
上海海港新城水环境治理研究.docx
16页上海海港新城水环境治理研究张惠吴从林周玮长江水利委员会设计院,湖北,武汉430010摘 要 随着经济发展,污染问题变得日益突出,尤其在发展中国家目前,时于水质恢复 的通用手段是通过建立净水厂等工程措施,然而,净水厂的投资和运行费用较高,不能普遍 推行提出了一个利用雨水来进行水质恢复的工程方案-本方案是针对上海市海港新城的水 质维护,在方案中把雨水分为初期污染雨水和后期洁净雨水其中,初期污染雨水外排入海, 后期洁净雨水补给水系以加速水质恢复结果显示,当要在133d内使水体的水质从VI类恢 复到III类情况下,利用雨水可使净水厂的规模从18. 2万t/d降到15万t/d同时,还针对 雨水利用和排涝的冲突,提出了合理的排涝系统规划,为类似地区的雨水利用方案设计提供 了借鉴-关键词 水质指数(WQI);水质恢复;雨水利用;排涝规划;净水厂1引言临港新城是上海市规划的新城,位于上海市南汇区东部,地处长江口与杭州湾的交汇 处,东临东海、南依杭州湾该处属亚热带,多年平均气温15.6°C,多年平均降雨量1073.8mm 本研究区域一一海港新城为临港新城一部分,位于临港新城东端,区域内地势平坦,一般地 面高程4.0〜4.2m,中心为大型人工湖——滴水湖。
根据规划,到2020年城市居住人口 30 万人,面积约65 km2 (即北护城河、随塘河、芦潮引河和新建成的海塘大堤围成区域),相 应的水面、建设用地和非建设用地面积分别为8.2km2、27.3km2和29.5km2规划的海港新城城市总体水面率达到12.6%,水系布局可以总结为“外环”、“核心湖”、 “四内环”和“七港”,详见图lo “外环”指北护城河、随塘河和芦潮引河;“核心湖”即 滴水湖,它是亲水游乐区,蓄水面积4.24km2,平均水深3.7m; “四内环”即1〜4链河;“七 港”即1〜7射河研究区当前已经建成的水系包括滴水湖、1环和A、D两港滴水湖当 前水质为VI〜V类,不能满足城市亲水景观用水需要;同时,海港新城水系交织全城,也是 城市排涝调蓄区,必须在排涝系统规划设计中统筹考虑因此,本研究的主要目的是确定相 关工程规模应满足以下目标:①维持滴水湖正常蓄水位在2.5〜2.7m,并保持远景水质在II〜 III类;②按20a 一遇最大24h暴雨24h内排完标准,控制海港新城水系最高水位不超过3.3m2总体方案为了达到改善近期水质并维护远期水质在II〜in类要求,本水质恢复和排涝方案包括 如下研究内容:①滴水湖水质净化与维护措施研究;②雨水利用研究;③排涝系统研究。
根 据海港新城总体规划,滴水湖区是主要的游乐区,水质等级要求相对较高,不允许初期污染 雨水进湖,但可作为后期洁净雨水的调蓄区,其它水系可容许初期雨水进入并作为调蓄区图1海港新城水系及工程布置示意图2.1水质恢复系统(1) 外围污染源控制系统截断外围污染源是滴水湖水质净化与维护的先决条件,本 方案建议分别在C、D、E、F港与外环交汇处修建C、D、E和F共4座节制闸,切断河网 与外部水系的联系2) 水质净化系统水质净化系统包括净水厂、雨水分离系统、河网水闸系统和水质 监测系统其中净水厂是该系统的核心,它的运行方式分为内循环和外循环当滴水湖的水 位不能维持在2.5〜2.7m的水位时,必须考虑从外河引水,通过净水厂处理后补给滴水湖 当滴水湖的水位能保持在2.5〜2.7m,但是湖水水质发生恶化时,必须进行内循环方式以恢 复水质循环线路是从A港和B港或从A港和C港引水经净水厂处理后从D港和E港进 入滴水湖河网水闸系统由13座小型节制闸组成,具体布置见图1他们的名称源于其所处的港 和环名称组合,例如节制闸C2,即该闸处在C港2环上,1环之内的节制闸名称下标以0 记,例如A0节制闸AO、BO、CO、DO、EO、F0和GO用来截断滴水湖和河网的水力 联系,因为滴水湖要求的水质通常高于河网。
在降雨期间A0〜GO通常要开启,目的是给滴 水湖补充洁净雨水或加速排涝节制闸Al、Cl、C2和D3用来截断3条环河,当净水厂 进行内循环运行时,他们同节制闸A0和B0或A0和CO构成出流通路,使滴水湖中待处理 的水源源不断地流入净水厂,同时又避免了链河其他港区的水混入,减少了水处理量,并能 缩小净水厂的规模海港新城规划中考虑实行雨水和污水分流,因此设计了雨水和污水双重管网由于初 期雨水能进入河网,设计中考虑雨水管网直接与河网连接雨水利用过程为:①保持节制闸 A0〜GO关闭,在初期雨水进入链河后通过实时水质监测系统监测,当水质指标超过设定标 准时采取工程措施使河网中水外排;②开启节制闸A0〜GO,沟通河湖水系,达到利用后期 雨水和调蓄涝水双重目的3) 生态系统生态措施主要是在滴水湖和河网中培养生态系统,通过生态循环进行 水质维护和自我修复考虑在滴水湖中实行水生生物放养,例如鱼类、浮游生物等在河网 中种植芦苇、水藻等植物,并放养水生动物群落等2.2排涝系统规划(1) 泵站规划由于初期雨水不能进入滴水湖,因此,当面临设计暴雨时它的排涝规 划比较独特因初期雨水只能进入河网,则调蓄容积大大减少当出现设计暴雨时,在河网 水质未达到标准前可能出现其水位超过3.3m,因此,需进行排涝计算,确定是否需在A港 出海口处布置排涝泵站。
2) 排涝海闸规划当河网中的水质监测指标满足设定标准时,开启射链河与滴水湖 间节制闸A0〜GO,沟通滴水湖和河网,扩大调蓄容积,迎接更大的中后期降雨径流,此时 泵站可考虑关闭为了满足滴水湖中的水位不超过3.3m,必须结合外海设计海潮水位,确 定排涝海闸规模3) 河网节制闸系统排涝时河网节制闸系统功能是控制初期雨水不进入滴水湖,当 河网中水质达到要求时,河网内部11个节制闸全开,促进水系沟通,加速雨水外排3计算模型3.1质更新模型滴水湖属于小而浅的城市湖泊,湖内各处水质较均匀,可视为完全混合型水体在完 全混合下,湖泊类似于一个反应器e对于完全混合型湖泊,经典的解析水质模型是Donald and John^在研究北美5大湖水质时提出的,该类模型是基于湖泊引水和排水流量相等并且 在时间上连续的朱春龙和俞国青b针对湖泊间歇性地引排水,提出了相应的解析水质模型, 本系统采用他们的解析水质模型3.2排涝模型本系统排涝设计包括两个过程:初期降雨进入河网和后期降雨进入整个水系因此, 排涝模型中包括如下计算:(1) 河网调蓄计算河网调蓄计算的控制条件是在节制闸A0-G0开启之前河网中的 水位不突破3.3m。
初期污染雨水汇入河网中引起河网中的水质变差,水位上升当河网中 的水位高于2.2m时,可通过A港处拟定的排涝泵站和海闸泄流,随着后期雨水不断进入和 河水不断外排,河网中的水质将不断恢复,当达到设定指标时即可开启节制闸并关闭泵站 此过程的主要目的是通过调节演算,初步拟定泵站和海闸的规模2) 整个水系调蓄计算当整个水系沟通后,调蓄容积增大,水位上涨较缓,此时雨 水通过自排泄入外海,海闸开启的条件是内水位高于2.2m旦高于外海水位,否则关闭海闸出流按宽顶堰计算3) 计算程序根据河网调蓄演算中初定的海闸规模,进行整个水系调蓄演算如果 不能满足排涝要求,应重新设置海闸规模,直到满足滴水湖水位小于3.3m,然后再以此规 模的海闸代入河网调蓄模型中,进一步确定泵站规模;重复以上操作,直到选出规模合理的 泵站和海闸排涝特征曲线如图2所示时间(hr)回6巨|»娓时间(hr)图.3海港新城水系在设计暴雨下排涝特征曲线4成果分析4.1净水厂规模确定(1) 洁净雨量计算海港新城作为一个面向21世纪的高标准生态型城市,考虑城市 环境水量的需求标准较高,故设定降雨保证率为90%o设计净雨推求采用“初损后损法” 计算相关参数为:建设用地和非建设用地降雨初损为20mm/次;建设用地稳渗率4mm/d, 非建设用地稳渗率为0.0;蒸发量由实测确定。
由于初期污染雨水必须经过河网稀释再外排,因此,降雨对滴水湖的补给实质上是后 期洁净雨量补给受降雨时间和降雨量随机性影响,历次降雨的初期雨水不一致,作为简化, 统一考虑每次降雨中不能利用的初期雨水按10mm径流计,当降雨少于10mm时则考虑无 雨水可利用典型年洁净雨水对整个水系的补给规则:雨水补给计算从3月1日起,起始湖水位2.5m, 当净雨量大于零,河湖蓄水上升,当湖水位小于2.7m进行蓄水,反之,弃水根据以上规则,对降雨保证率为90%的典型年进行了逐日雨水补给演算,计算结果表 明海港新城水系完全依靠雨水补给只有13d发生湖水位低于2.5m,全年净补给量1193. 51 万n?,维持2.5~2.7m之间总缺水量19.26万n?,不到整个水系库容的1%因此,可以认 为保证率90%降雨年份能维持滴水湖的水位在2.5〜2.7m,不需要从外水源引水,并建议远 期净水厂采用内循环运行2) 净水厂规模的确定由上文计算的洁净雨水量可知,本地雨水较丰富,应充分地 考虑利用雨水根据规划目标,确定净水厂规模时计算条件为:近期目标将滴水湖水质由V 恢复到IV类,远期目标将滴水湖水质由IV类恢复到III类当前城区处于建设阶段,雨污水管 网尚未建成,因此不考虑雨水利用;当在远期城市雨水管网完成后,考虑利用净水厂出水和 洁净雨水来恢复滴水湖水质,并认为洁净雨水水质等同净水厂出水。
计算中设解析水质模型 中的引排水周期为10d,前5天排水后5天引水在每个引、排周期内考虑洁净雨水的供给, 雨水补给越多,则排水越多,湖水更换越快本文分别按10、15万t/d和20万t/d净水厂规模进行解析水质模型计算,结果见表lo 表1 不同规模净水厂情况下恢复水质所需天数比较净水厂规模(万 t/d)V〜IV类所需天数(d)IV-III类所需天数(d)无雨水有雨水109421118015781731332043115100从表1、表2中可以看出,在利用洁净雨水情况下,15万t/d规模的净水厂需运行133d 可将滴水湖水质由IV类改善到III类;如果不考虑雨水利用,133d将滴水湖水质由IV类改善 到III类需要净水厂的规模18.2万t/d因此,利用降雨可减少净水厂的规模和运行费在本 研究方案中,综合考虑了不同规模净水厂的建设成本、运行费及换水效率,最后推荐采用规 模为15万t/d的净水厂表2 初期雨水水质、混合刖后河网中水质指标结果水质污染物(mg/L)CODBOD氨氮总氮总磷初期雨水180110.61.50.4射、链河3061.501.500.10混合后链河34.86.161.471.790.114.2排涝海闸和泵站规模确定根据设计排涝标准,必须采用工程措施保证20a 一遇24h暴雨来水和5a 一遇外海水位 组合下在24h排水期内河水位不超过3.3m。
在设计暴雨来临前,先预排海港新城水系水位 到2.2m,这也是整个系统最低控制水位排涝泵站和排涝海闸规模采用试算确定为确定泵站规模,首先必须计算稀释初期雨水达到设定标准时需要的置换水量,此水 量即为在河网水位达到3.3m前需要外排的水量海港新城属新规划城市,无任何初期雨水水质资料,因此,综合美国囹、法国国、和北 京【3]等地对城市雨水径流污染物浓度的研究成果,拟定远景年初期雨水污染物浓度按照完 全混合假设,根据水质解析模型原理,计算出混合后河网的水质为了使河网中的水质恢复到混合前的水质或达到设定标准,需要通过海闸和泵站外排 污水并不断的引入雨水稀释通过解析水质模型,计算出在雨水不断进入河网过程中需要外 排100万n。












