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合肥实例:基于再生水利用的河湖生态需水量优化配置

  导读
  针对合肥市水资源紧缺、河湖水环境状况不理想等问题,结合合肥市再生水资源现况,以南淝河流域为例,从再生水水量、水质及补水路径等多方面,对再生水补给河湖进行了系统性研究分析,对河湖生态需水量进行了优化配置。合肥市优化利用再生水补给河湖,可实现优质水资源的置换,并采取最少的工程措施,满足河湖景观水体的生态用水需求,从而改善河湖水环境状况。
  0 概况
  合肥市地处江淮分水岭,包含巢湖水系和滁河水系。合肥市区主要河湖水系分布如图1所示,合肥市区内河道主要有十五里河、南淝河、板桥河、塘西河、关镇河、小板桥河、圩西河、许小河、四里河、二十埠河、派河,中心城区景观水体主要有天鹅湖、南艳湖、翡翠湖、王建沟、陶冲湖、方兴湖、花冲公园、杏花公园、银河公园、逍遥津公园、生态公园、瑶海湿地公园,城市水系发达。但目前合肥市内各水系的补水,除降雨外基本都来自区域外淠河灌区和杭埠河灌区经滁河干渠的调水,补水水源较为单一,一旦遭遇大旱河道补水将难以保障。不仅如此,合肥市主要河流水质以Ⅴ类或劣Ⅴ类为主,而这往往也是由河道水体受污染,清洁水源不足造成。因此,合肥市内亟需优质水资源对各水系进行合理补给。
  图1 合肥市区主要河湖水系及污水处理厂分布
  1 合肥市再生水水源条件
  1.1 污水处理厂水量充沛
  截至2019年12月,合肥市主城区有现状污水处理厂14座,出水水质均达到类Ⅳ类,污水现状处理能力为191.5万m³/d,除在调试阶段的望塘和清溪污水处理厂,其余污水处理厂处理水量均达到或超出设计规模,实际日平均处理量可达到173.4万m³/d,预计2021年现况及规划新建污水处理厂将达18座,处理能力可达334.5万m³/d,因此合肥市再生水水源充足、水质稳定,具有良好的再生水资源开发基础。
  1.2 污水处理厂出水水质良好
  合肥市再生水主要用于景观环境用水、工业循环冷却用水、城市绿化、道路清扫、建筑施工、大型公共建筑中水,再生水处理厂出厂水水质必须同时满足《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T18920)、《城市污水再生利用 景观环境用水》(GB/T 18921)、《城市污水再生利用 工业用水水质》(GB/T19923)、城市污水再生利用 绿地灌溉用水》(GB/T 25499)等各用水水质标准的要求,将上述水质标准归并后确定了合肥市再生水水质标准,其主要指标如表2所示。
  表1 合肥市主城区污水处理厂规模汇总(2019-2021年)
  表2 合肥市再生水水质标准与污水处理厂出水水质标准对比
  合肥市污水处理厂现况出水水质,均可达到类Ⅳ类水质标准,因此所有污水处理厂均可作为再生水厂。
  1.3 污水处理厂布局合理
  合肥市区内污水处理厂分布较为分散,相对均匀地布置于主干河道沿线,有利于出水的就近利用,布局十分合理。因此,污水处理厂出水水量充足、水质良好且水厂布局合理,作为再生水水源补给河湖条件优越。
  2 基于再生水利用的河湖生态补水方案
  目前合肥市区内除派河、天鹅湖、南艳湖及翡翠湖的水质目标为Ⅲ类,再生水不满足补给要求外,其余水体均可采用再生水补水。已建成有针对性的再生水补水工程有塘西河、关镇河、小板桥河、许小河、环城水系、王建沟、方兴湖等补水工程,总规模仅为35万 m³/d,其余均为各污水处理厂尾水排河,是否满足河道实际生态需求有待分析。因此,本次研究结合合肥市区内主要河湖的生态需水量对各污水处理厂补给河湖的位置和水量进行优化配置,以满足河湖实际生态需求及提高再生水利用的合理性。河湖生态需水量为将河湖生态系统维持在一定水平所需要的水量,河湖生态系统功能包括维持河湖生物多样性、自净、调节水量、维持河湖形态等。

  2.1 河道生态需水量计算
  目前,国内外通常认为城市河道生态需水量主要包括:维持水生生物栖息地需水量(即生态基流量)、河流自然和人工植被耗水量、维持河流自净能力需水量、河流水面蒸发需水量、河流渗漏需水量等。各部分水量计算方法如下。
  2.1.1 生态基流量Q基流
  Tennant法是美国专家Tennant和美国渔业野生动物协会于1976年共同开发的一种标准设定法,该方法考虑了临近栖息地、水力学和生物学因素,主要依据过去长系列的年流量记录,采用河流年平均径流量百分比作为河流最小推荐生态流量,标准范围从“差和最小”(10%AAF)到“最佳”(60%~100%AAF),Tennant法推荐流量详见表3。
  表3 河内流量与相关环境资源关系
  2.1.2 河流自然和人工植被耗水量Q绿化
  式中 q绿化——绿地用水定额,m³/(m²·年),一般为0.3~0.9;
  W——河道两岸绿化面积,m²。
  2.1.3 维持河流自净能力需水量Q自净
  维持河流自净能力的需水量,可根据河道水面形成的方式采用流速法或换水法。对于水面利用闸坝拦蓄形成的河道,通常采用换水法,借鉴湖泊换水量的计算方法。换水次数及换水深度的确定,应综合考虑河道所在区域的重要性、补水水源情况等多方面因素。
  2.1.4 河流水面蒸发需水量Q蒸发
  河道水面蒸发需水量根据水面面积、水面蒸发量,由水量平衡原理计算:
  式中 K蒸发——蒸发系数,mm/年;
  W——河道水面面积,m²。
  2.1.5 河流渗漏需水量Q渗漏
  河流渗漏需水量是指当河流水位高于地下水位时,通过河流底部渗漏和岸边侧漏形式向地下水补充的水量,一般采用达西定律计算,可简化为由水面面积和渗漏系数决定:
  式中 K渗漏——含水层平均渗漏系数,m/年;
  W——河道水面面积,m²。
  综上所述,考虑合肥市河道综合情况,以及合肥市良好的再生水回用基础,河道生态需水量计算为:
  该计算方法得到的生态需水量,安全系数高,补水保证率高,可作为远期推荐值。
  考虑河道所在区域重要性及用水特点,为使合肥市中心城区各河道具有良好生态功能,保持河流水面及流量处于优良状态,本次目标生态基流量取多年平均径流量的60%。
  结合合肥市河道相关参数,河道蒸发量为691.8 mm/年,河道渗漏量取0.5 m/年,换水量按每月换水5次,每次换水水深1 m计算,沿河两岸植被绿化用水定额取0.6 m³/(m²·年)。对研究范围内的河道,根据沿岸闸坝、支流汇入口、污水处理厂尾水排放点、河道水功能区划,分段进行了计算,计算结果见表4。由表4可见,合肥市区河道生态需水总量为200.7万 m³/d,与合肥市区现况污水处理厂总规模较为接近,规划远期污水处理厂水量完全可满足河道用水需求。
  表4 合肥市中心城区河道生态需水量计算
  2.2 湖泊生态需水量计算
  城市的湖泊景观水体无论从形成方式,还是水源补给形式,及内外影响因素等基本受人工调控和人为影响,槽蓄法为近几年城市河湖需水预测中常用的水力学方法。该方法充分考虑城市湖泊景观水体为人工营造的系统这一特点,将需水量分为补充蒸发渗漏损失水量和流动换水量两大部分。
  2.2.1 蒸发渗漏损失量Q蒸渗
  维持湖泊景观水体水面面积的水量主要取决于蒸发渗漏损失,这是其基本需水量。
  2.2.2 流动换水量Q换水
  河湖的流动换水是保持良好水质的重要条件,湖泊生态系统的健康取决于湖泊的换水量。
  因而合肥市湖泊景观水体生态需水量计算为:
  结合合肥市相关参数,河道蒸发量为691.8 mm/年,河道渗漏量取0.5 m/年。综合考虑水源、补水工程等多方面因素,重点湖泊考虑每月换水1次、每次换水水深1.5 m。经计算,合肥市区湖泊总需水量为5.1万 m³/d,已有环城水系补水工程,规模为5万 m³/d,故生态需水总量为10.1万 m³/d,计算结果详见表5。
  表5 合肥市区湖泊生态需水量计算
  2.3 河湖生态补水系统方案
  根据《合肥市水功能区划》,合肥市河道水功能区主要包含饮用水源区、景观娱乐用水区、工业用水区、排污控制区、过渡区等。生态补水的思路是对重点河段“保水量”,考虑“水动力、水景观”效果,结合不同区域的用水需求及相关工程项目,提出具有可行性的优化方案。
  河湖生态补水的优化配置,主要根据河道沿岸闸坝设置位置、上游支流汇入口位置、污水处理厂尾水排放点、河道水功能区划来进行分段研究,以期针对不同的河道区段特性,进行最合理的分析。在合理分段并计算各河段生态需水量后,结合沿河污水处理厂的现况退水及远期规划规模、已建的补水工程,同时考虑一定支流的水量汇入,对各河段接纳的水量进行核算,当满足该河段生态需水量且退水点和支流汇入点分布较为合理时,可初步判定不需新建补水管线,但应经过现场调研复核后确定。对于不满足生态需水量的河段,则根据水量缺口,将邻近污水处理厂的尾水进行调配,并通过现场调研水质情况和调水管线建设的可行性,合理确定最优补水点。
  2.3.1 南淝河干流系统生态补水方案
  以南淝河为例,将南淝河分为三段进行分析,如图2所示,起端董铺水库至当涂桥橡胶坝为景观娱乐用水区,将其作为上游段,当涂桥橡胶坝至支流二十埠河汇入处为中游段,二十埠河汇入点至巢湖入湖口为下游段。上游段及下游段的水质目标均为Ⅳ类,中游段为排污控制区,暂不执行水质目标。
  图2 南淝河干流系统生态补水分析
  注:图中污水处理厂处理规模均按2021年远期规模计,水厂退水规模为现况规模。
  南淝河上游段,清溪和望塘两座污水处理厂各有20万m³/d设计规模的退水至南淝河,但目前两座水厂均未达到设计水量,实际退水量约24万m³/d。经计算,上游段河道生态需水量约为47 万m³/d,考虑两座污水处理厂退水及支流四里河、板桥河的水量汇入,可满足上游段总水量需求。但起端董铺水库至清溪水厂退水点前的河道,因缺乏生态补水,水质恶劣,如图3a所示。因此建议从清溪水厂调水10 万m³/d至起点董铺水库坝后进行补水优化。望塘水厂退水点附近水质有明显改善(图3b),而后环城水系附近水体感官水质稍有降低(图3c),待两座污水处理厂达到设计规模并完成支流四里河及板桥河的生态补水后,预计水质将进一步提高。
  南淝河中游段,计算所需生态需水量约为36 万m³/d,王小郢污水处理厂20万m³/d退水汇入后,仍有16 万m³/d的水量缺口。此段中间拟新增补水点处(图3e)水质相比于此段起端当涂桥下橡胶坝处(图3 d)有所退化,此段末端小仓房污水处理厂退水点前(图3f),河道水质感官已较差,因而建议从小仓房污水处理厂调水20 万m³/d至南淝河中游,进行补水。
  图3 南淝河干流典型河段水质情况
  注:图中污水处理厂处理规模均按2021年远期规模计,水厂退水规模为现况规模。
  南淝河下游段,计算所需生态需水量约为32 万m³/d,小仓房污水处理厂目前有20万m³/d尾水退入,二、三期还将各增加20万m³/d,并考虑支流二十埠河的水量汇入,完全可满足下游生态需水。
  2.3.2 南淝河支流及周边湖泊系统生态补水方案
  四里河和板桥河都是景观娱乐用水区,近期水质目标均为Ⅴ类。经计算,四里河生态需水量为5.5万m³/d,目前已有正在设计中的四里河生态补水工程,该工程从蔡田铺水厂引水,补水至四里河起端东支及西支,规模为10万m³/d。
  板桥河生态需水量为10万m³/d,蔡田铺水厂2020年规模将达到20万m³/d,除去向四里河的10万m³/d补水外,仍有10万m³/d退水排至板桥河,同时拟建的张洼水厂预计2021年也将有15万m³/d退水排至板桥河,水量上可满足需求。
  二十埠河较长,分为两段进行分析,起端至朱砖井污水处理厂退水点为上游段,退水点至南淝河为下游段,二十埠河近期水质目标为Ⅴ类。经计算,上游段生态需水量为10万m³/d,陶冲污水处理厂目前已有5万m³/d退水排入二十埠河,但仍存在5万m³/d的缺口,现况河道水质一般。预计2020年,陶冲污水处理厂规模将达到15万m³/d,届时,建议调水5万m³/d至二十埠河起端,即可满足水量需求。同时,周边湖泊陶冲湖、瑶海湿地公园和生态公园的水质还有提升空间,建议从陶冲污水处理厂向陶冲湖公园调水1万m³/d,向瑶海公园和生态公园分别调水0.5万m³/d。此外,花冲公园目前水质一般,建议从朱砖井污水处理厂向花冲公园调水1万m³/d进行补水。二十埠河下游段,生态需水量为10万m³/d,朱砖井污水处理厂和拟建的钟油坊污水处理厂,远期共有14.5万m³/d退水排入二十埠河,同时有支流小板桥河的水量汇入,可满足水量需求。
  图4 南淝河支流及湖泊系统生态补水分析
  3 再生水优化补给河湖的意义
  3.1 置换优质水资源
  据了解,董铺水库、大房郢水库、张桥水库每年都要向南淝河及板桥河进行补水,仅2019年4月、5月就向南淝河及板桥河分别补水507万m³及215.2万m³,每年的非常态补水都在千万吨以上。通过清溪及蔡田铺水厂的尾水,可向两条河实现20万m³/d以上的补水,在满足河道常态生态需水的同时,可置换出水库大量的优质水资源,将水库优质水资源用于更高水质要求的用途,实现水资源效益的最大化。
  3.2 合理满足河湖景观水体的生态用水需求
  合肥市区内各污水处理厂生产的再生水,结合河湖整体情况的优化补给,可满足主要景观河道及公园湖泊的生态用水需求。分段核算,结合污水处理厂布局,对河道进行多节点补水的分配,将采取最少的工程措施,实现最优的补水效果。
  3.3 改善河湖水环境状况
  合肥市区内的许小河、王建沟、徐河三条支流原为黑臭水体,经过治理并采用再生水进行生态补水后,目前各条河道水质良好,产生了较好的社会、经济效益。如果合肥市区内各条河道均实现再生水的优化补给,并假设河道沿线截污、清淤、面源污染控制等工程都已完成,河湖水质将明显提升,旱季时各条河道也有望实现较为良好的景观生态效果。
  4 结论
  (1)合肥市污水处理厂出水水量充沛,预计2021年水厂总规模将达到334.5万m³/d,出水水质可达到准Ⅳ类标准,满足再生水各项用水需求,且水厂较为均匀地布置于主干河道沿线,有利于出水的就近利用,作为再生水水源补给河湖条件优越。
  (2)合肥市中心城区河道生态需水总量为200.7万m³/d,湖泊生态需水总量为10.1万m³/d。以南淝河系统为例,经详细核算各河道不同区段及湖泊的生态需水量,结合沿河再生水源条件进行分析,增加部分河道及湖泊补水后,再生水可满足南淝河全流域的生态用水需求。
  (3)合肥市优化利用再生水补给河湖,可实现优质水资源置换,并采取最少的工程措施,满足河湖景观水体生态用水需求,从而改善河湖水环境状况。
  (4)仅仅依靠再生水进行补水是无法从根源上改善河道水质情况的,因此建议首先采取其他措施(如污水截流、清淤、控制点源、面源污染等),从根源上减少流入河道的污染负荷。
  (5)本文的研究主要考虑了河湖生态需水量的优化配置,有关生态补水对河湖水质及流速的具体改善效果,以及考虑不同补水方式(包括间断补水和持续补水)对河道水质改善效率等更全面的结论尚需要进一步进行研究。
来源:给水排水  陶志佳等