基于入湖TP負荷的杭州西湖引配水過程優(yōu)化研究

徐澤琪，尤愛菊，滑 磊

（浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設計研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

杭州西湖是著名的城市景觀湖泊，列入世界文化遺產名錄，具有非常重要的旅游價值和生態(tài)環(huán)境意義。2000年始，杭州市委和市政府實施了西湖綜合保護工程，采取湖底疏浚、入湖溪流整治、西湖西進、引配水、水域生態(tài)修復等多項措施，有效削減了入湖污染負荷，增強了湖泊水體更新能力，水環(huán)境質量改善明顯[1-2]。2007年始，杭州西湖風景名勝區(qū)管委會相繼實施國家“十一五”“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項項目，在蘇堤以西和北里湖水域實施沉水植被修復工程，上述湖區(qū)水環(huán)境得到進一步改善[3]。

西湖流域面積27.25 km2（含湖面6.39 km2），流域內林地、茶園等主要的紅壤土層薄而且疏松，極易受雨水沖刷淋溶而釋出污染物，是西湖入湖污染物的主要來源之一[3]；流域輸入的污染源大部分沉積在湖底，在夏季高溫季節(jié)再向水體釋放，使得部分湖區(qū)尤其是外湖總磷TP濃度出現(xiàn)季節(jié)性的峰值[1]；40×104t/d的引配水進口主要集中在蘇堤以西湖區(qū)，加上湖泊水動力較弱[4]，湖泊水質分區(qū)差異顯著（見圖1）。營養(yǎng)指標監(jiān)測結果表明，西湖水體仍處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)[1,4]。

圖1 2013.08西湖TP濃度空間分布圖

TP是西湖富營養(yǎng)化的主要控制指標[1,5]，分析其污染來源及時程變化特征，對進一步提高西湖水質十分必要。通過文獻調研結合“十二五”水體污染控制與治理重大專項“湖蕩濕地重建與生態(tài)修復技術及工程示范”子項目（2012ZX07101-007-005）（以下簡稱“項目”）的相關研究成果，對西湖入湖污染負荷進行測算與評估；基于入湖負荷的年內分配特征，采用零維TP模型，進行西湖外湖區(qū)配水過程的優(yōu)化模擬，以期為西湖水環(huán)境的持續(xù)改善提供參考與借鑒。

1 西湖TP負荷分析

經(jīng)過多年的綜合整治，西湖流域內居民生活和賓館餐飲等經(jīng)營性污染源已基本完成截污納管[2]，故本次分析不單獨計算點源負荷，著重分析大氣沉降負荷、流域面源負荷、引水入湖負荷和底泥釋放負荷。

1.1 大氣沉降負荷

早在1985年，陳田耕[7]等對西湖磷的來源進行分析，根據(jù)雨水磷含量的觀測，推測1980年湖面降水帶入西湖的磷負荷為0.17 t（其時西湖水面面積為5.60 km2）。2010年焦峰等[7]以相對封閉的西湖北里湖為研究對象，通過在湖中設置大氣沉降采樣點，對大氣入湖的N和P進行監(jiān)測、估算，得到3—8月北里湖TN輸入量為1 202.20 kg，TP輸入為15.02 kg；按此推算得全年全湖區(qū)TP負荷約0.27 t。李太謙[8]等采集與分析了杭州北里湖2010年2—7月中的干濕沉降，得到TN、TP的月沉降通量平均為427.45 kg/km2和5.96 kg/km2，由此估算得全年全湖區(qū)沉降量為0.46 t。楊俊[9]等于2013年10月至2014年11月在西湖湖心（湖心亭），東部（一公園、湖畔居），北部（葛嶺），西部（茅家埠），南部（小南湖）等湖區(qū)開展了大氣營養(yǎng)鹽沉降觀測，測算出西湖全年總TN沉降率為6 234.64 kg/km2，TP沉降率為63.85 kg/km2；按沉降率測算得到全年全湖區(qū)的大氣入湖TP為0.41 t。

大氣沉降負荷主要受空氣質量、氣象條件等因素影響；其觀測結果又受監(jiān)測布點、監(jiān)測季節(jié)和環(huán)境擾動等影響?？紤]到楊俊等在湖區(qū)布點較多、觀測時間較長，故本次取用其觀測結果。根據(jù)其對不同監(jiān)測點不同季節(jié)沉降率的觀測結果，推算得不同湖區(qū)、不同季節(jié)的沉降量，見表1。

表1 西湖不同湖區(qū)磷鹽沉降量 單位：kg

1.2 流域面源負荷

1988年至1989年，焦荔[10]等對西湖流域的非點源進行了定量調查，利用SCS曲線數(shù)學方程和美國通用土壤流失量方程計算出非點源污染的地表徑流量、土壤流失量、營養(yǎng)物質流失量，從而得到全流域TN、TP年負荷分別為42.40 t和2.13 t。董亮等[11]利用1988年8月1日至1989年7月31日的實測數(shù)據(jù)，對西湖流域的金沙澗、龍弘澗和長橋溪流域的非點源污染進行模擬，得到西湖流域非點源總氮負荷為34.52 t，總磷負荷為1.33 t。唐孟成[5]等通過研究表明，西湖流域內土壤表土富磷和暴雨的沖刷及淋溶是導致雨后徑流磷濃度提高的主要原因，2011年梅雨和臺風雨雨后徑流的磷凈輸出為1.77 t。張上化[12]基于SWAT模擬結果，得到2016年和2017年西湖各子流域污染負荷的空間分布，測算得到西湖流域TN、TP年均入湖總量為15.52 t和3.03 t。

根據(jù)降雨資料推求各小流域的逐月產水量，將其和實測的當月入湖監(jiān)測斷面水質相乘，推求得2011年和2013年水文條件下的流域面源污染TP分別為3.84 t和3.75 t。由此分析的負荷量一方面包含了長橋溪配水水量3×104t/a攜帶的入湖負荷，另一方面包含了流域內滲漏的生活、旅游經(jīng)營等污染源，故比較其他研究成果偏大是合理的。

1.3 引水攜帶負荷

西湖全年引水分配比較均勻，但受水源水質影響出水TP濃度存在較大波動。根據(jù)西湖玉皇山預處理廠提供的2016—2019年資料，錢塘江源水TP濃度變幅為0.033～0.232 mg/L，玉皇山預處理廠出水TP濃度范圍在0.012～0.052 mg/L。根據(jù)出水水量和水質條件，計算得到引水入湖TP總負荷量為4.14 t。

1.4 底泥釋放負荷

1989年6月至7月，韓偉民等[13]在西湖涌金閘附近通過現(xiàn)場試驗得到西湖夏季平均釋磷速率為1.02（mg/m2）/d，并估算得到西湖底泥釋磷量為1.35 t/a。韓曾萃等[14-15]在此試驗基礎上引入溫度對底泥釋放的影響，推算得到西湖全湖TP底泥釋放負荷為2.00 t。吳根福等[16]根據(jù)1986年至1995年西湖引水結束時與引水結束10 a后TP濃度的上升情況，計算得到西湖全湖平均釋磷速率為3.49（mg/m2）/d，由此估算西湖底泥釋磷為 7.22 t/a。2014—2015年朱廣偉等[17]通過在西湖不同湖區(qū)的觀測，得到西湖夏季、春季和冬季的平均TP釋放量分別為3.29、0.29和0.13（mg/m2）/d，估算全年釋放量為2.51 t/a。

湖泊底泥釋放負荷與氣溫、底泥營養(yǎng)物質含量以及水體擾動等因素密切相關，影響因素比較復雜。無論是現(xiàn)場試驗還是實驗室試驗，均較難準確獲取全年的釋放強度和釋放量。根據(jù)已有觀測[18]，2016—2018年西湖外湖TP濃度在0.02～0.08 mg/L，與2011年相差不大；且近年來，西湖外部污染已得到較好控制，湖區(qū)未實施清淤疏浚等環(huán)境治理工程，因此采用數(shù)據(jù)較為完整的年份2011年、2013年進行分析論證。在項目期間采用構建的零維TP模型，對2011年、2013年西湖TP濃度全年變化過程進行反演，通過率定得到各月底泥釋放強 度[19]；由此推算得到西湖外湖區(qū)全年底泥釋放負荷為2.18 t，全湖區(qū)全年底泥釋放負荷為2.57 t，與朱廣偉[17]等研究成果接近。

1.5 總負荷

由前文分析可知，西湖入湖污染負荷的研究主要集中在20世紀80年代末及2010年之后；考慮西湖流域大規(guī)模的綜合治理和生態(tài)修復工程至2010年已基本完成，同時參考水文年的代表性、資料的可獲得性，本次采用2011年的入湖面源負荷、引水攜帶負荷、底泥釋放負荷及2013—2014年的大氣沉降負荷測算成果進行總負荷的匯總。得到流域內TP大氣沉降負荷、面源負荷及底泥釋放內源負荷分別為0.41 t/a、3.84 t/a 和2.57 t/a，合計為6.82 t/a；引水攜帶負荷為4.14 t/a，合計總負荷為10.96 t/a；年內分配過程見圖2。

圖2 2011年西湖入湖污染負荷分配圖

從圖2可見，6月因雨水沖刷流域面源負荷較高，8月因高溫致使底泥釋放負荷加大，入湖TP負荷年內波動顯著。

2 引配水優(yōu)化調度分析

相關研究表明[1]，由于蘇堤、白堤的阻隔，西湖不同湖區(qū)的水體交換能力存在顯著差別，造成水質的空間不均勻性也十分明顯。水質監(jiān)測資料表明，7—10月的夏秋季節(jié)，西湖外湖TP濃度異常升高至0.05 mg/L以上，成為西湖富營養(yǎng)化防控的重點區(qū)域。在西湖保護與治理工作中，通過優(yōu)化引配水過程，使其更好地區(qū)配入湖TP負荷的時程特點，進而降低湖區(qū)TP濃度的季節(jié)性波動，是推進流域污染治理越加艱難現(xiàn)狀下的可選之策。

2.1 分析方法

根據(jù)質量守恒原理，假設污染物在湖泊內摻混均勻，可以用零維模型研究湖泊污染物濃度，得到湖區(qū)充分混合后的物質守恒方程：

式中：V為湖水正常水位下的體積，m3；C和dC為湖水某物質（如TP）濃度及變化量，mg/L；Qw為流入湖區(qū)水體的流量，m3/d；Cw為流入湖區(qū)水體的濃度，mg/L；Qi為補水入湖區(qū)的流量，m3/d；Ci是補水入湖區(qū)的濃度，mg/L；Qe為流出湖區(qū)的流量，m3/d；Ce是湖水濃度，mg/L；如考慮生態(tài)措施作用，此項還包括湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對某種污染物的吸收和凈化作用；P為湖面降雨量，mm；A為湖水面積，m2；Cp為雨水攜帶的污染物濃度，mg/L；k為單位湖面沉降系數(shù)，d-1；dt為單位時間，d；V、C、k、dt四者相乘代表單位面積沉入湖底的污染物總量，g。

可以將湖面降雨量、大氣總沉降量、陸域污染負荷及底泥釋放量均歸為入流，進入湖內的污染物中，總計為W，即令QwCw+QiCi+PACp=W，則（1）式為：

此時，相應負荷均取年或月平均負荷。

對齊次方程W=0時，（3）式的解為：

式中：C0為初始濃度，mg/L。

式（4）的解可以反映初期湖水因補水流入湖區(qū)污染物，大氣沉降負荷及陸域污染負荷等累積后的湖水濃度增加過程，經(jīng)過一定時間后，污染物的濃度維持在一個相對穩(wěn)定水平。

如考慮逐月或逐日負荷及濃度都在變化，則式（3）非恒定解為齊次方程和非其次方程解之和，即

式（6）中第1項為本月負荷產生的濃度增加值；第2項為前月末到本月的濃度衰減值；C0為前月（日）的值；C（t）為任何時刻濃度瞬時值；為入湖各類TP逐月負荷；為進入或流出湖區(qū)的逐月水量。

對西湖外湖而言，污染負荷來源主要由引水、降雨攜帶污染物以及沉降3部分組成。降雨徑流攜帶的污染物主要通過西湖西部河道進入茅家埠、浴鵠灣等湖區(qū)，經(jīng)西里湖、小南湖緩沖進入外湖，因此，可以采用西里湖、小南湖等湖區(qū)水質作為邊界條件進行輸入。西湖總磷模型已經(jīng)過多次驗證[1,14-15,18]，本次不再進行相應的驗證工作。

2.2 分析結果

從2011年西湖入湖污染負荷過程、外湖全年TP濃度變化過程可知（見圖2和3），1—6月份入湖污染負荷較低，相應地外湖TP濃度較低，水質優(yōu)良；7—10月份入湖污染負荷增高，外湖TP濃度相應升高。為此，以降低7—10月的TP濃度為目標，在現(xiàn)狀引水40×104t/d的基礎上，不同程度地加大7—10月的引水量，模擬外湖TP濃度變化過程見圖3。

圖3 增加7-10月配水量后外湖TP濃度變化圖

由圖3可知，當7—10月增加引水量60×104t/d后，該時期外湖的TP濃度可控制在0.05 mg/L以下；但由此會增加西湖全年的引水規(guī)模及引水預處理的費用。為此，考慮進一步優(yōu)化配水過程，在全年引水量不增加的條件下，通過適當減少1—6月及 12月的配水量，擴大7—10月的配水量，從而減少外湖TP濃度的波動和變幅。優(yōu)化引水量后外湖全年TP濃度變化過程及各月引水量情況見圖4。

圖4 外湖各月優(yōu)化引水量及TP濃度變化圖

由圖3～4可知，優(yōu)化引水分配后，外湖TP濃度全年降至0.05 mg/L以下。1—5月引水量減少至20×104t/d以下，期間外湖TP濃度較現(xiàn)狀有所升高，但均未超過0.05 mg/L。7—10月，引水量加大至20×104t/d以上，外湖TP濃度降至0.05 mg/L以下；其中外湖全年TP濃度8月最高，引水量需增大至100×104t/d。優(yōu)化逐月引水量后，全年總引水量可減少5%。

3 其他水環(huán)境提升措施

西湖地處城市核心，其水質的提升和保護十分必要，也十分艱巨。在杭州市的不懈努力下，21世紀以來西湖水質得到持續(xù)的提升和改善，但仍處于輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。因此需要進一步加強流域水量、水質監(jiān)測，持續(xù)推進污染源控制。

3.1 提升流域水文水質監(jiān)測水平

目前西湖入湖支流及湖區(qū)共設有15個水質監(jiān)測點，但都采用人工取樣方式，缺乏水質的在線監(jiān)測，難以掌握特殊天氣如暴雨期條件下的水質實時變化情況，也難以準確掌握面源污染輸入的時程特點。西湖外湖區(qū)圣塘閘和柳浪聞鶯設置有2個水位觀測站，其中圣塘閘水位站為自動觀測站，但入湖支流均沒有開展常規(guī)的水文觀測，使得流域的洪水管理、非點源管理缺乏資料基礎。

因此建議在科學論證的基礎上，在西湖主要入湖溪流探索建立水文觀測站和水質在線監(jiān)測站點，為水環(huán)境綜合管理提供及時高效的數(shù)據(jù)支持。

3.2 繼續(xù)推進流域面源控制

由前文分析可知，流域面源是入湖TP負荷的主要來源之一。徐駿等在2014年12月監(jiān)測到暴雨期金沙澗入湖口TP濃度達到0.15 mg/L，流域時段性暴雨輸入負荷不容忽視。雖然在西湖各大支流上都設置了前置庫，但其攔截效率受暴雨沖擊影響明顯；同時暴雨入湖后沉淀再釋放效應也不容忽視。因此，應進一步排查流域內生活源等泄漏情況，加強茶葉等農業(yè)種植污染控制，禁止過量施肥，加強上游坡面耕地的改造和管理，減少土壤及肥料流失，并落實相應的管理措施。

3.3 提高引水預處理出水標準

西湖引水攜帶的TP負荷是重要的外源負荷，約占總負荷的37.8%。西湖引水經(jīng)混凝沉淀后，從玉皇山水廠、赤山埠水廠由管道送入西湖9個配水點，其中預處理的出水水質與錢塘江的原水水質及投加的絮凝劑藥量密切相關。調研表明，西湖配水的預處理廠采用人工加藥方式，未能根據(jù)原水水質實施精準加藥，因此出水水質尚不穩(wěn)定。項目研究期間，項目組開展了初步的試驗研究，發(fā)現(xiàn)通過精準加藥可顯著降低出水TP濃度及其穩(wěn)定性。未來可進一步深入研究，逐步開發(fā)基于水源條件的自動化加藥系統(tǒng)。

3.4 控制湖區(qū)內源污染負荷

底泥釋放負荷也是西湖TP負荷的主要來源之一，對外湖區(qū)影響尤為突出。外湖區(qū)面積較大，且受風浪影響明顯，因此在湖西區(qū)成功應用的沉水植被恢復技術較難在外湖進行應用。清淤是改善湖泊底質、減少底泥污染釋放的有效途徑，但清淤涉及的工程量大、帶來的效果持續(xù)性短，也較難成為湖泊治理的常態(tài)措施。

朱廣偉[17]等于2014年春、夏、冬3個季節(jié)，采集西湖8個湖區(qū)的原狀泥柱進行了實驗室磷釋放過程的連續(xù)培養(yǎng)，研究鎖磷劑phoslock對底泥磷釋放通量的控制效果；研究表明即便是有機質含量較高的西湖底泥，鎖磷劑對其控磷效果也很顯著，夏季磷釋放量較大的時期，鎖磷劑的控磷效果達98%。該技術為西湖底泥污染控制提供了可選的技術方向，然其現(xiàn)場應用還需開展更深入的試驗、研究與分析工作。

4 結 語

基于文獻調研和前期項目研究，系統(tǒng)梳理分析了西湖各類入湖TP負荷及其時程分配。分析表明，流域面源負荷、引水入湖負荷和底泥釋放負荷是西湖的主要污染來源，分別占總負荷的35.0%、23.4%和37.8%；其中面源負荷主要受降雨過程影響，底泥釋放負荷主要受氣溫影響，引水攜帶負荷受錢塘江源水影響，各污染負荷都呈現(xiàn)較強的季節(jié)性。

根據(jù)污染負荷及湖區(qū)水質的時程變化過程，采用箱子模型模擬研究了優(yōu)化配水過程。研究表明，在全年引水規(guī)模不增加的基礎上，可通過加大7—10月份配水量，減少其他月份配水量，實現(xiàn)西湖外湖區(qū)全年TP達到湖泊Ⅲ類水標準。結論僅為理論分析結果，實際應用還受場地處理能力，管道輸配水能力和管護人員等多方面因素影響，需進一步論證研究。