京杭运河杭州段引配水的流量分析方法及应用

汪 健,杨艳艳,朱 江,陆一奇

(1.杭州市城郊河道管理处,浙江 杭州 310014;(2.杭州市水文水资源监测总站,浙江 杭州 310016)

1 问题的提出

引配水是指在保证防汛安全、生产、生活用水、航运及重要区域水环境的前提下,充分利用外河潮汐动力和清水资源,通过水闸、泵站等工程设施的调度,使河网内主要河道水体定向、有序流动,加快水体更新速度,改善内河水质的一种水资源调度方式。从20世纪80年代开始,杭州社会经济进入快速发展阶段,城镇人口急剧增加,工业、农业、生活污染逐步增加,城市污水处理能力较低,运河水环境质量不断下降,严重影响沿岸居民生活和杭州作为国际风景旅游城市的形象。2000年,为举办第二届西湖博览会和创建“国家环境保护模范城市”,杭州市政府决定开始组织实施全市水环境综合整治,大力推进河道引配水工作。2003年,杭州市十届人大三次会议做出了 “实施引水入城工程和加快城市河道整治的决议”,大力推进市区河道引配水工作。近年来随着杭州 “五水共导”城市特色的推进,城市水系建设力度不断加大,西湖、西溪湿地、运河以及市区河道综合保护工程相继得到全面系统的实施,城市水环境不断改善。运河是城市的动脉,为进一步提升运河水环境质量,提高引配水调度的科学性和成效性,提出了基于稀释机理条件下引配水流量的简便分析方法,并结合运河水环境特点和引配水工作的实际,进行了初步的计算分析和应用,力求为引配水工作提供有益的参考。

2 研究区概况

运河杭州段自三堡船闸起到余杭与桐乡交界处的大麻镇,总长49 km,河道平均面宽80 m,主航道水深4 m,平均水深2.31～4.77 m。杭州市区主要有钱塘江、苕溪和运河3大水系,其中运河水位最低,常水位1.2 m,江北市区内95%的河道均流入运河,本文将主城区和余杭区全部列入运河杭州段的研究范围。

运河水系具有引配水的有利条件:一是水资源量充足。市区位于钱塘江河口,钱塘江、苕溪均穿城而过,地理位置优越。钱塘江河口闻家堰断面多年平均径流量347亿m3,为引配水提供了水源条件。苕溪通过上牵埠船闸、余杭闸等也可以实现向运河配水,但受水位和水资源量限制,目前主要从钱塘江引水;二是水源水质总体较好。钱塘江河口段水质为Ⅲ类水体,但有时有个别指标超标,苕溪为Ⅲ类水体,而运河目前总体仍为劣Ⅴ类水体,因此钱塘江可以提供较好的引配水水源;三是引水成本较低。由于运河水系普遍水位低,钱塘江、苕溪可以通过水位差实现引配水,基本不需要设立泵站提水,降低了引配水的成本,如运河三堡引水工程建设资金仅3 300万元,年运行维护经费约100万元,实现了引配水的低成本和高效益。引配水也存在不利条件,钱塘江河口段是强潮河段,受潮汐影响较大,引配水在时间和水量上受到一定限制。目前市区已初步形成了运南、运西、运东、下沙、上泗、江南6片区块的引配水格局,西湖、西溪湿地、运河、上塘河等重要水体也都实施了引配水,运河水环境质量稳步提升,但远未达标,距离水环境功能区要求仍然有较大差距。运河引配水示意见图1。

图1 运河引配水示意图

3 引配水计算方法

研究表明,引配水改善水环境的基本机理在于稀释,通过引配水能快速稀释降低污染物质在水体中的相对浓度,从而达到提高水质的目标。引配水的调度运行受人工控制,除汛期突发性灾害天气外,运河引配水基本按全天24 h不间断运行,因此稀释作用的过程比较稳定均匀,而降雨通常比较集中、过程性不强,对于水质的变化影响可忽略不计。河流自净、降解和沉淀也是水质改善的重要方式,但对于具有较大稀释流量的动态河流来说对水质改善的影响程度相对较小,为便于计算分析,可忽略不计。

运河水系河网密度大,水面率较高,河道之间水体相互沟通,由于自然落差小,引配水对于加快区域内水体稀释和循环作用十分明显。区域内除上牵埠船闸与苕溪沟通、七堡泵站与钱塘江沟通外,基本没有其它口门实现自然沟通,总体属于封闭水系,引配水主要通过控制性水闸和泵站实现各区域之间、河道之间流量的调度控制。由于研究区域内污染源点多面广,难以进行点源处理,可将各种污染统一作为面源控制,并将研究区域作为1个灰箱进行研究,统一考虑总体水量平衡和污染平衡[1]。

根据运河总水量平衡,需要新增的引配水流量可以按公式计算:

式中:QS为达到目标水质的时段所需新增引配水量;Qlim为目标水质下的时段引配水量;Q1为现状时段引配水量;Q2为进入运河的时段污水量;Q3为运河水系平均库容量。式中各项参数单位均为m3。

引配水的目的在于改善水环境,但出于计算需要,本文引配水量包括工、农业生产以及居民生活和公共用水的水量。现状引配水量指2009年运河从钱塘江通过各口门的引配水总量。进入运河的污水量指工业废水、生活废水和农业面源污水量的总和。

根据运河污染物通量平衡,可以得到下式:

式中:C1为钱塘江源水污染物浓度;C2为进入运河主要污染物浓度;C3为运河水系背景污染物浓度;Clim为目标水质下主要污染物浓度。式中各项参数单位均为mg/L。

引配水主要污染物浓度指钱塘江引配水取水口附近水体污染物浓度,选取珊瑚沙监测断面水质数据。进入运河主要污染物浓度指工业废水、生活废水以及农业面源污染排放量中主要污染物在废水排放总量中的含量。根据运河水质监测资料、污染物组成、水质要求以及所掌握的有关资料,选取COD、NH3N作为本文计算分析的指标。

将(1)、(2)式合并,得到:

由公式(3)可以看出,运河某一时段要达到目标水质所需的引配水量与引配水水质、流量、进入运河的污水主要污染物浓度、流量以及运河背景污染总量等有关,只要掌握了这些相关资料,便可通过计算得到相应的成果。采用不同的污染物指标通过计算所得的引配水量也不相同,取最大值作为运河引配水的最终需求量。

4 引配水流量分析应用

4.1 引配水状况

运河主要通过三堡引水工程、珊瑚沙引水工程、西湖引水泵站、中河双向泵站以及自来水取水设施等从钱塘江引水,设计引水规模达81 m3/s,实际运行流量为63 m3/s,年引配水量16.2亿m3。珊瑚沙引水工程现状引水流量为15 m3/s,远期流量可达25 m3/s,主要是改善运西片包括西溪湿地河网水质。三堡引水工程引水工程流量25 m3/s,改善运河干流水质。中河双向泵站主要用于保障中河、东河、新开河、贴沙河等主城区骨干河道水质。西湖双向泵站引水保障西湖水域水质需求,实现西湖水体每月一换目标。通过以上引配水设施,带动市区绝大多数河道、水域实现水体流动、补充和交换,并最终进入运河。目前珊瑚沙引水工程正在做进一步完善,力争早日达到25 m3/s的引配水能力,三堡排涝工程正在建设,设计从钱塘江引水能力也达到25m3/s,为今后引配水工作的深入开展创造了条件。

由于七堡泵站为排水泵站,且上塘河总体水质比运河差,目前仍然作为上塘河引配水的重要设施,将部分运河水经上塘河排入钱塘江,实现上塘河水系的引配水调度。因此,运河现状年引配水总量扣除七堡泵站相应水量后为15亿m3。经杭州市水文水资源监测总站对2009年钱塘江珊瑚沙站点水质监测,钱塘江水质总体为Ⅲ类水质,其中COD为8.53 mg/L,NH3N为0.6 mg/L。经测算,运河水系2009年背景污染水平COD为14.35 mg/L,NH3N为2.28 mg/L。运河水系平均库容为1.76亿m3[2]。运河杭州段主要引配水设施见表1。

表1 运河杭州段主要引配水设施表

4.2 水污染状况

运河污染物主要来自工业废水、生活废水、农业面源污染3部分。根据2009年杭州市环境统计年鉴[3],2009年杭州市区工业废水总排放量36 891万t,其中运河水系工业废水排放量11 225万t;生活废水排放量34 463万t,其中运河水系排放量31 245万t。根据2009年杭州市水资源公报[4],农业面源污染排放量约为28 889万t。经测算,排入运河COD为54 725 t/a,NH3N为4 837 t/a,排放平均浓度COD为77.1mg/L,NH3N为6.8mg/L,运河主要污染物排放量见表2。

表2 2009年运河主要污染物排放情况表

4.3 引配水量分析

为更好地反映引配水工作的成效和需求,本文采用近期和远期2个时间节点分析引配水流量需求特点。近期以2009年为例,2009年珊瑚沙引水工程建成通水,市区引配水格局基本形成,具有典型性,可以反映运河近期引配水工作的现状特点。远期以2020年为例,2020年是省定水功能区达标时间,通过预测分析相应的引配水量需求,可以反映引配水工作的长期特点。另外,根据《浙江省水功能区水环境功能区划分方案》要求[5],运河干流划分为5个功能区,目标水质为Ⅲ～Ⅳ类,为体现运河水环境改善的阶段性和对引配水量的需求,分别按照Ⅲ、Ⅳ类水体标准进行分析。

(1)2009年。2009年运河杭州段引配水量计算成果见表3。由表3可知,要在2009年实现运河达到Ⅳ类水体要求,按COD指标计算无须新增引配水量,按NH3N指标须新增引配水量17亿m3,因此2009年运河如要达到Ⅳ类水目标引配水量为32亿m3,比现状引配水量增加113%。如要达到Ⅲ类水体要求,按COD指标计算须新增引配水量11.1 m3,按NH3N指标计算须新增引配水量37.4亿m3,因此要达到Ⅲ类水体要求的目标引配水量为52.4亿m3,比现状增加249%

表3 2009年运河杭州段引配水量计算成果表

(2)2020年。2020年随着城市化的推进,城市经济社会的发展,人口数量的增加,必然推动城市公共用水和生活用水量的增加,同时新型资源节约型工业、高效生态农业的推广,单位GDP产值耗水量将进一步下降,但全社会用水量仍然呈现增长的态势。根据《杭州市城市总体规划(2001—2020年)》,2020年杭州经济社会主要指标接近或达到发达国家水平,市区运河水系用水量200万m3/d。市区工业污水和生活污水截污率不断提高,2020年将达到90%以上。为此,结合预测分析,2020年运河杭州段引配水量预测成果见表4。由表4可知,2020年运河要达到Ⅳ类水体要求,采用COD指标计算只要按现状引配水流量就可实现,无须新增引水量。采用NH3N指标计算须新增引配水量11.1亿m3,因此运河2020年要达到Ⅳ类水,目标引配水量为26.1亿m3,比现状增加74%。如要达到Ⅲ类水体要求,采用COD指标计算无须新增引配水量,采用NH3N指标计算须新增引配水量29亿m3,因此目标引配水量为44 m3,比现状增加193%。

表4 2020年运河杭州段引配水量预测成果表

4.4 保障性分析

虽然钱塘江水资源总量丰富,水资源保障能力较强,但随着流域用水需求的不断增长,用水矛盾已经凸显,即将投入运行的浙东引水以及将要实施的浙北引水工程建成后供求矛盾将更加突出。2009年杭州市区总供水量39亿m3,目前钱塘江河口多年平均径流量347亿m3,可利用水量(径流量20%)69亿m3,枯水期钱塘江河口水资源量为216亿m3,可利用水量仅54亿m3(径流量25%)[6],因此即使运河从钱塘江引配水的设施能力进一步加强,所需要的水资源保障能力依然有限,在满足工、农业以及生活用水后,无法提供足量的水资源用于引配水。本文仅从水量角度分析了运河引配水对于水资源的需求,而未充分考虑运河水系河道水域的蓄水能力、水位变化、通航限制等因素,这些因素也可能造成引配水量的限制。从以上分析可见,运河杭州段通过引配水一定程度上可以有效改善水环境,但单一的引配水措施无法全部满足运河水质达到功能区目标,必须同步加强污水治理,减少污水排入运河量,从而提高引配水的实施成效。

5 结 语

运河杭州段引配水工作开展10 a来,水环境改善成效十分明显,但对于水量的具体需求仍然不够清晰。本文从引配水改善水环境的主要机理即稀释作用入手,提出了引配水量与水质改善关系的基本计算方法,并结合运河杭州段的实际进行了详细地计算分析和实践应用。分析得出,运河引配水量需求与入河污水量、水质状况以及钱塘江水质状况密切相关,同时也受到钱塘江可利用水量的限制。运河要实现水环境功能区目标要求,必须进一步加大引配水量,计算得出了2009,2020年引配水的目标需求量,为引配水工作的开展指明了方向。引配水需要大量的优质水资源,钱塘江流域随着各地水资源开发利用程度的加大,水资源保障能力不断下降,引配水作为生态环境用水的形式之一,优先程度不高,用水量必将受到限制。因此,按照 “多管齐下、综合治理”的要求,努力推进运河水环境的改善和提高,实现资源利用和环境改善效益的最大化。

[1]阮仁良.平原河网地区水资源调度改善水质的理论与实践[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[2]谢法权.杭州市陆地水域调查汇总报告 [R].杭州:杭州市水文水资源监测总站,2008.

[3]陈珊萍.2009年杭州市环境统计年鉴 [R].杭州:杭州市环境保护局,2010.

[4]鲍跃鹏.2009年杭州市水资源公报[R].杭州:杭州市林业水利局,2010.

[5]俞建军.浙江省水功能区水环境功能区划分方案 [R].杭州:浙江省水利厅,浙江省环保局,2004.

[6]刘光裕.钱塘江河口水资源配置规划报告[R].杭州:浙江省水文勘测局,2005.