广州市人工湖补水工程自然曝气效果研究

庞志研，高强，余安仁，廖国庆

广州市是我国改革开放的前沿，随着物质生活水平的不断提高，人们对生活环境质量的要求也越来越高。而目前广州市内河涌的水质差及缺水问题急待解决，因此河涌水环境治理是广州市城市生态环境建设的重点。建设人工湖补水工程可以通过水利调度改善自然河流的水力特征，提高水体的流动性，从而解决湖区周边大部分河涌的补水及水质改善问题。本文选取了广州市白云湖、海珠湖、长虹湖3个新开挖人工湖为研究对象，跟踪监测此类补水工程运行过程中关键节点及主流程的溶解氧变化情况，摸清此类水利工程对水体的自然曝气效果，为相关水利工程运行提供借鉴。

补水工程特征

白云湖水利工程

白云湖是目前广州最大的人工湖，占地总面积为2.07km2，水面面积1.05km2。白云湖主要水利工程设施如图1所示。由广和泵站从珠江西航道引水，通过4.7km的引水渠道，经入湖闸进入西湖，然后经3个涵洞进入湖间湿地，最后经2个涵洞进入东湖。引水渠建造有鸦岗涌和心支涌分水闸，西湖建有心涌和海口涌分水闸，东湖建有环涌和石井河分水闸，白云湖水利工程理论上可以为这6条河涌进水补水，目前主要为石井河补水。

海珠湖水利工程

海珠湖位于海珠区中心地带，属于广州城市新中轴的南端,湖心区占地0.9484km2,水面面积0.53km2，主要水利工程设施如图2所示。海珠湖由内湖和外湖组成，其水流方向是石榴岗河闸控制河水进入外湖，外湖湖水再通过南水闸进入内湖，内湖湖水按设计工况通过西水闸进入外湖，外湖与周边的大围涌、大塘涌、上冲涌、杨湾涌及西碌涌分别经过分水闸连接。

长虹湖水利工程

表1 人工湖补水工程溶解氧监测关键断面设置表

表2 人工湖进出水口自然曝气溶解氧情况

表3 人工湖补水工程DO增幅与水面面积关系

研究内容与方法

研究内容

（1）通过现场试验，调查白云湖、海珠湖、长虹湖3个人工湖补水工程运行过程中关键节点及主流程水体溶解氧（DO）含量变化情况。

（2）初步探讨不同补水工程对水体的自然曝气效果及其影响因素，把握不同水工环境下，水动力条件对各补水工程DO含量变化的影响规律。

试验方法

根据各补水工程的主流向情况，采用美国YSI-ProODO溶氧仪现场测试3个人工湖关键断面在自然曝气条件下的溶解氧与水温指标，各补水工程的监测断面设置如表1所示。

试验结果与分析

人工湖补水工程主流向关键节点溶解氧情况

白云湖的进水口监测断面为广和泵站前池，出水口监测断面为石井河闸；海珠湖进水口监测断面为石榴岗河闸，出水口指标取内湖3个不同样点平均值；长虹湖进水口监测断面为东圃泵站，出水口指标取长虹湖3个不同样点平均值。

三个人工湖补水工程自然曝气工况进水口与出水口的溶解氧情况见表2。白云湖补水工程出水口的溶解氧较进水口增幅最大（达92.67%），其次是海珠湖（56.30%），增幅最小的是长虹湖（只有2.45%）。其中白云湖与海珠湖两个人工湖补水工程的出水口溶解氧含量均达到地表水Ⅱ类标准（DO≥6mg/L），但长虹湖只达到地表水Ⅳ类标准（DO≥3mg/L），而且受源水DO含量的影响较大。整体上，人工补水工程调度水体的措施可以基本维持水体自然曝气的效果，在一定程度上可以有效提高水体的溶解氧含量，长虹湖的进出水溶解氧含量变化不大有可能与其独特的水利工程设施形成的水文水力特征有关，需深入对比分析此3个人工湖补水工程的差异性。

水面面积与水体自然曝气效果的关系

3个人工湖补水工程中，白云湖的水面面积最大（达到1.05k m2），其次是海珠湖（0.53km2），最小的是长虹湖（0.048km2）。3个人工湖补水工程DO增幅与水面面积比见表3。

白云湖和长虹湖均为长时间为下游补水的人工湖，而海珠湖目前最大的功能是维持内湖的景观水位，其调补水工况不同于白云湖和长虹湖。白云湖的DO自然曝气增幅与水面面积比高于长虹湖，这与较大水面面积有利于空气中的氧溶于水中的气—液相传质、扩散过程有直接关系；海珠湖的水面DO单位增幅最高，则可能是海珠湖内湖水体更长的水力停留时间形成持续的自然曝气效果；而长虹湖的水面面积最小，其单位面积的溶解氧增幅也是3个人工补水工程中最低的。整体上，仍是水面面积越大越有利于自然曝气效果的维持与实现。

补水干线对水体自然曝气的影响

3个人工湖补水干线的情况如表4所示。白云湖工程从广和泵站到湖区为4.7km的引水渠道，海珠湖工程从石榴岗闸到外湖为2.5km的自然河道，而长虹湖工程从东圃泵站到长虹湖为9.425km的地下埋管。

从补水干线长度对补水曝气效果的影响分析，可以得出白云湖人工引水渠道干线DO单位距离增幅最高（3.91%/km），其次是海珠湖自流补水河道干线DO单位距离增幅（2.76%/km），效果最差的是长虹湖人工补水埋管干线（0.26%/km）。虽然长虹湖的埋管距离最长，但由于无法与空气接触，因此其补水干线的溶解氧单位距离增幅最低；白云湖与海珠湖这类露天的引水干线更有利于水体溶解氧的提高，而白云湖人工引水渠道的单位距离溶解氧增幅高于海珠湖的自流补水河道，其原因有可能与人工补水泵站的抽水作业有关。

表4 人工湖补水干线对水体自然曝气的影响

表5 白云湖工程不同补水工况对水体自然曝气的影响

不同补水工况对水体自然曝气的影响

以白云湖为例，由于白云湖的补水工况与广和泵站的开泵台数密切相关，不同的开泵台数产生的水力特征（流速、流量等）不同，因此对水体的自然曝气必然存在影响，针对白云湖开泵台数较多的工况（1台泵和2台泵）进行连续监测，其结果见表5。

对于白云湖引水渠道单元，广和泵站运行1台泵与2台泵工况下的水体自然曝气效果差别不大，1台泵的工况（增幅18.77%）略高于2台泵的工况（增幅17.01%）；这与引水渠道较单一的直流水力特征情况相对应，开泵台数越多水体在引水渠道中流速越快，其相应的停留时间越短，越不利于水体的自然曝气。而湖区单元的情况就差异明显，广和泵站运行2台泵工况下，湖区出口水体自然曝气增幅达到144.78%，远高于1台泵工况下的78.15%；湖区的情况有别于引水渠道，湖内水体流向较多样，流量越大其不同水体流向的律动越明显，在单位停留时间内与大气进行气液扩散的水体越充分，更有利于水体的自然曝气。

生态水利工程对溶解氧的要求

生态水利工程设计主要是模仿成熟的河流生态系统的结构，力求最终形成一个健康、可持续的河流生态系统。而健康、可持续的河流生态系统对水体溶解氧（DO）是有一定要求的，过高和过低的DO含量对水生生物均造成危害，按照地表水环境质量标准（GB 3838—2002）分类，等于及优于Ⅲ类的水质状况才能基本满足鱼类等水生生物的基本要求，因此可以采用DO的Ⅲ类限值5mg/L为生态水利工程的基本下限。

综合上述分析结果，人工补水工程主要包括输水管道与人工湖两部分主体水利工程，其中人工湖的自然曝气基本可以维持水体较高的溶解氧水平，而输水管道则存在自然曝气效率较低的情况，应当根据源水溶解氧的含量在输水管道上适当配置合适的人工增氧措施，有效提高水体中的溶解氧含量以适应生态水利工程的要求。

结论

①对广州市3个人工湖补水工程的关键节点DO含量监测结果显示：补水工程调度水体的措施，尤其是人工湖营造的开阔水面，可以有效维持水体自然曝气的效果，提高出口水体的溶解氧含量。②在相近的水力停留时间情况下，水面面积越大越有利于水体自然曝气。③开放性露天的引水渠/河道比地埋式暗管更有利于水体的自然曝气。④以白云湖为例可以初步得出：不同开泵工况对引水渠道与湖区水体的自然曝气效果影响不同；开泵台数对引水渠道这类较单一的水体环境曝气效果影响差异不大；而湖区水体在开泵台数越多的情况下自然曝气效果越好。