城市内湖水环境综合治理效果评价研究

韩亚萍，郭亚男

(河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016)

0 引 言

生态环境是人类生存和发展的根基，生态环境变化直接影响文明兴衰演替。城市水生态环境破坏问题日益凸显，严重制约着我国经济社会的可持续发展。针对我国城市广泛的水环境污染问题，各地区大力开展水环境综合治理，着力解决突出的水环境问题，努力实现水清绿岸、鱼翔浅底的美好愿景。本文以桃花坞水库为例，利用灰水足迹理论对现状的水污染程度进行评价，并结合桃花坞水库污染源分析采取水环境综合治理，通过灰水足迹理论与Mike 21水质模型的联合运用对其治理效果进行综合评价。

灰水足迹理论从水量的角度来评价水污染的程度，为定量评价水污染程度提供了新的思路[1]。但是，灰水足迹理论是基于污染物总量核算，缺少对水动力扩散、水体自净能力的考虑[2]。而水质模型与水动力模型耦合后可以反映出水质的演变过程，将水质模型与灰水足迹理论相结合运用，能够弥补灰水足迹未能考虑水动力扩散这一不足之处，可全面综合地评价区域的水环境状况。

1 区域概况

桃花坞水库位于河南省信阳市固始县城，史河支流郑小河、小史河上，是一座以防洪、城市工业用水为主，结合水产养殖、休闲旅游等综合利用的小(Ⅰ)型水库。郑小河发源于根亲文化园南入口的一处坑塘，向北作为根亲文化园的主要水系横穿文化园，最终汇入桃花坞水库。桃花坞水库上游为郑小河，下游为小史河，承接梅山灌区南干渠下游退水作为调节水源。桃花坞水库控制流域面积为5.82 km2，50年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水校核，校核库容178×104m3。

桃花坞水库和上游郑小河位于老城区，污水管网不健全，沿河居民产生的生活污水直排入河，河道淤积严重。桃花坞水库沿岸口径较大的污水排放口共有15处，沿库周边约2万居民，桃花坞水库上游与郑小河水系不连通，造成桃花坞水库缺乏清洁的补水水源。根据对桃花坞水库的抽样检测，桃花坞水库NH3-N、COD、BOD5此3项检测值均大于地表水环境Ⅴ类标准值，因此桃花坞水库水质属于劣Ⅴ类。

2 现状水污染程度评价

2.1 灰水足迹理论

灰水足迹的概念在2008年由Hoekstra和Chapagain提出，并将其定义为排放到水体的污染负荷除以最大容许浓度[3-4]。通过引入灰水足迹理论计算，从水量的角度评价水污染的程度，量化地分析区域水资源对水质的影响，利用灰水足迹可持续来评价区域水污染程度，可根据不同地区的水资源稀缺程度来量化分析同一污染物在不同区域水环境造成的污染影响。

灰水足迹的计算通常采用《水足迹评价手册》的方法直接核算[5]，采用将污染物稀释至水质标准所需水量进行表示，其计算公式如下:

(1)

式中：WFgrey为灰水足迹，m3/a；L为区域内污染物排放总量，kg/a；Cmax为水体达到某一环境标准所容许的污染物最大浓度，kg/m3；Cnat为受纳水体的自然本底浓度，kg/m3。

根据灰水足迹可持续评估的计算方法[5]，流域内水污染程度(WPL)是评价区域内灰水足迹可持续的指标，WPL等于一个流域的灰水足迹(max[WFgrey(P)])与流域径流量(Ract) 的比值。

(2)

流域水污染程度与流域内径流成反相关，Ract越小，相对的WPL就越大，说明流域内径流量越小，水污染程度越大，灰水足迹不可持续性的概率也越大。当WPL大于1，说明该流域内水体的纳污能力消耗殆尽，能容纳污染物的能力也基本消失，水体呈现污染且不可持续发展状态。

2.2 数据来源及计算结果

2.2.1 参数选取

桃花坞水库在城市区，汇入的污染物主要是以点源方式的直排生活污水，面源汇入的地表径流污染相对比点源来说含量较小，可忽略不计。因此，本次核算主要考虑点源污染，污染物类型为桃花坞水库抽样检测的超标因子COD和NH3-N。

污染物浓度参照当地污水处理厂进水浓度，COD和NH3-N浓度为271和25.6 mg/L，沿库周边约2万人的生活污水不经处理进入库区，参照《固始县城市排水防涝综合规划》，污水量为用水量的0.8，日变化系数取1.3。桃花坞水库需要达到地表水Ⅳ类标准，即Cmax(COD)为30 mg/L、Cmax(NH3-N)为1.5 mg/L。COD和NH3-N指标的自然本底值参照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的Ⅰ类标准浓度限值，Cnat(COD)为15 mg/L、Cnat(NH3-N)为0.015 mg/L。

Ract为桃花坞水库年均径流总量186.2×104m3，桃花坞水库及流域内无水文观测站，无实测流量资料。参照河南省水文水资源局2007年8月编绘的《河南省水资源》，查算流域内多年平均径流深320 mm左右，且年际变化剧烈，本文将多年平均径流量作为流域径流量。

2.2.2 计算结果

根据式(1)，WFgrey(COD)为970.34×104m3/a，WFgrey(NH3-N)为1 016.44×104m3/a，选取较大的污染物数值作为该区域的灰水足迹，故桃花坞水库的灰水足迹为1 016.44×104m3/a。根据式(2)，WPL为5.46，水污染程度大于1，说明该区域灰水足迹不可持续。

桃花坞水库有大量生活污水未经处理直接排入库区，因此造成桃花坞水库灰水足迹比较大；桃花坞水库上游与郑小河现状水系不连通，上游径流不能汇入该研究区域，流域内径流量不足，远小于区域承受的灰水足迹量，桃花坞水库水污染程度大于1，灰水足迹呈现不可持续性。

3 工程治理措施

根据灰水足迹计算结果，本方案采用“控源截污、内源治理、水系连通”的思路对该区域水环境进行治理，桃花坞水库水污染程度降低可以通过减小灰水足迹和增大径流量两个方式入手，即分别是控源截污削减污染物排放量和水系连通进行补源，同时为了减少内源污染物的释放，削减污染物，增加水体的自净能力，在该区域进行内源清淤。

3.1 控源截污工程

控源截污措施是为了防止外来的各种污染物直接或随雨水排入水体，是水环境整治最直接有效的工程措施，也是采取其他技术措施的前提[6]。控源截污措施主要是消除桃花坞水库的点源污染，根据现场调查，桃花坞水库周边无污水管道，两岸居民生活污水都是直排入库。对成功大道-桃花坞路之间水库沿库周围分别在东西向布置两个截污管道，东西两个管道系统各服务人口约1万人，污水管网分别沿桃花坞水库岸线东西两侧由南向北布置，最后与城市已有的污水干管连通，进入城市污水处理厂。

3.2 内源治理工程

底泥疏浚能够永久性去除富含污染物的底泥，从而在源头上有效控制内源污染物的释放，提升区域的自净能力[7]。为了快速降低桃花坞水库的内源污染负荷，需要对桃花坞水库进行清淤。基于MIKE 21 FM搭建二维水动力模型，结合地形资料，对库区进行合理概化。从桃花坞水库的流场分布图(图1)可以看出，桃花坞水库引水时，上中游的流速较大，流速为0.05～0.1 m/s，对库区底部淤泥冲刷作用相对较强，下游流速偏小且流态稳定，流速为0.005～0.05 m/s，对库区底部淤泥的扰动较小；同时库底淤积层相对稳定，污染物在不扰动情况下不易释放。根据引水时流场分布情况，治理工程桩号0+606(化肥厂家属院东南侧)以下库区水体流速小，底泥扰动轻微，底泥对水体水质影响小；且库底淤积层相对稳定，污染物在不扰动情况下不易释放，该区域可不进行清淤。因此，确定清淤范围为化肥厂家属院以上区域(图2)，清淤深度0.5～1.5 m，清淤面积约7.5×104m2，清淤量约9.8×104m3。

图1 桃花坞库区流场分布图

图2 桃花坞水库清淤范围图

3.3 水系连通工程

水系连通对河道水质改善作用明显，能够增加水动力条件，缩短水体水力停留时间，改善水系水质[8]。 本方案通过将梅山南干渠和郑小河连通，增加桃花坞水库的生态补水量，提高水体的流动性，增加水体的水环境容量，桃花坞水库生态需水量为317.2×104m3。在梅山灌区南干渠九支渠下游60 m处建引调水建筑物(此处上游20 m处建有节制闸，可以控制引调水不会沿渠道向渠道上游回水)，将鲇鱼山东干渠水源引调至梅山灌区南干渠，将引调水引至郑小河中并进入桃花坞水库。

4 治理效果评价分析

4.1 灰水足迹评价

根据灰水足迹计算方法及工程措施，工程实施后该部分污水被截留进入污水处理厂，出水经处理后达到一级A排放标准进入水体，即污染物入河浓度COD和NH3-N分别为50和5 mg/L；Cmax和Cnat参数不变；Ract为桃花坞水库连通后通过梅山南干渠可补给的水量317.2×104m3。

根据式(1)，WFgrey(COD)为179.69×104m3/a，WFgrey(NH3-N)为181.51×104m3/a，选取较大的污染物数值作为该区域的灰水足迹，故桃花坞水库的灰水足迹为181.51×104m3/a。根据式(2)，WPL为0.57，该数值小于1，说明该区域灰水足迹持续。

通过控源截污、内源治理的工程措施后，污染物排放量得到削减，桃花坞水库的灰水足迹从1 016.44×104m3/a降低至181.51×104m3/a。通过水系连通工程措施后，桃花坞水库径流量增加，能够用来稀释污染物的水源变大，桃花坞水库的水污染程度由5.46降低至0.57，实现了区域灰水足迹的可持续性。

4.2 水质模型评价

4.2.1 水质浓度变化分析评价

根据MIKE 21二维生态水质的模拟，将引水、清淤、截污等工程措施添加到模型的外边界条件，模型中考虑降雨蒸发及大气沉降的影响，并根据换水运行工况来设置入流的水质边界，引水水质采用梅山南干渠实测水质资料。在每年的3、6、8和11月初进行补水，补水流量1.5 m3/s，全部换水一次需6 d。该工况主要水质指标值见表1，模拟计算得到TP、TN及Chla浓度的年变化情况见图3。

表1 主要水质指标模拟结果

图3 模拟水质浓度年变化曲线

藻类生长受温度影响较大，温度越高藻类生长越快，5-10月份，随着温度的升高藻类生长速率加快，在水体内累积的营养盐也相应增加。而在补水换水的时候，由于稀释作用营养盐浓度有一定的降低，10月份以后温度降低藻类不适宜生存而开始衰亡，TN、TP等营养盐浓度也迅速降低。

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，水质模型模拟出的TN、TP指标年度变化值最大值分别是1.45 和0.07 mg/L，均在地表水Ⅳ类标准以内。根据《地表水资质量评价技术规程》(SL 395-2007)，水质模型模拟出的Chla指标年度变化值最大值是0.025 mg/L，小于湖泊富营养状态时叶绿素浓度要求。

4.2.2 水华风险分析

ECOLab是DHI开发的生态数值模拟软件，主要回来描述水环境中的物理、化学、生物及生态过程，与Mike11或者Mike21模型耦合一起解决水质问题，对湖泊和水库的富营养化问题进行模拟[9]。

由于水温从年初逐渐升高，到夏季7、8和9月份水温达到25℃左右，处于藻类生长适宜温度范围内，随后温度下降。本文对桃花坞水库进行模型构建，模拟高峰期8月份的Chla浓度变化情况，通过在连续入流条件下的模拟，得到高温、光照等自然条件及营养盐浓度较充足情况下的Chla浓度月变化曲线(图4)。Chla浓度持续升高，经过约25 d后Chla浓度为0.025 mg/L，小于湖泊富营养状态时叶绿素浓度0.026 mg/L的要求，可以认为库区的水华风险程度为低风险。

图4 Chla浓度8月份变化曲线

5 结 论

1) 利用灰水足迹理论和水质模型对研究区域水环境措施效果进行评价，工程实施后灰水足迹降低至原来的17.8%，水污染程度从5.46降低至0.57，灰水足迹由不可持续变为可持续；根据水质模型结果，TN和TP指标的浓度全年都在地表水Ⅳ类标准内，水华风险处于低风险。

2) 利用水质模型来弥补单一的灰水足迹计算未考虑水体自净能力这一因素，水质模型验证结果与灰水足迹理论计算结果一致，说明本次治理措施能够有效提升改善桃花坞水库的生态环境。

3) 水污染程度与径流量关系密切，年际变化下或者年内丰、平、枯水期条件变化下水污染程度均不相同，本文取多年平均径流量核算一个多年平均的水污染程度。