学校园区水系水质改善及雨水资源利用研究

2020-11-24李家欢曹昕哲陈茂福

水利规划与设计 2020年11期

李家欢，曹昕哲，陈茂福

(1.上海市高桥中学，上海 201202； 2.北控水务(中国)投资有限公司，北京 100102)

随着人们生活水平及审美需求的提高，公园、居住小区、校园、宾馆等场所常配置有景观水体。由于其相对封闭，水体流动性差，使得水中溶解氧含量较少，自净能力较弱，环境容量较低，极易发生水质恶化的情况，严重影响水体的景观效果和周边环境的舒适度[1- 3]。王桢桢[4]提出枯落物的腐烂分解、降雨及其产生的地表径流、大气干式沉降是小型封闭景观水体的主要污染源，其中枯落物的腐烂分解污染占到40%～60%。而且封闭水体水质污染导致富营养化的几率远高于自然河流，且持续时间更长。TN/TP是表征浮游藻类群落结构演变和藻类生长限制性特征的关键因子[5- 6]，周浩[7]研究合肥市封闭水体的N/P，均表现为磷为藻类生长的潜在限制因子，也即磷是主要的控制因素。本研究以上海市高桥中学内人工水系为研究对象，通过水量、水质指标及MIKE 21模拟分析识别水体水动力、水质及运行方面存在的问题，提出补水调度、水动力改善、水质改善及雨水资源替代等水体改善方案，以期为国内具有类似特点的水体治理提供参考。

1 研究区域

研究区域位于上海市高桥中学，学校占地面积4.2hm2，建筑面积2.6hm2。其人工水系呈“F”形，为小型封闭水体，面积约2200m2，日常依赖市政自来水补水，共有三个补水点，待水质变差时将池体放空后一次性补充新水，单次自来水用量约2500m3。校内排水体制为雨污分流，雨污水分别收集后排入市政主干管，水系则通过排涝泵站将雨水排出。水系概况如图1所示，南北长约120m，水面宽约8m，两个“F” 形分支约长78m、61m，水面宽约6m。

图1 研究区域

2 研究方法

2.1 水质监测与分析

在水体的不同区域选取5个点位，如图1所示，于2020/9/1—2020/9/29进行连续水质采样。现场取样时，对水面是否有漂浮物、是否浑浊等表观情况进行记录，并对水温、溶解氧进行检测，实验室则对CODCr、氨氮、TN、TP等4项指标进行检测。分析水体水质随时间、空间的变化规律，识别水体主要污染物及其分布。

2.2 水动力水质模型分析

选择MIKE 21模型Hydrodynamic和Transport模块对水体水动力及水质进行模拟。采用矩形网格进行水域剖分，网格尺寸为0.5m×0.5m，计算网格数为9049个。模拟水系为封闭区域，与外部水源无交换，故水体底部采用相对高程0m。初始水深取调研时现状水深，约为1m。补水流量根据实际确定，每个补水口补水量约3000m3/d，约8 h可完成水体换水。水质降解系数根据现场监测水质，经一级衰减公式拟合得出。此外，湖底糙率取0.03，对流扩散系数取0.0005m2/s，模拟时长为7d，时间步长为5s，其他参数根据模型手册选取经验值。通过模型模拟分析水体水动力、水质存在的问题，结合水质监测分析结果提出水动力水质改善的方法，并通过模型模拟分析改善方案的实施效果。

2.3 雨水资源利用可行性分析

现状水体仅靠市政自来水补水，且补水没有规律，易造成水资源浪费。汛期雨水直接排放至市政干管，也未进行充分利用。分析上海市长序列降雨

过程特点，并对校园雨水量、水体补水量进行逐日平衡计算，提出校园雨水用作水体补水的可行性方案[8]。

3 结果与分析

3.1 水体现状水质

现场取样时观察水体较为浑浊，水面常有树叶等杂物漂浮。共获得了2020/9/1—2020/9/29期间共计16d的水温、溶解氧数据，水温大致为23～28℃，溶解氧大致为2.4～4.6mg/L，水体不黑臭。与GB 3838—2002《地表水环境质量标准》相比，1#—5#等不同监测点的主要污染物均为TP，各次取样中污染物浓度远超过地表水V类标准，其次为TN、COD，有部分取样日污染物浓度超过V类标准，而氨氮的污染不严重，基本可以达到III类水质。以1#监测点为例，其水质随时间的变化如图2所示。此外，2020/9/3—2020/9/10为连续晴天且水体没有补水，各监测点TN、氨氮基本呈现上升的趋势，TP的变化幅度非常小，只有COD显示出一定程度的降低，通过一级衰减公式拟合出COD的衰减系数约为0.13/d。

由于水体氨氮污染不严重，采用反距离插值法对5个采样点的TP、TN、COD浓度进行分析，得到水体内各污染物浓度的空间分布，如图3所示。可以看出，TP浓度以左下角处最为严重、依次向东、向北降低；TN浓度以南部区域拐角处最为严重，依次向北、向西降低；COD浓度以中部区域最为严重，依次向北、向西、向南降低，也即水质改善的主要区域位于水体的中部和南部。

图2 1#监测点水质随时间的变化

图3 污染物浓度空间分布

3个补水口全部打开条件下，水体水动力模拟结果如图4所示。可以看出，除3处补水口附近有一定流速外，其他区域水动力明显不足。补水时，区域内水流从西向东，从北向南进行推流，并逐渐在东南区域汇集。水流越接近东南区域，流速越慢，水动力条件越差，当补水时间为1d，水深升至1.5m时，东南区域仍未得到换水，如图4中红色区域所示，基本形成死水区。

图4 补水工况下流速分布情况

综合水质监测及模拟分析结果，水体以TP为主要污染物，其浓度远超过地表V类标准，极易造成水质富营养化，此外还存在TN、COD等污染物。主要原因是在该水体形态下，水动力条件较差，即使在较大的补水量条件下，依然存在补水死角，以湖区东南角最为严重；此外，大气沉降及周边雨季径流污染不可避免会汇入湖区，给湖区带来较大的外源污染；加之水体水环境容量较低，自净能力较差，无法有效削减污染负荷，因此随着污染负荷的累积，极易造成水质富营养化。

3.2 水动力水质改善方案及效果分析

通过构建内部循环来改善整体水动力条件，在原北侧和西南侧补水口处设置循环泵站，分别作为取水口和出水口，通过新建补水管道的方式实现水系内循环，主要是减少死水区，提高流速[9- 10]。根据已有研究[11]，小型景观水体水质循环周期通常为2～3d，因此配置泵站规模为1100m3/d，可使池内水体3d循环一次。如图5所示。

图5 内循环方案示意图

针对水体流速慢、溶解氧低、水生态系统不完善的缺点，在水系拐弯节点附近设置喷泉曝气机，增加水体赋氧，加快污染物扩散和降解速度，促进水体浮游动植物生长。合适的条件下，细菌与底泥共同作用散发的污染物会严重影响水体水质，因此定期对水体底泥进行疏浚。同时沿岸设置若干生态浮床，为生物提供栖息的场所，考虑在岸边设置挂壁式水生植物种植装置，在水系中布置生态浮岛，逐步恢复水体生态系统，净化水质的同时还可起到较好的景观效果。此外，通过投放虾类、食藻浮游动物及底栖动物滤食水中细菌、单细胞藻类和原生动物，完善人工生态系统的食物链和食物网结构，构建生物多样性的生态系统[12- 13]。如图6所示。

图6 生态修复方案示意图

采用水动力改善方案后，在模型边界条件考虑水体内循环，循环流量为0.013m3/s(即1100m3/d)，水体中COD、氨氮、TP、TN的降解系数均有所增加[9- 14]，分别增加至0.17、0.086、0.0086、0.086/d，其他条件同现状模拟。通过对水动力状况的模拟，如图7所示，可以看出，水体内没有明显的缓流区，大部分区域的流速基本在0.003m/s以上。

图7 水动力改善效果

在水动力状况改善的同时，水质有明显的改善效果，COD的浓度变化过程如图8所示。可以看出随着水动力的改善，污染物也尽快扩散，由于内循环措施的设置，流向基本为由西向东再向北，然后从北侧继续取水补充到2个补水点，污染物分布逐渐变得均匀，最终趋向于V类水质，达到一般景观环境用水水平。对容易造成富营养化的TP污染物，其降解过程与COD类似，最终也趋近于V类水质。同时随着水生态的不断修复，将逐渐降低N、P浓度水平，减少富营养化发生的可能。

3.3 雨水资源利用方案及效果分析

2019年上海市徐汇区降雨量为1561.8mm，其分布如图9所示，除10、11月相对较为干旱外，其他月均有降雨发生，降雨量较大的场次主要集中于5—9月。最大降雨间隔为19d，平均降雨间隔为4d，由图10可以看出，70%的概率情况下，降雨间隔天数均在4d以内，降雨较为频繁。

由于现状水体换水没有明确的规律，假设换水周期为半个月，换水深度为1.5m，则单次换水量为3300m3，年用水量为7.92万m3。校园内硬化和非硬化面积径流系数分别取0.9和0.4，经面积加权平均计算后综合径流系数为0.73。以2019年为例，设置校园雨水和水体换水方案如下：①对每场降雨中5mm以内的初期径流进行弃除，5mm以上的径流部分对湖区水体进行补水；②若天气预报第二天有超过5mm的降雨，则前一天提前预排区域5mm以上应该产生的径流总量；③若超过12d没有5mm以上的降雨发生，且天气预报近3d仍没有降雨发生，则水体进行整体换水，换水量为3300m3。通过对2019年的水量平衡计算，年补水次数仅为8次，比现状24次削减了67%，年自来水用量为2.64万m3，节水量为5.3万m3，同时，年雨水利用总量为3.9万m3，相对于区域年径流总量5.46万m3，雨水资源利用率达到71.4%，平衡计算下年雨水和自来水补水量结果如图11所示。此外，由于雨水暂时在湖区内得到滞蓄，有效避免了校园内涝的发生。