城市黑臭河网外源调水技术研究进展.pdf

书书书 城市黑臭河网外源调水技术研究进展 * 陈诗吉郑祥民周立旻卢超 华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室， 上海 200241 摘要 近年来， 随着城市化的快速发展， 大量工业废水和生活污水排入河道， 导致城市水环境恶化程度不断加剧。引清 调水技术作为城市黑臭河网治理中见效快、 效果明显的一种方法， 在国内外水环境治理中得到广泛应用。通过总结国 内外城市黑臭河网外源调水技术的最新研究成果， 从技术特点、 技术流程、 关键技术、 技术使用中存在的问题以及技术 的应用前景等方面介绍了黑臭河网外源调水的基本情况及研究进展， 力求寻找适用于我国城市黑臭河网外源调水的 最优调度模式和共性技术， 为我国城市黑臭河网水环境治理提供参考经验和理论支持。 关键词 城市黑臭河道; 外源调水; 最优调度模式; 共性技术 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402001 A ＲEVIEW OF TECHNOLOGY OF TＲANSPOＲTING CLEAN WATEＲ FＲOM OUTEＲ WATEＲ SOUＲCE TO TＲEAT UＲBAN BLACK- ODOＲS ＲIVEＲS Chen ShijiZheng XiangminZhou LiminLu Chao Key Laboratory of Geo- Ination Science of the Ministry of Education，East China Normal University，Shanghai 200241，China AbstractIn recent years，with the rapid development of urbanization，lots of industrial wastewater and domestic sewage were discharged into rivers，which led to the urban water environmental degradation． Clean water transfer as a kind of with quick and obvious effect was widely used in urban black- odors river treatment． Based on the latest research achievements，the common technology of transporting clean water to the urban black- odors river was introduced from some key factors including technical characteristic，process，key technology，the problems in use and application prospect． Efforts were made to find the optimal scheduling mode and general tochnology that were suitable for transporting clean water from outer water source to the urban black- odors rivers，which provided experience and theoretic support for the treatment of water environments of urban polluted rivers in China． Keywordsurban black- odors river;clean water transfer;optimal scheduling solution;common technology * 国 家“十 一 五”科 技 重 大 专 项“水 体 污 染 控 制 与 治 理 科 技” 2009ZX07317- 006 。 收稿日期 2013 －04 －26 1概述 1. 1研究背景 近年来， 随着我国经济的持续高速发展， 水体遭 受严重污染， 导致水环境恶化不断加剧， 水质型缺水 在我国南方的丰水地区日益严重。据统计， 80 以上 的城市河道受到污染， 其中许多甚至出现季节性和常 年性水体黑臭现象［1- 6 ］。良好的水动力条件是河流水 体自净的前提和保障［2 ］。当前我国东部经济发达地 区普遍位于河流的河口地带或废河口地带， 这一地区 的河网， 河道底坡平缓、 流速缓慢、 流向多变、 污水团 长期回荡、 河槽容易淤积， 这些客观条件加上人为因 素造成河网破碎化， 形成“非湖非河” 的特有景象， 河 道环境容量小、 污染难以自净。上述问题在我国滨海 平原河网城市中普遍存在， 并成为影响城市黑臭河网 治理的关键［7 ］。黑臭河网水环境质量的改善除了截 污治污外， 在有条件的地区， 采用水利工程引清水改 善水环境也是一种见效快、 效果明显的方法 ［8- 9 ］。在 水质矛盾尖锐、 民众生产生活受到很大影响的水污染 地区， 用引清调水改善水质不仅改善了水质、 缓解了 矛盾， 而且有利于社会稳定。引清的作用是以水治 水， 在增加水量、 稀释污水的同时， 还有多方面的净化 1 水污染防治 Water Pollution Control 作用， 黑臭河网的水质可以得到更好地改善 ［10 ］。为 缓减城市黑臭河网水质， 近年来我国许多城市采取了 “引清济污” 的外源调水手段以强化河道自净能力， 加快黑臭河道的治理速度。 1. 2技术概况 城市黑臭河网外源调水是指在河道水生态系统 受到污染的背景下， 为解决生态环境安全问题， 以 及营造良好的生活环境， 在保证防汛安全， 生产生 活用水， 航运以及重要区域水环境的前提下， 在有 条件的地区充分利用清水资源和外河潮汐动力， 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。将水质较好的外 源水体引入城市内河， 部分污水被压出原来的河 道， 从而增大了城市黑臭河网水体的净污比， 使其 稀释容量大大提高。引水稀释的作用是以水治水， 不只是增大水量， 稀释污水， 更重要的是加大了内 河径流量， 加快了水体的置换速度， 使原有水体由 静变动， 流动由慢变快， 且大部分河段呈单向流。 由于水体自净系数与流速有关， 且随流速加快而增 大， 因此引水能使水体的自净系数增大， 水体的自 净能力增强［11］。引清调度是提高平原河网地区现 有河网水环境承载力的一种重要手段， 也是国际上 流行的较为实用的水环境治理方案。 1. 3技术流程 城市黑臭河网外源调水的关键技术包括 外源调 水水源的时间变化特征 包括水质、 水量、 含沙量、 含 沙粒度组成信息等 、 调水过程中河网水质及水动力 模型研究、 调水后污水的排泄 包括涵闸综合控制技 术 。常规的外源调水技术流程见图 1。 图 1城市黑臭河网外源调水技术流程 Fig． 1The technical process of transporting clean water to urban black- odors rivers 1. 3. 1流体中颗粒物的絮凝和沉降 调水过程水量相对大， 流速快， 考虑费用效果问 题， 采取污水处理厂添加絮凝剂去除污水悬浮颗粒并 不可行， 解决调水过程中的河道淤积和河水灰白化现 象必须依赖颗粒碰并絮凝沉降过程， 这包括两个层面 的工作 第一层面物理模型、 数值模拟， 系统探讨粒度 谱变化、 水流扰动变化对颗粒碰并絮凝的影响及沉降 通量的估算［12- 15 ］; 第二层面应用操作， 在数值模拟基 础上寻找最佳水流扰动和泥沙配比， 设计相应生态沉 沙装置， 有效去除水中悬沙［16- 19 ］。 1. 3. 2沉沙池设计 沉沙池是在各类引水工程中为减小进入终端运 水通道或蓄水设施泥沙而采取的泥沙控制设施。沉 沙池的基本原理是通过减小流速来促进泥沙沉 降 ［20 ］。为了在一定流量下提高沉沙效率， 在沉沙池 设计中往往采用小出入口大库容的设计， 同时利用沉 沙中增加斜板、 弯道和溢流坝等措施来增加水流悬沙 在沉沙池中的停留时间， 达到最大沉沙量［21- 24 ］。同 时为了提高沉沙池的使用效率和使用寿命， 沉沙池还 需配套相应除沙系统， 目前主要的除沙方式有冲洗法 2 环境工程 Environmental Engineering 和机械清淤法 ［23 ］。 1. 3. 3河网水质、 水动力模型研究 黑臭河网外源调水的另一重要领域在于建立调 水河网的水质、 水动力模型， 实现动态模拟不同调水 模式下的水动力、 水质变化特征。在长江三角洲的众 多外源调水济污工作中普遍采用了河网数值模拟的 方法探讨最佳河网调水模式。目前， 国外开发了多种 用于外源调水的水文、 水质模型， 同时国内学者也开 发了适应网状河流的水文、 水质模型。如徐小明 等 ［25 ］非常系统地探讨了大型河网调水的数值模拟方 法; 卢士强等 ［26 ］建立了上海苏州河综合调水对周边 水系水质、 水动力影响的数学模型; 黄远东等 ［27 ］在青 浦城区构建了小区域河网调水水质模型。这些计算 方法和模型在各自的应用中均取得了良好的效果。 这些模型中河水流动由 Navier- Stokes 方程描述， 采用 “河道节点河道” 三级联解法， 采用不同的参数 可以获得不同的湍流模式［28 ］。河网水质模型的基本 方程为一维对流扩散方程， 服从物质在断面上完全混 合、 物质守恒及假设符合 FICK 扩散定律， 但一些数 值模拟中缺乏颗粒作用项， 如加入颗粒作用造成的水 质变化项， 水质模拟将更为精确。曾剑等 ［29 ］利用上 述模式对温瑞塘河水文水质进行数值模拟。考虑到 温瑞塘河流调水水源空间位置与其他地区平原河网 不同。其他河网区均通过河网中不同河段水位差异 进行调水， 然而温瑞塘调水上游水库水源不稳定， 因 此目前采用下游干流瓯江翻水作为主要调水水源。 调水水源投资成本高， 产生的水位差异有限， 因此建 设合理的水文、 水质模型是温瑞塘河网调水最为重要 的基础工作。它不仅牵涉到调水改善水质的效果， 还 与调水投入直接挂钩。 1. 3. 4外源调水涵闸综合控制技术 平原河网调水主要采用涵闸控制该往复流为单 向流， 引入相对清洁水源冲污， 两步走实现对污染 水体净化［7］。翻水型调水方法工程实施费用高， 寻 找经费投入与水质改善间的最佳结合点， 制定优化 调水方案是该专题又一关键技术， 特别是在枯水情 况下的调水优化方案。目前主要的解决措施途径 是 建立在水动力、 水质模型基础上的调水动态模 拟， 运用上述关键技术研究完成的河流水动力模型 进行多种河网与外源水情条件下， 不同污染负荷状 况下的调水涵闸控制模拟， 寻找最佳的涵闸控制 方案［9，26- 27］。 2国内外研究进展 2. 1国外城市黑臭河网外源调水技术研究动态分析 外源调水改善水环境的技术伴随着区域水环境 治理应运而生， 已有数十年的历史， 最早通过水资源 调度改善黑臭河网水质的工作开始于日本。东京政 府为改善隅田川的水质， 于 1964 年从利根川和荒川 引入 16. 6 m3/s 相当于隅田川原流量的 3. 5 倍 的 清洁水进行冲污， 水质大有改善， BOD 等指标好转近 一半 ［30 ］; 1975 年日本继续开展河流间的调水工作， 引 入外源河流的清洁水净化了中川、 新町川、 和歌川等 10 条河流。随后， 引清水修复污染水环境的方法在 其他国家相继推广， 采用引清调度改善黑臭河道水 质 ［31 ］。美国 EPA 利用 Columbia 河水每天置换 Moses 湖水 10. 2的水量， 湖水水质得到明显改善; 美国修 建引水工程引密西西比河水入 Pontchartrain 湖 ［32 ］ 、 荷 兰 Veluwemeetr 湖的引换水工程 ［33 ］; 另外在德国的鲁 尔河、 俄罗斯的莫斯科河引外源清水修复污染水环境 的方法也取得良好效果［11 ］。 2. 2中国城市黑臭河网外源调水技术研究动态分析 20 世纪 80 年代中期， 上海市利用水利工程进行 引清调度的实践， 开始了我国外源调水改善水质的先 例。通过河网水力水质数学模型模拟不同的闸门水 泵运行调度方案和结果以及专家决策支持系统确定 不同情况下防汛和调水的最佳方案， 再将方案转化为 可执行的指令， 自动调控水闸泵站的运行， 实现苏州 河水系水利工程设施体系的智能化运行。在确保防 汛安全的情况下大量引入清水资源冲走苏州河黑臭 水体， 达到防汛和调水的最佳效果［34- 35 ］。1996 年福 州市政府通过引入闽江水， 加大内河径流量， 提高流 速， 使大部分河段水流呈单向流， 当天污水当天排入 闽江， 做到一天换一次水， 减少回荡。引水后内河的 复氧能力增强， 其综合效应的结果达到了消除黑臭， 同时大大降低了闽江北港北岸边污染物浓度［36 ］。21 世纪初开始的 “引江济太” 调水试验工程通过从长江 流域调水改善太湖和河网地区水质， 提高了太湖流域 水资源的承载能力， 初步实践了“以动治静， 以清释 污， 以丰补枯， 改善水质” 的水质目标， 取得了良好的 水环境改善效果 ［37 ］。王超等［38 ］为改善张家港地区 河网水环境， 开展了引江调水的研究， 对张家港河网 进行冲洗， 同时为确定引水能力和张家港河网的水质 改善效果， 进行了一次调水实验， 对监测成果进行分 析和讨论。黄娟等 ［39 ］依据常熟调水试验的实测数 3 水污染防治 Water Pollution Control 据， 建立常熟河网区水量水质数学模型， 并对引水改 善常熟市城区水环境方案进行分析计算表明， 引水后 水质 COD、 NH3- N 的 平 均 改 善 程 度 分 别 提 高 了 41. 9和 34. 5。顾正华等 ［40 ］将感潮河网调水数学 模型应用于浦东新区河网调水过程模拟发现， 该模型 可对感潮河网调水水流时空变化过程、 闸门开启过程 引排水流量以及调水过程引排水总量进行模拟和计 算， 结合计算智能方法， 进一步讨论了调水过程外河 潮位实时预报、 感潮水闸流量的计算和调水模型河网 糙率的反演问题。杨聪辉等 ［41 ］把石榴岗河作为引清 的骨干河涌， 根据珠江每天有 2 次高潮和 2 次低潮的 情况， 通过群闸联控及补水泵站调度， 按照落潮排水 涨潮引水的原则， 高潮时引入珠江水， 把双向流变成 单向流， 增加了河涌蓄水量， 提高了河涌水体自净能 力; 低潮时开闸放水， 不断循环换水， 有效防止河涌水 质恶化， 基本实现了区域河涌水质不黑不臭的目标。 何用等 ［33 ］针对汉阳四湖水环境改善问题， 分析了生 物修复和引清调水措施在改善湖泊水环境的优点和 不足， 指出短期引清调水与长期生物修复相结合， 局 部范围生物修复与大区域调水置换结合， 水力调度调 控与湖泊生物恢复结合， 能够取得最佳效果。薛 欢 ［42 ］模拟了玄武湖在现有引水规模下吞吐流、 不同 风向下的风生流、 以及在风场和调水共同作用下的混 合流， 分析了玄武湖水动力特性， 并比较了引水过程 中底泥污染物的释放对湖区水质的影响。 3问题与展望 3. 1城市黑臭河网外源调水实践中发现的主要问题 通过国内多年的调水实践， 虽然已积累了丰富的 经验， 但也发现了不少亟待解决的问题 1 泥沙淤积问题 调水过程中上游或外源相对 洁净的调水水源往往泥沙含量较高， 这类水源进入黑 臭河道水流流速快速下降导致城市内河淤积加剧， 河 道基准面抬高， 不但造成后续调水难度增大， 同时也 加剧了城市河道防洪的压力。 2 悬浮颗粒影响水体生态净化 现有的各种沉 沙池设计已能够有效地截留较粗悬浮颗粒， 但在调水 实践中由于调水水源中大量粒径小于 5 μm 的颗粒 无法通过沉沙池去除而进入河道， 造成水面灰化、 水 体透明度下降等问题， 不仅直接影响河道景观， 也造 成河道生态恢复过程中沉水植物、 底栖动物生存困 难。因此， 设计能有效去除超细颗粒的沉沙池是综合 调水亟待解决的问题。 3 河网系统的复杂性影响调水效率 一些城市 内河呈网状结构， 河流、 湖泊和湿地相互交织， 断头浜 众多， 水动力学条件十分复杂， 形成网状水系， 加上生 态调水缺乏分片规划， 其结果导致调水的绩效不高。 4 调水调控手段落后 现行调水操作往往凭经 验的积累， 技术研究投入不够， 缺少科学的调水调控 手段， 调度的制度化有待加强， 对水量、 水质把握不 准， 给科学调水带来较大的困难。为了做到科学调 水、 合理调水， 提高调水的效率， 考虑在内河设置控制 性工程， 并对其运行效果进行分析［43 ］。 5 对其他行业的影响 在调水时， 如果水闸开启 调控稍有问题， 污水将得不到有效的控制， 有可能向 一些水产养殖区和农业灌溉区移动， 给养农灌、 养殖 及航运等河道功能要素带来负面影响。 3. 2城市黑臭河网外源调水研究展望 调水中出现的上述问题主要是由于调水过程中 沉降泥沙、 悬浮颗粒控制技术和区域水系调水过程中 水文、 水质响应调控技术的缺失。提高以上两项技术 是当前城市黑臭河网外源调水治理手段关键的问题。 而以上关键技术的攻关， 关键在于解决复杂水体中颗 粒物强化絮凝、 生态沉沙和复杂河网基础上的区域河 流水质模型等科学与技术问题。 外源引清调水适用于水污染的初期处理， 以及应 对突发性的水污染事故 ［44 ］， 要使黑臭河网水质整体 得到改善， 仅靠外源调水是不够的， 污染源治理是根 本。只有在污染源得到有效治理的条件下， 才能更有 效的利用水利工程搞活水体， 增加水体的自净能力和 水环境承载能力， 标本兼治， 为流域经济社会的可持 续发展提供良性的水资源基础。 参考文献 ［1］郑金秀，胡春华，彭祺，等． 底泥生态疏浚研究概况［J］． 环境 科学与技术， 2007， 30 4 111- 114. ［2］谢兴勇，钱新，张玉超，等． 引江济巢对巢湖的水环境影响分 析［J］． 环境科学研究， 2009， 22 8 897- 901. ［3］陈荷生． 太湖底泥的生态疏浚工程［J］． 水利水电科技进展， 2004， 24 6 34- 37. ［4］钱嫦萍，王东启，陈振楼，等． 生物修复技术在黑臭河道治理 中的应用［J］． 水处理技术， 2009， 35 4 13- 17. ［5］黄民生，徐亚同，戚仁海． 苏州河污染支流 绥宁河生物修 复试验研究［J］． 上海环境科学， 2003， 60 22 384- 389. ［6］黄燕，黄民生，徐亚同，等． 上海城市河道治理工程简介［J］． 环境工程， 2007， 25 2 85- 88. ［7］黄娟． 平原河网典型区原型调水试验及水环境治理方案研究 ［D］． 南京 河海大学， 2000. 4 环境工程 Environmental Engineering ［8］马巍，廖文根，李锦秀，等． 引水调控改善太湖湖湾水环境及 其效果预测［J］． 长江流域资源与环境， 2007， 16 1 52- 56. ［9］匡翠萍，邓凌，刘曙光，等． 应急调水对太湖北部污染物扩散 的影响［J］． 同济大学学报． 自然科学版，2011，39 3 395- 399. ［ 10］黄宣伟． 太湖调水工程对水环境改善的战略意义［J］． 水资源 保护， 2002 3 37- 39. ［ 11］诸晓华． 六合区水环境调度预案与突发性水污染事件管理预 案研究［D］． 扬州 扬州大学， 2008. ［ 12］杨美卿． 细泥沙絮凝的微观结构［J］ ． 泥沙研究，1986 3 73- 78. ［ 13］Wen Xianghua，Du Qing，Tang Hongxiao． Surface complexation model for the heavy metal adsorption on natural sediment ［J］． Environmental Science and Technology， 1998， 32 7 870- 875. ［ 14］Wang Dongsheng， Hongxiao Tang， Cao Fucang． Particle speciation analysis of inorganic polymer flocculants an examination by photon correlation spectroscopy ［J］ ．Colloids and Surfaces A，2000， 166 1/3 27- 32. ［ 15］王东升，刘海龙，晏明全，等． 强化混凝与优化混凝 必要性、 研究进展和发展方向［ J］ ． 环境科学学报，2006，26 4 544- 551. ［ 16］徐啸． 细颗粒粘性泥沙沉降率的探讨［J］ ． 水利水运科学研 究， 1989 4 93- 103. ［ 17］Yao K M． Influence of suspended particle size on the transport aspect of water filtration ［D］ ．CarolinaUniversity of North Carolina， 1968. ［ 18］Yao K M，Habibian M T．Water and waste water filtration concepts andapplications ［J］ ．EnvironmentalScienceand Technology， 1971， 5 11 1105- 1112. ［ 19］张毅，张耀哲，苌志超． 小型自排沉沙池沉沙工况的水力学特 性试验研究［J］ ． 灌溉排水学报， 2009， 28 4 78- 82. ［ 20］乐培九． 静止浑水中泥沙沉降的初步研究［J］ ． 泥沙研究， 1983 1 66- 74. ［ 21］关侑． 斜板沉沙是节省投资和运行可靠的方案［J］ ． 内蒙古农 牧学院学报， 1991， 12 3 77- 83. ［ 22］吕春生，曲久辉，李大鹏，等． 微絮凝拦截沉淀处理低温低浊 水［J］． 中国给水排水， 2000， 16 1 9- 13. ［ 23］宗全利，刘焕芳，李强，等． 一种新型冲洗式沉沙池的设计探 讨［J］． 长江科学院院报， 2005， 22 2 12- 19. ［ 24］汤骅，宗全利，吴均，等． 新型微灌沉沙池沉沙效率试验研究 ［J］． 人民长江， 2008， 39 19 78- 80. ［ 25］徐小明，汪德爟． 河网水力数值模拟中 Newton- Ｒaphson 法收 敛性的证明［J］ ． 水动力学研究与进展． A 辑，2001，16 3 319- 324. ［ 26］卢士强，林卫青，徐祖信，等． 苏州河环境整治二期工程水质 影响数值模拟［J］． 长江流域资源与环境，2006，15 2 228- 231. ［ 27］黄远东， 孙亚男， 陈林兴， 等． 上海青浦城区西北片河网调水的 数学模型构建与验证［J］ ． 上海理工大学学报，2007，29 2 160- 164. ［ 28］朱春霞，黄川友，殷彤，等． 河网水质模型研究进展［J］． 四川 环境， 2009， 28 2 66- 69. ［ 29］曾剑，楼越平，程杭平． 温瑞塘河河网水质模型研究［J］． 浙 江水利科技， 2006 1 41- 51. ［ 30］汤建中，宋韬，江心英，等． 城市河流污染治理的国际经验 ［J］． 世界地理研究， 1998， 7 2 114- 119. ［ 31］ 上海水利志 编撰委员会． 上海水利志［M］． 上海 上海社会 科学院， 1997. ［ 32］Mc Calluh B E． Areal extent of freshwater from an experimental release of Mississippi Ｒiver Water into Lake Pontchartrain ［C］∥ Proceedings of the Symposium on Coastal and Ocean Management． New YorkAmerican Society of Civil Engineers， 1995 363- 364. ［ 33］何用，李义天，李荣，等． 改善湖泊水环境的调水与生物修复 结合途径探索［J］． 安全与环境学报， 2005， 5 1 56- 59. ［ 34］李珍明，蒋国强． 上海市苏州河水系调水研究［J］． 中国水利， 2009 11 36- 38. ［ 35］杜晓舜，陈长太，何斌，等． 上海市引清调水工作的优化与完 善［J］． 水资源保护， 2010， 26 5 57- 61. ［ 36］熊万永． 福州内河引水冲污工程的实践与认识［J］． 中国给水 排水， 2000， 16 3 26- 28. ［ 37］刘宁． 响应水质型缺水社会需求的跨流域调水浅析［J］． 中国 水利， 2006 1 14- 19. ［ 38］王超，逢勇，崔广柏，等． 张家港水环境调水实验研究及数学 模型建立［J］． 环境科学与技术， 2005， 28 5 3- 4. ［ 39］黄娟，逢勇，崔广柏． 引水改善常熟市城区水环境方案研究 ［J］． 江苏环境科技， 2006， 19 1 34- 36. ［ 40］顾正华，刘贵平，唐洪武，等． 感潮河网调水过程的数值模拟 研究［J］． 水力发电学报， 2007， 26 4 76- 85. ［ 41］杨聪辉，王宝华． 网河区河涌群闸联控调水补水的研究［J］． 广东水利水电， 2010 11 12- 17. ［ 42］薛欢． 城市湖泊引清调水数值模拟与调度模式研究［D］． 南 京 河海大学， 2007. ［ 43］谭天，陈锡平，徐晓东，等． 温州城市河道生态调水控制性工 程设置与效果分析［J］． 浙江水利科技， 2007 1 26- 28. ［ 44］薛朝霞，汪翱，阮晓红，等． 引水冲污治理苏州的水环境［J］． 中国给水排水， 2002， 10 3 33- 35. 第一作者 陈诗吉 1989 － ， 男， 硕士。vincent_89126． com 通讯作者 周立旻 1976 － ， 男， 副研究员， 主要从事地貌学、 城市环境 过程等领域研究。lmzhou geo． ecnu． edu． cn 5 水污染防治 Water Pollution Control