平原河网水质提升关键技术与案例分析——以虹口河道为例

邹帅文，王海珍，袁时珏

(上海洗霸科技股份有限公司，上海 200437)

上海市虹口区属于典型的长江下游平原河网地区，水体流动性差。受感潮影响，水体流向往复，造成污染物长期淤积，河道水环境容易恶化。虽然水污染防治取得阶段性成效，区内各河道水质和景观面貌均有明显提升，但仍会受到沿岸合流制泵站放江的影响。短期内大量含有高有机质含量的管网、泵站沉积物进入河道，快速消耗水体溶解氧(DO)，而河道水体低DO环境直接影响微生物对有机污染物的降解速率，河道水质呈现反复波动的情况，河道水环境也面临重大的挑战[2-3]。为进一步巩固河道治理效果，维持并提升河道水质，相关的整治措施必不可少。

本研究针对虹口区河道水质现状，提出水质提升工程整体解决方案，鉴于之前经过多次整治提升，仍无法彻底解决水质达标的情况，为此选定水动力最差的河段进行试验段工程实施，探讨平原河网地区生态清洁小流域建设的治理思路和水质提升关键技术体系，为全面实施本区河道水质提升改造工程提供重要的借鉴，同时也为其他平原河网地区生态清洁小流域建设提供治理思路。

1 项目概述

1.1 河道概况

虹口区境内现有黄浦江、江湾市河、南泗塘-沙泾河、西泗塘-俞泾浦-虹口港、吴淞江-苏州河、沽西浜6条河道，以及4座湖泊和22个小微水体。本项目主要针对江湾市河、南泗塘-沙泾港、西泗塘-俞泾浦-虹口港3条河道进行水质提升。3条河道基本情况如表1所示。虹口区河道概况如图1所示。

表1 虹口河道基本情况Tab.1 Basic Information of Hongkou River

图1 虹口区河道概况图Fig.1 Overview Map of Hongkou River

项目3条河道相互连通，南连黄浦江，北连蕰藻浜，西经走马塘。虹口区内河南有虹口港水闸、北有西泗塘水闸、南泗塘水闸(图2)。在涨潮期，引黄浦江水源到内河；在退潮时，关闭虹口港水闸，开启西泗塘、南泗塘水闸将内河水源排放到蕰藻浜。其中，江湾市河为东西走向河道，在南引北排为主的调度方式下，往复流现象突出，水体反复震荡，容易造成水质恶化现象。

图2 虹口河道水系连通图Fig.2 Water System of Hongkou River

1.2 水环境现状与分析

为更好地监测水质，虹口区相关机构共设置了14处监测点位，其中，江湾市河设置2处，南泗塘-沙泾港设置6处，西泗塘-俞泾浦-虹口港设置6处。2018年3条河道的高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮、DO和总磷(TP)检测结果(取多个监测点的平均值)如图3所示。根据检测数据，3条河道CODMn、氨氮和TP指标全年基本能满足地表V类水水质标准，但DO质量浓度在各监测点位均出现不同程度的偏低现象，呈间歇性劣V类水质。2018年江湾市河DO最低质量浓度为1.11 mg/L，严重低于地表V类水标准(2 mg/L)，5月—9月DO质量浓度<2 mg/L。南泗塘-沙泾港河道全年DO最低质量浓度为1.97 mg/L左右；西泗塘-俞泾浦-虹口港河道全年DO最低质量浓度为1.69 mg/L左右，7月和9月DO质量浓度<2 mg/L。3条河道水质均呈间歇性劣V类水质，主要原因是10月—来年4月上海降雨较少，雨水管道内流量低导致污染物易在管道内淤积，合流制泵站停止放江；5月—9月上海降雨增加，需要经常性采取排涝放江措施，此使管道和泵站内淤积的大量污染物随雨水进入河道内，大量消耗河道水体DO，导致DO浓度明显降低；同时，河道北段整个片区水体流动性差，其中江湾市河水体流动性最差，自净能力弱，也是导致水中DO低的原因之一；此外，夏季河道温度升高也加速了河道中耗氧速率，河道中淤积厌氧底泥上浮并加剧了河道DO含量降低。

图3 3条河道水质指标变化Fig.3 Changes of Water Quality Indices for Three Rivers

1.3 主要问题

根据现场调查和水质数据分析，虹口区江湾市河、南泗塘-沙泾港和西泗塘-俞泾浦-虹口港3条河道均出现不同程度的水污染问题，主要表现如下。

(1)水体DO含量不足。整个河道片区下游段(北段)常出现DO质量浓度<2 mg/L的情况，主要出现在5月(枯水期-丰水期过渡时期)和6月—9月(夏季炎热时期)。夏季河道厌氧底泥上浮现象，成为影响河道水中DO的主要因素。

(2)水动力不足。江湾市河呈东西流向，整体流动性较差，导致污染物淤积，水质相对较差。南泗塘-沙泾港和西泗塘-俞泾浦-虹口港河道北段水体流动性较差。

由于两端口网络的噪声分析可以直观的描述一个网络的噪声性能，所以将低噪声放大器中所采用的晶体管等效为一个二端口的噪声网络，如图2所示。

(3)间歇性劣Ⅴ类水质。6月—9月(夏季炎热时期)部分河段存在氨氮和TP指标出现间歇不达标的现象。

(4)南泗塘-沙泾港河、西泗塘-俞泾浦-虹口港2条河道沿线的分流制雨水系统共存在6处泵站排水口，泵站排水类型为混合废污水，放江时污染严重。城区泵站放江已凸显为影响上海中心城区河流水质稳定和持续改善的主要问题[4]。

2 改造方案

根据调查3条河道周边已完成居民小区雨、污混接改造。为削减虹口片区初期雨水对河道水环境污染的影响，虹口区对曲阳污水处理厂进行功能调整，作为初期雨水调蓄池，已完成大部分主体工程。3条河道的部分水域设置了生态浮岛，通过水生植物的根系及附着的微生物对水体进行水质净化。

本次水质提升改造工程的目标是改善河道水动力，水体DO质量浓度常年保持在2 mg/L以上，改造内容主要包括曝气增氧和改善水动力措施。其中，曝气增氧主要采用微孔曝气、射流曝气和微纳米曝气等多种形式，并沿河道进行有针对性差异化配置。此外，在万安路与春生街交汇口(即江湾市河最东段景观亭处)等水动力严重不足处，设置相应的水动力措施，包括射流曝气以及推流式水车，以改善此处水动力，增强水体流动性[5-6]。

2.1 曝气增氧方式比选

微纳米曝气装置能生产直径在50 μm至数十纳米的微小气泡，可快速溶解于水体中，溶解效率大大提高。根据文献报道，采用纳米曝气技术曝气后DO总体平均值可为9.88 mg/L，而射流曝气DO总体平均值为6.37 mg/L[7-8]，主要原因是纳米曝气产生的大量微纳米级的气泡悬浮于水体并随之一起运动，形成超饱和状态；射流曝气设备的工作原理是用潜水泵将水吸入增压从泵体高速推出后，利用在出水管道的水射器将空气吸入，气-水混合液经水力混合切割后进入水体，气泡大小只能达到微米级。虽然射流曝气的溶氧效率低于纳米曝气，但纳米曝气无法有效改善水动力，而射流曝气既可以对河道进行充氧又能利用其自身能量对水体产生一定推动力来改善周边水动力。微孔曝气是一种以低成本向大面积水体增氧的曝气装置，采用沉水风机后，可避免传统鼓风机扰民的问题。推流式水车能形成定向的水流，适合于水深较浅的水域。根据各种曝气设备性能分析比较，并结合虹口区3条河道的水质现状和不同河段的工况，应采用组合曝气增氧方式方可达到预期效果。

根据理论计算，要保证3条河道常年DO质量浓度不低于2 mg/L，整个河道所需充氧量为1 291.96 kg O2/h，因此，本项目曝气装置的配置如表2所示。本项目计划布置微纳米曝气共35套，射流曝气共39套，微孔曝气共31套，总计充氧量可达到1 496.50 kg O2/h。

表2 曝气装置设施参数Tab.2 Facilities Parameters of Aeration Systems

2.2 水动力改善

河道春生街与万安街交叉口的景观亭和江湾市河蟠曲坊这2处位置存在水动力严重不足的现象，也直接导致污染物淤积和DO含量不足。景观亭位于江湾市河与沙泾港交汇处，呈现“凸”出形态，亭子下方存在“死水”区；蟠曲坊离河岸仅有2～3 m，船舫内侧水体流动性差。

为改善水动力，分别在景观亭和蟠曲舫设置2套射流曝气和2套推流式水车(图4～图5)，在对河道进行充氧的同时，也推动河道水体流动。

图4 景观亭曝气设施布置图Fig.4 Layout of Aeration Systems for Landscape Pavilion

图5 蟠曲舫曝气设施布置图Fig.5 Layout of Aeration Systems for Panqu Ship

2.3 激波振荡脉冲射流曝气+微纳米曝气组合技术工程改造

图6 曝气设备和电气平面布置图Fig.6 Layout for Aeration Instruments and Electrical Systems

鉴于本项目投资额较大，工程全面实施存在水质依旧不达标的风险，在工程实施中决定选取江湾市河这一水质最差河段进行试验段工程改造，待改造后若成果验证有效，再进行全河道提升改造工程。通过各种曝气设备的性能比选，并针对河道现状，采用激波振荡脉冲射流曝气+微纳米曝气组合技术。本试验段施工分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ这3个安装区域，每个安装区域分别安装1套微纳米曝气设备、2套射流曝气设备以及配套电箱与控制箱系统。设备和电气平面布置如图6所示。曝气系统配置方式采用在微纳米曝气设备两侧配套设置激波振荡射流曝气机，以最大效能发挥微纳米曝气设备在水体的扩散，提升曝气效果。

为保证效果，本项目采用了激波振荡脉冲射流曝气设备而非传统的射流曝气器。对于传统的射流曝气器，小气泡容易在扩散管出口的周边区域聚集并形成大气泡从水面溢出，降低了其传质系数和充氧效能。提高氧在水体中转移速度的方法有提高氧总传质系数(KLα)和提高液相中的气相饱和浓度(Cs)，在相同条件下，前者远比后者容易实现，而激波振荡过程就是实现KLα提高[9]。本射流曝气系统主要通过3次混合来实现气液充分混合，如图7所示。

图7 激波振荡脉冲射流曝气装置示意图Fig.7 Schematic Diagram of Shock Oscillation Pulse Jet Aeration System

第一次通过管道混合器，使气与水充分碰撞混合；第二次气水混合液在振荡器中充分振荡，以脉冲的形式出水，达到二次混合；第三次在出水喷射管内，高DO浓度的脉冲水与河道原水以一定比例混合，同时混合水在喷射管内沿旋流轨道出水，以减少出水阻力，配合其脉冲式出水，能够极大地增加推流距离和提高水体的对流扩散能力。在以空气为气源和原水DO质量浓度为0～2 mg/L的条件下，出水口的DO质量浓度可达到7～8 mg/L，如气源更换为氧气，出口DO质量浓度将超过20 mg/L。

3 实施效果

本试验段水质提升工程于2020年4月开始，于6月完工并开始运转。通过2020年6月—9月的持续监测，I区、II区和III区附近水域中DO含量与治理前相比得到明显提升，平均值分别达到2.53、2.52 mg/L和2.55 mg/L，如图8所示。在江湾市河监控断面水质考核中，DO质量浓度均高于2 mg/L，顺利通过市级考核，为虹口河道水质提升工程全面实施提供了重要的借鉴作用。

图8 各监测点治理前后DO含量变化Fig.8 Changes of DO Content for Each Monitoring Point

4 结语

随着水生态文明建设的不断深入和推进，2021年3月上海全面启动生态清洁小流域建设，生态清洁小流域的内涵和外延不断丰富，不再局限于河道本身的治理，涉及水网、绿网、路网、管网这几张“网”的统筹。在实现水清岸洁的同时，更要实现河湖联通、河岸交融及绿色生态的河岸空间。

整治后的虹口区江湾市河先行试验段，是上海生态清洁小流域建成后的缩影。本研究分析平原河网地区虹口区生态清洁小流域建设面临的主要问题，发现河道由于自身缺陷存在间歇性劣Ⅴ类水质现象，尤其是在5月—9月DO质量浓度持续低于2.0 mg/L。其主要原因是降雨排涝放江期间大量污染物随雨水进入河道，河道水体流动性差，水体自净能力弱。针对水质和水动力最不利的江湾市河段，通过合理配置曝气系统和推流系统，可以有效地提升河道中DO含量，实现监控断面水质考核全年达标。

本研究探讨了平原河网地区生态清洁小流域建设的治理思路和水质提升关键技术体系，为推进平原河网地区河道水体DO含量提升工程的全面实施，以及老城区河道水质提升提供了重要的经验和借鉴作用，也为平原河网地区生态清洁小流域建设提供思路。