基于水质目标可达性分析的城市内河生态补水方案

陈燕平，霍培书，汤丁丁，赵 皇，周 艳，郑碧娟，刘 军，邓德宇

(中建三局绿色产业投资有限公司，湖北武汉 430100)

随着社会经济持续发展，人类活动对水环境的影响急剧增强，我国城市水环境污染日益严重，水质问题尤为突出，黑臭现象普遍存在[1-3]。引水冲污可以有效改善城市内河水质，通过生态补水，可增强水体水动力，提高水体流动性，增加水体环境容量，提升其景观功能[4-6]。目前，针对水环境治理效果评价研究，以及城市内河水系水质达标控制和黑臭水体治理的生态补水工程技术研究较多，如韩亚萍等[7]采用灰水足迹理论与MIKE21水质模型，对城市内湖水环境治理效果进行综合评价；孟莹莹等[8]采用EPA SWMM及MIKE11模拟评估不同灰绿措施组合对河道水质达标的影响效果；周文琦等[9]以南京市南河为例，对其枯水期生态补水方案效果进行研究；史贵君等[10]以深圳市宝安区铁排河为研究对象，探索城市高度建成区河道生态补水治理方案；卢慧[11]研究典型雨源型河流——合肥市十五里河生态补水方案。然而，针对河道不同调度方案条件下水质目标可达的生态补水方案研究还相对较少。

论文以武汉市黄孝河明渠为例，采用MIKE11构建一维水动力水质模型，模拟主要水质指标化学需氧量(CODCr)、氨氮和总磷(TP)(黄孝河明渠控制断面主要考核指标)的变化趋势，进行水质目标可达性分析，研究旱天和雨天不同运行工况条件下的补水方案，以期为城市内河水环境综合治理提供技术支撑。

1 区域概况

黄孝河位于武汉市江岸区，明渠段起于京广铁路以北100 m处，止于末端张公堤南侧后湖泵站拦污栅前，长为5.4 km，坡度为0.2‰；上游箱涵段起于江汉区青年路，止于京广铁路桥以北100 m处，长为5.0 km，坡度为0.5‰～2‰。黄孝河明渠沿线有塔子湖明渠和建设渠入汇，下游经后湖泵站汇入府河(图1)。

图1 黄孝河明渠水系图Fig.1 Hydrographical Chart of Huangxiao River Open Channel

黄孝河明渠属于典型的雨源型城市内河，晴天主要承接汉口旧城黄孝河箱涵及明渠沿线塔子湖、后湖西区污水排入；雨天兼具排洪功能，黄孝河箱涵与黄孝河明渠属于黄孝河低排系统，承接汉口旧城武胜路、单洞门、台北路、三眼桥、花桥、解放公园等片区以及后湖新城、六合沟河堤角北片地区雨水汇入，后经后湖泵站抽排或经岱家山闸自排入府河。

黄孝河明渠段除雨季箱涵淤泥冲刷进入造成污染外，水中各种漂浮物、悬浮物、岸边垃圾、未清理的水生植物和水华藻类等腐烂沉入水底，形成黑臭底泥，导致水体发臭、发黑，内源污染严重。同时，旱天污水截留不彻底、明渠生态基流不足，雨天合流制污水溢流污染严重，以致其常年处于黑臭状态。

为解决黄孝河水体黑臭问题，武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理一期工程已完成后湖片区和塔子湖片区截污及黄孝河明渠清淤工程;二期工程建设任务包括明渠拓宽、旱天截污(铁路桥地下污水处理厂、闸门)、合流制溢流(CSOs)污染控制(CSOs调蓄及处理设施)、生态补水、水生态修复、绿色景观构建等工程措施。工程实施后将大大提高黄孝河明渠水环境质量，水质指标(pH、DO、CODCr、氨氮、TP、BOD5、SS、TN、类大肠杆菌群)达到地表水V类水质标准，力争主要水质指标(pH、DO、CODCr、氨氮、TP)达到地表水IV类标准。

2 数学模型

MIKE是由丹麦水利研究院(DHI)开发的系列软件，包括MIKE11、MIKE21、MIKE3、MIKE FLOOD、MIKE URBAN等系列。其中，MIKE11主要应用于河口、河道、河网水流、水质、泥沙输移等一维水动力水质模拟，具有功能全面、界面友好、稳定性高、适用性广及计算精度高等优点，成功应用于国内外众多水环境治理、水系规划、流域防洪和海绵城市建设项目。因此，本文采用MIKE11构建黄孝河明渠一维水动力水质模型，对水质目标可达进行模拟分析。

2.1 模型原理

本文应用MIKE11水动力模块、对流扩散模块进行水环境数值模拟分析。

(1)水动力学方程

水动力模块利用Abott-Ionescu六点隐式差分格式求解圣维南方程组，求得河道控制节点水位、流量、流速等要素，为污染物对流扩散模拟提供水动力计算条件[12]，连续性方程如式(1)，动量方程如式(2)。

(1)

(2)

其中：x——距离，m；

t——时间，s；

A——过水断面面积，m2；

h—水位，m；

Q——流量，m3/s；

q——旁侧入流，m3/s；

g——重力加速度，m/s2；

C——谢才系数，m1/2/s；

R——水力半径，m。

(2)对流扩散方程

对流扩散模块根据水动力计算基础，对污染物扩散传输进行模拟，方程如式(3)。

(3)

其中：m——污染物质量浓度，mg/L；

D——扩散系数，m2/s；

K——降解系数，h-1；

m2——源/汇项污染物质量浓度，mg/L。

2.2 模型构建及参数设置

2.2.1 河道及排口概化

黄孝河明渠部分箱涵桥过水能力有限，防洪能力不足，为有效解决黄孝河流域内涝问题，将明渠断面由30 m拓宽至60～80 m，黄孝河明渠扩建有效用地约为60～140 m，可满足明渠拓宽要求。本次研究对象为黄孝河明渠拓宽后河段，长为4.6 km，坡度为0.2‰，共计断面41个。旱天截污工程完成后，黄孝河明渠上游箱涵旱天无溢流，沿线主要支流有塔子湖明渠和建设渠，为增加河道过流断面和调蓄能力，建设渠与黄孝河明渠在末端合并成一条渠。因此，本次模拟仅考虑塔子湖明渠来水，其来水量较小，概化为点源入汇。

经实地调研分析，黄孝河明渠沿线雨污混合排口共10余个，其中，污水排口3个，雨污混合排口4个，雨水排口3个，具体分布情况如图2所示。考虑排口分布位置，采取中点概化方法[13]，将污水排口和雨污混合排口概化到控制河段中点断面处(图3)。

2.2.2 初始及边界条件设置

根据旱天和雨天不同运行工况，对黄孝河明渠、排口及塔子湖明渠进行水质采样检测分析。

(1)旱天工况

根据调度机制，旱天黄孝河箱涵无溢流，明渠入流量为铁路桥地下污水处理厂生态补水，补水地点为明渠起端。铁路桥地下污水处理厂设计规模为10万t/d(约为1.157 m3/s)，出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，主要指标达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中地表水环境质量IV类标准。具体出水水质标准如表1所示。

根据实测旱天水质数据，污水排口和雨污混合排口共7个，排口排污量共计2.5万t/d(约合为0.289 m3/s)，排口污染物浓度按照中点概化法进行计算[13]。塔子湖明渠汇流量为0.212 m3/s，主要水质指标情况如表2所示。

图3 黄孝河明渠概化示意图Fig.3 Generalized Map of Huangxiao River Open Channel

表1 铁路桥地下污水处理厂出水水质Tab.1 Effluent Quality of Underground WWTP of Railway Bridge

表2 旱天水质统计Tab.2 Statistics of Water Quality in Dry Season

(2)雨天工况

根据调度机制，小到中雨工况条件下，开启CSOs调蓄和强化处理设施处理暗涵过量来水，确保污水不进明渠；大到暴雨工况条件下，初期合流制污水进入铁路桥地下污水处理厂及CSOs调蓄设施处理，超量来水进入明渠。根据实测雨天水质数据，大到暴雨工况条件下，箱涵出口溢流污水流量为3.472 m3/s，塔子湖明渠汇流量为0.525 m3/s，主要水质指标浓度如表3所示。

表3 雨天水质统计Tab.3 Statistics of Water Quality in Rainy Days

根据旱天生态补水方案模拟计算，CODCr、氨氮和TP可达到地表水V类水质标准，因此，将旱天CODCr、氨氮和TP水质达标标准作为大到暴雨工况模型计算的初始条件，同时，模型计算结果作为雨后生态补水方案模拟初始浓度(表3)。

2.2.3 参数设置

MIKE11一维水动力水质模型主要参数包括河床糙率、污染物横向扩散系数以及各种污染物的源项和降解系数。本次模型参数选取参考《武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理规划及系统化方案设计》中黄孝河明渠水质模型计算参数，能够反映该河段水文水质状态特征，故而不对模型参数进行率定与验证。

根据实地调研过程中拍摄照片获取的河道、河岸植被情况，参考水力学手册及其他项目该河段，经率定和验证的水动力学模型参数，确定黄孝河明渠河道主槽糙率取值为0.03，两岸糙率取值为0.035。

本模型的扩散系数由紊流模型中得到，扩散系数取值为5 m2/s。污染物种类不同，其降解系数亦不相同，参考中小河流CODCr和氨氮降解系数的取值范围[14]，确定黄孝河明渠不同来水情况下CODCr和氨氮的降解系数。根据国内对于TP降解系数已有研究成果[15-16]，类比同区域其他河流TP降解系数，确定其取值为0.045～0.085，具体情况如表4所示。

表4 不同模拟工况降解系数取值Tab.4 Degradation Coefficient Values under Different Simulated Conditions

3 生态补水方案模拟分析

3.1 补水方案

根据调度机制，旱天时，黄孝河流域生活污水经三金潭污水处理厂和铁路桥地下污水处理厂处理。小到中雨，即降雨量小于24.4 mm/65 min时，开启CSOs调蓄和强化处理设施处理暗涵过量来水，确保污水不进明渠;大到暴雨，即降雨量超过24.4 mm/65 min时，打开暗涵末端钢坝闸，开启行洪模式。因此，本文仅开展旱天生态补水方案和大到暴雨CSOs工况条件下的生态补水方案分析。

根据生态补水方案模拟计算，考虑有污水排口的情况、旱天最大补水量(10万t/d)方案条件下，氨氮和TP未能达到地表水V类水质标准。因此，补水方案设计中除旱天补水量为10万t/d工况外，其他补水方案均不考虑有排口工况。

3.1.1 旱天补水方案

根据调度机制，旱天黄孝河箱涵无溢流，明渠入流量为铁路桥地下污水处理厂生态补水。最大补水量方案条件下，考虑有无排口工况进行水质目标可达性分析，并设置不同生态补水量方案(表5)，进行水质改善效果分析，补水方式为持续补水，补水周期为5 d。

3.1.2 雨天补水方案

根据调度机制，大到暴雨工况条件下，合流制污水进入明渠，将对其水质产生影响。设置雨后不同生态补水方案，并考虑不同补水方式对水质改善的效果(表6)，探索不同补水方式对水质改善的效果。补水量为铁路桥地下污水处理厂出水10万t/d，模拟计算周期为7 d，补水方式分为持续补水和间歇补水，持续补水即24 h不间断补水。由于污水处理厂正式投入使用后为全天候不停歇运行，无法通过间歇补水方式进行生态补水，但考虑到污水处理厂进水分配主要集中于特定时间段，因此，可将其出水近似看作为间歇补水，补水时长考虑16、18、20、22 h这4种方案，每天6点开始补水。

表5 黄孝河明渠旱天生态补水方案Tab.5 Ecological Water Supplement Schemes for Open Channel of Huangxiao River in Dry Season

表6 黄孝河明渠雨天生态补水方案Tab.6 Ecological Water Supplement Schemes for Open Channel of Huangxiao River in Rainy Days

3.2 生态补水效果分析

根据旱天和雨天不同运行工况，从水质目标可达、主要污染物浓度削减量及削减速率等角度对生态补水效果进行分析。

3.2.1 旱天生态补水效果分析

(1)有排口工况

旱天生态补水量为10万t/d且考虑有排口排污工况条件，经过一段时间持续补水，黄孝河明渠沿程各断面水质情况如图4所示，CODCr及排口上游断面氨氮和TP可达到地表水V类水质标准，排口下游断面氨氮和TP浓度仍处于劣V类水平。

图4 有排口工况下旱天生态补水方案黄孝河明渠水质Fig.4 Water Quality of Huangxiao River Open Channel under Conditions of Discharge Outlets Conditions and Ecological Water Supplement Schemes in Dry Season

(2)无排口工况

根据生态补水方案模拟，在无排口工况、不同补水量情况下，黄孝河明渠沿程各断面水质情况及满足水质目标可达所需的补水时长如图5所示。

由图5可知，经生态补水，除方案5(补水量为5万t/d)，TP浓度处于劣V类水平之外，其他补水方案，CODCr、氨氮和TP均可达到地表水V类水质标准。对比满足水质目标可达的补水方案2～4，随着补水量的均匀降低，沿程各断面CODCr、氨氮和TP削减量有所降低，在塔子湖明渠入汇口下游断面先快速降低，后降低速率有所减缓。

从水质改善情况分析，持续补水方式条件下，补水量越大，水质改善情况越好，满足水质目标可达所需的补水时长越短，如补水量为10万t/d时，CODCr、氨氮和TP满足水质目标可达所需的补水时长最短，分别为23、42 h和38 h，且满足水质目标可达的浓度最低、水质改善情况最好的目标。

图5 无排口工况下旱天生态补水方案黄孝河明渠水质情况Fig.5 Water Quality of Huangxiao River Open Channel under Conditions of No-Draining Conditions and Ecological Water Supplement Schemes in Dry Season

针对方案2(补水量为10万t/d)情况，选取明渠断面0+500、2+000和4+500，分析其补水周期内的水质变化情况(图6)。由图6可知，上游补水口附近断面水质改善效果最好，改善速率最快，CODCr、氨氮和TP均可达到地表水IV类水质标准；中游断面前有塔子湖明渠入汇，水质改善速率有所减弱，改善效果相对较差，仅CODCr可达到地表水IV类水质标准，氨氮和TP均只达到地表水V类水质标准；下游断面水质改善速率最慢，但改善效果相对较好，CODCr和氨氮可达到地表水IV类水质标准，TP可达到地表水V类水质标准。

3.2.2 雨天生态补水效果分析

(1)水质目标可达分析

对大到暴雨工况条件下，合流制污水对明渠产生污染后，通过生态补水措施实现水质目标可达进行分析。对比雨天生态补水方案1～5，黄孝河明渠沿程各断面水质情况及满足水质目标可达所需补水时长如图7所示。

由图7可知，不同生态补水方案均能实现水质目标可达，即CODCr、氨氮和TP均可达到地表水V类水质标准。与持续补水方案1相比，间歇补水方案2～5控制断面污染物浓度削减率更高，实现水质目标可达所需补水时长更短，因此，水质改善效果也更好。

综合考虑CODCr、氨氮和TP达到地表水V类水质标准所需补水时长，间歇补水方案2(每天持续补水16 h)所需补水时长最短，仅需33 h；持续补水方案1所需补水时长最长，需36 h。

(2)污染物浓度削减效果分析

以水质目标可达所需最长补水时长36 h为补水周期，对比分析各生态补水方案污染物浓度削减效果，将明渠各断面主要污染物浓度削减率的平均值作为明渠污染物削减率，具体情况如图8所示。

由图8可知，与持续补水方案1相比，间歇补水方案2～5污染物浓度削减率更高，且每天持续补水时长越短，补水流量越大，污染物浓度削减率越高，削减速率越快，水质改善效果越好。

根据雨天生态补水方案模拟计算结果，选取明渠断面0+500、2+000和4+500，分析其主要水质指标CODCr、氨氮和TP达到地表水V类水质标准时的削减率(表7)。由表7可知，上游补水口附近断面污染物浓度削减率最高，中游断面次之，下游断面最低。对比主要污染物浓度削减率，氨氮削减率最高，CODCr次之，TP最小。

图6 方案2工况黄孝河明渠不同断面水质变化Fig.6 Water Quality Changes of Different Sections of Open Channel of Huangxiao River under Scheme Two

图7 雨天生态补水方案黄孝河明渠水质情况Fig.7 Water Quality of Open Channel of Huangxiao River under Conditions of Ecological Water Supplement Schemes in Rainy Days

图8 36 h补水周期黄孝河明渠水质情况Fig.8 Water Quality of Open Channel of Huangxiao River in 36 h Water Supplement Period

表7 雨天生态补水方案污染物浓度削减率对比Tab.7 Comparison of Pollutant Concentration Reduction Rates of Ecological Water Supplement Schemes in Rainy Days

综合对比各方案明渠断面0+500、2+000、4+500污染物浓度削减率，可知方案2水质改善效果最佳，黄孝河明渠沿程各断面水质情况如图9所示。

图9 最佳补水方案2工况条件下黄孝河明渠水质Fig.9 Water Quality of Open Channel of Huangxiao River under Optimal Water Supplement Scheme Two

4 结论

高密度建成区城市内河大多为雨源型河流，受季节性降雨影响，枯水期河道生态基流不足、水环境容量小、水体自净能力低、水质污染情况严重[17-19]。以黄孝河明渠为例，采用污水处理厂尾水作为生态补水水源，结合地下污水处理厂、调蓄池等工程措施，运用MIKE11构建一维水动力水质耦合模型，进行不同调度方案条件下水质目标可达的生态补水方案研究，主要水质评价指标为CODCr、氨氮和TP，结论如下。

(1)通过旱天生态补水方案研究，有排口、排污工况条件下，排口下游断面氨氮和TP浓度处于劣V类水平，无法实现水质目标可达，建议采取关闭明渠沿程污水排口、敷设沿河截污管道等措施确保晴天污水不入河。

(2)对旱天无排口排污条件下，不同补水量方案进行模拟计算分析，持续补水条件下补水量不少于6万t/d时，可通过生态补水的方式实现明渠水质目标可达，且补水量越大，污染物浓度削减率越高，水质改善效果越好。

(3)根据污水处理厂进出水规律，雨天生态补水方案考虑持续补水和间歇补水2种补水方式。通过模型计算，不同补水方式均可实现雨后水质目标可达，相较持续补水，间歇补水方案CODCr、氨氮和TP达到地表水V类水质标准所需补水时长较短，水质改善效果较好。在间歇补水方案中，每天持续补水时长越短，补水流量越大，污染物浓度削减率越高，削减速率越快，水质改善效果越好。

本文基于水质目标可达，提出黄孝河明渠生态补水方案，为雨源型河流生态补水提供了理论依据和科学借鉴，为高密度建成区城市内河黑臭水体治理提供系统解决方案。