廣州市人工湖補水工程自然曝氣效果研究

龐志研，高強，余安仁，廖國慶

廣州市是我國改革開放的前沿，隨著物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對生活環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高。而目前廣州市內(nèi)河涌的水質(zhì)差及缺水問題急待解決，因此河涌水環(huán)境治理是廣州市城市生態(tài)環(huán)境建設的重點。建設人工湖補水工程可以通過水利調(diào)度改善自然河流的水力特征，提高水體的流動性，從而解決湖區(qū)周邊大部分河涌的補水及水質(zhì)改善問題。本文選取了廣州市白云湖、海珠湖、長虹湖3個新開挖人工湖為研究對象，跟蹤監(jiān)測此類補水工程運行過程中關鍵節(jié)點及主流程的溶解氧變化情況，摸清此類水利工程對水體的自然曝氣效果，為相關水利工程運行提供借鑒。

補水工程特征

白云湖水利工程

白云湖是目前廣州最大的人工湖，占地總面積為2.07km2，水面面積1.05km2。白云湖主要水利工程設施如圖1所示。由廣和泵站從珠江西航道引水，通過4.7km的引水渠道，經(jīng)入湖閘進入西湖，然后經(jīng)3個涵洞進入湖間濕地，最后經(jīng)2個涵洞進入東湖。引水渠建造有鴉崗涌和心支涌分水閘，西湖建有心涌和?？谟糠炙l，東湖建有環(huán)涌和石井河分水閘，白云湖水利工程理論上可以為這6條河涌進水補水，目前主要為石井河補水。

海珠湖水利工程

海珠湖位于海珠區(qū)中心地帶，屬于廣州城市新中軸的南端,湖心區(qū)占地0.9484km2,水面面積0.53km2，主要水利工程設施如圖2所示。海珠湖由內(nèi)湖和外湖組成，其水流方向是石榴崗河閘控制河水進入外湖，外湖湖水再通過南水閘進入內(nèi)湖，內(nèi)湖湖水按設計工況通過西水閘進入外湖，外湖與周邊的大圍涌、大塘涌、上沖涌、楊灣涌及西碌涌分別經(jīng)過分水閘連接。

長虹湖水利工程

表1 人工湖補水工程溶解氧監(jiān)測關鍵斷面設置表

表2 人工湖進出水口自然曝氣溶解氧情況

表3 人工湖補水工程DO增幅與水面面積關系

研究內(nèi)容與方法

研究內(nèi)容

（1）通過現(xiàn)場試驗，調(diào)查白云湖、海珠湖、長虹湖3個人工湖補水工程運行過程中關鍵節(jié)點及主流程水體溶解氧（DO）含量變化情況。

（2）初步探討不同補水工程對水體的自然曝氣效果及其影響因素，把握不同水工環(huán)境下，水動力條件對各補水工程DO含量變化的影響規(guī)律。

試驗方法

根據(jù)各補水工程的主流向情況，采用美國YSI-ProODO溶氧儀現(xiàn)場測試3個人工湖關鍵斷面在自然曝氣條件下的溶解氧與水溫指標，各補水工程的監(jiān)測斷面設置如表1所示。

試驗結(jié)果與分析

人工湖補水工程主流向關鍵節(jié)點溶解氧情況

白云湖的進水口監(jiān)測斷面為廣和泵站前池，出水口監(jiān)測斷面為石井河閘；海珠湖進水口監(jiān)測斷面為石榴崗河閘，出水口指標取內(nèi)湖3個不同樣點平均值；長虹湖進水口監(jiān)測斷面為東圃泵站，出水口指標取長虹湖3個不同樣點平均值。

三個人工湖補水工程自然曝氣工況進水口與出水口的溶解氧情況見表2。白云湖補水工程出水口的溶解氧較進水口增幅最大（達92.67%），其次是海珠湖（56.30%），增幅最小的是長虹湖（只有2.45%）。其中白云湖與海珠湖兩個人工湖補水工程的出水口溶解氧含量均達到地表水Ⅱ類標準（DO≥6mg/L），但長虹湖只達到地表水Ⅳ類標準（DO≥3mg/L），而且受源水DO含量的影響較大。整體上，人工補水工程調(diào)度水體的措施可以基本維持水體自然曝氣的效果，在一定程度上可以有效提高水體的溶解氧含量，長虹湖的進出水溶解氧含量變化不大有可能與其獨特的水利工程設施形成的水文水力特征有關，需深入對比分析此3個人工湖補水工程的差異性。

水面面積與水體自然曝氣效果的關系

3個人工湖補水工程中，白云湖的水面面積最大（達到1.05k m2），其次是海珠湖（0.53km2），最小的是長虹湖（0.048km2）。3個人工湖補水工程DO增幅與水面面積比見表3。

白云湖和長虹湖均為長時間為下游補水的人工湖，而海珠湖目前最大的功能是維持內(nèi)湖的景觀水位，其調(diào)補水工況不同于白云湖和長虹湖。白云湖的DO自然曝氣增幅與水面面積比高于長虹湖，這與較大水面面積有利于空氣中的氧溶于水中的氣—液相傳質(zhì)、擴散過程有直接關系；海珠湖的水面DO單位增幅最高，則可能是海珠湖內(nèi)湖水體更長的水力停留時間形成持續(xù)的自然曝氣效果；而長虹湖的水面面積最小，其單位面積的溶解氧增幅也是3個人工補水工程中最低的。整體上，仍是水面面積越大越有利于自然曝氣效果的維持與實現(xiàn)。

補水干線對水體自然曝氣的影響

3個人工湖補水干線的情況如表4所示。白云湖工程從廣和泵站到湖區(qū)為4.7km的引水渠道，海珠湖工程從石榴崗閘到外湖為2.5km的自然河道，而長虹湖工程從東圃泵站到長虹湖為9.425km的地下埋管。

從補水干線長度對補水曝氣效果的影響分析，可以得出白云湖人工引水渠道干線DO單位距離增幅最高（3.91%/km），其次是海珠湖自流補水河道干線DO單位距離增幅（2.76%/km），效果最差的是長虹湖人工補水埋管干線（0.26%/km）。雖然長虹湖的埋管距離最長，但由于無法與空氣接觸，因此其補水干線的溶解氧單位距離增幅最低；白云湖與海珠湖這類露天的引水干線更有利于水體溶解氧的提高，而白云湖人工引水渠道的單位距離溶解氧增幅高于海珠湖的自流補水河道，其原因有可能與人工補水泵站的抽水作業(yè)有關。

表4 人工湖補水干線對水體自然曝氣的影響

表5 白云湖工程不同補水工況對水體自然曝氣的影響

不同補水工況對水體自然曝氣的影響

以白云湖為例，由于白云湖的補水工況與廣和泵站的開泵臺數(shù)密切相關，不同的開泵臺數(shù)產(chǎn)生的水力特征（流速、流量等）不同，因此對水體的自然曝氣必然存在影響，針對白云湖開泵臺數(shù)較多的工況（1臺泵和2臺泵）進行連續(xù)監(jiān)測，其結(jié)果見表5。

對于白云湖引水渠道單元，廣和泵站運行1臺泵與2臺泵工況下的水體自然曝氣效果差別不大，1臺泵的工況（增幅18.77%）略高于2臺泵的工況（增幅17.01%）；這與引水渠道較單一的直流水力特征情況相對應，開泵臺數(shù)越多水體在引水渠道中流速越快，其相應的停留時間越短，越不利于水體的自然曝氣。而湖區(qū)單元的情況就差異明顯，廣和泵站運行2臺泵工況下，湖區(qū)出口水體自然曝氣增幅達到144.78%，遠高于1臺泵工況下的78.15%；湖區(qū)的情況有別于引水渠道，湖內(nèi)水體流向較多樣，流量越大其不同水體流向的律動越明顯，在單位停留時間內(nèi)與大氣進行氣液擴散的水體越充分，更有利于水體的自然曝氣。

生態(tài)水利工程對溶解氧的要求

生態(tài)水利工程設計主要是模仿成熟的河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，力求最終形成一個健康、可持續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)。而健康、可持續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)對水體溶解氧（DO）是有一定要求的，過高和過低的DO含量對水生生物均造成危害，按照地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 3838—2002）分類，等于及優(yōu)于Ⅲ類的水質(zhì)狀況才能基本滿足魚類等水生生物的基本要求，因此可以采用DO的Ⅲ類限值5mg/L為生態(tài)水利工程的基本下限。

綜合上述分析結(jié)果，人工補水工程主要包括輸水管道與人工湖兩部分主體水利工程，其中人工湖的自然曝氣基本可以維持水體較高的溶解氧水平，而輸水管道則存在自然曝氣效率較低的情況，應當根據(jù)源水溶解氧的含量在輸水管道上適當配置合適的人工增氧措施，有效提高水體中的溶解氧含量以適應生態(tài)水利工程的要求。

結(jié)論

①對廣州市3個人工湖補水工程的關鍵節(jié)點DO含量監(jiān)測結(jié)果顯示：補水工程調(diào)度水體的措施，尤其是人工湖營造的開闊水面，可以有效維持水體自然曝氣的效果，提高出口水體的溶解氧含量。②在相近的水力停留時間情況下，水面面積越大越有利于水體自然曝氣。③開放性露天的引水渠/河道比地埋式暗管更有利于水體的自然曝氣。④以白云湖為例可以初步得出：不同開泵工況對引水渠道與湖區(qū)水體的自然曝氣效果影響不同；開泵臺數(shù)對引水渠道這類較單一的水體環(huán)境曝氣效果影響差異不大；而湖區(qū)水體在開泵臺數(shù)越多的情況下自然曝氣效果越好。