设计案例 | 福州市左海-西湖水体水质提升方案
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近期征稿火热进行中1净水技术|《净水技术》“县镇级供排水企业技术进步成果专栏”征稿通知2净水技术|《净水技术》“城镇给排水工程设计案例”专栏征稿通知3【征稿通知】《净水技术》“水质检测方法的创新与应用”专栏征稿通知
1项目概况福州市左海-西湖是市内的主要湖体，左海湖面面积约为143 000 m2，水深约为1.6 m，西湖湖面面积为307 000 m2，水深约为1.8 m，总库容为78.14万m3，水系面积为10.3 km2，其上游水系主要有铜盘河、屏西河，下游与白马河相连(图1)。通过源头截污等措施，左海-西湖水质有所改善。但左海-西湖水质指标中时常存在TN、TP超标等现象，同时湖中淤泥沉积较多，特别是西湖入口处前段设置的约9 000 m2沉淀池，水质浑浊、底泥上浮，影响视觉、味觉感官，不能满足V类水体功能和构建生态城市的要求。虽然目前已启动西湖清淤工作，但左海-西湖要达到和保持V类水体水质标准，还需要针对左海-西湖存在的问题进行分析，并应采用相对应的综合整治措施。
图1 左海-西湖位置图2问题分析福州市左海-西湖目前存在的主要问题分析如下。(1)左海-西湖为城市河道中湖库，上游来水水质较好，达到Ⅱ～Ⅲ类水体水质。但通过铜盘河和屏西河，沿线仍存在生活污水和地表径流等污染，从而造成进入左海-西湖的河水有机污染浓度升高。已多次对湖中水质取样检测，其中2017年12月TN、TP实测均值分别为4.11～5.12 mg/L、0.48～0.71 mg/L，不满足V类水体水质标准。(2)上游来水入左海-西湖后，由于水体变宽和水面增大，流速显著降低，从而湖体成为天然沉淀区，大量悬浮物自然沉降，导致淤泥快速积累，特别是闽江流域暴雨期时，来水浊度较高，沉积量大。(3)虽然上游来水量最大达6 m3/s，左海-西湖总体流速还是很小，大部分流速小于5 cm/s，存在水动力死角，影响湖体水质。从以上分析来看，造成左海-西湖水体问题的主要原因是上游来水沿线污染、水中悬浮物沉积和湖体水动力差三个方面。3解决思路鉴于左海-西湖水质问题及成因分析，提出采用水质净化+湖水循环+常态清淤组合技术方案。水质净化作为上游来水净化处理。当上游来水量少时，增加由湖体抽水进行处理。水质净化主要作用是降低水中浊度，去除水中污染物和悬浮物，特别是总磷的去除；同时减少左海-西湖沉积淤泥，提高水体透明度，改善水体感官。补水循环是将上游来水净化或从湖中取水净化后通过设置合理补水点注入湖中。活水循环主要作用是加快湖湾中的水流流速，缩短湖湾换水周期，提高水体的自净能力。常态清淤是通过清淤船对湖中沉淀区沉积底泥进行日常清理，主要作用为减少暴雨期上游河道河水带入湖中的悬浮物及大气沉降污染物在湖中积累。4工程方案4.1 水质净化水质净化技术采用混凝+斜管沉淀工艺(图2)。水质净化厂设计规模为10万m3/d，换水周期约为7 d。水质净化厂为地下式，位于左海东侧绿地处，用地面积约为7 000 m2。
图2 水质净化方案工艺流程设计参数：絮凝时间t=18.0 min，斜管沉淀区清水区表面负荷V=9 m/h。控制出水浊度<1 NTU、TP<0.1 mg/L，TN<2.0 mg/L。设计4组反应沉淀池，每组处理规模为2.5万m3/d，配套有取水泵站、配水井、加药间、浓缩池间、污泥脱水间、控制室、配水管等。按河水年平均浊度10 NTU计，则每年减少进入左海-西湖的淤泥2 200 t，以湖体淤泥含水率90%计，每年减少淤泥共2.2万m3。4.2 补水循环补水循环通过MIKE21软件模型进行水动力模拟。MIKE21软件模型是由丹麦水力学研究所开发，该模型可用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境场，在洪水分析、河湖水环境整治中得到广泛的应用。通过MIKE21软件模型进行水动力模拟分析后，形成以下两种方案。当采用河水补水净化时，设置4处补水点。补水点1为2.5万m3/d；补水点2为2.5万m3/d；补水点3为3万m3/d；补水点4(兼作取水口)为2万m3/d，共计补水流量10万m3/d。补水点布置如图3(a)所示。
图3 取补水点布置图当采用湖水净化循环时，设置2处取水点、3处补水点。取水点A为5万m3/d，取水点B为5万m3/d；补水点1为3万m3/d，补水点2为3万m3/d，补水点3为4万m3/d，共计循环水流量10万m3/d。取补水点布置如图3(b)所示。
图4 湖体水动力情况设计取水泵站2座(1个兼补水点)，取水规模各为5万m3/d，铺设DN700取水管道3 030 m；3个补水点铺设DN600管道1 430 m。4.3 常态清淤通过水质净化和超越系统可减少左海-西湖沉积淤泥，但暴雨期上游河道河水仍会通过西湖，特别是会将悬浮物带入湖中，同时左海-西湖湖面面积为450 000 m2，仍会有大气沉降污染物在湖中沉积。因此，配备环保绞吸船1艘对左海-西湖进行日常清淤，清淤能力为60 m3/h，淤泥一并由水质净化厂进行脱水处理。5模拟分析采用MIKE21软件建立水力和水质模型进行模拟，其中网格模型共计节点5 391个，网格数9 444。其中对于局部湖体联通的通道，如联通渠、桥涵等，局部较窄，对网格进行了加密处理。模型设置两处入流，一处边界出流，西侧流量为0.116 m3/s，东侧为0.576 m3/s，南侧为白马湖出流，边界液位标高为6.5 m。通过模拟，补水、循环15 d时水动力情况如图4所示。从模拟分析来看，两种方案对于水动力改善都有明显效果。通过模拟，补水净化15 d时水质情况如图5所示。循环净化15 d时水质情况如图5所示。从模拟分析来看，位于湖中心的水质明显改善，而其水质指标值能够优于《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)V类水标准值。
图5 补水净化方案各测点水质情况图(TN、TP)
图6 循环净化方案各测点水质情况图(TN、TP)对湖体原始水质、补水净化方案、循环净化方案各测量点水质情况对比，如表1所示。补水净化方案可以显著降低污染物浓度，尤其是T1点SS降低了23.27 mg/L，CODCr降低了16.94 mg/L，而循环净化方案在补水净化方案基础上巩固了净化效果，特别是确保TP、TN符合V类水体要求。表1 各方案净化效果水质情况对比表
6结论左海-西湖现不能满足V类水体功能要求，其主要原因是湖体上游来水沿线污染、水中悬浮物沉积和湖体水动力差。为确保整治后左海-西湖能达到和保持V类水质标准，提出采用水质净化+补水循环+常态清淤组合技术方案，通过MIKE21模拟表明技术方案能充分改善湖体水动力和提升湖体水质，尤其是TN、TP分别降低至1.45、0.13 mg/L。该工程方案投资约17 624万元。每年可减少淤积淤泥2.2万m3，将节约清淤费用700万元/年。来源：《净水技术》，仅供分享交流不作商业用途，版权归原作者和原作者出处。