青島市李村河下游生態(tài)補水方案

楊仲韜，資 強，渠元闖，孟 濤，燕家琪

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381)

在河道綜合治理過程中，生態(tài)補水是在控源截污實施效果良好的前提下改善河道水環(huán)境的重要措施[1]。生態(tài)補水的作用主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是生態(tài)補水可以維持河道徑流，增加河道流速，有利于水體復(fù)氧，提高水體自凈能力；二是生態(tài)補水可維持水生動植物的基本生境，恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)。

近年來，青島市在《水污染防治行動計劃》、《李村河流域水環(huán)境治理工作方案》等的指導(dǎo)下，逐步實施了污水廠提標(biāo)改造、雨污分流、沿線污染源治理、河道生態(tài)化整治等綜合措施。由于缺少穩(wěn)定的補水，李村河下游河段多個斷面存在斷流現(xiàn)象。因此通過生態(tài)補水增加河道流量、提升河道水質(zhì)十分重要。文章主要對李村河綜合治理過程中的生態(tài)補水方案進行研究討論，為工程的實施和開展提供指導(dǎo)。

1 李村河概況

李村河全長16.7km，流域總面積139.0km2，是青島市區(qū)最大的水系，也是市區(qū)主要的防洪排澇河道，水清溝河、鄭州路河、大村莊河等共九條支流匯集于此。李村河是一條典型的季節(jié)性河流，暴雨季節(jié)，河道水位暴漲，而平時則河床中水量較少，部分區(qū)域野草叢生、土地裸露。李村河下游三角地至入?？诙文壳巴ㄟ^擋潮閘攔蓄一部分污水廠排放再生水及漲潮海水，形成長度約1000m、水面寬220～360m的蓄水區(qū)，蓄水深度0.8～2.5m。李村河勝利橋處設(shè)有國控水質(zhì)監(jiān)測斷面如圖1所示，水質(zhì)要求為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類標(biāo)準(zhǔn)以上。

圖1 李村河下游平面示意圖

2 生態(tài)補水工程重要性

自2009年以來，李村河沿線先后實施了一系列的整治工作，建設(shè)內(nèi)容包括截污、防洪、道路、橋梁、景觀綠化等，沿河修建了多處橡膠壩、跌水堰等，河道防洪能力得到有效加強，景觀效果大幅提升。

但是目前由于缺少穩(wěn)定的補水，李村河下游三角地至勝利橋河段多個斷面存在斷流現(xiàn)象?；诶畲搴铀可佟⑺|(zhì)差的現(xiàn)狀，在河道沿線實施控源截污的前提下，通過引調(diào)清潔水源對河道進行生態(tài)補水，從而改善河道水動力循環(huán)條件，恢復(fù)河道生態(tài)、保障河道水質(zhì)，是迫在眉睫的工作。此外，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對居住環(huán)境的要求日益提高，追求依山傍水、近山近水、樂山樂水、親山親水的山水情結(jié)也與日俱增[2]，補水工程營造的怡人水面景觀將為市民的休閑娛樂生活增添亮麗的色彩。綜上，本補水工程對保護及改善半島流域水環(huán)境質(zhì)量，促進半島流域經(jīng)濟、社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3 補水水源

常用的河道生態(tài)補水水源有雨水徑流、水庫蓄水、區(qū)域調(diào)水、再生水等。由于李村河為季節(jié)性河道，上游缺少穩(wěn)定、足量的徑流，沒有大型水庫，因此無法依靠上游來水和水庫蓄水對河道進行生態(tài)補水。雨水徑流補水僅在汛期有可行性，但需要解決雨水收集、調(diào)蓄、水質(zhì)凈化等一系列問題，工程難度大，成本高。青島市水資源并不充裕，依靠區(qū)域調(diào)水和采用地下水進行補水更不現(xiàn)實。城市污水廠再生水水量、水質(zhì)穩(wěn)定可靠，將之作為河道生態(tài)補水的水源、實現(xiàn)水資源循環(huán)利用是各大城市的通用做法。

青島市李村河流域現(xiàn)有李村河污水廠(25萬m3/d)、世園會再生水凈化廠(0.75萬m3/d)、張村河水質(zhì)凈化廠(4萬m3/d，在建)，另外計劃在三角地新建一座5萬m3/d的污水處理廠。

李村河上游世園會再生水凈化廠和張村河水質(zhì)凈化廠向下游補水4.75萬m3/d。但是由于三角地上游河段沿程蒸發(fā)量大、滲漏損失嚴(yán)重，現(xiàn)狀補水量難以滿足李村河下游的生態(tài)環(huán)境用水需求。位于李村河下游南岸入膠州灣口處的李村河污水處理廠，經(jīng)改造提標(biāo)及四期擴建工程后日處理能力將達到30萬m3，出水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1。該污水廠距離三角地約5km，且水量、水質(zhì)均能得到有效保證，是李村河下游理想的補水水源。綜上，本工程擬將李村河污水處理廠再生水通過泵站提升至三角地處給李村河下游補水。

表1 補水水源水質(zhì)及國控斷面水質(zhì)要求限值 單位：mg/L

4 補水規(guī)模

4.1 生態(tài)環(huán)境需水量

目前，計算河道內(nèi)生態(tài)需水量的方法眾多，由于不同河道所處區(qū)域、自身特點千差萬別，還未形成相應(yīng)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外河道內(nèi)生態(tài)需水量計算主要包括水文學(xué)法、水力學(xué)法、水文-生物分析法、生境模擬法、環(huán)境功能設(shè)定法等方法[3]。

李村河為季節(jié)性河流，非汛期河道內(nèi)流量很小，河道內(nèi)部分區(qū)域河床裸露，存在局部斷流現(xiàn)象，幾無水生脊椎動物生存，歷史流量資料缺乏，因此不宜采用水文學(xué)法、水文-生物分析法、生境模擬法等方法計算生態(tài)環(huán)境需水量。

水力學(xué)方法是根據(jù)河道水力參數(shù)確定河流所需流量，所需水力參數(shù)(河寬、水深、流速和濕周等)可以采用曼寧公式計算獲得，代表方法有濕周法[4]、R2-Cross法[5]等方法。該方法無需歷史流量及生物種群資料，較適合北方季節(jié)性缺水河流推算生態(tài)需水量。

環(huán)境功能設(shè)定法是一種將河流水量與水質(zhì)保護相結(jié)合的方法，是針對我國水環(huán)境污染嚴(yán)重狀況提出的[6- 7]。城市河流受人類活動影響較大，受到污染威脅較多，一般要求河流具有一定的納污稀釋功能，需要綜合考慮水質(zhì)保護與水量維持之間的關(guān)系。在水系發(fā)達、河網(wǎng)密布的地區(qū)可以借助數(shù)學(xué)模型對水動力、水質(zhì)進行分析研究[8- 9]。

綜上所述，結(jié)合李村河河道現(xiàn)狀及所掌握資料，本文采用水力學(xué)方法計算李村河下游最小生態(tài)需水量，并結(jié)合環(huán)境功能設(shè)定法分析補水工程對國控斷面水質(zhì)達標(biāo)的影響，計算該生態(tài)補水量下的水環(huán)境容量。

4.2 水力學(xué)法計算

R2-Cross方法[5]認(rèn)為河流流量的主要生態(tài)功能是維持河流棲息地，其采用河流寬度、平均水深、平均流速以及濕周率等指標(biāo)來評估河流棲息地的保護水平，從而確定河流生態(tài)流量。該法以曼寧方程為基礎(chǔ)，根據(jù)實測資料或設(shè)計資料確定相關(guān)參數(shù)，可依據(jù)水力參數(shù)將河流劃分區(qū)段，計算各區(qū)段的生態(tài)流量，并最終確定能維持河流生態(tài)流量的最小流量。

根據(jù)李村河下游綜合治理方案，李村河下游三角地至勝利橋段定位為生態(tài)溪流段，采用生態(tài)流速作為水力學(xué)法計算的控制條件。一般為保持城市水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，使系統(tǒng)中大多數(shù)水生動植物能夠生存，水體環(huán)境質(zhì)量在現(xiàn)狀條件下不會繼續(xù)惡化，可選擇0.3m/s作為城市河流的最小生態(tài)流速的參考值[10]。

李村河入?？谔幵O(shè)置了擋潮閘進行了蓄水，使得河水滯留，回水范圍至勝利橋附近，對于這段河道，擬從生態(tài)水深方面考慮它的生境適宜性。參考維多利亞河流的環(huán)境等級標(biāo)準(zhǔn)[10]，該河段的平均水深需維持在1.5m以上。

李村河三角地至勝利橋河段水面寬度25～30m，比降約為1‰～2‰；勝利橋至擋潮閘段水面寬度250～370m，比降約為0.6‰。結(jié)合河道內(nèi)水生植物生長情況，河道糙率取值為0.033～0.035。因河道水力情況較為復(fù)雜，計算采用明渠非均勻流公式，通過上文擬定的河道水力要素進行反復(fù)試算，并結(jié)合沿線其他補水需求確定補水規(guī)模。

最終確定李村河污水處理廠向李村河下游(三角地至入海口段)生態(tài)補水總規(guī)模為20萬m3/d，其中向李村河三角地位置補水15萬m3/d，向李村河下游主要支流(水清溝河、大村河等)及沿線景觀綠化澆灌等補水5萬m3/d。該補水量補入李村河下游后，可維持三角地至勝利橋段平均水深為0.32m，平均流速為0.3m/s，擋潮閘蓄水段平均水深為1.55m。河道沿程平均水深及平均流速情況如圖2所示。

圖2 補水工程實施后李村河下游沿程平均水深及平均流速

4.3 環(huán)境功能校核

以水體中BOD和溶解氧沿程濃度變化情況作為校核該生態(tài)補水規(guī)模的依據(jù)。目前，在不考慮水體中植物產(chǎn)氧及底泥沉降等影響的條件下，水體中BOD降解速率及溶解氧復(fù)氧速率計算方法較為成熟，一般采用如下公式進行計算[11]。

(1)

(2)

式中,L—x處河水中的BOD濃度，mg/L；C—x處河水中的溶解氧濃度，mg/L；Cs—河水某溫度時中的飽和溶解氧濃度，mg/L；u—河水平均流速，m/s；K1—BOD衰減系數(shù)，d-1；K2—溶解氧衰減系數(shù)，d-1。

(3)

DL=1.76×10-4×[1.037(T-20)]

(4)

本工程補水水源BOD濃度和下游國控斷面水質(zhì)要求BOD濃度限值均為10mg/L。根據(jù)BOD衰減系數(shù)的研究成果，K1取值在0.01～0.05d-1[12]。由于該段河道長度較短，在4km左右，補水沿程歷時約為6.5h，BOD降解比例小于9%，因此河道的自凈作用對BOD消減作用有限，即該段河道以BOD計的環(huán)境容量極小。該段河道需貫徹落實沿線控源截污，確保污水不進入河道，才能保證國控斷面BOD指標(biāo)達標(biāo)。

對于溶解氧沿程變化情況，將該河段微分為5m每區(qū)間進行計算，即dx，取值為5m。根據(jù)李村河污水廠再生水的水質(zhì)情況，補水水體溶解氧初始濃度為2mg/L，計算結(jié)果表明至擋潮閘蓄水區(qū)可復(fù)氧至6.1mg/L左右。根據(jù)國內(nèi)一些學(xué)者的研究結(jié)果，河流中適宜魚類生存的溶解氧應(yīng)達到5mg/L[13]，所以實施本補水工程后在擋潮閘蓄水區(qū)段可形成較為適宜魚類生存的條件。溶解氧及BOD沿程濃度變化情況如圖3所示。

圖3 補水工程實施后李村河下游溶解氧及BOD濃度沿程變化情況

5 輸水方案比選

根據(jù)李村河污水處理廠改造提標(biāo)及四期擴建工程(以下簡稱污水廠四期工程)情況，生態(tài)補水與該工程結(jié)合相對較為合適，但需要等到污水廠四期工程建成后才具備補水條件。李村河水環(huán)境治理是青島市政府2018年的重點工作，考慮李村河總體水環(huán)境治理時間上的緊迫性，提早實現(xiàn)向河道內(nèi)補水，配合李村河其他水環(huán)境治理措施改善河道水質(zhì)是迫在眉睫的工作。因此，綜合李村河河道水環(huán)境治理總體措施布局及時間要求和污水廠四期工程，提出以下輸水工程方案：

(1)方案一

采用5萬m3/d+15萬m3/d建設(shè)方案：利用老廠區(qū)已建中水泵站，新建DN800管線至三角地，輸水規(guī)模5萬m3/d；15萬m3/d生態(tài)補水泵站在污水廠四期工程先行建設(shè)，近期自老廠區(qū)濾布濾池取水，在污水廠四期工程建成后切換至污水廠四期工程排放泵房取水。15萬m3/d補水泵站至河道岸邊采用DN1200管線輸水，于排河口位置連接排放井及河內(nèi)DN1200管線，在非汛期向三角地補水點輸水15萬m3/d，汛期河道不需要補水時，通過排河口閥門切換，由排河井直接排入河道。

(2)方案二

20萬m3/d生態(tài)補水泵站結(jié)合污水廠四期工程排河泵站建設(shè)，利用廠區(qū)排河的其中一根DN1600管線輸水，在DN1600管線排河口位置連接DN1600管線向三角地補水點輸水20萬m3/d。排河管與再生水管共用，在汛期河道不需要補水時，通過廠內(nèi)水泵及排河口閥門實現(xiàn)一個管道兩種功能的切換。

(3)方案三

在李村河污水廠排河管末端的河邊綠化帶內(nèi)新建20萬m3/d取水泵站，泵站結(jié)合排水口，自排河管道末端取水，通過新建一根DN1600管道向三角地補水點輸水，管道補水規(guī)模20萬m3/d，富余的水通過溢流口溢流入河。

方案選擇：對比各方案的優(yōu)缺點，方案二和方案三直接采用DN1600鋼管輸送20萬m3/d較為簡潔，如果DN1600管道具備敷設(shè)條件且通水時間滿足李村河水環(huán)境治理進度的話，是較為可行的方案。但一方面DN1600管道在河道內(nèi)敷設(shè)需要穿越多處障礙，包括鐵路橋、公路橋、橡膠壩等，施工難度大、工期長；另一方面進入6月汛期后，更加劇了施工難度?？紤]李村河總體水環(huán)境治理時間上的緊迫性，方案二和方案三在時間上不能滿足李村河總體水環(huán)境治理需求。其次，方案三的取水泵站位置與高壓電纜沖突，不能滿足施工及后期運行要求。

方案一首先在時間上可實現(xiàn)2018年5月份DN800管道的5萬m3/d首先通水，滿足李村河總體水環(huán)境治理前期補水需求，同年10月份DN1200管道可實現(xiàn)15萬m3/d通水，滿足李村河水環(huán)境治理總體補水需求。其次DN800和DN1200在河道內(nèi)施工可采用定向鉆施工工藝穿越障礙，施工速度快。并且該方案也充分利用了廠區(qū)已建泵站，減小了新建泵站規(guī)模。綜上，推薦采用方案一，該方案平面布置如圖4所示。

圖4 方案一平面示意圖

6 結(jié)語

利用李村河污水處理廠的再生水對李村河下游進行生態(tài)補水是行之有效的工程方案，在補水規(guī)模為20萬m3/d時可維持李村河下游的最小生態(tài)流速和最小生態(tài)水深，保障河道生態(tài)性，進而逐步建立河道生態(tài)系統(tǒng)。結(jié)合河道沿線控源截污工作的有效開展，可保障國控斷面水質(zhì)達標(biāo)。輸水工程采用5萬m3/d+15萬m3/d方案：利用李村河污水處理廠已建泵站及DN800管道輸送5萬m3/d水量；利用在污水廠四期工程先行建設(shè)的生態(tài)補水泵站及DN1200管道輸送15萬m3/d水量。該方案管道工程施工速度快，泵站建設(shè)工程規(guī)模小，兼顧李村河水環(huán)境治理工程近期及遠期的補水要求，可取得較好的環(huán)境效益和生態(tài)效益。