綜合處理工藝在西溪濕地清水入城中的應用

傅建彬，李佳偉，趙心宇

（杭州水利水電勘測設(shè)計院有限公司， 浙江 杭州 310017）

0 引 言

為改善杭州市城西特別是運西片水環(huán)境，為西溪國家濕地公園提供優(yōu)質(zhì)水源，杭州市政府于2007 年啟動錢塘江引水入城工程，通過隧洞引錢塘江水至杭州城西，取水口位于九溪大刀沙，沿線經(jīng)過轉(zhuǎn)塘鎮(zhèn)、龍塢鎮(zhèn)、留下鎮(zhèn)后接入東穆塢溪，直至西溪濕地，最終匯入城西河網(wǎng)與京杭運河（見圖1）。通過錢塘江引水入城，有效改善西溪濕地生態(tài)補水水質(zhì)，提升濕地的整體生態(tài)環(huán)境，對豐富生物多樣性及保證物種群落穩(wěn)定性起到積極作用，同時也有效惠及城西至大城北的城市河道。

圖1 錢塘江引水入城圖

由于錢塘江來水含沙量較高，雖經(jīng)大刀沙取水樞紐處沉沙池進行沉淀，但下游輸水暗渠出口處仍存在一些小顆粒懸浮質(zhì)，西溪濕地公園內(nèi)淤積較為嚴重，城西水體的水質(zhì)雖然不差，但濁度較高、能見度低；特別是汛期，錢塘江水濁度超過40 NTU（透明度小于40 cm）時，往往會停止向西溪濕地引水（經(jīng)統(tǒng)計，平均每年有70 d 停止引水），造成西溪濕地公園內(nèi)水位下降甚至河床裸露等。錢塘江引水最大的難題是平時水體中以小顆粒懸浮質(zhì)為主，透明度低；而汛期來水泥沙含量較高，水體渾濁度高，因此需要及時掌握來水流量和濁度變化，并采取調(diào)整絮凝劑投量等措施加以應對[1]；延安黃河引水工程中，對黃河水質(zhì)污染特性及泥沙問題進行了探討，提出澄清池工藝，即通過控制混合和攪拌條件，使絮凝劑與高濁度泥沙有效碰撞，快速生成密實的顆粒狀絮凝體，提升了水體透明度，有效解決了延安黃河引水水質(zhì)難題[2]，因此本文通過對錢塘江不同來水情況進行不同水質(zhì)處理方式，對西溪濕地水體甚至整個城西城市河道的水質(zhì)提升具有重要意義。

1 錢塘江來水分析

1.1 來水中懸浮質(zhì)分析

錢塘江現(xiàn)狀水質(zhì)較好，依據(jù)歷史水質(zhì)資料，其綜合水質(zhì)基本能達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的Ⅱ類標準，但其水質(zhì)含沙量大，漲潮時濁度高。目前錢塘江引水入城來水量按8～15 m3/s 進行控制，含沙量在洪水時為1.0～2.0 kg/m3，大潮時為0.5～1.0 kg/m3，小潮時為0.1 kg/m3以下。采用韓其為法對大刀沙取水樞紐沉沙池沉積過程進行分析，沉降池平均分成8 段，每段40 m。級配分選見圖2，計算成果見表1。

表1 計算結(jié)果匯總表

圖2 級配分選示意圖

經(jīng)計算可知，通過大刀沙沉沙池作用，水中所含沙沉積率約為52.48%；且通過級配分選可知，大于0.025 mm 的粗顆?；驹诔恋沓刂谐练e，細顆粒所占比重增加明顯，因此可知錢塘江水中粗顆粒沙基本在沉沙池中沉淀，西溪濕地水體中濁度均為細顆粒所引起。

1.2 來沙量分析

大刀沙引水流量保持在25 m3/s，則7—11 月每月進入引水口的泥沙量均超過萬t，其合計輸沙量達8.045 1 萬t，占全年的2/3（全年輸沙量為12.426 2 萬t），具體見表2。

表2 全年逐月懸移質(zhì)含沙量和輸沙量表

自錢塘江引水帶來的泥沙除在沉沙池大部分淤積和引水道內(nèi)因停引水造成少量淤積外，其余泥沙將全部淤積在下游河道。淤積在引水道的泥沙量和進入下游河道的泥沙量計算見表3。

表3 不同下游水位情況下全年引水道和下游河道可能淤積量表 單位：t

考慮到西溪濕地為國家級公園，如果大量泥沙沉積在西溪濕地，將對其生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞性，因此應盡快將引水入城中的泥沙沉積下來，且盡量集中沉積，以便集中進行疏浚。

2 綜合處理工藝方案

根據(jù)SL 269—2001《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》，沉沙池內(nèi)流速受沉降最小粒徑控制，當沉降最小粒徑為0.05～0.10 mm 時，其流速應控制在0.05～0.15 m/s，入城引水實際流速為0.29～0.54 m/s。為滿足沉沙流速要求，在上埠河與東穆塢溪交匯處設(shè)置翻板閘用于抬高上游水位，減緩流速，結(jié)合兩側(cè)已建擋墻形成沉沙池，在此區(qū)域內(nèi)投放絮凝劑來進行沉沙處理，讓泥沙在沉沙池中緩慢沉降，并定時清淤，讓相對清澈的水進入下游。

2.1 擬定變頻投放系統(tǒng)

2.1.1 絮凝劑選擇

根據(jù)錢塘江的原水濁度變化范圍大的特性，采用聚合氯化鋁為絮凝劑（食品級）。該絮凝劑濁度去除率為硫酸鋁的1.25～3.00 倍，因為原水中有干擾混凝過程的藻類和有機物，將消耗部分硫酸鋁，而聚合氯化鋁電離聚合反應中更具有活性[3]；對原水溫度、濁度變化適應性強；絮凝體形成快，沉淀速度高，可以縮短絮凝和沉淀時間；處理水的pH值降低少，pH 值適應范圍達5～9，處理成本低[4]。

2.1.2 變頻控制投放系統(tǒng)

在絮凝劑加藥點和下游翻板閘處，分別布置自動濁度檢測儀和流量計，根據(jù)來水濁度、水流流量、藥劑投放量和出水濁度、流量等關(guān)系，擬合變頻加藥曲線，并通過PLC 工程自動控制系統(tǒng)，控制計量泵變頻加藥，達到處理效果最優(yōu)條件下的最經(jīng)濟加藥量目標。變頻投放系統(tǒng)見圖3。

圖3 變頻投放系統(tǒng)圖

2.1.3 絮凝劑混合系統(tǒng)

為將絮凝劑充分、均勻地擴散于水體中，在暗渠出水口處采用機械混合方式。機械混合是以電動機驅(qū)動攪拌器對加過藥劑的原水進行攪拌，以達到藥劑在原水中均勻分散的目的。此種混合方式攪拌器的攪拌速度可根據(jù)進水流量和濁度變化所要求的混合G 值而調(diào)節(jié)，以使混合效果達到最佳[5]。

混合設(shè)備裝設(shè)在暗渠出口前，每1 格暗渠內(nèi)裝設(shè)1 臺。為三葉式，葉片直徑為0.75 m，轉(zhuǎn)速為200 r/min，功率約5.5 kW。設(shè)備葉片距渠道底部1.50 m。

2.2 設(shè)置絮凝沉沙池

由于大刀沙以水閘引水為主，西溪濕地來水量變化較大。為充分發(fā)揮絮凝劑效果，環(huán)境工藝需要有1 個較大的沉淀池作為絮凝劑釩化、絮凝的發(fā)生體。

1）在下游設(shè)置翻板閘靈活控制水位，即來水量小時能抬高河道水位，減緩河道流速，并形成較大水景觀[6]；來水量大時不降低河道現(xiàn)狀過流能力。通過設(shè)置翻板閘，結(jié)合兩側(cè)已建擋墻作為池壁，利用下游翻板閘作為沉沙池終點，形成長約1 450 m，深約3 m 的沉沙池。

2）在河道中增設(shè)X 型導流屏，調(diào)整水流流態(tài)、提供絮凝劑充分碰撞、成長礬化空間[7]?？紤]到東穆塢溪也是沿山河的泄水通道，因此導流屏設(shè)置成可伸縮式結(jié)構(gòu)，平時將導流屏沉入河道中，改善水流；汛期則將導流屏卷起，恢復原河道的過水面積。通過將河道作為絮凝劑的沉淀池，達到水利與環(huán)境工藝的有機結(jié)合，節(jié)約了工程投資和施工工期。

2.3 底泥疏浚

通過綜合處理，錢塘江來水基本在翻板閘上游沉積；也達到了原先集中沉積，便于清淤的目標?？紤]到引水入城不能斷流，因此采用水下疏浚工藝。

目前國內(nèi)外適宜內(nèi)河水下疏浚的主要有：

1）常規(guī)疏浚挖泥船：如普通的索式抓斗挖泥船、鏈斗挖泥船、鏟斗挖泥船、絞吸式挖泥船、斗輪式挖泥船、泵吸式挖泥船、多功能挖泥船等。這些船型是國內(nèi)比較常見的疏浚機具，選擇范圍較大。

2）環(huán)保疏浚挖泥船：如環(huán)保型的密閉抓斗挖泥船、鏟斗挖泥船、環(huán)保絞吸式挖泥船、環(huán)保斗輪式挖泥船、泵吸式挖泥船、多功能挖泥船等。環(huán)保型挖泥船是根據(jù)環(huán)保要求新建或?qū)ΤＲ?guī)挖泥船改進后的疏浚機具，疏浚精度提高和疏浚過程中對水體的攪動擴散影響較小[8]。

3）在某大型疏浚工程中進行帶水疏浚試驗，綜合考慮疏浚過程中對水體擾動、工作效率，經(jīng)試驗認為絞吸式挖泥船對水體環(huán)境影響最小，在清淤泥沙情況時工作效率最高，可達到100 m3/h。

經(jīng)方案比選，本段底泥采用環(huán)保絞吸式清淤，絞吸清淤對水體的擾動較小，工作效率最高。絞吸上來的淤泥直接采用陸上槽車運輸，陸上槽車運輸包括挖泥和排泥2 道工序，即需先將底泥從水下挖出，然后裝入岸邊的槽罐車或卡車，陸路將疏浚底泥運至處置場地。陸上運輸也要經(jīng)過挖泥→裝車運輸→卸車→堆場填埋等多道工序，增加裝卸倒運環(huán)節(jié)，這種運輸排泥方式，具有靈活向多個地點、多個方向底泥處置場所輸送的優(yōu)點。

3 綜合處理工藝關(guān)鍵點分析

工程運行中，對綜合處理過程中影響水質(zhì)濁度的因素進行分析，并建立關(guān)系曲線。

運行過程中聚合氯化鋁絮凝劑濃度為10%，以上游引水入城輸水暗渠出口的流速作為原水流速，此時水質(zhì)濁度作為原水濁度，沉淀池出口翻板閘處水質(zhì)濁度作為出水濁度。

影響絮凝效果的2 個主要因素是加藥量和絮凝時間[9]。由于絮凝階段主要在沉沙池內(nèi)進行，絮凝時間由原水流速決定，本次主要分析原濁度去除率與加藥量和原水流速的變化關(guān)系。

3.1 濁度去除率與加藥量關(guān)系

運行數(shù)據(jù)表明，原水流速大多處于0.3～0.4 m/s，根據(jù)引水控制，不同時段原水流速有些許波動。經(jīng)分析，原水流速0.3～0.4 m/s 時，加藥量與濁度去除率關(guān)系見圖4。

圖4 加藥量與濁度去除率關(guān)系曲線圖

從圖4 可以看出，在投加量較小時，濁度去除率隨加藥量的增加而增大。當投加量達到一定量時，濁度去除率達到最佳效果，繼續(xù)增加投藥量，濁度去除率出現(xiàn)降低趨勢，變化趨勢平緩。

通過對已測數(shù)據(jù)進行擬合，原水流速0.3～0.4 m/s 時，濁度去除率和加藥量滿足關(guān)系式：

式（1）中：Y為濁度去除率，%；X為加藥量，L/h。

通過計算，原水流速0.3～0.4 m/s 時，最佳加藥量約為1 164 L/h，此時濁度去除率可達95.41%（透明度2.00 m）；在加藥量為600～800 L/h，其濁度去除率在85.00%～90.00%（透明度0.70～1.00 m），本工程既要考慮透明度，又要在運行費之間尋求最佳性價比，因此本次加藥量推薦指標為600～800 L/h。

3.2 濁度去除率與原水流速的關(guān)系

在本項目中原水流速是影響水處理的重要因素。根據(jù)運行數(shù)據(jù)，在投藥量分別為400、600、800 L/h 時，分析在不同投藥量情況下，濁度去除率與原水流速的關(guān)系，見圖5。

圖5 不同投藥量時濁度去除率與原水流速關(guān)系曲線圖

從圖5 可以看出，在不同投藥量情況下，濁度去除率與原水流速的變化關(guān)系基本一致，隨著原水流速增大，濁度去除率降低[10]。原水流速0.25～0.30 m/s 時，原水流速的變化對濁度去除率影響不大。當原水流速大于0.30 m/s，原水流速的變化對濁度的影響逐漸增強。

4 綜合處理效果

西溪濕地清水入城工程通水以來，水處理能力為70 萬t/d，原水濁度由50～250 NTU 下降到10 NTU 以下，水體透明度達到1.00～3.00 m，東穆塢溪河段清澈見底。特別是在G20 峰會期間系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行，向杭州G20 峰會交出了滿意的答卷。目前源源不斷的錢塘江清水流入城西河網(wǎng)和西溪濕地，極大地改善了當?shù)厮h(huán)境。

5 結(jié) 語

1）本項目新建翻板閘用于抬高上游水位，減緩流速，結(jié)合兩側(cè)已建擋墻形成沉沙池，在此區(qū)域內(nèi)投放絮凝劑來進行沉沙處理，并定時清淤，讓相對清澈的水進入下游。

2）經(jīng)運行數(shù)據(jù)分析，原水流速0.30～0.40 m/s時，濁度去除率隨加藥量增加先增大，而后趨于平緩，最佳加藥量約為1 164 L/h（透明度2.00 m）；在加藥量為600～800 L/h 時，其濁度去除率在85.00%～90.00%（透明度0.70～1.00 m），本工程既要考慮透明度，又要在運行費之間尋求最佳性價比，本次以加藥量600～800 L/h 為推薦指標。

3）在不同投藥量情況下，隨著原水流速增大，濁度去除率降低；且隨著原水流速的增大，原水流速的變化對濁度的影響逐漸增強。

4）針對錢塘江引水來水量較大，低溫濁度較高的水體，可通過工程措施適當減緩水流流速，通過導流屏等提供絮凝劑充分碰撞、成長的礬化空間，加快懸浮質(zhì)絮凝沉淀過程、提升來水透明度；并通過耦合來水量、濁度、流速與絮凝劑投放量之間的關(guān)系，提出變頻投放系統(tǒng)，尋求最經(jīng)濟運行模式。

西溪濕地清水入城項目除了新建一座翻板閘和增設(shè)加藥系統(tǒng)外，均依靠原有設(shè)施實現(xiàn)，極大縮短了工期、節(jié)省了投資。本項目通過采用絮凝劑水處理技術(shù)可在短時間內(nèi)達到凈化水體的目標，且效果穩(wěn)定，工程運行以來，有效改善西溪濕地生態(tài)補水水質(zhì)，進一步提升濕地的整體生態(tài)環(huán)境，對豐富生物多樣性及物種群落生境穩(wěn)定性起到積極作用，同時也有效惠及城西至大城北的城市河道，對類似工程有非常好的參考和借鑒意義。