進博會區(qū)域河網(wǎng)水環(huán)境提升與效果評估

陳慶江，丁 瑞，王維維

(1. 上海城投(集團)有限公司，上海 200020；2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3. 上海市青浦區(qū)水務(wù)局，上海 201700)

首屆中國國際進口博覽會（進博會）于2018年11月在上海市國家會展中心舉辦，會展中心位于上海市青浦區(qū)西虹橋商務(wù)區(qū)。進博會周邊小淶港等河道緊鄰國家會展中心，剛于2017年脫離黑臭，本底條件較差，亟需尋求水環(huán)境綜合提升的系統(tǒng)解決方案，提升進博會區(qū)域水環(huán)境。進博會區(qū)域?qū)儆谄皆泳W(wǎng)區(qū)，近年來國內(nèi)外開展了大量平原河網(wǎng)城市水環(huán)境提升的研究與實踐[1-3]，大多采用控源截污、活水暢流[4-7]、生態(tài)修復(fù)[8-9]等措施提升水環(huán)境，但生態(tài)修復(fù)的河道通常為封閉滯流水體，生態(tài)修復(fù)與活水暢流難以兼顧。本文在充分調(diào)研區(qū)域現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，因地制宜提出水動力提升方案，在控源截污的基礎(chǔ)上，開展生態(tài)修復(fù)，并形成循環(huán)流動的水動力格局，促進區(qū)域循環(huán)凈水-生態(tài)修復(fù)的良性循環(huán)。通過現(xiàn)場長期原型觀測，分析了河網(wǎng)水環(huán)境提升效果，評估了控源截污、生態(tài)修復(fù)、活水暢流等措施對水環(huán)境提升的貢獻率。

1 研究區(qū)域概況

國家會展中心位于上海市青浦區(qū)徐涇鎮(zhèn)，地處青浦區(qū)、閔行區(qū)與松江區(qū)交界。進博會水質(zhì)提升范圍約12 km2，核心區(qū)為小淶港國家會展中心段，長2.0 km；重點區(qū)包含國家會展中心周邊徐涇江、涇北河等河道，面積約3.6 km2；延展區(qū)為北蟠龍港以南，苗涇港以北，西蟠龍港以東，小淶港以西除重點區(qū)以外區(qū)域，面積約8.4 km2。

進博會研究區(qū)域水質(zhì)主要問題包括：①控源截污不到位，底泥未疏浚，持續(xù)釋放污染物，點源面源入河污染負荷重；②研究區(qū)域水質(zhì)差，為Ⅴ～劣Ⅴ類，SS，NH3-N及TP嚴(yán)重超標(biāo)，透明度低（30～40 cm）；③周邊水體渾濁，水質(zhì)不穩(wěn)定（Ⅳ～劣Ⅴ類），缺少清水水源；④河道水系連通性差，水流不暢，洋涇港、規(guī)劃新開河、羅家浪浜等斷頭河未連通；⑤周邊調(diào)控工程系統(tǒng)不完備，對河網(wǎng)水動力控制能力不足。

2 水環(huán)境提升方案

根據(jù)進博會區(qū)域特點，提出治理目標(biāo)為：核心區(qū)小淶港水質(zhì)Ⅳ類、透明度大于1.2 m；重點區(qū)水質(zhì)Ⅳ類、透明度大于1.0 m。采取因地制宜、系統(tǒng)綜合治理的理念，在保障防洪排澇安全的基礎(chǔ)上，改善場館周邊水環(huán)境。治理方案考慮近期與遠期銜接，治理工程考慮臨時與永久相結(jié)合。綜合運用現(xiàn)有閘泵工程，通過控源截污、活水暢流、生態(tài)修復(fù)等措施，合理配水，增加河網(wǎng)水動力，增大水環(huán)境容量，實現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境改善的良性循環(huán)。

圖 1 區(qū)域排污口分布與雨水強排泵站位置Fig. 1 Distribution of sewage outlets and location of drainage pump station in CIIE area

2.1 控源截污

2.1.1 點源污染防控 2017年對進博會區(qū)域開展拉網(wǎng)式排查和管道閉路電視檢測系統(tǒng)（CCTV）檢測，調(diào)查出污染源分布如圖1所示，區(qū)域內(nèi)有61個旱流污水排放口、50個雨污混接小區(qū)、250個分散點位及若干排污工地等。開展點源污染控制措施，封堵河道排放口131個，改造9個居住小區(qū)、3條市政道路；改造企事業(yè)單位、沿街商鋪、自然村落等12處分散點位截污納管。對于管道老舊的居住小區(qū)，采取開挖翻排措施進行雨污分流改造；對于市政道路管道，采用非開挖修復(fù)方式進行改造，局部問題較為突出的點位，采取道路開挖方式修復(fù)；根據(jù)分散點位的位置，就近接入市政污水管道。

2.1.2 面源污染治理 本次研究區(qū)域匯水面積約16.2 km2，其中，國家會展中心1.2 km2屬于強排區(qū)（圖1），其他為自流區(qū)。會展中心區(qū)域強排雨水泵站為規(guī)劃六路（會卓路）雨污水合建泵站（雨水泵流量為14.0 m3/s），其初期雨水截流規(guī)?？蛇_到4 800 m3/d。

首屆進博會于2018年11月5—10日舉辦，需重點關(guān)注10—11月期間降雨引起的面源污染。統(tǒng)計分析徐涇站2007—2017年10月15日—11月15日的降雨次數(shù)和最大降雨量見圖2，采用保證率頻率法對徐涇鎮(zhèn)2018年10月15日—11月15日降雨進行預(yù)測，結(jié)果表明期間85%保證率的降雨次數(shù)為10 次，85%保證率的最大降雨量為15 mm。因此，需要采取一定措施減少初期雨水帶來的面源污染，對重點區(qū)15 km雨水管網(wǎng)進行沖洗，沖洗后污水進污水處理廠，對小淶港等重要河道排口（圖1）采取臨時封堵或雨水閘門控制等措施。

圖 2 徐涇站2007—2017年10月15日—11月15日降雨次數(shù)與最大降雨量Fig. 2 Rainfall days and maximum rainfall of Xujing station from October 15 to November 15, 2007 to 2017

2.1.3 內(nèi)源污染治理 對工程范圍內(nèi)的河道進行疏浚，通過清除污染的底泥，減少內(nèi)源污染釋放。根據(jù)水質(zhì)提升要求與近年來河道底泥資料分析可知，主要清淤疏浚區(qū)域為涇北河與小淶港等河道。

圖 3 活水自循環(huán)方案布置Fig. 3 Layout of water circulation scheme

2.2 活水暢流

2.2.1 方案制定 以“流水不腐”為核心理念，綜合利用現(xiàn)有閘泵工程，新建3座裝配式活動溢流堰（徐靈路、謝衛(wèi)路、徐涇江溢流堰），形成可通可控的研究區(qū)域，如圖3所示。充分利用北蟠龍泵站（4.4 m3/s）、東向陽泵站（4.4 m3/s）進行原位凈化動力引水，通過動力調(diào)控促進水體在研究范圍內(nèi)循環(huán)流動，形成北蟠龍港-小淶港-徐涇江-涇北河-北蟠龍港的循環(huán)流動格局。

2.2.2 模型構(gòu)建與率定 構(gòu)建一維河網(wǎng)水動力模型，采用有限差分法求解一維河網(wǎng)水動力學(xué)，采用Preissman四點隱格式對St.Vennant方程組進行離散化求解。一維河道（河網(wǎng)）的洪水運動用St.Vennant方程組描述，其上、下游邊界的控制條件一般采用水位過程控制、流量過程控制、流量-水位關(guān)系控制等形式。由基本方程、邊界條件和初始條件共同組成一維水流運動的定解問題[10-12]。

模型研究區(qū)域12 km2，創(chuàng)建河道總長度35.3 km，閘門8座、泵站7座。對區(qū)域內(nèi)河道賦予不同的糙率初始值，主干河道小淶港n選取0.025，其余河道n選取0.03。區(qū)域規(guī)劃除澇最高水位為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。

徐涇水閘、謝衛(wèi)路溢流堰水位作為水位邊界。北蟠龍泵閘和東向陽泵閘各開啟1臺泵（2.2 m3/s）向北排水，徐靈路和謝衛(wèi)路溢流堰頂高程3.0 m，徐涇江溢流堰頂高程2.7 m，李涇橋閘門開度40 cm，形成三級水位差，有序自流活水。

采用2018年9月18—20日現(xiàn)場原型觀測結(jié)果進行模型率定驗證，選取徐涇江-諸光路斷面作為模型內(nèi)部率定驗證點，模型計算結(jié)果與實測水位對比如圖4所示，模型率定結(jié)果表明，各站點的計算水位和實測水位的變化過程趨勢相似，且最大誤差小于3 cm，流量計算與實測相對誤差小于10%，模型滿足計算要求，能夠較準(zhǔn)確地模擬進博會區(qū)域河網(wǎng)水動力特性。

圖 4 模型內(nèi)部驗證點水位實測值與計算值對比Fig. 4 Comparison of the measured and calculated water levels at the internal verification point of the model

2.2.3 方案效果模擬 通過閘泵堰聯(lián)合調(diào)控，形成三級水位，北蟠龍港-徐靈路溢流堰水位3.2～3.3 m，小淶港核心區(qū)水位3.1～3.2 m，研究范圍內(nèi)其他河道水位2.7～2.8 m，均高于外圍水位，外圍水位受潮位影響，一般為2.5～2.7 m。

數(shù)值計算結(jié)果表明，核心河道小淶港流速約0.08～0.15 m/s，徐涇江、涇北河等重點區(qū)河道流速0.10～0.15 m/s，除斷頭浜外其余河道流速約0.04～0.06 m/s。通過閘泵堰聯(lián)合調(diào)度，80%流量在重點區(qū)循環(huán)流動，20%流量進入延展區(qū)，然后流到進博會區(qū)域外，惠及周邊。

2.3 生態(tài)修復(fù)

構(gòu)建以沉水植物為核心的生態(tài)系統(tǒng)，沉水植物能夠高效吸收氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，抑制底泥再懸浮及氮磷營養(yǎng)鹽釋放，促進氮的硝化-反硝化作用及磷的沉降；能夠產(chǎn)生大量的原生氧，長久保持水體高溶氧狀態(tài)；為浮游動物提供避難所，增強生態(tài)系統(tǒng)對浮游植物的控制和系統(tǒng)的自凈能力。選擇耐污能力強、光合作用強、凈化效率高的苦草、狐尾藻、菊花草，輔以紅線草，恢復(fù)物種多樣性，最終實現(xiàn)水域生態(tài)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。底棲動物和肉食性魚類主導(dǎo)的水生動物群落與水生植物形成共生關(guān)系，輔助維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動穩(wěn)定進行。浮游動物可以捕食水體中的藻類、有機顆粒等，提高水體透明度，改善光照條件，促進水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。

對重點區(qū)河道實施生態(tài)修復(fù)全覆蓋，提升重點區(qū)水體自凈能力，范圍涵蓋小淶港、徐涇江、涇北河等8條河道，在小淶港等重點水域設(shè)置單排管道曝氣系統(tǒng)，搭配涌浪機形成局部微水體循環(huán)，加強水體增氧效果。

3 運行效果及分析

3.1 運行效果

首屆進博會水環(huán)境提升工程于2018年8月完成，工程運行后，河網(wǎng)水質(zhì)顯著提升，水體流動性大幅改善，生態(tài)系統(tǒng)得到修復(fù)，自凈能力提升，河道水環(huán)境大幅改善。核心區(qū)小淶港水體透明度大于1.5 m，徐涇江、涇北河等重點區(qū)河道水體透明度大于1.2 m。重點區(qū)內(nèi)河道主要水質(zhì)指標(biāo)均已達Ⅲ～Ⅳ類，小淶港COD隨時間變化情況如圖5所示，小淶港水質(zhì)隨時間不斷提升，并于后期穩(wěn)定為Ⅲ類，局部時段水質(zhì)突然變差，主要受降雨后面源污染與泵站放江的影響。

小淶港氨氮與降雨量隨時間的變化如圖6所示?？梢钥闯?，到2018年11月首屆進博會前后，小淶港水質(zhì)總體維持在Ⅲ類；到2019年11月第二屆進博會前后，水質(zhì)已提升至Ⅱ類。局部時段水質(zhì)變差，主要發(fā)生在降雨期間，中小雨對水質(zhì)影響較小，大雨及以上時水質(zhì)明顯惡化，主要由于面源污染入河與泵站放江。通過小淶港上下游兩座溢流堰聯(lián)合調(diào)控，利用小淶港高水位優(yōu)勢，有效化解了污染負荷對水生態(tài)系統(tǒng)的沖擊，保障進博會區(qū)域雨天水環(huán)境。

圖 5 首屆進博會前后小淶港水質(zhì)隨時間變化Fig. 5 Variation of Xiaolaigang river water quality with time before and after the first CIIE

圖 6 小淶港氨氮與降雨量隨時間變化Fig. 6 Variation of NH3-N and rainfall with time of Xiaolaigang river

3.2 效果評估

小淶港與徐涇鎮(zhèn)平均水質(zhì)隨時間變化如圖7所示，小淶港及徐涇鎮(zhèn)平均水質(zhì)從2017年以來持續(xù)提升，2017年6—8月水質(zhì)本底為劣Ⅴ類，到2018年12月水質(zhì)已提升至Ⅲ類，期間主要通過控源截污、活水暢流、生態(tài)修復(fù)措施提升水質(zhì)。

圖 7 小淶港及徐涇鎮(zhèn)總體水質(zhì)變化Fig. 7 Overall water quality variation of Xiaolaigang river and Xujing town

控源截污、活水循環(huán)和生態(tài)修復(fù)對水質(zhì)提升的貢獻率測算方法如下所示：

對COD、氨氮、總磷分別按上述方法計算各項治理措施對水質(zhì)提升的貢獻率，2017年9月—2018年8月水質(zhì)提升為控源截污貢獻；2018年9—12月水質(zhì)提升為活水循環(huán)與生態(tài)修復(fù)的貢獻。計算得控源截污對COD、氨氮、總磷削減貢獻率分別為64%，83%和73%；相應(yīng)的活水循環(huán)與生態(tài)修復(fù)的貢獻率分別為36%，17%和27%。水質(zhì)提升綜合貢獻率為對COD、氨氮、總磷削減貢獻率的平均值?？傻每卦唇匚蹖λ|(zhì)提升貢獻率73%，活水循環(huán)和生態(tài)修復(fù)對水質(zhì)提升貢獻率27%。

2019年3月，開展活水循環(huán)和生態(tài)修復(fù)分別對水質(zhì)提升貢獻率測算的試驗，選取2次中小雨后的水質(zhì)恢復(fù)過程，第1次采用活水循環(huán)與生態(tài)修復(fù)的組合措施提升水質(zhì)，第2次僅采用生態(tài)修復(fù)措施，期間對小淶港水質(zhì)進行測量，水質(zhì)變化過程如圖8所示。從圖8可以看出，活水循環(huán)和生態(tài)修復(fù)組合措施對小淶港水質(zhì)凈化效率明顯高于生態(tài)修復(fù)措施。活水循環(huán)不僅增加了水體溶解氧水平，也為水生生物提供了適宜的生態(tài)空間，提高了生態(tài)系統(tǒng)的凈化能力。

圖 8 活水循環(huán)與生態(tài)修復(fù)措施條件下水質(zhì)變化Fig. 8 Water quality variation using water circulation and ecological restoration measures

生態(tài)修復(fù)、活水循環(huán)對進博會水質(zhì)提升貢獻率的計算如下：

計算結(jié)果表明，活水暢流對進博會區(qū)域水質(zhì)提升貢獻率為15%，生態(tài)修復(fù)對進博會區(qū)域水質(zhì)提升貢獻率為12%。

進博會區(qū)域構(gòu)建的活水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，從2018年9月運行以來，逐漸成熟穩(wěn)定，對水質(zhì)提升的貢獻率也逐年提高。2018年11月首屆進博會前后，水質(zhì)從Ⅴ類逐漸提升至Ⅲ類，期間活水暢流調(diào)度有效化解了面源污染沖擊與泵站放江，促進生態(tài)系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定。到2019年11月第二屆進博會期間，以活水循環(huán)為基礎(chǔ)的水生態(tài)系統(tǒng)凈化效率進一步提高，水質(zhì)從Ⅲ類提升至Ⅱ類。

4 結(jié) 語

采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗運行相結(jié)合的方法，開展水環(huán)境提升方案研究。根據(jù)進博會及周邊區(qū)域水質(zhì)差、水體渾濁、水動力弱等現(xiàn)狀問題，提出了控源截污、生態(tài)修復(fù)、活水暢流等水環(huán)境綜合提升措施。通過截污納管、雨水管網(wǎng)沖洗、清淤疏浚等方式，對進博會區(qū)域點源、面源、內(nèi)源污染進行削減；利用現(xiàn)有閘泵工程，通過水動力數(shù)值模擬與現(xiàn)場觀測，制定了新建3座裝配式溢流堰，形成三級水位的活水循環(huán)方案。構(gòu)建以沉水植物為核心的生態(tài)系統(tǒng)，對重點區(qū)河道實施生態(tài)修復(fù)全覆蓋，恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)，提升水體自凈能力。

工程運行后，核心區(qū)小淶港水體透明度大于1.5 m，重點區(qū)大于1.2 m，主要水質(zhì)指標(biāo)達Ⅱ～Ⅲ類。運行效果評估結(jié)果表明，控源截污對水質(zhì)提升起主要作用，貢獻占比約73%；活水暢流與生態(tài)修復(fù)對水質(zhì)提升貢獻占比約15%與12%。隨著控源截污工作推進，面源污染與泵站放江越來越少，水生態(tài)系統(tǒng)逐漸成熟，凈化效果越來越強，對進博會區(qū)域水質(zhì)提升的貢獻率將逐年提升。