施方案》要求，控制断面水质达标率在89%以上。选取氨氮模拟情况为例进行分析，NH3-N水质动态变化见图5。

图5 NH3-N水质变化动态示意

利用水动力-水质模型，对工程措施实施后现状90%降雨保证率条件下的昌北水系进行水质模拟，各断面主要指标(COD、NH3-N、TP)达标率列于表4。

表4 工程措施实施后现状90%降雨保证率条件下各控制断面主要指标达标率 %

由表4可以看出，考虑工程措施后，在3.0 m3/s的补水条件下，各控制断面的水质主要指标达标率达到89%以上，符合《江西省生态文明先行示范区实施方案》对河流水功能区划水质的要求。

5 结 语

本文在充分调查分析南昌市昌北地区现状水资源、水环境、水安全及水生态存在主要问题的基础上，合理制定近远期水环境治理目标。在对污染物入河量分析计算的基础上，从外源治理、内源治理、生态修复、水力调控、水景观、智慧水务等方面合理布置工程措施，并采用MIKE11软件对工程治理前后的效果进行评估分析。结果显示，通过引入先进的水生态环境治理理念，采取多目标综合治理措施，能够实现提出的近远期水质目标。通过治水，突显南昌市城市建设新面貌、形成城市竞争新优势、打造城市治水新标杆，实现南昌市打造“鄱湖明珠·中国水都”的愿景。