引配水對杭州中東河水質(zhì)改善研究
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王艷， 張曉紅， 楊磊， 陳啟石，， 張洋
(1．中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450007;
2．杭州市市區(qū)河道監(jiān)管中心，浙江杭州310008：
3．浙江省自然博物館，浙江杭州310008)
摘要：杭州市主城區(qū)中東河隨城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展污染嚴(yán)重，水體呈現(xiàn)出劣V類水質(zhì)。研究通過對中東河引配水前后連續(xù)7年的定點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測，以期掌握引配水對中東河水質(zhì)改善效果。結(jié)果顯示，引配水對中東河水質(zhì)有明顯改善，溶解氧濃度平均升高1~2倍，氨氮及總磷濃度分別下降60VO及6.5%；在不考慮內(nèi)外源性污染前提下，引配水量增大（日常配水量2倍）水體溶解氧增加13%，氨氮、總磷及高錳酸鉀指數(shù)分別降低8(YO .3%及14%。河道沿岸偷排雨污合流及河道底泥分別是影響引配水持續(xù)改善水質(zhì)的外源及內(nèi)源因素，降雨期間，河道水體溶解氧急劇下降約950A，氨氮及總磷濃度則可分別升高90% .87%。研究結(jié)果可為持續(xù)改善中東河水質(zhì)及河道管理部門制定相關(guān)法規(guī)政策提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：溶解氧；氨氮；總磷；高錳酸鉀指數(shù)；降雨；內(nèi)外源污染
我國城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與伴隨而來日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題形成鮮明對比，其間矛盾不斷凸顯。城市河道作為城市發(fā)展與文化的載體，同樣受到不同程度污染，水體出現(xiàn)臭、臟、黑及堵塞等現(xiàn)象。因此，改善城市河道水質(zhì)、提高城市生態(tài)環(huán)境已成為城市可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中亟待解決的問題。針對城市河道水質(zhì)污染控制，國內(nèi)外采用不同的技術(shù)并已取得了收效，鑒于不同河道地域地理及其功能性差異，應(yīng)因地制宜選取治理技術(shù)，方可達(dá)到長期穩(wěn)定的河道治理效果。
引配水是指在保證防汛安全、生產(chǎn)、生活用水、航運(yùn)及重要區(qū)域水環(huán)境的前提下，充分利用外河潮汐動(dòng)力和清水資源，通過水閘、泵站等工程設(shè)施調(diào)度，使河網(wǎng)內(nèi)主要河道水體定向、有序流動(dòng)，加快水體更新速度，改善內(nèi)河水質(zhì)的一種水資源調(diào)度方式。引配水工程包括引水泵站、引水管線和隧洞、截留閘等。該工程改善水環(huán)境的基本機(jī)理在于通過維持河網(wǎng)水系具備一定水量、水位和流速，以增強(qiáng)河道水流的循環(huán)能力和水體活力，從而達(dá)到快速稀釋降低污染物質(zhì)在水體中的相對濃度、提高水質(zhì)的目標(biāo)。
杭州中東河地處主城區(qū)中心，跨越上城、下城兩大城區(qū)。中河南段南起白塔嶺，北至鳳山門，全長約4.7 km;北段南起鳳山門，北至東河，全長約6.1 km。東河范圍在河坊街與中河相連，北至運(yùn)河，全長約4.45 km。兩河段擁有同一源頭和出水口，且城市區(qū)域功能、污染源及水質(zhì)狀況均相近，因此將這2條河道統(tǒng)稱為中東河（圖1）。中東河兩側(cè)人口密集，賓館、酒店、餐飲行業(yè)發(fā)達(dá)，部分公建單位偷排現(xiàn)象及雨污合流情況普遍，因此中東河水質(zhì)曾長期處在劣V類水平，甚至部分時(shí)段出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象，水質(zhì)改善問題亟待解決。東河北通京杭大運(yùn)河，中河南接錢塘江，中東河在艮山門處交匯，因此東河、中河是連接錢塘江和京杭大運(yùn)河的水路通道。依托中東河該地理優(yōu)勢，2010年杭州市河道綜合保護(hù)工程啟動(dòng)，以錢塘江水作為中東河配水水源，對中東河進(jìn)行水質(zhì)改善治理。為了解引配水工程實(shí)施對中東河水質(zhì)改善情況及影響引配水改善水質(zhì)的主要因素，本研究于引配水工程實(shí)施前后定點(diǎn)跟蹤監(jiān)測7年，分別對引配水前及引配水后不同時(shí)段錢塘江源水及不同引配水量進(jìn)行記錄，分析中東河各斷面在引配水前后主要水質(zhì)指標(biāo)變化，以觀測引配水對配水河道水質(zhì)改善的貢獻(xiàn)。依據(jù)監(jiān)測分析結(jié)果，本研究旨在以持續(xù)改善中東河水質(zhì)為目標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化引配水方案，提高引配水效益，同時(shí)完善長效河道管理工作，以提升城市河道水質(zhì)，鞏固新中東河綜保工程整治成效，為河道管理部門制定相關(guān)法規(guī)政策提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1 中東河引配水措施
結(jié)合杭州市區(qū)河道綜保工程，2010年引入錢塘江水作為中東河配水，并于中河南段修建沉沙池，通過其沉淀作用把相對清澈的錢塘江水引人中東河，以減少錢塘江配水的含沙量。同時(shí)，中東河貫通段由直徑1.2 m的暗管開挖成9.5 m寬的河道，以此徹底改善中東河配水條件。具體配水方案如下：
(1)中河雙向泵站根據(jù)錢塘江原水（閘口處）水體指標(biāo)情況開啟水泵( 13xl04—26xl04 m3/d)從錢塘江引水人中河南段，為下游河道進(jìn)行配水。
(2)根據(jù)錢塘江原水（珊瑚沙水庫處）水體指標(biāo)情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)洋泮橋出水閘，以3xl04—l5xl04 m3/d的流量為中河南段進(jìn)行配水。
(3)適當(dāng)調(diào)節(jié)鳳山閘，以不低于lOxl04 m:3/d的流量向中河北段及東河配水，確保中東河水體3 d內(nèi)置換1次。
(4)適當(dāng)調(diào)節(jié)中河長運(yùn)路船閘、東河壩子橋船閘以及中東河環(huán)通段船閘輸水蝶閥，保持中河北段不少于4xl04 m3/d(鹽橋斷面，平均0.46m3/s)和東河不少于6xl04lrr3/d(菜市橋斷面，平均0.7 m3／s)的配水量。
(5)合理調(diào)節(jié)中貼一、二閘和貼新一、二閘，保持中河南段向新開河配水量不少于5xl04 m3/d，確保新開河水質(zhì)穩(wěn)定。
(6)雙向泵站引水量不足部分（包括貼沙河自來水和環(huán)境用水量），由珊瑚沙水庫經(jīng)洋泮橋出水管配至中河南段補(bǔ)足，并確保水體透明度達(dá)標(biāo)。
為進(jìn)一步了解配水量對中東河水質(zhì)的影響，本研究選取晴天狀態(tài)下，即在無初期雨水及地表徑流影響下，分別開啟l臺(tái)引水泵和2臺(tái)引水泵的對比試驗(yàn)（2臺(tái)水泵配水量即為日常配水量2倍），來監(jiān)測不同引配水量對中東河水質(zhì)的影響。同時(shí)我們選擇在雨天狀態(tài)下（2013年6月29日至2013年7月5日），分別在中河河段選取雙向泵站、鳳山門、河坊街、西湖大道、解放路、慶春路、鳳起路、體育場路、長運(yùn)路路口和新壩，東河河段選取河坊街、西湖大道、解放路、萬安橋南100 m、萬安橋、慶春路、鳳起路體育場路、東河船閘等點(diǎn)位連續(xù)7d定點(diǎn)檢測，以獲得雨水及地表徑流對中東河水質(zhì)影響情況，借以輔助了解在采取引配水前提下，影響中東河水質(zhì)的其他因素。
1.2采樣及分析方法
根據(jù)中東河水流流向、引配水情況、排水口分布及周邊環(huán)境等綜合因素，共設(shè)置7個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面，從上游至下游分別是中河白塔嶺、美政橋、新宮閘、鹽橋、新壩和東河菜市橋、寶善橋（圖1）。本研究采用單因子評價(jià)法進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，依據(jù)《國家地表水水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB 3838-2002)對2008年至2013年6月的水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)（以2010年為界，2010年以前作為整治前水質(zhì)情況，2010年作為整治中水質(zhì)情況，2011年開始作為整治后水質(zhì)情況）。監(jiān)測頻率自2008年至2013年6月，每月定時(shí)對下述各指標(biāo)在各采樣點(diǎn)采樣監(jiān)測，各檢測點(diǎn)相應(yīng)指標(biāo)值取該點(diǎn)各年月加權(quán)平均值。評價(jià)指標(biāo)包括溶解氧（DO，便攜式溶氧儀）、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮（NH4+-N，水楊酸法）和總磷（TP，精密試紙）。
2結(jié)果
2.1 引配水對中東河水質(zhì)影響
2 .1.1溶解氧
中東河溶解氧變化情況如圖2(a)、(b)所示�？傮w看，引配水前后中東河水體溶解氧濃度整體呈走高趨勢；隨河道地理走勢，由上游至下游溶解氧濃度逐漸增高；其中，中河(圖2(a))溶解氧濃度變化在2008-2013年間表現(xiàn)為：白塔嶺>美政橋>新宮閘>鹽橋>新壩，鹽橋以上河段溶解氧濃度基本優(yōu)于Ⅲ類（溶解氧≥5 mg/L）水質(zhì)，而下游新壩斷面變差，溶解氧濃度降至Ⅳ類（溶解氧≥3 mg/L）；東河(圖2(b))河段溶解氧濃度變化為新宮閘>菜市橋>寶善橋。整個(gè)監(jiān)測期內(nèi)，中河河段各斷面在溶解氧濃度平均約達(dá)初期（即監(jiān)測初期：2008-2009年）的2倍，而東河各斷面溶解氧濃度則可達(dá)初期的3倍。
2.1.2氨氮
中東河氨氮變化狀況如圖3((a)、(b))所示，觀測期( 2007-2013)內(nèi)，中東河自上游到下游氨氮濃度呈現(xiàn)逐漸升高趨勢；整治前(2007-2010)中、東河各段氨氮含量均呈明顯上升趨勢，2010年引配水治理介入后至2013年，河道各段氨氮含量顯著下降，其中中河(圖3(a))中上游河段（白塔嶺至鹽橋段）氨氮年均濃度降至地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（氨氮≤1.5 mg/L）以下，但下游河段（新壩）氨氮濃度上升明顯，部分時(shí)候達(dá)劣V類；東河(圖3(b))各斷面氨氮年均濃度在引配水后則保持在地表水V類以內(nèi)。監(jiān)測期始末，中河河段氨氮濃度變化不大，但東河氨氮濃度平均下降了60%。
2.1.3高錳酸鹽指數(shù)
中東河高錳酸鹽指數(shù)變化狀況如圖4((a)、(b))所示，該指標(biāo)為整治后水質(zhì)監(jiān)測新增指標(biāo)。圖4可見，整治后( 2010-2013)該指標(biāo)濃度總體較低，基本穩(wěn)定在地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（高錳酸鹽指數(shù)≤6 mg/L）以內(nèi)。中河(圖4(a))自上游白塔嶺至下游新壩斷面，高錳酸鹽指數(shù)略有升高，東河(圖4(b))則上下游斷面間變化不明顯。
2 .1.4總磷
中東河總磷變化狀況如圖5((a)、(b))所示。各檢測點(diǎn)整治前總磷濃度較高，整治后的觀測期內(nèi)，總磷濃度均有所降低，穩(wěn)定在地表水Ⅲ類(總磷≤0.2mg/L)以內(nèi)。整個(gè)觀測期內(nèi)，河道上游至下游，總磷含量逐漸增加，即中河(圖5(a))河段白塔嶺<美政橋<新宮閘<鹽橋<新壩，東河(圖5(b))新宮閘<菜市橋<寶善橋。中河總磷濃度于監(jiān)測期始末變化不明顯，東河總磷濃度則平均下降65%。
2.2 引配水水量對中東河水質(zhì)影響
在無初期雨水及地表徑流影響下，分別開啟1臺(tái)泵和2臺(tái)泵引水，觀測中東河各監(jiān)測點(diǎn)相應(yīng)指標(biāo)變化情況，結(jié)果表明，如圖6((a)~(d))所示，加大中河雙向泵站的引水量，即使用2臺(tái)泵引水中東河水質(zhì)改善情況優(yōu)于開啟1臺(tái)引水泵時(shí)水質(zhì)，且隨河道地勢越往下游水質(zhì)越差則配水量對水質(zhì)的影響越大。引配水量增大水體溶解氧增加13%，而氨氮、總磷及高錳酸鹽指數(shù)分別降低8%、3%及14%。
2.3降雨對中東河水質(zhì)影響
2.3.1 降雨對中東河不同河段水質(zhì)影響
如圖7(a)、(b)所示，降雨期間（2013年6月29日及30日），中東河水質(zhì)發(fā)生明顯變化，但不同路段變化幅度不同。中河主要污染物（氨氮、總磷）集中在慶春路至體育場路段，解放路至慶春路段污染物濃度有大幅上升現(xiàn)象，同時(shí)溶解氧顯著降低(圖7(a))；東河主要污染物（氨氮、總磷）集中在慶春路至東河船閘，萬安橋南100 m至慶春路河段氨氮和總磷濃度連續(xù)攀升，而溶解氧則呈現(xiàn)遞減趨勢(圖7(b))。
2.3.2降雨過程河道污染程度變化趨勢
以慶春路斷面為例(圖8(a)、(b))，6月29日開始降雨，6月30日上午達(dá)到暴雨級別，6月30日下午轉(zhuǎn)陰天，7月1日轉(zhuǎn)晴直至7月5日監(jiān)測結(jié)束。在降雨初期（6月29日），中河(圖8(a))慶春路斷面氨氮、總磷濃度達(dá)到極值，由于降雨持續(xù)時(shí)間較短，氨氮、總磷濃度開始下降后保持穩(wěn)定（6月30日），降雨結(jié)束，氨氮、總磷濃度迅速回落，溶解氧濃度則逐步回升（6月30日下午），最后保持穩(wěn)定；東河(圖8(b))慶春路斷面降雨初期與東河類似，表現(xiàn)為溶解氧濃度迅速下降，氨氮、總磷濃度則達(dá)到極值（6月29日），降雨持續(xù)，氨氮、總磷濃度有所下降（6月30日上午），伴隨降雨結(jié)束，氨氮、總磷濃度卻有一個(gè)上升的變化
（6月30日上午至6月30日下午），7月1日下午至7月2日下午，氨氮、總磷濃度再次出現(xiàn)波動(dòng)；7月3日上午開始，東河河道水質(zhì)保持穩(wěn)定。降雨對中東河影響總體表現(xiàn)為，中河溶解氧濃度下降96%、氨氮及總磷濃度分別升高94%、91%；東河溶解氧下降95%，氨氮及總磷濃度分別升高87%、79%。
3討論與結(jié)論
3.1討論
城市河道引配水是一種實(shí)施較易、收效較快的水質(zhì)改善措施。引配水能有效增加水體水環(huán)境容量，稀釋污染物，沖刷底泥，可有效改善河道水質(zhì)狀況。本研究將運(yùn)河水系作為引配水水源具有便利的優(yōu)勢條件：一是水資源量充足。杭州市區(qū)位于錢塘江河口，錢塘江、苕溪均穿城而過，地理位置優(yōu)越。錢塘江河口聞家堰斷面多年平均徑流量347億m3，為引配水提供了水源條件；二是水源水質(zhì)總體較好。錢塘江河口段水質(zhì)為Ⅲ類水體，有時(shí)個(gè)別指標(biāo)存在超標(biāo)，苕溪為Ⅲ類水體，而運(yùn)河目前總體仍為劣V類水體，因此錢塘江可以提供較好的引配水水源；三是引水成本較低。由于運(yùn)河水系普遍水位低，錢塘江、苕溪可以通過水位差實(shí)現(xiàn)引配水，基本不需要設(shè)立泵站，降低了引配水的成本。
研究表明，引配水水源的水質(zhì)和水量直接影響下游河道水質(zhì)。本研究以溶解氧、氨氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)為監(jiān)測指標(biāo)，中東河水質(zhì)在引配水前后，水質(zhì)改善明顯。同時(shí)，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（圖2—5），白塔嶺雙向泵站為中東河引入錢塘江水的源頭，中東河各個(gè)斷面的水質(zhì)指標(biāo)與源水（白塔嶺斷面）指標(biāo)變化趨勢存在顯著的正相關(guān)，即源水對中東河水質(zhì)存在較大影響，源水好則中東河水質(zhì)好，源水變差則中東河水質(zhì)變差。
除源水水質(zhì)，引配水量對水質(zhì)影響同樣較顯著，配水水量越大水質(zhì)改善越明顯。但我們的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)配水量加大到一定程度，水質(zhì)的改善則變化甚微。沿河道排查發(fā)現(xiàn)，中東河沿線共有排水口121個(gè)，其中中河段81個(gè)（上城段45個(gè)、下城段36個(gè)），東河段40個(gè)（上城段23個(gè)、下城段17個(gè)），中河河段晴天仍有排污的出水口有7個(gè)，晴天零星排污口為4個(gè)；東河河段晴天未發(fā)現(xiàn)排污口出水。在降雨期，通過對中東河布控?cái)嗝娴乃|(zhì)監(jiān)測，河道水體氨氮和總磷濃度在降雨期間的急劇升高，凸顯了排污口出水對水質(zhì)的影響程度之大，這一現(xiàn)象在中河主要集中于人口密集的慶春路至體育場路段，而在東河則集中于萬安橋至慶春路河段。由此可見，未得到有效控制的外源污染物的排人可能是影響水質(zhì)持續(xù)改善的原因，長此以往，僅以增大的引配水量稀釋污染物，不僅會(huì)弱化水質(zhì)持續(xù)改善效果，加大配水量也會(huì)因投入成本過高而難以持久。
河道底泥是影響中東河水質(zhì)的可能性內(nèi)源因素。于水體而言，底泥沉積物猶如一個(gè)營養(yǎng)貯存庫，在一定環(huán)境條件下，底泥間隙水中的營養(yǎng)鹽（如氮、磷等）通過擴(kuò)散、對流、沉積物再懸浮等過程向水體釋放營養(yǎng)物。對比中東河底泥總磷、總氮以及有機(jī)質(zhì)濃度（中河河坊街江南紅樓處分別為0.72 g/kg、721 mg/kg和1.07%；東河慶春路橋處分別為1.02 g/kg、1 780 mg/kg和2.29%）（未發(fā)表數(shù)據(jù)），東河高于中河，即東河河道底泥中的氮磷等具有一定釋放作用，成為該河段水體內(nèi)源性污染的重要來源，從而使得在各監(jiān)測指標(biāo)中（溶解氧、氨氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)），東河相應(yīng)指標(biāo)均高于中河河段。此外，東河河段水流速度低于中河河段，低速的水流對河道底泥沖刷作用較小，使河道底泥淤積較多，這可能是導(dǎo)致東河河段底泥沉積物釋放營養(yǎng)物質(zhì)高于中河河段的原因。由于底泥對營養(yǎng)鹽（氮、磷等）的蓄積效應(yīng)，引配水工程的實(shí)施導(dǎo)致河道水量增大，底泥被河道增大的水量所攪動(dòng)，釋放出大量的營養(yǎng)鹽（氮、磷），進(jìn)而使中東河在引配水工程實(shí)施初期（2010年）所監(jiān)測的氨氮及總磷濃度有了大幅度波動(dòng)（圖3及圖5）。
3.2結(jié)論
引配水工程的實(shí)施使中東河水質(zhì)得到明顯好轉(zhuǎn)，水質(zhì)達(dá)Ⅲ類或Ⅳ類水質(zhì)；但降雨期，河道沿線雨污合流截污系統(tǒng)會(huì)造成大量污水排入河道，嚴(yán)重污染中東河水質(zhì)，水質(zhì)仍會(huì)出現(xiàn)V類甚至劣V類狀況。
影響中東河水質(zhì)的主要因素首先是錢塘江源水的水質(zhì)及引配水水量；其次是沿河外源污染物的排入，包括通過排水口排入河道的污水以及雨天地表徑流產(chǎn)生的污染；三是河道底泥中的內(nèi)源性污染物釋放。
4建議
(1)進(jìn)一步加強(qiáng)水質(zhì)改善工作。結(jié)合實(shí)際調(diào)查結(jié)果，在局部河段因地制宜實(shí)施水生態(tài)治理工作，推進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)和完善，從而達(dá)到水質(zhì)提升功效。
(2)亟需完善中東河沿線污水管網(wǎng)體系。從根本上改善中東河水質(zhì)，做到雨天污水盡可能不排入河道，需對中東河沿線的二污干管截流式合流制進(jìn)行系統(tǒng)改造。
(3)繼續(xù)做好截污納管工作。加強(qiáng)排水口動(dòng)態(tài)監(jiān)管，針對尚存在晴天出污水的排水口，進(jìn)一步與相關(guān)部門對接，追溯污染源頭，采取相應(yīng)的措施。
(4)需進(jìn)一步優(yōu)化配水方案。根據(jù)中東河水質(zhì)實(shí)際情況合理引配水，最大程度地發(fā)揮引配水效益。同時(shí)協(xié)調(diào)好配水與防汛、潮汛的關(guān)系，尤其加強(qiáng)中河雙向泵站引水、珊瑚沙水庫抗咸渠道輸水監(jiān)管力度，確保引入優(yōu)質(zhì)源水，改善中東河水環(huán)境。
(5)充分發(fā)揮社會(huì)力量參與管理河道。在河道管理過程中需多搭建平臺(tái)，建立公眾參與機(jī)制，同時(shí)加強(qiáng)宣傳，讓市民建立起“愛護(hù)河道，人人有責(zé)”的理念，杜絕發(fā)生向河道排污、網(wǎng)魚、電魚、破壞綠化等違法行為，確保中東河良好的水生態(tài)環(huán)境。
