曾秀云，陳鈺林

（1.福州工商學(xué)院，福建 福州 350715；2.福州市城市排水有限公司，福建 福州 350001）

引言

近年來，隨著福州市生態(tài)文明建設(shè)的不斷提升，人居環(huán)境不斷改善，福州西湖作為福州市的重要旅游文化景點，也是福州市重要的城市名片。本項目位于西湖入口處，面積近10 000 m2，整治任務(wù)主要包括截污口整治、應(yīng)急清淤、補水以及水動力改善等工程，作為此次整治工程的截污工程已先行實施，因此評估該工程措施對改善西湖水質(zhì)，特別是西湖沉淀區(qū)水質(zhì)的成效，為將來類似工程方案的選擇和制定提供較為準確的定量分析，是科學(xué)決策的重要依據(jù)。

1 工程概況

本項目以福州西湖沉淀區(qū)水體治理為目標，從水體水動力和水質(zhì)模型建模入手，通過對控源截污方案的模擬評估，用以實際工程加以驗證，以達到恢復(fù)西湖沉淀區(qū)水質(zhì)的目標。

近年來國內(nèi)外研究人員對河湖水質(zhì)數(shù)學(xué)模型開展了大量的研究工作[1]，開發(fā)了一系列公用和專用的水質(zhì)模型，并通過實測數(shù)據(jù)對模型進行了驗證。目前主要的河湖水質(zhì)模型有Mike 系列、QUAL2E、WASP、EFDC、DELFT3D 等。對于不同地域的湖泊流域，水利條件和水質(zhì)條件均不相同，需根據(jù)項目的具體情況選擇構(gòu)建模型。國內(nèi)卿曉霞等[2]為評估河流治污措施對西湖水質(zhì)改善的效果，用MIKE21 模型對伏牛溪西湖主要污染物氨氮和CODMn進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，西湖沿程點源全部截污后，可降低43%的氨氮和65%的CODMn；補充不同處理程度的污水廠尾水可使西湖滿足V 類水標準且組合措施優(yōu)于單一措施。廖振良等[3]利用開發(fā)的蘇州河模型，對蘇州河水環(huán)境整治工程方案進行了系統(tǒng)的計算，計算方案包括：截污、底泥疏浚、上下游水質(zhì)邊界條件的改變、支流排放的影響、不同的調(diào)水方式、降雨放江以及局部曝氣復(fù)氧等，并結(jié)合計算結(jié)果對蘇州河水環(huán)境整治目標進行了詳細分析計算，得到了優(yōu)化的工程措施排序和水資源調(diào)度方案。陳鈺林等[4]使用Mike21 水動力模型對閩江竹岐段入河的污染源截污情況進行模擬，閩江來水在特枯期的徑流條件下，模擬發(fā)生不同程度水體污染的工況，對主要污染物為氨氮的空間變化過程以及氨氮的輸移基本特征進行模擬分析，用以評估水源地農(nóng)業(yè)生活污染元的風(fēng)險，并相應(yīng)制定應(yīng)對水污染風(fēng)險的應(yīng)急策略。

本項目結(jié)合國內(nèi)外的湖體的水動力和水質(zhì)模型的研究情況，本項目采用Mike21 水動力模型對西湖進行模擬評估。

2 水動力模型的建立

2.1 整體網(wǎng)格模型

福州西湖位于福州市區(qū)中心，由屏西河、銅盤河自北側(cè)匯入，經(jīng)白馬河水閘調(diào)控湖區(qū)水位后，形成白馬河出流。本項目以西湖沉淀區(qū)為研究目標，根據(jù)西湖-左海地形圖，將西湖30.3 hm2的湖區(qū)概化為14 361 個網(wǎng)格節(jié)點，同時對擬評估的西湖沉淀區(qū)近1.1 hm2的湖面進行網(wǎng)格加密[5]。西湖沉淀區(qū)水動力的平面布局如下頁圖1 所示。

圖1 西湖沉水動力的平面布局

2.2 模型邊界條件設(shè)置

西湖湖區(qū)的模型邊界共有3 處，2 處為入流邊界，1 處為出流邊界。其中，西湖北側(cè)的屏西河為主入流，流量為2.90 m3/s～3.10 m3/s，取3.00 m3/s；西湖東北側(cè)的銅盤河為支流入流，入流的流量為0.90 m3/s～1.10 m3/s，取1.00 m3/s；南側(cè)為白馬河，出水邊界按液位模式，水位高度5.50 m。

2.3 模型參數(shù)率定驗證

本項目西湖湖區(qū)的水動力模型采用實測屏西河、銅盤河、白馬河等各邊界流量、液位進行率定。具體以屏西河入口的實測流量為初始條件，對白馬河出水閘的流速和液位進行驗證和率定。模型率定結(jié)果為：湖底糙率為，流速平均誤差為3.99%，水動力條件滿足要求。

2.4 西湖水質(zhì)

2.4.1 整治前

西湖沉淀區(qū)整治工程在開展截污整治前，于2020 年5 月10 日至12 日對西湖水質(zhì)進行采樣檢測，檢測的有關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1。

表1 西湖沉淀區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀

入流的屏西河、銅盤河水質(zhì)如表2。

表2 銅盤河水質(zhì)現(xiàn)狀

2.4.2 整治后

整治工程對主入流屏西河周邊開展了截污，主要對軟件大道、丞相路、泉塘巷、錢塘巷等進入屏西河的污染源排口進行截污，這些排口位于湖區(qū)外，截污工程僅考慮屏西河入流的水質(zhì)參數(shù)的影響。截污工程共完成4 個主要排口的截污工作，排口水量及污染物情況見如表3。入流污的染物折算COD 削減522.4 kg/d，NH3-N 削減72.5 kg/d，SS 削減267.4 kg/d。截污后，屏西河入流水質(zhì)為COD 指標為4.97 mg/L，ρ（NH3-N）指標0.52 mg/L，ρ（SS）指標10.13 mg/L，換算污染物指標COD 下降2.02 mg/L，ρ（NH3-N）下降0.28 mg/L，ρ（SS）下降1.03 mg/L，截污后屏西河水質(zhì)參數(shù)如表4。

表3 排口水量及污染物情況統(tǒng)計表

表4 屏西河水質(zhì)參數(shù)表

3 截污效果的評估

3.1 截污控源模型的建立

對于截污控源工程措施，考慮到污染物在沉淀區(qū)的停留時間較短，水質(zhì)變化主要由水的對流擴散條件引起，因此，水質(zhì)模型采用AD 模型。由于截污措施均在研究區(qū)域外，整體表現(xiàn)為對屏西河入流水質(zhì)的影響，因此，對截污前后入流水質(zhì)的變化進行評估模擬。截污前的水質(zhì)情況如圖2 所示。

圖2 屏西河截污前沉淀區(qū)水質(zhì)變化

3.2 截污控源效果分析

對屏西河截污后，西湖沉淀區(qū)的水質(zhì)變化如下頁圖3。由圖3 可見，在截污后，屏西河入流進入西湖沉淀區(qū)以后10 h 時，水質(zhì)指標已有一定改善。

圖3 屏西河截污后沉淀區(qū)水質(zhì)變化

為綜合評估截污后西湖沉淀區(qū)的水質(zhì)變化，在西湖沉淀區(qū)的東側(cè)設(shè)置3 個水質(zhì)監(jiān)測點（t1、t2、t3）、西側(cè)設(shè)置4 個水質(zhì)監(jiān)測點（t4、t5、t6），如圖4 位置。東西側(cè)各測點的水質(zhì)指標取均值計算，各監(jiān)測點在截污前后的水質(zhì)變化如表5、表6。

表5 各測點在截污前后的水質(zhì)變化（東側(cè)）

表6 各測點在截污前后的水質(zhì)變化（西側(cè)）

圖4 各測點位置

4 結(jié)論

1）對屏西河入流的污染源采取截污措施后，入流的污染物顯著減少，COD 減少了28.90%，NH3N 減少了35.0%，SS 減少了9.23%。

2）屏西河采取截污措施后，湖區(qū)東側(cè)污染物COD減少了1.96 mg/L，減少了26.5%；ρ（NH3N）減少了0.27 mg/L，減少了30.3%；ρ（SS）減少了1.01 mg/L，減少了8.3%。湖區(qū)西側(cè)污染物COD 減少了2.02 mg/L，減少了28.9%；ρ（NH3N）減少了0.28 mg/L，減少了35.0%，ρ（SS）減少了1.03 mg/L，減少了9.2%。

綜上，通過模擬發(fā)現(xiàn)，對于西湖的主入流屏西河采取截污措施后，對于西湖沉淀區(qū)減少COD、NH3N 污染物貢獻較為明顯，對于減少SS 污染物有一定成效。