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进博会区域河网水环境提升与效果评估

陈庆江 丁瑞 王维维

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进博会区域河网水环境提升与效果评估

    作者简介: 陈庆江(1965—),男,安徽天长人,高级工程师,主要从事城市水环境治理研究。E-mail:shctcqj@163.com.
  • 中图分类号: TV231.4

Improvement and effect evaluation of river network water environment in China International Import Expo area

  • 摘要: 首届中国国际进口博览会于2018年11月在上海市国家会展中心举办,区域河网动力弱、入河污染负荷强,周边河道小涞港于2017年刚脱离黑臭,亟需提升区域水环境。采用数值模拟与现场试验运行相结合的方法,开展水环境提升方案研究。针对进博会及周边区域水质差、水体浑浊、水动力弱等问题,采用控源截污、生态修复、活水畅流等措施,新建3座装配式溢流堰,形成三级水位和活水循环的水网动力格局,促进了进博会区域循环净水-生态修复的良性循环。运行监测结果表明,核心区小涞港透明度大于1.5 m,重点区大于1.2 m,主要水质指标由Ⅴ~劣Ⅴ类提升至Ⅱ~Ⅲ类。运行评估结果表明,控源截污对水质提升起主要作用,贡献占比73%;活水畅流与生态修复对水质提升贡献占比分别为15%和12%。
  • 图  1  区域排污口分布与雨水强排泵站位置

    Figure  1.  Distribution of sewage outlets and location of drainage pump station in CIIE area

    图  2  徐泾站2007—2017年10月15日—11月15日降雨次数与最大降雨量

    Figure  2.  Rainfall days and maximum rainfall of Xujing station from October 15 to November 15, 2007 to 2017

    图  3  活水自循环方案布置

    Figure  3.  Layout of water circulation scheme

    图  4  模型内部验证点水位实测值与计算值对比

    Figure  4.  Comparison of the measured and calculated water levels at the internal verification point of the model

    图  5  首届进博会前后小涞港水质随时间变化

    Figure  5.  Variation of Xiaolaigang river water quality with time before and after the first CIIE

    图  6  小涞港氨氮与降雨量随时间变化

    Figure  6.  Variation of NH3-N and rainfall with time of Xiaolaigang river

    图  7  小涞港及徐泾镇总体水质变化

    Figure  7.  Overall water quality variation of Xiaolaigang river and Xujing town

    图  8  活水循环与生态修复措施条件下水质变化

    Figure  8.  Water quality variation using water circulation and ecological restoration measures

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-25
  • 网络出版日期:  2020-05-27

进博会区域河网水环境提升与效果评估

    作者简介: 陈庆江(1965—),男,安徽天长人,高级工程师,主要从事城市水环境治理研究。E-mail:shctcqj@163.com
  • 1. 上海城投(集团)有限公司,上海 200020
  • 2. 南京水利科学研究院,江苏 南京 210029
  • 3. 上海市青浦区水务局,上海 201700

摘要: 首届中国国际进口博览会于2018年11月在上海市国家会展中心举办,区域河网动力弱、入河污染负荷强,周边河道小涞港于2017年刚脱离黑臭,亟需提升区域水环境。采用数值模拟与现场试验运行相结合的方法,开展水环境提升方案研究。针对进博会及周边区域水质差、水体浑浊、水动力弱等问题,采用控源截污、生态修复、活水畅流等措施,新建3座装配式溢流堰,形成三级水位和活水循环的水网动力格局,促进了进博会区域循环净水-生态修复的良性循环。运行监测结果表明,核心区小涞港透明度大于1.5 m,重点区大于1.2 m,主要水质指标由Ⅴ~劣Ⅴ类提升至Ⅱ~Ⅲ类。运行评估结果表明,控源截污对水质提升起主要作用,贡献占比73%;活水畅流与生态修复对水质提升贡献占比分别为15%和12%。

English Abstract

  • 首届中国国际进口博览会(进博会)于2018年11月在上海市国家会展中心举办,会展中心位于上海市青浦区西虹桥商务区。进博会周边小涞港等河道紧邻国家会展中心,刚于2017年脱离黑臭,本底条件较差,亟需寻求水环境综合提升的系统解决方案,提升进博会区域水环境。进博会区域属于平原河网区,近年来国内外开展了大量平原河网城市水环境提升的研究与实践[1-3],大多采用控源截污、活水畅流[4-7]、生态修复[8-9]等措施提升水环境,但生态修复的河道通常为封闭滞流水体,生态修复与活水畅流难以兼顾。本文在充分调研区域现状基础上,因地制宜提出水动力提升方案,在控源截污的基础上,开展生态修复,并形成循环流动的水动力格局,促进区域循环净水-生态修复的良性循环。通过现场长期原型观测,分析了河网水环境提升效果,评估了控源截污、生态修复、活水畅流等措施对水环境提升的贡献率。

    • 国家会展中心位于上海市青浦区徐泾镇,地处青浦区、闵行区与松江区交界。进博会水质提升范围约12 km2,核心区为小涞港国家会展中心段,长2.0 km;重点区包含国家会展中心周边徐泾江、泾北河等河道,面积约3.6 km2;延展区为北蟠龙港以南,苗泾港以北,西蟠龙港以东,小涞港以西除重点区以外区域,面积约8.4 km2

      进博会研究区域水质主要问题包括:①控源截污不到位,底泥未疏浚,持续释放污染物,点源面源入河污染负荷重;②研究区域水质差,为Ⅴ~劣Ⅴ类,SS、NH3-N及TP严重超标,透明度低(30~40 cm);③周边水体浑浊,水质不稳定(Ⅳ~劣Ⅴ类),缺少清水水源;④河道水系连通性差,水流不畅,洋泾港、规划新开河、罗家浪浜等断头河未连通;⑤周边调控工程系统不完备,对河网水动力控制能力不足。

    • 根据进博会区域特点,提出治理目标为:核心区小涞港水质Ⅳ类、透明度大于1.2 m;重点区水质Ⅳ类、透明度大于1.0 m。采取因地制宜、系统综合治理的理念,在保障防洪排涝安全的基础上,改善场馆周边水环境。治理方案考虑近期与远期衔接,治理工程考虑临时与永久相结合。综合运用现有闸泵工程,通过控源截污、活水畅流、生态修复等措施,合理配水,增加河网水动力,增大水环境容量,实现水生态环境改善的良性循环。

    • 2017年对进博会区域开展拉网式排查和管道闭路电视检测系统(CCTV)检测,调查出污染源分布如图1所示,区域内有61个旱流污水排放口、50个雨污混接小区、250个分散点位及若干排污工地等。开展点源污染控制措施,封堵河道排放口131个,改造9个居住小区、3条市政道路;改造企事业单位、沿街商铺、自然村落等12处分散点位截污纳管。对于管道老旧的居住小区,采取开挖翻排措施进行雨污分流改造;对于市政道路管道,采用非开挖修复方式进行改造,局部问题较为突出的点位,采取道路开挖方式修复;根据分散点位的位置,就近接入市政污水管道。

      图  1  区域排污口分布与雨水强排泵站位置

      Figure 1.  Distribution of sewage outlets and location of drainage pump station in CIIE area

    • 本次研究区域汇水面积约16.2 km2,其中,国家会展中心1.2 km2属于强排区(图1),其他为自流区。会展中心区域强排雨水泵站为规划六路(会卓路)雨污水合建泵站(雨水泵流量为14.0 m3/s),其初期雨水截流规模可达到4 800 m3/d。

      首届进博会于2018年11月5—10日举办,需重点关注10—11月期间降雨引起的面源污染。统计分析徐泾站2007—2017年10月15日—11月15日的降雨次数和最大降雨量见图2,采用保证率频率法对徐泾镇2018年10月15日—11月15日降雨进行预测,结果表明期间85%保证率的降雨次数为10 次,85%保证率的最大降雨量为15 mm。因此,需要采取一定措施减少初期雨水带来的面源污染,对重点区15 km雨水管网进行冲洗,冲洗后污水进污水处理厂,对小涞港等重要河道排口(图1)采取临时封堵或雨水闸门控制等措施。

      图  2  徐泾站2007—2017年10月15日—11月15日降雨次数与最大降雨量

      Figure 2.  Rainfall days and maximum rainfall of Xujing station from October 15 to November 15, 2007 to 2017

    • 对工程范围内的河道进行疏浚,通过清除污染的底泥,减少内源污染释放。根据水质提升要求与近年来河道底泥资料分析可知,主要清淤疏浚区域为泾北河与小涞港等河道。

    • 以“流水不腐”为核心理念,综合利用现有闸泵工程,新建3座装配式活动溢流堰(徐灵路、谢卫路、徐泾江溢流堰),形成可通可控的研究区域,如图3所示。充分利用北蟠龙泵站(4.4 m3/s)、东向阳泵站(4.4 m3/s)进行原位净化动力引水,通过动力调控促进水体在研究范围内循环流动,形成北蟠龙港-小涞港-徐泾江-泾北河-北蟠龙港的循环流动格局。

      图  3  活水自循环方案布置

      Figure 3.  Layout of water circulation scheme

    • 构建一维河网水动力模型,采用有限差分法求解一维河网水动力学,采用Preissman四点隐格式对St.Vennant方程组进行离散化求解。一维河道(河网)的洪水运动用St.Vennant方程组描述,其上、下游边界的控制条件一般采用水位过程控制、流量过程控制、流量-水位关系控制等形式。由基本方程、边界条件和初始条件共同组成一维水流运动的定解问题[10]

      模型研究区域12 km2,创建河道总长度35.3 km,闸门8座、泵站7座。对区域内河道赋予不同的糙率初始值,主干河道小涞港n选取0.025,其余河道n选取0.03。区域规划除涝最高水位为3.5 m,常水位2.3~2.8 m,河道堤防高程4.5 m,初始水位按照常水位2.6 m。

      徐泾水闸、谢卫路溢流堰水位作为水位边界。北蟠龙泵闸和东向阳泵闸各开启1台泵(2.2 m3/s)向北排水,徐灵路和谢卫路溢流堰顶高程3.0 m,徐泾江溢流堰顶高程2.7 m,李泾桥闸门开度40 cm,形成三级水位差,有序自流活水。

      采用2018年9月18—20日现场原型观测结果进行模型率定验证,选取徐泾江-诸光路断面做为模型内部率定验证点,模型计算结果与实测水位对比如图4所示,模型率定结果表明,各站点的计算水位和实测水位的变化过程趋势相似,且最大误差小于3 cm,流量计算与实测相对误差小于10%,模型满足计算要求,能够较准确地模拟进博会区域河网水动力特性。

      图  4  模型内部验证点水位实测值与计算值对比

      Figure 4.  Comparison of the measured and calculated water levels at the internal verification point of the model

    • 通过闸泵堰联合调控,形成三级水位,北蟠龙港-徐灵路溢流堰水位3.2~3.3 m,小涞港核心区水位3.1~3.2 m,研究范围内其他河道水位2.7~2.8 m,均高于外围水位,外围水位受潮位影响,一般为2.5~2.7 m。

      数值计算结果表明,核心河道小涞港流速约0.08~0.15 m/s,徐泾江、泾北河等重点区河道流速0.10~0.15 m/s,除断头浜外其余河道流速约0.04~0.06 m/s。通过闸泵堰联合调度,80%流量在重点区循环流动,20%流量进入延展区,然后流到进博会区域外,惠及周边。

    • 构建以沉水植物为核心的生态系统,沉水植物能够高效吸收氮磷等营养物质,抑制底泥再悬浮及氮磷营养盐释放,促进氮的硝化-反硝化作用及磷的沉降;能够产生大量的原生氧,长久保持水体高溶氧状态;为浮游动物提供避难所,增强生态系统对浮游植物的控制和系统的自净能力。选择耐污能力强、光合作用强、净化效率高的苦草、狐尾藻、菊花草,辅以红线草,恢复物种多样性,最终实现水域生态系统保持稳定。底栖动物和肉食性鱼类主导的水生动物群落与水生植物形成共生关系,辅助维持生态系统物质循环、能量流动稳定进行。浮游动物可以捕食水体中的藻类、有机颗粒等,提高水体透明度,改善光照条件,促进水生态系统恢复。

      对重点区河道实施生态修复全覆盖,提升重点区水体自净能力,范围涵盖小涞港、徐泾江、泾北河等8条河道,在小涞港等重点水域设置单排管道曝气系统,搭配涌浪机形成局部微水体循环,加强水体增氧效果。

    • 首届进博会水环境提升工程于2018年8月完成,工程运行后,河网水质显著提升,水体流动性大幅改善,生态系统得到修复,自净能力提升,河道水环境大幅改善。核心区小涞港水体透明度大于1.5 m,徐泾江、泾北河等重点区河道水体透明度大于1.2 m。重点区内河道主要水质指标均已达Ⅲ~Ⅳ类,小涞港COD随时间变化情况如图5所示,小涞港水质随时间不断提升,并于后期稳定为Ⅲ类,局部时段水质突然变差,主要受降雨后面源污染与泵站放江的影响。

      图  5  首届进博会前后小涞港水质随时间变化

      Figure 5.  Variation of Xiaolaigang river water quality with time before and after the first CIIE

      小涞港氨氮与降雨量随时间的变化如图6所示。可以看出,到2018年11月首届进博会前后,小涞港水质总体维持在Ⅲ类;到2019年11月第二届进博会前后,水质已提升至Ⅱ类。局部时段水质变差,主要发生在降雨期间,中小雨对水质影响较小,大雨及以上时水质明显恶化,主要由于面源污染入河与泵站放江。通过小涞港上下游两座溢流堰联合调控,利用小涞港高水位优势,有效化解了污染负荷对水生态系统的冲击,保障进博会区域雨天水环境。

      图  6  小涞港氨氮与降雨量随时间变化

      Figure 6.  Variation of NH3-N and rainfall with time of Xiaolaigang river

    • 小涞港与徐泾镇平均水质随时间变化如图7所示,小涞港及徐泾镇平均水质从2017年以来持续提升,2017年6—8月水质本底为劣Ⅴ类,到2018年12月水质已提升至Ⅲ类,期间主要通过控源截污、活水畅流、生态修复措施提升水质。

      图  7  小涞港及徐泾镇总体水质变化

      Figure 7.  Overall water quality variation of Xiaolaigang river and Xujing town

      控源截污、活水循环和生态修复对水质提升的贡献率测算方法如下所示:

      $${\eta _1}{\rm{ = (}}{C_1} - {C_0}{\rm{)}}/({C_2} - {C_0})$$ (1)
      $${\eta _2}{\rm{ = }}({C_2} - {C_1})/\left( {{C_2} - {C_0}} \right)$$ (2)

      式中:${\eta _1}$为控源截污对水质提升的贡献率;${\eta _2}$为活水循环与生态修复对水质提升的贡献率;C0为各项治理措施开始前的初设水质;C1为控源截污措施完成时的水质;C2为活水循环与生态修复完成时的水质。

      对COD、氨氮、总磷分别按上述方法计算各项治理措施对水质提升的贡献率,2017年9月—2018年8月水质提升为控源截污贡献;2018年9—12月水质提升为活水循环与生态修复的贡献。计算得控源截污对COD、氨氮、总磷削减贡献率分别为64%、83%和73%;相应的活水循环与生态修复的贡献率分别为36%、17%和27%。水质提升综合贡献率为对COD、氨氮、总磷削减贡献率的平均值。可得控源截污对水质提升贡献率73%,活水循环和生态修复对水质提升贡献率27%。

      2019年3月,开展活水循环和生态修复分别对水质提升贡献率测算的试验,选取2次中小雨后的水质恢复过程,第1次采用活水循环与生态修复的组合措施提升水质,第2次仅采用生态修复措施,期间对小涞港水质进行测量,水质变化过程如图8所示。从图8可以看出,活水循环和生态修复组合措施对小涞港水质净化效率明显高于生态修复措施。活水循环不仅增加了水体溶解氧水平,也为水生生物提供了适宜的生态空间,提高了生态系统的净化能力。

      图  8  活水循环与生态修复措施条件下水质变化

      Figure 8.  Water quality variation using water circulation and ecological restoration measures

      生态修复、活水循环对进博会水质提升贡献率的计算如下:

      $${\eta _3}{\rm{ = (}}\Delta {C_3} - \Delta {C_4})/\Delta {C_3}{\eta _2}$$ (3)
      $${\eta _4}{\rm{ = }}\Delta {C_4}/\Delta {C_3}{\eta _2}$$ (4)

      式中:${\eta _3}$为活水循环对水质提升的贡献率;${\eta _4}$为生态修复对水质提升的贡献率;$\Delta {C_3}$为试验期间活水循环和生态修复组合措施条件下水质浓度变化;$\Delta {C_4}$为试验期间仅生态修复措施条件下水质浓度变化。

      计算结果表明,活水畅流对进博会区域水质提升贡献率为15%,生态修复对进博会区域水质提升贡献率为12%。

      进博会区域构建的活水循环生态系统,从2018年9月运行以来,逐渐成熟稳定,对水质提升的贡献率也逐年提高。2018年11月首届进博会前后,水质从Ⅴ类逐渐提升至Ⅲ类,期间活水畅流调度有效化解了面源污染冲击与泵站放江,促进生态系统逐渐稳定。到2019年11月第二届进博会期间,以活水循环为基础的水生态系统净化效率进一步提高,水质从Ⅲ类提升至Ⅱ类。

    • 采用数值模拟与现场试验运行相结合的方法,开展水环境提升方案研究。根据进博会及周边区域水质差、水体浑浊、水动力弱等现状问题,提出了控源截污、生态修复、活水畅流等水环境综合提升措施。通过截污纳管、雨水管网冲洗、清淤疏浚等方式,对进博会区域点源、面源、内源污染进行削减;利用现有闸泵工程,通过水动力数值模拟与现场观测,制定了新建3座装配式溢流堰,形成三级水位的活水循环方案。构建以沉水植物为核心的生态系统,对重点区河道实施生态修复全覆盖,恢复河道生态系统,提升水体自净能力。

      工程运行后,核心区小涞港水体透明度大于1.5 m,重点区大于1.2 m,主要水质指标达Ⅱ~Ⅲ类。运行效果评估结果表明,控源截污对水质提升起主要作用,贡献占比约73%;活水畅流与生态修复对水质提升贡献占比约15%与12%。随着控源截污工作推进,面源污染与泵站放江越来越少,水生态系统逐渐成熟,净化效果越来越强,对进博会区域水质提升的贡献率将逐年提升。

参考文献 (12)

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