引配水改善城区水环境质量
吴青霞 陈 涛 李 欲如 李 军
1引配水对水体改善的重要性
近几十年，社会经济高速发展，城镇建设占用、各类污染物排入、二次污染等问题造成城区水体环境和生态不断遭到破坏，死水、断头河、底泥淤积、水体污染、水质恶化等现象突出，部分水体存在着黑臭趋势，因此必须要对城区水体进行整治。城区水体的长效综合治理需主要从控污、治污和活水等方面做到宣传、制度、资金、技术等保障，控污在技术上主要为截污纳管，治污主要运用物理、化学及生物等方法去除水中的有毒有害物质。活水最重要的技术手段是引配水，引配水对城区水体水质的改善、水力条件的提高、淤塞的降低等方面具有综合功效，对城区水体生态恢复起到了重要作用。
2引配水案例分析
2.1杭州市西湖引配水
西湖位于市中心西侧，南北长约3.3 km、东西宽约2.8 km、周长约15 km，目前湖面积约6.39 km2，平均水深2.0 m。湖内白堤和苏堤把西湖分隔成外湖、北里湖、岳湖、西里湖、小南湖5个湖区。环湖有金沙涧、龙汉涧等4条溪流入湖，全年径流量约600万m3左右，湖面年降水量为562.9万m3。西湖作为杭州城市名片，数十年来，杭州市政府对西湖进行了长时间的综合整治，引配水作为其中一项重要技术手段已取得了较好的效果。
引水之前，西湖水力条件较差，湖内污染物不能够快速扩散，多项水质指标处于劣Ⅴ类水体标准，部分区域出现黑臭现象。西湖引钱塘江水一期工程，从1985年2月1日开始兴建至1986年9月30日建成通水，日引水能力为30万t，使西湖的水质得到了明显的改善。但由于未进行预处理就将钱塘江水直接引入，钱塘江的潮汐和水质对西湖有较大的影响，年实际引水天数不足100 d，水质和水量仍无法满足西湖引水的要求。根据《1998年杭州市环境状况公报》显示，西湖污染仍较严重，水体基本维持在原国家景观娱乐用水水质标准(GB 12941—1991)C类。1999年底，杭州市开始实施“西湖水环境综合保护工程”，投资6 000余万元的引水工程主体于2003年9月10日正式通水，取水口位于钱江大桥东侧北岸钱塘江闸口段江岸，设置西湖引水泵站，日引水能力为40万t：其中，30万t引水经玉皇山引水预处理场沉淀池的混凝沉淀预处理后经小南湖、长桥湾(莲花峰)进水口入湖;另外，10万t引水通过赤山埠预处理厂脱磷降浊处理后从浴鹄湾、乌龟潭、茅家埠等进水口进入湖西水域，入湖水的浊度和总磷含量有了较大幅度下降。目前共有圣塘闸、五公园、一公园、大华饭店、涌金闸、涌金池(金牛池)、柳浪、岳湖和北里湖9个可调控出水口，其中岳湖泵站(10.8万t/d)和圣塘闸(20万t/d)是下游城市河道引配水的主要水源。西湖引水量按西湖库容量计算，相当于一月换一次水，其引配水简图如图1所示。
西湖通过引配水、截污纳管、清淤、治理等重要措施的综合整治后，水质逐步得到了明显的改善(表1)。2016年湖内水质状况优，平均透明度达1.6 m，水质符合或优于Ⅲ类水质。
图1 西湖引配水简图
表1 1998年~2016年杭州市环境公报对西湖水环境的描述
2.2杭州主城区引配水
杭州主城区内河纵横交错，根据《杭州市水域调查》显示，杭州市区绕城公路内共有河道461 条，总长为1 026 km，河道水面积为22 km2，河网密度达1.1 km/km2。杭州市区河道水质总体较差，大部分河道常年处于劣Ⅴ类。
杭州市对城区水体进行整治开始于20世纪80年代，在2000年6月开始进行城区水体引配水工程。“十一五期间”杭州重点实施“钱塘江(珊瑚沙)引水入城工程”，工程线路总长约12 km，总投资为9.2亿元，工程主体于2009年6月30日全线贯通。杭州市又相继于2008年编制《杭州市区河道引配水规划》、2010年编制《杭州市市区河道配水详细规划》，并于2016年根据浙江省“五水共治”和新的河道水环境要求对《杭州市市区河道配水详细规划》进行了修编，以流域为单位将市区河道划分为运河地区(220 km2)、上塘河地区(105km2)、之江地区(147 km2)、下沙地区(105 km2)和江南地区(294 km2)5大地区及钱塘江水域(60 km2)，共计总面积930km2，主要以配水干流为界，根据水体流动的相对独立性细分为22个分片区;同时，将现状河道网络划分为19个水级，分级管理，形成市区河道引配水的整体框架。
以现状河道网络为基础，杭州市引配水工程由外围引排水设施和内部配水设施组成，兼顾排涝：外围引水设施是将区域外的清洁水引入本区块的引水工程，分别为沿钱塘江和苕溪布置的引水工程，钱塘江是主城区城市河道配水的主要水源，包括引水管渠、引水处理厂、引配水闸站等引配水设施，共计约有42个;内部配水设施是引导和控制区域河网内部河道水流方向和流量的工程，主要为配水泵站、翻水泵站、河闸站等，根据各河道水位要求，5个分区共计约276个配水设施。片区之间引水、配水、排水互为补充。杭州市区引配水工程现状工况下的年引配水量共计33亿m3，最优调配方案下的年引配水量可达到37亿m3，规划引配水量为51亿m3。
引配水后，杭州城区河道水体水质明显改善，城西余杭塘河以南地区所有河道基本达到Ⅳ类水体的标准，西部“四港四河”摘掉了劣Ⅴ类水体帽子，中东河水质明显改善，部分河道(段)水体提升到Ⅳ类以上标准，具体水质改善如表2所示。
表2 1998年~2016年杭州市环境公报对城区河道水体水质的描述
2.3苏州古城区引配水
苏州市区西临太湖，东有金鸡湖、阳澄湖，南有石湖、澹台湖，京杭大运河从西北向东南绕城而过，河道密布，是中国的水乡名城之一。苏州以平原地形为主，地势平坦，主要河道常年流速较低，总体上水西进东出、北进南出，易受太湖水位及沿江闸门影响，出现水流倒流现象。古城区由环城河环绕，全长约16 km，环城河上承大运河、太湖补给来水，下泄出水入长江，古城内主要河道约有28条、总长约33 km，流入环城河的河道有肯江、上塘河、山塘河、十字洋河和元和塘，流出环城河的河道有大龙港、葑门塘、娄江、外塘河和老运河。随着社会经济的发展，古城河道水量减少，水体流动性差，整体水质差，大部分水体透明度不足25 cm，污染排入增加，水质日益恶化。
苏州在2012年编制了《苏州古城区“自流活水”工程可行性研究报告》和《苏州古城区河网水力学特性原型观测报告》，并出台《苏州古城区河道水质提升行动计划》以大幅提升古城区河道水质。2013年苏州古城区河网引配水工程——“自流活水”工程开始实施并启用，运用“因势利导、江湖共济、双源引水、三点配水、活水自流、惠及周边”等方法措施，引配水简图如图2所示，其主要内容有以下三点。(1)水源工程。水源工程为两条引水通道，西塘河引水线路为利用现有工程;外塘河引水将现有外塘河枢纽15 m3/s的引水泵站扩建至40 m3/s。(2)配水工程。新建四处配水工程：娄门堰工程位于东环城河娄门桥北，包括一座活动溢流堰和一座潜坝;阊门堰工程位于西环城河五龙桥附近，包括一座活动溢流堰和一座潜坝;长岛工程位于东环城河相门桥南侧，包括一座潜坝;娄东堰工程位于外塘河入娄江口北侧，包括一座活动溢流堰。(3)辅助工程。包括平四闸及邱家村泵站改建工程，校场桥、单家桥拓宽扩建工程，沧浪亭联通工程等。该项目总投资估算为12 994万元，其中水源工程费用5 624万元、配水工程费用为3 928万元、辅助工程费用为1 282万元、调度控制系统费用为2 000万元，其他费用为160万元。
“自流活水”工程建成通水后，苏州古城区河道流动性大幅提升、水体水质得到了明显改善，2013年9月~11月，古城区水体COD 平均浓度为Ⅲ类、氨氮平均浓度为Ⅲ类、总磷平均浓度为Ⅳ类、溶解氧平均浓度接近Ⅳ类，城区黑臭河道基本消除。
图2 苏州古城区河道引配水示意图
2.4其他引配水案例
引配水作为改善城区水体水质的重要技术手段，已在国内外较多城市进行了实施。在国外，20世纪60年代，日本东京政府开始利用引水改善城市河道水质，从利根川和慌川引水以改善隅田川的水质，引水秒流量为16.6 m3/s，引水后隅田川的水质有了较大程度对改善，其后又对中川、歌川等河道也进行了引水;美国环境保护署亦引哥伦比亚河水置换Moses湖、引密西西比河水入Ponttrain湖;法国通过修建运河，引莱茵河水来恢复塞奈何-诺曼底流域的水环境。在国内其他城市，如20世纪90年代，福州就通过引闽江水入城，提高城区河道流速、一天一换，以清理内河水;21世纪初，通过从长江流域引调水改善太湖及区域河网水质的“引江济太”工程的实施取得了良好的水质改善效果;南京秦淮河区域亦通过引配水，将白鹭洲公园水系和秦淮河水系打通，改善了水系生态环境质量;嘉兴市作为海绵城市建设全国试点城市，近年开展了“市区河道水动力及防洪提升改造海绵城市工程”，改造杭州塘闸、平湖塘枢纽、三店塘枢纽、穆河溪枢纽、海盐塘枢纽、改造海盐塘、平湖塘枢纽启闭机房，修正原有防洪设施，加强调度管理，增加市区河网水动力，实现河网水系有序流动，提高河道水体水质。
3城市引配水存在主要问题
城市引配水虽然对城区水体水质具有较好的改善作用，但实施过程中也存在着诸多问题，主要有以下4点。
(1)建设运维成本高。以杭州市为例，2009年通水的“钱塘江(珊瑚沙)引水入城工程”总投资为9.2亿元;市区河道配水详细规划修编实施工程总建设投资估算为11.3亿元，年运行费用达5.9亿元(2016年价)。另外，外源水通常需要进行适当预处理才能满足引水水质要求，建设和维护预处理设施又需要大量的资金投入。降低建设运维费用已成为引配水重点，必须挖掘现有设施设备潜能、合理利用地形地势、增设连通河渠。
(2)调度管理难度大。城区河道在起到引配水作用的同时，更要兼顾其防洪排涝的主要用途，而两者在某些情况下可能是矛盾的。另外城市引配水往往需要大量的设施设备，如杭州城区外部引水设施有42个、内部引配水设施有276个，如何有效合理的调度管理，关系到引配水效果、运维费用等。因此，需要在设计深入模拟各类调度方案、实施中根据现状不断优化，利用VR、AI、大数据等新兴技术手段来支持调度计算。
(3)规划模拟分析与实际情况差入较大。目前引配水主要运用MIKE、RIBASIM、Delft3等各类水动力及水质模型，这些模型都有其条件性和适用性，不能普遍适用于各种河道实际情况;模型需要用的数据可能与实际情况有较大出入，导致建立的模型不准确;另外，实际河道一些特殊情况无法数据化。因此，需要根据各模型软件的特点和河道的实际情况，合理选择，尽可能获得准确和足量的数据。
(4)外来水源对本地生态的影响。引水水源往往来自域外，引水过程中往往不经处理或简单预处理，其中的浮游生物、藻类、微生物，以及水源中的污染物质等随引水管渠进入城区，对原有生态易造成影响，特别是部分源水氮、磷等营养物质较多、易造成河道出现水华现象;源水中携带的泥沙等对引配水设施造成破坏，一定程度上加大了城区河道的沉积和堵塞风险。因此，引水必须经简单、经济的处理，如混凝、沉淀、过滤等，以降低对城区河道生态的影响，有条件的城市可通过脱氮除磷工艺，经人工生态系统缓冲引入。
4引配水的展望
(1)加大污水再生利用。城市引配水需要稳定并具有一定规模的水量，目前引水源主要是城市周边的大湖大河，但这些水源由于其自身的径流不稳定性和水质不稳定性，对引入城区的水体亦造成了重大影响。污水处理厂出水作为城市第二水源，具有稳定性、可靠性和充足性等特点。在技术上，城镇污水再生处理技术已经比较成熟，目前国家正在对全国污水处理厂进行提标改造，明确要求自2016年7月1日起新建污水处理厂和自2018年起敏感区域内现有城镇污水处理厂出水达到一级A标准，个别省市如北京、天津、浙江等更是将地方标准进一步提高，向地表水Ⅳ类水体标准靠近，城镇污水处理厂出水回用生态已无技术上障碍。在制度上，国家已在2002年和2007年分别发布了《城市污水再生利用》系列标准，允许污水再生利用于景观环境。在总量上，2014年的城镇污水处理能力已达1.57亿m3/d，全国设市城市与县城污水处理厂覆盖率已近100%，这些污水处理厂出水可以稳定地、大量地为城市引配水提供原水，为无外部引水水源的城市找到了另一个方案。目前，国内外已有许多成功的先例，国内也有许多城市如北京、深圳、包头等，在城市污水再生利用方面均取得了很多成功的经验。
(2)加强雨水利用。雨水作为城市水体的重要补充，可作为城市引配水的重要水源。部分城市雨水资源丰富、年降雨量较大，但季节性、瞬时性较为明显。目前，国家正在大力建设海绵城市，雨水利用是其中的重要内容。部分城市为减少瞬时暴雨的危害，在城区建设了大容量雨水调蓄池，这可作为城区配水的重要水源和设施;另外，人工生态、城市景观、微型水环境等城市海绵可以为城区河道提供微型配水和调蓄，并对雨水水质进行一定程度上的处理净化。
5结论
引配水作为活水的最重要技术手段，对改善城区水体水质具有重要的作用，已被国内外诸多城市所采用，并取得了较好效果。但引配水也存在着建设运维成本高、调度管理难度大、规划模拟与实际偏差大、对当地生态有一定影响等缺点，需因城施策，在宣传、制度、资金、技术等方面做好保障，有效运用现有设备设施，合理规划适时调整调度方案，尽可能收集相关模拟数据，运用最新数据处理技术，对引水进行预处理甚至适度深度处理。展望城区引配水发展，需结合当地水资源情况、季节性特点等，具体情况具体分析，加大污水再生利用和加强雨水利用，以开拓引水水源、保障水源的稳定和高质量。
原标题：引配水改善城区水环境质量
