福州市光明港二支河水动力优化成效分析

王焕雄

（福建省环境保护设计院有限公司，福建 福州 350001）

1 光明港二支河概况

光明港二支河位于福州市台江区，是光明港的支河之一，属于感潮河道。其呈东西走向，与鳌峰路平行，中间相交光明港主河道，河长3.76 km，汇水面积约1.37 km2，现状河宽4 m～17 m，现状河底高程2.234 m～3.355 m，常水位水面标高2.712 m～3.826 m，规划河宽12 m，规划河底标高1.47 m～2.52 m。光明港二支河呈东西走向，沿线主要经过连江路、前横路和福光路。河道蜿蜒曲折，水流速度缓慢，在治理前河道水体基本不流动，河道水质黑臭。

2011年间以“水清、河畅、路通、景美”为目标，综合采用驳岸整修、截污、清淤、景观建设等措施对河道进行过一轮整治，但效果难以持久。

2016年为实现福州市全面消除黑臭，改善城市水环境质量在水系综合治理中，福州市提出了“9+5”系列举措。“9”是指全面截污、全面清淤、全面清疏、全面治理污染源、全面实施城中村改造、把水引进来、让水多起来、让水动起来、组建联排联调智慧管理体系共9大策略全面改善水环境质量；“5”是指种树、修路、亮灯、造景、建园共5个措施，打造水系周边环境。

2 河道水质不达标分析

2.1 污染物分析

由于长期以来接纳未经处理的生产生活污废水及沿程生活垃圾倾倒，河道未经及时的清淤，底泥中累积了大量污染物，受到了严重污染，主要污染因子为有机物、氮、磷。根据调查，底泥主要来自污水中的悬浮物、水土流失及垃圾等，淤积较严重的河段淤积高度在0.8 m～1 m之间，表层一般为厚度不等的流动浮泥层或淤泥层，呈絮凝状，含水量高，粒径较细，有机质及氮、磷等污染物含量高，以粉砂和粘土为主，置于水中搅动就能产生再悬浮，使清水变黑，是河道底泥中最易污染上覆水体的部分。

污染底泥自身耗氧、再悬浮及污染物释放是导致水体变黑的重要因素之一，已成为水质恶化的一个重要内污染源。据相关文献分析，受污染底泥再悬浮、污染物释放影响，上覆水COD 浓度可以增加32%～64%，可见，污染底泥对水质的影响明显，对污染底泥进行清淤，能有效降低水体污染物浓度，见表1。

表1 河道底泥检测点位布置

根据有机质检测结果，光明港二支河上游有机质最高，达到25.4 mg/kg，红星河次高，为22.3 mg/kg，见图1。

图1 底泥有机质检测分析图

根据总磷检测结果，光明港二支河上游总磷含量最高，达到2354 mg/kg。红星河次高，为1078 mg/kg，见图2。

图2 底泥总磷检测分析图

根据全氮检测结果，光明港二支河上游全氮含量最高，达到2996 mg/kg。红星河次高，为1582 mg/kg，见图3。

图3 底泥全氮检测分析图

淤泥中有机质分析结果说明，生活类污染物在河道中的沉积，河道受到有机污染严重，有机污染主要来源于生活污水。

2.2 水动力分析

光明刚二支河按设计方案清淤后上游河底高程为2.158 m，下游河底高程为1.800 m，上下游河底高程差仅0.358 m，河道总长3.76 km，河底坡降仅0.095‰，在无外力作用下河道水流基本静止。在外江潮水涨落时河道内水体有一定的流动性，但基本也是水体在河段内激荡，难以形成有效稳定流向。流速是表征水动力条件最基本、最直观的因子，它对藻类的生长、聚集与分布具有十分明显的影响[1]。于珊、杨柳等通过研究表明平原水系水动力改善与补水口分布、补水流量换水周期等密切相关[2-3]。王旭、胡鹏等研究认为较差的水动力条件、不通畅的水循环是引起河道水体黑臭的原因之一[4-5]。

3 活水补水方案

在福州市鼓台中心区水系综合治理项目建设中针对光明港二支河的水动力不足问题，设计单位提出了在光明港二支河上游设置规模为2.4 m3/s的一体化泵闸设计方案，利用一体化泵闸的推动，改善光明港二支河的河道水体流动性，实现活水补水。水动力提升技术特点是见效快、应用范围广，可长期有效地保障河道水质，适用于水动力条件较差的河流[6]。

经过分析在长度接近4 km的河道内仅通过上游的泵闸推流，难以达到显著改善水动力条件。特别是受光明港水位顶托时，水动力提升效果难以体现。故考虑在上游利用泵闸推流的基础条件下，在下游设置液压钢板坝和放水泵站进一步提升河道水动力。

陈俪丹等利用MIKE一维水动力水质耦合模型比选出流速、水质均达标且较为经济的最优活水方案且实施后效果良好[7]。

3.1 模拟计算

为确保优化方案的可靠性，方案优化前采用MIKE11软件建模分析。采用MIKE11 线性模型进行河道水动力模拟分析，采用MIKE11 RR模型非线性水库法进行径流过程计算，采用MIKE一维水动力水质耦合模型比选出流速、水质均达标且较为经济合理的方案。

边界条件：下游光明港水位3 m，上游泵闸启动流量2.4 m3/s，下游泵站规模设定为0.5 m3/s、1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s、2.4 m3/s五种规模形式，下游液压坝顶高程4.0 m。初始按非汛期高水位运行考虑，设置水深1.5 m，河道COD初始浓度40 mg/L，假定补水水源COD浓度30 mg/L。

模拟工况：分别模拟未修建下游泵站以及修建下游泵站规模为0.5 m3/s、1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s、2.4 m3/s等五种规模下的河道水动力条件以及水质恢复时间。共六种工况，见图4、图5。

图4 不同泵站规模下河道流速分布

图5 不同泵站规模下断面流速变化

经模型计算可知，河道中不同断面流速不同，最大流速差不大于0.09 m/s。河道断面流速随着下游泵站的规模变化而变化，泵站规模越大，河道流速越大。当下游泵站规模在0 m3/s～2.0 m3/s之间时，泵站规模每增加0.5 m3/s，流速提升约1.4%。当泵站规模由2.0 m3/s提升至2.4 m3/s时，河道流速大幅度提升，由0.085 m/s提升至0.12 m/s，提升率达47.32%。因此泵站规模选取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之间对水动力提升更显著，见表2。

表2 不同泵站规模下河道水质恢复时间

河道未修建下游泵站时，仅依靠上游泵闸2.4 m3/s的流量，河道COD浓度由40 mg/L下降至30 mg/L需要8.3 h；当下游修建泵站且流量小于0.5 m3/s时，对河道水质恢复时间没有影响；当下游修建规模大于0.5 m3/s的泵站时，不同规模的泵站对河道水质恢复时间影响不一。其中泵站规模与泵闸流量相同都为2.4 m3/s时，对水质恢复时间影响最大，河道水质恢复时间减少2.8 小时，占总时长33.73%。当泵站规模在0.5 m3/s～1.5 m3/s之间时，泵站规模每增加0.5 m3/s，河道水质恢复时间减少0.3 h。当泵站规模在1.5 m3/s～2.4 m3/s之间时，泵站规模每增加0.5 m3/s，河道水质恢复时间减少约1.1 h。因此泵站规模选取在1.5 m3/s～2.4 m3/s之间对水质恢复时间的影响更显著。

经过分析可知：以COD浓度恢复时间作为考虑条件时，泵站规模选取在1.5 m3/s～2.4 m3/s之间对水质恢复时间的影响更显著；以水动力提升作为考虑条件时，泵站规模选取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之间对水动力提升更显著。因此，两者取交集，泵站选取在2.0 m3/s～2.4 m3/s之间对两者影响显著。建议泵站规模设定在2.0 m3/s～2.4 m3/s之间。

3.2 建设方案

通过模拟分析为改善光明港二支河的水动力条件，在光明港二支河除按设计标高进行河道清淤疏浚外还设置的水动力设施有：

上游设置规模为2.4 m3/s一体化泵闸，该设施是泵闸一体结构，在反转闸门上设置轴流泵，有效利用空间。实现从光明港一支河补水进入光明港二支河。

下游鳌峰路处设置液压钢板坝，坝顶高程4.0 m，可实现控制光明港二支河水位以及挡外江潮水功能。

下游设置规模为2.4 m3/s一体化泵站，利用泵站将光明港二支河水体输送至钢板坝下游方向的光明港，从而加大光明港二支河河道水力坡降，提升水体流速。

优化方案经过福州市建设局审查通过后，2018 年1 月组织了光明港二支河下游液压钢板坝和下游泵站的实施，2018 年6 月液压钢板坝和泵站投入使用。

3.3 运营调度

为高效节能地利用水动力设施，改善河道水动力条件。针对光明港二支河，采用潮汐换水+机械推流调度方案。初步设定3 个初始工况，后期根据运行经验逐步积累数据，通过智慧化调度系统进一步优化调度体系。

非汛期工况1：光明港水位低于3.1 m，上游一体化泵闸运行，下游钢板调整至坝顶高程3.1 m，河道下游从钢板顶溢流出水；

非汛期工况2：光明港水位高于3.1 m，上游一体化泵闸运行，下游钢板调整至坝顶高程4.0 m，下游排水泵站开启，河道下游通过泵站排水至光明港；

汛期工况：根据市联排联动中心预警系统通知，根据汛期应急相应要求，关闭上游一体化泵闸抬起闸门，放平下游液压钢板坝与河底齐平，下游泵站关闭。

4 优化成效分析

4.1 治理前后水质对比

通过持续的水质检测数据分析，光明港二支河。在2018年6 月前河道水质指标Do和ORP均较差属于黑臭河道，在2018年6 月后水质检测指标中Do和ORP均符合河道考核优秀目标要求，且越往后期水质目标越稳定向好，见图6、图7。

图6 光明港二支河水质检测分析表（Do）

图7 光明港二支河水质检测分析表（ORP）

4.2 治理前后水动力对比

项目实施前通过流速仪检测时无法读数，肉眼难以看见水体流动，水流速度小于0.02 m/s。

项目建设后上游泵闸以及下游泵站运行时，通过JZYLS300-A-直读式流速流量测算仪现场检测河道水流速度，上游河道流速为0.21 m/s，下游河道流速为0.16 m/s。水流速度达到预期目标。

5 结语

通过水动力优化，光明港二支河项目治理具有显著的成效，水质从治理前的黑臭水体改善为接近Ⅴ类水标准，水体流动性由原来的近乎静止到流速在0.15 m/s～0.2 m/s。水动力的提升，让水体的自净能力得以恢复，换水周期得到提升。通过水动力的优化解决了河网水量分配不足、水流不畅等问题，提高了水环境容量，改善了水环境质量。在模拟计算时，由于实际边界较复杂，在模拟计算时部分边界条件进行了模糊处理，致使模拟结果和实际运行存在一定的偏差，未来应从多方面去完善边界条件，更精准地进行模型演算，为项目决策提供更优质的理论支撑。

水环境治理是一个复杂综合的问题，难以通过单一的水动力提升而得到根本性解决。应从污染源控制，生态修复，水动力提升以及高品质的运营等多方面去努力，从而改善水环境质量，改善人居环境。