城市小湖泊综合治理工程设计

王先锋， 席慕凡， 黎世荇， 赵林春， 杜翠红

（东华工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

1 工程概况

为保障河道行洪功能， 实现“水通水清、 排蓄结合、 安全健康、 人水和谐”的规划目标和“生态与景观相融合、 景观与人文相统一”的设计目标， 郑州经济开发区滨河国际新城实施了水系综合治理项目。 该项目位于郑州经济技术开发区滨河国际新城16.77 km2范围内， 包含潮河河道、 蝶湖、 荷湖、中央水系等， 如图1 所示。 根据水质监测结果， 潮河及蝶湖的整体水质为劣Ⅴ类， 其中潮河上游入蝶湖口主要超标因子为CODCr、 BOD5和TN， 蝶湖湖区仅有BOD5超标， 潮河下游CODCr、 BOD5均为劣Ⅴ类。

图1 工程设计范围（图中虚线内）Fig. 1 Scope of project design（in the dotted line）

2 工程目标

（1） 项目实施后， 要求蝶湖每年累计300 d 及以上水体水质主要指标（除TN 外）达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水质标准， 潮河河道、 荷湖、 中央水系水质主要指标达到GB 3838—2002 中Ⅳ类及以上水质标准。

（2） 水体透明度大于或等于1.5 m。

（3） 水体景观效果显著提升， 水体清澈度、 透明度、 色泽、 气味均无负面效果。

3 工程设计

根据现状问题的分析结果， 提出本项目的实施内容包括河湖水系工程、 水质提升工程、 生态修复工程等［1］。

3.1 河湖水系工程

河湖水系工程主要包括水系导截流和潮河疏挖及护岸建设［2］。

考虑到本项目的实施范围、 河道排水现状， 在蝶湖入口处设置截流坝， 将旱季上游来水和污染物含量较多的初期雨水导入旁路人工湿地净化后， 利用导流渠送至曹古寺大坝下游入潮河， 降低上游初期雨水对蝶湖水质的冲击影响。 雨季当潮河上游来水水量超出湿地蓄存能力时， 多余的水量经蝶湖排入下游河道。 导截流工程布置内容包括引水管道、截流坝、 湿地进出口堰、 湿地隔堤和导流暗涵等。

为满足潮河河道行洪安全要求， 需对潮河上游机场高速桥至入蝶湖口段河道进行疏挖［3］， 疏挖长度为400 m。 对曹古寺坝前后现状裸露的土质岸堤进行防护， 坝前采用三维植生网护坡， 坝后采用生物基质混凝土护坡。

3.2 水质提升工程

水质提升工程主要包括表流湿地和湿地塘建设以及蝶湖滨水区域内初期雨水处理。

（1） 表流湿地及湿地塘。 根据现场踏勘， 在蝶湖东侧利用现状有利的场地建设湿地系统， 区域内旱季上游来水及雨季初期雨水进入湿地系统进行处理。 人工湿地系统采用“人工表流湿地＋自然湿地塘”的形式， 表流湿地内搭配挺水植物和沉水植物，选择耐污能力强、 净化能力强、 青草期长的挺水植物， 以耐寒品种为主， 主要选择芦苇、 香蒲、 红廖、德国鸢尾、 水葱、 黄菖蒲等； 自然湿地塘主要选择四季常绿矮型苦草、 小茨藻和龙须眼子菜。 受污染水先通过表流湿地进行预处理， 然后在自然湿地塘中缓流、 停留足够的时间， 使有机物、 氮、 磷等营养物质得到充分分解和吸收， 进一步净化水质［4］。

（2） 滨水区域内初期雨水处理。 蝶湖两岸的雨水排口排放的初期雨水通过雨水生态净化系统进行处理。 该系统由4 部分组成， 分别为： 格栅初滤区、 生态过滤区、 厌氧削减区、 好氧削减区。 初期雨水径流污染以CODCr、 SS 为主， 利用格栅拦截初期雨水中较大颗粒的SS 和垃圾， 再利用植物碎石过滤床系统， 通过过滤、 吸附、 沉淀、 植物吸收等方法， 实现对SS、 磷的去除， 再进入由“漂浮湿地＋控藻浮游动物”组成的厌氧削减区， 最后进入好氧塘， 塘中设置增氧系统， 使水体形成好氧环境［5］， 实现水体有机物和氮磷的降解转化。

3.3 生态修复工程

在蝶湖中构建“控藻浮游动物-水下森林-水生动物-微生物群落”的共生系统， 形成完整食物链，恢复以沉水植被为主导的水生态系统， 主要选择四季常绿矮型苦草、 改良刺苦草、 龙须眼子菜、 水兰、 小茨藻和金鱼藻等， 投放浮游动物、 底栖生物和鱼类， 再辅以景观喷泉曝气机和涌浪机来进行增氧， 使水体具有一定抵抗外界污染和自我修复的能力， 实现水质净化目标， 提升水体景观［6-7］。

工程实施后通过卫星图（图2）可明显看出， 潮河上游来水与湖水形成明显对比， 上游受污染的潮河水被截流钢坝导入蝶湖东部的旁路人工湿地中进行净化， 净化后通过导流暗涵排入潮河下游。 蝶湖主体通过上游定期补水（小魏庄水库泄水）， 维持构建完整的水生态系统， 辅助曝气增氧， 使得湖体水质长期保持在地表水Ⅲ类水质标准。

图2 工程实施后的蝶湖平面示意Fig. 2 Plan of Butterfly Lake after engineering construction

4 目标可达性分析

为更好地定量分析需实施的水生植物工程量，选择了MIKE 模型用于蝶湖水质模拟。

（1） 水动力模型输入条件

初始条件： 蝶湖初始水位取常水位102.0 m，初始流速取0。

水量条件： 根据非汛期下平均流量0.06 m3／s。

模型参数： ①涡粘系数： 水平涡粘系数取为0.28。 ②底床摩擦力： 底床的摩擦力采用河道糙率值， 河道糙率取值介于0.027 ～0.035。 ③CODCr的降 解 系 数 为0.09 ～0.12 d-1， 氨 氮 的 降 解 系 数 为0.07 ～0.09 d-1， TP 的降解系数为0.06 ～0.09 d-1［8］。

（2） 水质模型输入条件

蝶湖初始条件： 模型CODCr、 氨氮、 TP 水质本底值分别取实际监测平均值25.0、 0.37、 0.39 mg／L。

蝶湖水质条件： 水质模型计算时， 进水口水质取上游机场高速桥下监测点水质， ρ（CODCr） ＝171 mg／L、 ρ（氨氮） ＝34.7 mg／L、 ρ（TP） ＝3.42 mg／L；出水口水质取曹古寺大坝监测点水质， ρ（CODCr）＝31 mg／L、 ρ（氨氮）＝0.69 mg／L、 ρ（TP）＝0.3 mg／L。

4.1 模型流场及水质现状分布分析

蝶湖水质现状模拟结果如图3 所示。 模拟结果表明： 空间上， 蝶湖的整体水质情况不容乐观，上游入湖口及几处雨水排口已累积污染， 水质较差， 局部易产生富营养化。 污染物方面， TP 有所超标， 主要受湖体内本底及潮河上游来水影响，CODCr受两侧雨水排口影响较大， 氨氮主要受上游来水影响。

图3 蝶湖水质现状模拟结果Fig. 3 Current status simulation results of Butterfly Lake water quality

4.2 补水工况模拟

假定蝶湖湖水不放空， 按照0.4 m3／s 对蝶湖进行补水， 对72 h 后的蝶湖水质变化情况进行模拟，模拟结果见图4 和表1。 由模拟结果可知， 湖体断面（见图2 中S2、 S4、 S6 断面标示）水质仍超标，蝶湖水质目标不可达， 因此应对湖体放空后再进行补水。

表1 只补水工况下各断面水质模拟结果Tab. 1 Simulation results of water quality in each section under make-up water condition

图4 不同补水时长下蝶湖水质模拟结果（以TP 为例）Fig. 4 Simulation results of Butterfly Lake water quality under different make-up water duration（taking TP as example）

4.3 湖区水生态修复工况模拟

为了确定湖区生态修复措施的工程量， 对湖区是否实施生态修复的工况进行模拟分析， 模拟结果见图5 和表2。 由模拟结果可知， 在最不利条件下 （遭遇5 年一遇暴雨， 模拟暴雨水量231 万m3， 持续泄洪时长3 h）， 上游部分雨污水泄入蝶湖， 蝶湖水质受降雨影响较大， 降雨初期水质严重超标， 48 h 后湖体水质仍超标。

表2 暴雨条件无生态修复工况下各断面水质模拟结果Tab. 2 Simulation results of water quality in each section under rainstorm condition without ecological restoration

图5 有无生态措施情况下暴雨48 h 后蝶湖水质模拟结果（以氨氮为例）Fig. 5 Simulation results of water quality of Butterfly Lake with and without ecological measures adopted after a 48-h rainstorm

为保障降雨后湖区水质尽快恢复， 需考虑湖区的生态修复措施， 水生态系统构建工程量的核算主要考虑构建水生动植物和曝气增氧设施。 依据相关文献资料， 沉水植物体内每克植株对氮的去除量为25.8 ～30.1 mg， 对 磷 的 去 除 量 为2.04 ～4.01 mg，沉水植物每年的生长量干重为400 ～2 000 g／m2［9］。通过模拟计算， 蝶湖湖区沉水植物面积应不小于32 万m2， 且在降雨后进行曝气增氧， 可以较快（48 h 后）恢复水体水质［10］。

5 工程效果

本项目于2020 年7 月验收通过， 在后期运营中， 蝶湖的湖体水质稳定保持着地表水Ⅲ类水质标准， 湖体透明度较高， 同时对部分区域景观进行完善和提升， 满足了生态与景观相融合、 景观与人文相统一的设计目标。

6 结语

以郑州滨河国际新城蝶湖综合治理为研究对象， 基于“湖泊生态环境保护系列技术指南”， 通过对湖泊上游来水截污、 活水补水、 污染底泥疏浚、湖体水生态系统构建、 旁路人工湿地净化等关键技术进行集成， 形成了城市小型湖泊治理体系， 并通过模型验证了该治理体系的可靠性， 为后续其他城市小型湖泊治理方案提供了一定的参考。