青岛市李村河下游生态补水方案

杨仲韬，资 强，渠元闯，孟 涛，燕家琪

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381)

在河道综合治理过程中，生态补水是在控源截污实施效果良好的前提下改善河道水环境的重要措施[1]。生态补水的作用主要表现在以下两个方面：一是生态补水可以维持河道径流，增加河道流速，有利于水体复氧，提高水体自净能力；二是生态补水可维持水生动植物的基本生境，恢复河道生态系统。

近年来，青岛市在《水污染防治行动计划》、《李村河流域水环境治理工作方案》等的指导下，逐步实施了污水厂提标改造、雨污分流、沿线污染源治理、河道生态化整治等综合措施。由于缺少稳定的补水，李村河下游河段多个断面存在断流现象。因此通过生态补水增加河道流量、提升河道水质十分重要。文章主要对李村河综合治理过程中的生态补水方案进行研究讨论，为工程的实施和开展提供指导。

1 李村河概况

李村河全长16.7km，流域总面积139.0km2，是青岛市区最大的水系，也是市区主要的防洪排涝河道，水清沟河、郑州路河、大村庄河等共九条支流汇集于此。李村河是一条典型的季节性河流，暴雨季节，河道水位暴涨，而平时则河床中水量较少，部分区域野草丛生、土地裸露。李村河下游三角地至入海口段目前通过挡潮闸拦蓄一部分污水厂排放再生水及涨潮海水，形成长度约1000m、水面宽220～360m的蓄水区，蓄水深度0.8～2.5m。李村河胜利桥处设有国控水质监测断面如图1所示，水质要求为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的V类标准以上。

图1 李村河下游平面示意图

2 生态补水工程重要性

自2009年以来，李村河沿线先后实施了一系列的整治工作，建设内容包括截污、防洪、道路、桥梁、景观绿化等，沿河修建了多处橡胶坝、跌水堰等，河道防洪能力得到有效加强，景观效果大幅提升。

但是目前由于缺少稳定的补水，李村河下游三角地至胜利桥河段多个断面存在断流现象。基于李村河水量少、水质差的现状，在河道沿线实施控源截污的前提下，通过引调清洁水源对河道进行生态补水，从而改善河道水动力循环条件，恢复河道生态、保障河道水质，是迫在眉睫的工作。此外，随着社会经济的发展，人们对居住环境的要求日益提高，追求依山傍水、近山近水、乐山乐水、亲山亲水的山水情结也与日俱增[2]，补水工程营造的怡人水面景观将为市民的休闲娱乐生活增添亮丽的色彩。综上，本补水工程对保护及改善半岛流域水环境质量，促进半岛流域经济、社会和环境的可持续发展具有重要意义。

3 补水水源

常用的河道生态补水水源有雨水径流、水库蓄水、区域调水、再生水等。由于李村河为季节性河道，上游缺少稳定、足量的径流，没有大型水库，因此无法依靠上游来水和水库蓄水对河道进行生态补水。雨水径流补水仅在汛期有可行性，但需要解决雨水收集、调蓄、水质净化等一系列问题，工程难度大，成本高。青岛市水资源并不充裕，依靠区域调水和采用地下水进行补水更不现实。城市污水厂再生水水量、水质稳定可靠，将之作为河道生态补水的水源、实现水资源循环利用是各大城市的通用做法。

青岛市李村河流域现有李村河污水厂(25万m3/d)、世园会再生水净化厂(0.75万m3/d)、张村河水质净化厂(4万m3/d，在建)，另外计划在三角地新建一座5万m3/d的污水处理厂。

李村河上游世园会再生水净化厂和张村河水质净化厂向下游补水4.75万m3/d。但是由于三角地上游河段沿程蒸发量大、渗漏损失严重，现状补水量难以满足李村河下游的生态环境用水需求。位于李村河下游南岸入胶州湾口处的李村河污水处理厂，经改造提标及四期扩建工程后日处理能力将达到30万m3，出水水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准，详见表1。该污水厂距离三角地约5km，且水量、水质均能得到有效保证，是李村河下游理想的补水水源。综上，本工程拟将李村河污水处理厂再生水通过泵站提升至三角地处给李村河下游补水。

表1 补水水源水质及国控断面水质要求限值 单位：mg/L

4 补水规模

4.1 生态环境需水量

目前，计算河道内生态需水量的方法众多，由于不同河道所处区域、自身特点千差万别，还未形成相应的规范或标准。国内外河道内生态需水量计算主要包括水文学法、水力学法、水文-生物分析法、生境模拟法、环境功能设定法等方法[3]。

李村河为季节性河流，非汛期河道内流量很小，河道内部分区域河床裸露，存在局部断流现象，几无水生脊椎动物生存，历史流量资料缺乏，因此不宜采用水文学法、水文-生物分析法、生境模拟法等方法计算生态环境需水量。

水力学方法是根据河道水力参数确定河流所需流量，所需水力参数(河宽、水深、流速和湿周等)可以采用曼宁公式计算获得，代表方法有湿周法[4]、R2-Cross法[5]等方法。该方法无需历史流量及生物种群资料，较适合北方季节性缺水河流推算生态需水量。

环境功能设定法是一种将河流水量与水质保护相结合的方法，是针对我国水环境污染严重状况提出的[6- 7]。城市河流受人类活动影响较大，受到污染威胁较多，一般要求河流具有一定的纳污稀释功能，需要综合考虑水质保护与水量维持之间的关系。在水系发达、河网密布的地区可以借助数学模型对水动力、水质进行分析研究[8- 9]。

综上所述，结合李村河河道现状及所掌握资料，本文采用水力学方法计算李村河下游最小生态需水量，并结合环境功能设定法分析补水工程对国控断面水质达标的影响，计算该生态补水量下的水环境容量。

4.2 水力学法计算

R2-Cross方法[5]认为河流流量的主要生态功能是维持河流栖息地，其采用河流宽度、平均水深、平均流速以及湿周率等指标来评估河流栖息地的保护水平，从而确定河流生态流量。该法以曼宁方程为基础，根据实测资料或设计资料确定相关参数，可依据水力参数将河流划分区段，计算各区段的生态流量，并最终确定能维持河流生态流量的最小流量。

根据李村河下游综合治理方案，李村河下游三角地至胜利桥段定位为生态溪流段，采用生态流速作为水力学法计算的控制条件。一般为保持城市水生态系统的良性循环，使系统中大多数水生动植物能够生存，水体环境质量在现状条件下不会继续恶化，可选择0.3m/s作为城市河流的最小生态流速的参考值[10]。

李村河入海口处设置了挡潮闸进行了蓄水，使得河水滞留，回水范围至胜利桥附近，对于这段河道，拟从生态水深方面考虑它的生境适宜性。参考维多利亚河流的环境等级标准[10]，该河段的平均水深需维持在1.5m以上。

李村河三角地至胜利桥河段水面宽度25～30m，比降约为1‰～2‰；胜利桥至挡潮闸段水面宽度250～370m，比降约为0.6‰。结合河道内水生植物生长情况，河道糙率取值为0.033～0.035。因河道水力情况较为复杂，计算采用明渠非均匀流公式，通过上文拟定的河道水力要素进行反复试算，并结合沿线其他补水需求确定补水规模。

最终确定李村河污水处理厂向李村河下游(三角地至入海口段)生态补水总规模为20万m3/d，其中向李村河三角地位置补水15万m3/d，向李村河下游主要支流(水清沟河、大村河等)及沿线景观绿化浇灌等补水5万m3/d。该补水量补入李村河下游后，可维持三角地至胜利桥段平均水深为0.32m，平均流速为0.3m/s，挡潮闸蓄水段平均水深为1.55m。河道沿程平均水深及平均流速情况如图2所示。

图2 补水工程实施后李村河下游沿程平均水深及平均流速

4.3 环境功能校核

以水体中BOD和溶解氧沿程浓度变化情况作为校核该生态补水规模的依据。目前，在不考虑水体中植物产氧及底泥沉降等影响的条件下，水体中BOD降解速率及溶解氧复氧速率计算方法较为成熟，一般采用如下公式进行计算[11]。

(1)

(2)

式中,L—x处河水中的BOD浓度，mg/L；C—x处河水中的溶解氧浓度，mg/L；Cs—河水某温度时中的饱和溶解氧浓度，mg/L；u—河水平均流速，m/s；K1—BOD衰减系数，d-1；K2—溶解氧衰减系数，d-1。

(3)

DL=1.76×10-4×[1.037(T-20)]

(4)

本工程补水水源BOD浓度和下游国控断面水质要求BOD浓度限值均为10mg/L。根据BOD衰减系数的研究成果，K1取值在0.01～0.05d-1[12]。由于该段河道长度较短，在4km左右，补水沿程历时约为6.5h，BOD降解比例小于9%，因此河道的自净作用对BOD消减作用有限，即该段河道以BOD计的环境容量极小。该段河道需贯彻落实沿线控源截污，确保污水不进入河道，才能保证国控断面BOD指标达标。

对于溶解氧沿程变化情况，将该河段微分为5m每区间进行计算，即dx，取值为5m。根据李村河污水厂再生水的水质情况，补水水体溶解氧初始浓度为2mg/L，计算结果表明至挡潮闸蓄水区可复氧至6.1mg/L左右。根据国内一些学者的研究结果，河流中适宜鱼类生存的溶解氧应达到5mg/L[13]，所以实施本补水工程后在挡潮闸蓄水区段可形成较为适宜鱼类生存的条件。溶解氧及BOD沿程浓度变化情况如图3所示。

图3 补水工程实施后李村河下游溶解氧及BOD浓度沿程变化情况

5 输水方案比选

根据李村河污水处理厂改造提标及四期扩建工程(以下简称污水厂四期工程)情况，生态补水与该工程结合相对较为合适，但需要等到污水厂四期工程建成后才具备补水条件。李村河水环境治理是青岛市政府2018年的重点工作，考虑李村河总体水环境治理时间上的紧迫性，提早实现向河道内补水，配合李村河其他水环境治理措施改善河道水质是迫在眉睫的工作。因此，综合李村河河道水环境治理总体措施布局及时间要求和污水厂四期工程，提出以下输水工程方案：

(1)方案一

采用5万m3/d+15万m3/d建设方案：利用老厂区已建中水泵站，新建DN800管线至三角地，输水规模5万m3/d；15万m3/d生态补水泵站在污水厂四期工程先行建设，近期自老厂区滤布滤池取水，在污水厂四期工程建成后切换至污水厂四期工程排放泵房取水。15万m3/d补水泵站至河道岸边采用DN1200管线输水，于排河口位置连接排放井及河内DN1200管线，在非汛期向三角地补水点输水15万m3/d，汛期河道不需要补水时，通过排河口阀门切换，由排河井直接排入河道。

(2)方案二

20万m3/d生态补水泵站结合污水厂四期工程排河泵站建设，利用厂区排河的其中一根DN1600管线输水，在DN1600管线排河口位置连接DN1600管线向三角地补水点输水20万m3/d。排河管与再生水管共用，在汛期河道不需要补水时，通过厂内水泵及排河口阀门实现一个管道两种功能的切换。

(3)方案三

在李村河污水厂排河管末端的河边绿化带内新建20万m3/d取水泵站，泵站结合排水口，自排河管道末端取水，通过新建一根DN1600管道向三角地补水点输水，管道补水规模20万m3/d，富余的水通过溢流口溢流入河。

方案选择：对比各方案的优缺点，方案二和方案三直接采用DN1600钢管输送20万m3/d较为简洁，如果DN1600管道具备敷设条件且通水时间满足李村河水环境治理进度的话，是较为可行的方案。但一方面DN1600管道在河道内敷设需要穿越多处障碍，包括铁路桥、公路桥、橡胶坝等，施工难度大、工期长；另一方面进入6月汛期后，更加剧了施工难度。考虑李村河总体水环境治理时间上的紧迫性，方案二和方案三在时间上不能满足李村河总体水环境治理需求。其次，方案三的取水泵站位置与高压电缆冲突，不能满足施工及后期运行要求。

方案一首先在时间上可实现2018年5月份DN800管道的5万m3/d首先通水，满足李村河总体水环境治理前期补水需求，同年10月份DN1200管道可实现15万m3/d通水，满足李村河水环境治理总体补水需求。其次DN800和DN1200在河道内施工可采用定向钻施工工艺穿越障碍，施工速度快。并且该方案也充分利用了厂区已建泵站，减小了新建泵站规模。综上，推荐采用方案一，该方案平面布置如图4所示。

图4 方案一平面示意图

6 结语

利用李村河污水处理厂的再生水对李村河下游进行生态补水是行之有效的工程方案，在补水规模为20万m3/d时可维持李村河下游的最小生态流速和最小生态水深，保障河道生态性，进而逐步建立河道生态系统。结合河道沿线控源截污工作的有效开展，可保障国控断面水质达标。输水工程采用5万m3/d+15万m3/d方案：利用李村河污水处理厂已建泵站及DN800管道输送5万m3/d水量；利用在污水厂四期工程先行建设的生态补水泵站及DN1200管道输送15万m3/d水量。该方案管道工程施工速度快，泵站建设工程规模小，兼顾李村河水环境治理工程近期及远期的补水要求，可取得较好的环境效益和生态效益。