李家歡，曹昕哲，陳茂福

(1.上海市高橋中學(xué)，上海 201202； 2.北控水務(wù)(中國)投資有限公司，北京 100102)

隨著人們生活水平及審美需求的提高，公園、居住小區(qū)、校園、賓館等場所常配置有景觀水體。由于其相對(duì)封閉，水體流動(dòng)性差，使得水中溶解氧含量較少，自凈能力較弱，環(huán)境容量較低，極易發(fā)生水質(zhì)惡化的情況，嚴(yán)重影響水體的景觀效果和周邊環(huán)境的舒適度[1- 3]。王楨楨[4]提出枯落物的腐爛分解、降雨及其產(chǎn)生的地表徑流、大氣干式沉降是小型封閉景觀水體的主要污染源，其中枯落物的腐爛分解污染占到40%～60%。而且封閉水體水質(zhì)污染導(dǎo)致富營養(yǎng)化的幾率遠(yuǎn)高于自然河流，且持續(xù)時(shí)間更長。TN/TP是表征浮游藻類群落結(jié)構(gòu)演變和藻類生長限制性特征的關(guān)鍵因子[5- 6]，周浩[7]研究合肥市封閉水體的N/P，均表現(xiàn)為磷為藻類生長的潛在限制因子，也即磷是主要的控制因素。本研究以上海市高橋中學(xué)內(nèi)人工水系為研究對(duì)象，通過水量、水質(zhì)指標(biāo)及MIKE 21模擬分析識(shí)別水體水動(dòng)力、水質(zhì)及運(yùn)行方面存在的問題，提出補(bǔ)水調(diào)度、水動(dòng)力改善、水質(zhì)改善及雨水資源替代等水體改善方案，以期為國內(nèi)具有類似特點(diǎn)的水體治理提供參考。

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于上海市高橋中學(xué)，學(xué)校占地面積4.2hm2，建筑面積2.6hm2。其人工水系呈“F”形，為小型封閉水體，面積約2200m2，日常依賴市政自來水補(bǔ)水，共有三個(gè)補(bǔ)水點(diǎn)，待水質(zhì)變差時(shí)將池體放空后一次性補(bǔ)充新水，單次自來水用量約2500m3。校內(nèi)排水體制為雨污分流，雨污水分別收集后排入市政主干管，水系則通過排澇泵站將雨水排出。水系概況如圖1所示，南北長約120m，水面寬約8m，兩個(gè)“F” 形分支約長78m、61m，水面寬約6m。

圖1 研究區(qū)域

2 研究方法

2.1 水質(zhì)監(jiān)測與分析

在水體的不同區(qū)域選取5個(gè)點(diǎn)位，如圖1所示，于2020/9/1—2020/9/29進(jìn)行連續(xù)水質(zhì)采樣。現(xiàn)場取樣時(shí)，對(duì)水面是否有漂浮物、是否渾濁等表觀情況進(jìn)行記錄，并對(duì)水溫、溶解氧進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)室則對(duì)CODCr、氨氮、TN、TP等4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測。分析水體水質(zhì)隨時(shí)間、空間的變化規(guī)律，識(shí)別水體主要污染物及其分布。

2.2 水動(dòng)力水質(zhì)模型分析

選擇MIKE 21模型Hydrodynamic和Transport模塊對(duì)水體水動(dòng)力及水質(zhì)進(jìn)行模擬。采用矩形網(wǎng)格進(jìn)行水域剖分，網(wǎng)格尺寸為0.5m×0.5m，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為9049個(gè)。模擬水系為封閉區(qū)域，與外部水源無交換，故水體底部采用相對(duì)高程0m。初始水深取調(diào)研時(shí)現(xiàn)狀水深，約為1m。補(bǔ)水流量根據(jù)實(shí)際確定，每個(gè)補(bǔ)水口補(bǔ)水量約3000m3/d，約8 h可完成水體換水。水質(zhì)降解系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測水質(zhì)，經(jīng)一級(jí)衰減公式擬合得出。此外，湖底糙率取0.03，對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)取0.0005m2/s，模擬時(shí)長為7d，時(shí)間步長為5s，其他參數(shù)根據(jù)模型手冊選取經(jīng)驗(yàn)值。通過模型模擬分析水體水動(dòng)力、水質(zhì)存在的問題，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測分析結(jié)果提出水動(dòng)力水質(zhì)改善的方法，并通過模型模擬分析改善方案的實(shí)施效果。

2.3 雨水資源利用可行性分析

現(xiàn)狀水體僅靠市政自來水補(bǔ)水，且補(bǔ)水沒有規(guī)律，易造成水資源浪費(fèi)。汛期雨水直接排放至市政干管，也未進(jìn)行充分利用。分析上海市長序列降雨

過程特點(diǎn)，并對(duì)校園雨水量、水體補(bǔ)水量進(jìn)行逐日平衡計(jì)算，提出校園雨水用作水體補(bǔ)水的可行性方案[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 水體現(xiàn)狀水質(zhì)

現(xiàn)場取樣時(shí)觀察水體較為渾濁，水面常有樹葉等雜物漂浮。共獲得了2020/9/1—2020/9/29期間共計(jì)16d的水溫、溶解氧數(shù)據(jù)，水溫大致為23～28℃，溶解氧大致為2.4～4.6mg/L，水體不黑臭。與GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》相比，1#—5#等不同監(jiān)測點(diǎn)的主要污染物均為TP，各次取樣中污染物濃度遠(yuǎn)超過地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，其次為TN、COD，有部分取樣日污染物濃度超過V類標(biāo)準(zhǔn)，而氨氮的污染不嚴(yán)重，基本可以達(dá)到III類水質(zhì)。以1#監(jiān)測點(diǎn)為例，其水質(zhì)隨時(shí)間的變化如圖2所示。此外，2020/9/3—2020/9/10為連續(xù)晴天且水體沒有補(bǔ)水，各監(jiān)測點(diǎn)TN、氨氮基本呈現(xiàn)上升的趨勢，TP的變化幅度非常小，只有COD顯示出一定程度的降低，通過一級(jí)衰減公式擬合出COD的衰減系數(shù)約為0.13/d。

由于水體氨氮污染不嚴(yán)重，采用反距離插值法對(duì)5個(gè)采樣點(diǎn)的TP、TN、COD濃度進(jìn)行分析，得到水體內(nèi)各污染物濃度的空間分布，如圖3所示。可以看出，TP濃度以左下角處最為嚴(yán)重、依次向東、向北降低；TN濃度以南部區(qū)域拐角處最為嚴(yán)重，依次向北、向西降低；COD濃度以中部區(qū)域最為嚴(yán)重，依次向北、向西、向南降低，也即水質(zhì)改善的主要區(qū)域位于水體的中部和南部。

圖2 1#監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)隨時(shí)間的變化

圖3 污染物濃度空間分布

3個(gè)補(bǔ)水口全部打開條件下，水體水動(dòng)力模擬結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，除3處補(bǔ)水口附近有一定流速外，其他區(qū)域水動(dòng)力明顯不足。補(bǔ)水時(shí)，區(qū)域內(nèi)水流從西向東，從北向南進(jìn)行推流，并逐漸在東南區(qū)域匯集。水流越接近東南區(qū)域，流速越慢，水動(dòng)力條件越差，當(dāng)補(bǔ)水時(shí)間為1d，水深升至1.5m時(shí)，東南區(qū)域仍未得到換水，如圖4中紅色區(qū)域所示，基本形成死水區(qū)。

圖4 補(bǔ)水工況下流速分布情況

綜合水質(zhì)監(jiān)測及模擬分析結(jié)果，水體以TP為主要污染物，其濃度遠(yuǎn)超過地表V類標(biāo)準(zhǔn)，極易造成水質(zhì)富營養(yǎng)化，此外還存在TN、COD等污染物。主要原因是在該水體形態(tài)下，水動(dòng)力條件較差，即使在較大的補(bǔ)水量條件下，依然存在補(bǔ)水死角，以湖區(qū)東南角最為嚴(yán)重；此外，大氣沉降及周邊雨季徑流污染不可避免會(huì)匯入湖區(qū)，給湖區(qū)帶來較大的外源污染；加之水體水環(huán)境容量較低，自凈能力較差，無法有效削減污染負(fù)荷，因此隨著污染負(fù)荷的累積，極易造成水質(zhì)富營養(yǎng)化。

3.2 水動(dòng)力水質(zhì)改善方案及效果分析

通過構(gòu)建內(nèi)部循環(huán)來改善整體水動(dòng)力條件，在原北側(cè)和西南側(cè)補(bǔ)水口處設(shè)置循環(huán)泵站，分別作為取水口和出水口，通過新建補(bǔ)水管道的方式實(shí)現(xiàn)水系內(nèi)循環(huán)，主要是減少死水區(qū)，提高流速[9- 10]。根據(jù)已有研究[11]，小型景觀水體水質(zhì)循環(huán)周期通常為2～3d，因此配置泵站規(guī)模為1100m3/d，可使池內(nèi)水體3d循環(huán)一次。如圖5所示。

圖5 內(nèi)循環(huán)方案示意圖

針對(duì)水體流速慢、溶解氧低、水生態(tài)系統(tǒng)不完善的缺點(diǎn)，在水系拐彎節(jié)點(diǎn)附近設(shè)置噴泉曝氣機(jī)，增加水體賦氧，加快污染物擴(kuò)散和降解速度，促進(jìn)水體浮游動(dòng)植物生長。合適的條件下，細(xì)菌與底泥共同作用散發(fā)的污染物會(huì)嚴(yán)重影響水體水質(zhì)，因此定期對(duì)水體底泥進(jìn)行疏浚。同時(shí)沿岸設(shè)置若干生態(tài)浮床，為生物提供棲息的場所，考慮在岸邊設(shè)置掛壁式水生植物種植裝置，在水系中布置生態(tài)浮島，逐步恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)，凈化水質(zhì)的同時(shí)還可起到較好的景觀效果。此外，通過投放蝦類、食藻浮游動(dòng)物及底棲動(dòng)物濾食水中細(xì)菌、單細(xì)胞藻類和原生動(dòng)物，完善人工生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)[12- 13]。如圖6所示。

圖6 生態(tài)修復(fù)方案示意圖

采用水動(dòng)力改善方案后，在模型邊界條件考慮水體內(nèi)循環(huán)，循環(huán)流量為0.013m3/s(即1100m3/d)，水體中COD、氨氮、TP、TN的降解系數(shù)均有所增加[9- 14]，分別增加至0.17、0.086、0.0086、0.086/d，其他條件同現(xiàn)狀模擬。通過對(duì)水動(dòng)力狀況的模擬，如圖7所示，可以看出，水體內(nèi)沒有明顯的緩流區(qū)，大部分區(qū)域的流速基本在0.003m/s以上。

圖7 水動(dòng)力改善效果

在水動(dòng)力狀況改善的同時(shí)，水質(zhì)有明顯的改善效果，COD的濃度變化過程如圖8所示。可以看出隨著水動(dòng)力的改善，污染物也盡快擴(kuò)散，由于內(nèi)循環(huán)措施的設(shè)置，流向基本為由西向東再向北，然后從北側(cè)繼續(xù)取水補(bǔ)充到2個(gè)補(bǔ)水點(diǎn)，污染物分布逐漸變得均勻，最終趨向于V類水質(zhì)，達(dá)到一般景觀環(huán)境用水水平。對(duì)容易造成富營養(yǎng)化的TP污染物，其降解過程與COD類似，最終也趨近于V類水質(zhì)。同時(shí)隨著水生態(tài)的不斷修復(fù)，將逐漸降低N、P濃度水平，減少富營養(yǎng)化發(fā)生的可能。

3.3 雨水資源利用方案及效果分析

2019年上海市徐匯區(qū)降雨量為1561.8mm，其分布如圖9所示，除10、11月相對(duì)較為干旱外，其他月均有降雨發(fā)生，降雨量較大的場次主要集中于5—9月。最大降雨間隔為19d，平均降雨間隔為4d，由圖10可以看出，70%的概率情況下，降雨間隔天數(shù)均在4d以內(nèi)，降雨較為頻繁。

由于現(xiàn)狀水體換水沒有明確的規(guī)律，假設(shè)換水周期為半個(gè)月，換水深度為1.5m，則單次換水量為3300m3，年用水量為7.92萬m3。校園內(nèi)硬化和非硬化面積徑流系數(shù)分別取0.9和0.4，經(jīng)面積加權(quán)平均計(jì)算后綜合徑流系數(shù)為0.73。以2019年為例，設(shè)置校園雨水和水體換水方案如下：①對(duì)每場降雨中5mm以內(nèi)的初期徑流進(jìn)行棄除，5mm以上的徑流部分對(duì)湖區(qū)水體進(jìn)行補(bǔ)水；②若天氣預(yù)報(bào)第二天有超過5mm的降雨，則前一天提前預(yù)排區(qū)域5mm以上應(yīng)該產(chǎn)生的徑流總量；③若超過12d沒有5mm以上的降雨發(fā)生，且天氣預(yù)報(bào)近3d仍沒有降雨發(fā)生，則水體進(jìn)行整體換水，換水量為3300m3。通過對(duì)2019年的水量平衡計(jì)算，年補(bǔ)水次數(shù)僅為8次，比現(xiàn)狀24次削減了67%，年自來水用量為2.64萬m3，節(jié)水量為5.3萬m3，同時(shí)，年雨水利用總量為3.9萬m3，相對(duì)于區(qū)域年徑流總量5.46萬m3，雨水資源利用率達(dá)到71.4%，平衡計(jì)算下年雨水和自來水補(bǔ)水量結(jié)果如圖11所示。此外，由于雨水暫時(shí)在湖區(qū)內(nèi)得到滯蓄，有效避免了校園內(nèi)澇的發(fā)生。

圖8 COD污染物降解過程

圖9 上海市2019年日降雨分布

圖10 上海市2019年降雨間隔天數(shù)

4 結(jié)語

(1)高橋中學(xué)內(nèi)現(xiàn)狀封閉景觀水體流動(dòng)性較差，水質(zhì)較差，主要污染物為TP、TN及COD。

(2)通過設(shè)置內(nèi)循環(huán)、增氧曝氣措施，可較好地改善封閉水體的水動(dòng)力條件，消除緩流區(qū)或死水區(qū)，且水質(zhì)可恢復(fù)至地表水V類以上。隨著水生態(tài)的不斷修復(fù)，將逐漸降低N、P濃度水平，減少富營養(yǎng)化發(fā)生的可能。

(3)校區(qū)雨水有條件作為水體補(bǔ)水水源，以2019年為例進(jìn)行水量平衡計(jì)算，年清水補(bǔ)水量為5.3萬m3，比日常節(jié)約2/3，年雨水利用總量為3.9萬m3，雨水資源利用率達(dá)到71.4%。