基于入湖TP负荷的杭州西湖引配水过程优化研究

徐泽琪，尤爱菊，滑 磊

（浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017）

0 引 言

杭州西湖是著名的城市景观湖泊，列入世界文化遗产名录，具有非常重要的旅游价值和生态环境意义。2000年始，杭州市委和市政府实施了西湖综合保护工程，采取湖底疏浚、入湖溪流整治、西湖西进、引配水、水域生态修复等多项措施，有效削减了入湖污染负荷，增强了湖泊水体更新能力，水环境质量改善明显[1-2]。2007年始，杭州西湖风景名胜区管委会相继实施国家“十一五”“十二五”水体污染控制与治理科技重大专项项目，在苏堤以西和北里湖水域实施沉水植被修复工程，上述湖区水环境得到进一步改善[3]。

西湖流域面积27.25 km2（含湖面6.39 km2），流域内林地、茶园等主要的红壤土层薄而且疏松，极易受雨水冲刷淋溶而释出污染物，是西湖入湖污染物的主要来源之一[3]；流域输入的污染源大部分沉积在湖底，在夏季高温季节再向水体释放，使得部分湖区尤其是外湖总磷TP浓度出现季节性的峰值[1]；40×104t/d的引配水进口主要集中在苏堤以西湖区，加上湖泊水动力较弱[4]，湖泊水质分区差异显著（见图1）。营养指标监测结果表明，西湖水体仍处于轻度富营养化状态[1,4]。

图1 2013.08西湖TP浓度空间分布图

TP是西湖富营养化的主要控制指标[1,5]，分析其污染来源及时程变化特征，对进一步提高西湖水质十分必要。通过文献调研结合“十二五”水体污染控制与治理重大专项“湖荡湿地重建与生态修复技术及工程示范”子项目（2012ZX07101-007-005）（以下简称“项目”）的相关研究成果，对西湖入湖污染负荷进行测算与评估；基于入湖负荷的年内分配特征，采用零维TP模型，进行西湖外湖区配水过程的优化模拟，以期为西湖水环境的持续改善提供参考与借鉴。

1 西湖TP负荷分析

经过多年的综合整治，西湖流域内居民生活和宾馆餐饮等经营性污染源已基本完成截污纳管[2]，故本次分析不单独计算点源负荷，着重分析大气沉降负荷、流域面源负荷、引水入湖负荷和底泥释放负荷。

1.1 大气沉降负荷

早在1985年，陈田耕[7]等对西湖磷的来源进行分析，根据雨水磷含量的观测，推测1980年湖面降水带入西湖的磷负荷为0.17 t（其时西湖水面面积为5.60 km2）。2010年焦峰等[7]以相对封闭的西湖北里湖为研究对象，通过在湖中设置大气沉降采样点，对大气入湖的N和P进行监测、估算，得到3—8月北里湖TN输入量为1 202.20 kg，TP输入为15.02 kg；按此推算得全年全湖区TP负荷约0.27 t。李太谦[8]等采集与分析了杭州北里湖2010年2—7月中的干湿沉降，得到TN、TP的月沉降通量平均为427.45 kg/km2和5.96 kg/km2，由此估算得全年全湖区沉降量为0.46 t。杨俊[9]等于2013年10月至2014年11月在西湖湖心（湖心亭），东部（一公园、湖畔居），北部（葛岭），西部（茅家埠），南部（小南湖）等湖区开展了大气营养盐沉降观测，测算出西湖全年总TN沉降率为6 234.64 kg/km2，TP沉降率为63.85 kg/km2；按沉降率测算得到全年全湖区的大气入湖TP为0.41 t。

大气沉降负荷主要受空气质量、气象条件等因素影响；其观测结果又受监测布点、监测季节和环境扰动等影响。考虑到杨俊等在湖区布点较多、观测时间较长，故本次取用其观测结果。根据其对不同监测点不同季节沉降率的观测结果，推算得不同湖区、不同季节的沉降量，见表1。

表1 西湖不同湖区磷盐沉降量 单位：kg

1.2 流域面源负荷

1988年至1989年，焦荔[10]等对西湖流域的非点源进行了定量调查，利用SCS曲线数学方程和美国通用土壤流失量方程计算出非点源污染的地表径流量、土壤流失量、营养物质流失量，从而得到全流域TN、TP年负荷分别为42.40 t和2.13 t。董亮等[11]利用1988年8月1日至1989年7月31日的实测数据，对西湖流域的金沙涧、龙弘涧和长桥溪流域的非点源污染进行模拟，得到西湖流域非点源总氮负荷为34.52 t，总磷负荷为1.33 t。唐孟成[5]等通过研究表明，西湖流域内土壤表土富磷和暴雨的冲刷及淋溶是导致雨后径流磷浓度提高的主要原因，2011年梅雨和台风雨雨后径流的磷净输出为1.77 t。张上化[12]基于SWAT模拟结果，得到2016年和2017年西湖各子流域污染负荷的空间分布，测算得到西湖流域TN、TP年均入湖总量为15.52 t和3.03 t。

根据降雨资料推求各小流域的逐月产水量，将其和实测的当月入湖监测断面水质相乘，推求得2011年和2013年水文条件下的流域面源污染TP分别为3.84 t和3.75 t。由此分析的负荷量一方面包含了长桥溪配水水量3×104t/a携带的入湖负荷，另一方面包含了流域内渗漏的生活、旅游经营等污染源，故比较其他研究成果偏大是合理的。

1.3 引水携带负荷

西湖全年引水分配比较均匀，但受水源水质影响出水TP浓度存在较大波动。根据西湖玉皇山预处理厂提供的2016—2019年资料，钱塘江源水TP浓度变幅为0.033～0.232 mg/L，玉皇山预处理厂出水TP浓度范围在0.012～0.052 mg/L。根据出水水量和水质条件，计算得到引水入湖TP总负荷量为4.14 t。

1.4 底泥释放负荷

1989年6月至7月，韩伟民等[13]在西湖涌金闸附近通过现场试验得到西湖夏季平均释磷速率为1.02（mg/m2）/d，并估算得到西湖底泥释磷量为1.35 t/a。韩曾萃等[14-15]在此试验基础上引入温度对底泥释放的影响，推算得到西湖全湖TP底泥释放负荷为2.00 t。吴根福等[16]根据1986年至1995年西湖引水结束时与引水结束10 a后TP浓度的上升情况，计算得到西湖全湖平均释磷速率为3.49（mg/m2）/d，由此估算西湖底泥释磷为 7.22 t/a。2014—2015年朱广伟等[17]通过在西湖不同湖区的观测，得到西湖夏季、春季和冬季的平均TP释放量分别为3.29、0.29和0.13（mg/m2）/d，估算全年释放量为2.51 t/a。

湖泊底泥释放负荷与气温、底泥营养物质含量以及水体扰动等因素密切相关，影响因素比较复杂。无论是现场试验还是实验室试验，均较难准确获取全年的释放强度和释放量。根据已有观测[18]，2016—2018年西湖外湖TP浓度在0.02～0.08 mg/L，与2011年相差不大；且近年来，西湖外部污染已得到较好控制，湖区未实施清淤疏浚等环境治理工程，因此采用数据较为完整的年份2011年、2013年进行分析论证。在项目期间采用构建的零维TP模型，对2011年、2013年西湖TP浓度全年变化过程进行反演，通过率定得到各月底泥释放强 度[19]；由此推算得到西湖外湖区全年底泥释放负荷为2.18 t，全湖区全年底泥释放负荷为2.57 t，与朱广伟[17]等研究成果接近。

1.5 总负荷

由前文分析可知，西湖入湖污染负荷的研究主要集中在20世纪80年代末及2010年之后；考虑西湖流域大规模的综合治理和生态修复工程至2010年已基本完成，同时参考水文年的代表性、资料的可获得性，本次采用2011年的入湖面源负荷、引水携带负荷、底泥释放负荷及2013—2014年的大气沉降负荷测算成果进行总负荷的汇总。得到流域内TP大气沉降负荷、面源负荷及底泥释放内源负荷分别为0.41 t/a、3.84 t/a 和2.57 t/a，合计为6.82 t/a；引水携带负荷为4.14 t/a，合计总负荷为10.96 t/a；年内分配过程见图2。

图2 2011年西湖入湖污染负荷分配图

从图2可见，6月因雨水冲刷流域面源负荷较高，8月因高温致使底泥释放负荷加大，入湖TP负荷年内波动显著。

2 引配水优化调度分析

相关研究表明[1]，由于苏堤、白堤的阻隔，西湖不同湖区的水体交换能力存在显著差别，造成水质的空间不均匀性也十分明显。水质监测资料表明，7—10月的夏秋季节，西湖外湖TP浓度异常升高至0.05 mg/L以上，成为西湖富营养化防控的重点区域。在西湖保护与治理工作中，通过优化引配水过程，使其更好地区配入湖TP负荷的时程特点，进而降低湖区TP浓度的季节性波动，是推进流域污染治理越加艰难现状下的可选之策。

2.1 分析方法

根据质量守恒原理，假设污染物在湖泊内掺混均匀，可以用零维模型研究湖泊污染物浓度，得到湖区充分混合后的物质守恒方程：

式中：V为湖水正常水位下的体积，m3；C和dC为湖水某物质（如TP）浓度及变化量，mg/L；Qw为流入湖区水体的流量，m3/d；Cw为流入湖区水体的浓度，mg/L；Qi为补水入湖区的流量，m3/d；Ci是补水入湖区的浓度，mg/L；Qe为流出湖区的流量，m3/d；Ce是湖水浓度，mg/L；如考虑生态措施作用，此项还包括湖区生态系统对某种污染物的吸收和净化作用；P为湖面降雨量，mm；A为湖水面积，m2；Cp为雨水携带的污染物浓度，mg/L；k为单位湖面沉降系数，d-1；dt为单位时间，d；V、C、k、dt四者相乘代表单位面积沉入湖底的污染物总量，g。

可以将湖面降雨量、大气总沉降量、陆域污染负荷及底泥释放量均归为入流，进入湖内的污染物中，总计为W，即令QwCw+QiCi+PACp=W，则（1）式为：

此时，相应负荷均取年或月平均负荷。

对齐次方程W=0时，（3）式的解为：

式中：C0为初始浓度，mg/L。

式（4）的解可以反映初期湖水因补水流入湖区污染物，大气沉降负荷及陆域污染负荷等累积后的湖水浓度增加过程，经过一定时间后，污染物的浓度维持在一个相对稳定水平。

如考虑逐月或逐日负荷及浓度都在变化，则式（3）非恒定解为齐次方程和非其次方程解之和，即

式（6）中第1项为本月负荷产生的浓度增加值；第2项为前月末到本月的浓度衰减值；C0为前月（日）的值；C（t）为任何时刻浓度瞬时值；为入湖各类TP逐月负荷；为进入或流出湖区的逐月水量。

对西湖外湖而言，污染负荷来源主要由引水、降雨携带污染物以及沉降3部分组成。降雨径流携带的污染物主要通过西湖西部河道进入茅家埠、浴鹄湾等湖区，经西里湖、小南湖缓冲进入外湖，因此，可以采用西里湖、小南湖等湖区水质作为边界条件进行输入。西湖总磷模型已经过多次验证[1,14-15,18]，本次不再进行相应的验证工作。

2.2 分析结果

从2011年西湖入湖污染负荷过程、外湖全年TP浓度变化过程可知（见图2和3），1—6月份入湖污染负荷较低，相应地外湖TP浓度较低，水质优良；7—10月份入湖污染负荷增高，外湖TP浓度相应升高。为此，以降低7—10月的TP浓度为目标，在现状引水40×104t/d的基础上，不同程度地加大7—10月的引水量，模拟外湖TP浓度变化过程见图3。

图3 增加7-10月配水量后外湖TP浓度变化图

由图3可知，当7—10月增加引水量60×104t/d后，该时期外湖的TP浓度可控制在0.05 mg/L以下；但由此会增加西湖全年的引水规模及引水预处理的费用。为此，考虑进一步优化配水过程，在全年引水量不增加的条件下，通过适当减少1—6月及 12月的配水量，扩大7—10月的配水量，从而减少外湖TP浓度的波动和变幅。优化引水量后外湖全年TP浓度变化过程及各月引水量情况见图4。

图4 外湖各月优化引水量及TP浓度变化图

由图3～4可知，优化引水分配后，外湖TP浓度全年降至0.05 mg/L以下。1—5月引水量减少至20×104t/d以下，期间外湖TP浓度较现状有所升高，但均未超过0.05 mg/L。7—10月，引水量加大至20×104t/d以上，外湖TP浓度降至0.05 mg/L以下；其中外湖全年TP浓度8月最高，引水量需增大至100×104t/d。优化逐月引水量后，全年总引水量可减少5%。

3 其他水环境提升措施

西湖地处城市核心，其水质的提升和保护十分必要，也十分艰巨。在杭州市的不懈努力下，21世纪以来西湖水质得到持续的提升和改善，但仍处于轻度富营养化状态。因此需要进一步加强流域水量、水质监测，持续推进污染源控制。

3.1 提升流域水文水质监测水平

目前西湖入湖支流及湖区共设有15个水质监测点，但都采用人工取样方式，缺乏水质的在线监测，难以掌握特殊天气如暴雨期条件下的水质实时变化情况，也难以准确掌握面源污染输入的时程特点。西湖外湖区圣塘闸和柳浪闻莺设置有2个水位观测站，其中圣塘闸水位站为自动观测站，但入湖支流均没有开展常规的水文观测，使得流域的洪水管理、非点源管理缺乏资料基础。

因此建议在科学论证的基础上，在西湖主要入湖溪流探索建立水文观测站和水质在线监测站点，为水环境综合管理提供及时高效的数据支持。

3.2 继续推进流域面源控制

由前文分析可知，流域面源是入湖TP负荷的主要来源之一。徐骏等在2014年12月监测到暴雨期金沙涧入湖口TP浓度达到0.15 mg/L，流域时段性暴雨输入负荷不容忽视。虽然在西湖各大支流上都设置了前置库，但其拦截效率受暴雨冲击影响明显；同时暴雨入湖后沉淀再释放效应也不容忽视。因此，应进一步排查流域内生活源等泄漏情况，加强茶叶等农业种植污染控制，禁止过量施肥，加强上游坡面耕地的改造和管理，减少土壤及肥料流失，并落实相应的管理措施。

3.3 提高引水预处理出水标准

西湖引水携带的TP负荷是重要的外源负荷，约占总负荷的37.8%。西湖引水经混凝沉淀后，从玉皇山水厂、赤山埠水厂由管道送入西湖9个配水点，其中预处理的出水水质与钱塘江的原水水质及投加的絮凝剂药量密切相关。调研表明，西湖配水的预处理厂采用人工加药方式，未能根据原水水质实施精准加药，因此出水水质尚不稳定。项目研究期间，项目组开展了初步的试验研究，发现通过精准加药可显著降低出水TP浓度及其稳定性。未来可进一步深入研究，逐步开发基于水源条件的自动化加药系统。

3.4 控制湖区内源污染负荷

底泥释放负荷也是西湖TP负荷的主要来源之一，对外湖区影响尤为突出。外湖区面积较大，且受风浪影响明显，因此在湖西区成功应用的沉水植被恢复技术较难在外湖进行应用。清淤是改善湖泊底质、减少底泥污染释放的有效途径，但清淤涉及的工程量大、带来的效果持续性短，也较难成为湖泊治理的常态措施。

朱广伟[17]等于2014年春、夏、冬3个季节，采集西湖8个湖区的原状泥柱进行了实验室磷释放过程的连续培养，研究锁磷剂phoslock对底泥磷释放通量的控制效果；研究表明即便是有机质含量较高的西湖底泥，锁磷剂对其控磷效果也很显著，夏季磷释放量较大的时期，锁磷剂的控磷效果达98%。该技术为西湖底泥污染控制提供了可选的技术方向，然其现场应用还需开展更深入的试验、研究与分析工作。

4 结 语

基于文献调研和前期项目研究，系统梳理分析了西湖各类入湖TP负荷及其时程分配。分析表明，流域面源负荷、引水入湖负荷和底泥释放负荷是西湖的主要污染来源，分别占总负荷的35.0%、23.4%和37.8%；其中面源负荷主要受降雨过程影响，底泥释放负荷主要受气温影响，引水携带负荷受钱塘江源水影响，各污染负荷都呈现较强的季节性。

根据污染负荷及湖区水质的时程变化过程，采用箱子模型模拟研究了优化配水过程。研究表明，在全年引水规模不增加的基础上，可通过加大7—10月份配水量，减少其他月份配水量，实现西湖外湖区全年TP达到湖泊Ⅲ类水标准。结论仅为理论分析结果，实际应用还受场地处理能力，管道输配水能力和管护人员等多方面因素影响，需进一步论证研究。