综合处理工艺在西溪湿地清水入城中的应用

傅建彬，李佳伟，赵心宇

（杭州水利水电勘测设计院有限公司， 浙江 杭州 310017）

0 引 言

为改善杭州市城西特别是运西片水环境，为西溪国家湿地公园提供优质水源，杭州市政府于2007 年启动钱塘江引水入城工程，通过隧洞引钱塘江水至杭州城西，取水口位于九溪大刀沙，沿线经过转塘镇、龙坞镇、留下镇后接入东穆坞溪，直至西溪湿地，最终汇入城西河网与京杭运河（见图1）。通过钱塘江引水入城，有效改善西溪湿地生态补水水质，提升湿地的整体生态环境，对丰富生物多样性及保证物种群落稳定性起到积极作用，同时也有效惠及城西至大城北的城市河道。

图1 钱塘江引水入城图

由于钱塘江来水含沙量较高，虽经大刀沙取水枢纽处沉沙池进行沉淀，但下游输水暗渠出口处仍存在一些小颗粒悬浮质，西溪湿地公园内淤积较为严重，城西水体的水质虽然不差，但浊度较高、能见度低；特别是汛期，钱塘江水浊度超过40 NTU（透明度小于40 cm）时，往往会停止向西溪湿地引水（经统计，平均每年有70 d 停止引水），造成西溪湿地公园内水位下降甚至河床裸露等。钱塘江引水最大的难题是平时水体中以小颗粒悬浮质为主，透明度低；而汛期来水泥沙含量较高，水体浑浊度高，因此需要及时掌握来水流量和浊度变化，并采取调整絮凝剂投量等措施加以应对[1]；延安黄河引水工程中，对黄河水质污染特性及泥沙问题进行了探讨，提出澄清池工艺，即通过控制混合和搅拌条件，使絮凝剂与高浊度泥沙有效碰撞，快速生成密实的颗粒状絮凝体，提升了水体透明度，有效解决了延安黄河引水水质难题[2]，因此本文通过对钱塘江不同来水情况进行不同水质处理方式，对西溪湿地水体甚至整个城西城市河道的水质提升具有重要意义。

1 钱塘江来水分析

1.1 来水中悬浮质分析

钱塘江现状水质较好，依据历史水质资料，其综合水质基本能达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅱ类标准，但其水质含沙量大，涨潮时浊度高。目前钱塘江引水入城来水量按8～15 m3/s 进行控制，含沙量在洪水时为1.0～2.0 kg/m3，大潮时为0.5～1.0 kg/m3，小潮时为0.1 kg/m3以下。采用韩其为法对大刀沙取水枢纽沉沙池沉积过程进行分析，沉降池平均分成8 段，每段40 m。级配分选见图2，计算成果见表1。

表1 计算结果汇总表

图2 级配分选示意图

经计算可知，通过大刀沙沉沙池作用，水中所含沙沉积率约为52.48%；且通过级配分选可知，大于0.025 mm 的粗颗粒基本在沉淀池中沉积，细颗粒所占比重增加明显，因此可知钱塘江水中粗颗粒沙基本在沉沙池中沉淀，西溪湿地水体中浊度均为细颗粒所引起。

1.2 来沙量分析

大刀沙引水流量保持在25 m3/s，则7—11 月每月进入引水口的泥沙量均超过万t，其合计输沙量达8.045 1 万t，占全年的2/3（全年输沙量为12.426 2 万t），具体见表2。

表2 全年逐月悬移质含沙量和输沙量表

自钱塘江引水带来的泥沙除在沉沙池大部分淤积和引水道内因停引水造成少量淤积外，其余泥沙将全部淤积在下游河道。淤积在引水道的泥沙量和进入下游河道的泥沙量计算见表3。

表3 不同下游水位情况下全年引水道和下游河道可能淤积量表 单位：t

考虑到西溪湿地为国家级公园，如果大量泥沙沉积在西溪湿地，将对其生态系统造成严重破坏性，因此应尽快将引水入城中的泥沙沉积下来，且尽量集中沉积，以便集中进行疏浚。

2 综合处理工艺方案

根据SL 269—2001《水利水电工程沉沙池设计规范》，沉沙池内流速受沉降最小粒径控制，当沉降最小粒径为0.05～0.10 mm 时，其流速应控制在0.05～0.15 m/s，入城引水实际流速为0.29～0.54 m/s。为满足沉沙流速要求，在上埠河与东穆坞溪交汇处设置翻板闸用于抬高上游水位，减缓流速，结合两侧已建挡墙形成沉沙池，在此区域内投放絮凝剂来进行沉沙处理，让泥沙在沉沙池中缓慢沉降，并定时清淤，让相对清澈的水进入下游。

2.1 拟定变频投放系统

2.1.1 絮凝剂选择

根据钱塘江的原水浊度变化范围大的特性，采用聚合氯化铝为絮凝剂（食品级）。该絮凝剂浊度去除率为硫酸铝的1.25～3.00 倍，因为原水中有干扰混凝过程的藻类和有机物，将消耗部分硫酸铝，而聚合氯化铝电离聚合反应中更具有活性[3]；对原水温度、浊度变化适应性强；絮凝体形成快，沉淀速度高，可以缩短絮凝和沉淀时间；处理水的pH值降低少，pH 值适应范围达5～9，处理成本低[4]。

2.1.2 变频控制投放系统

在絮凝剂加药点和下游翻板闸处，分别布置自动浊度检测仪和流量计，根据来水浊度、水流流量、药剂投放量和出水浊度、流量等关系，拟合变频加药曲线，并通过PLC 工程自动控制系统，控制计量泵变频加药，达到处理效果最优条件下的最经济加药量目标。变频投放系统见图3。

图3 变频投放系统图

2.1.3 絮凝剂混合系统

为将絮凝剂充分、均匀地扩散于水体中，在暗渠出水口处采用机械混合方式。机械混合是以电动机驱动搅拌器对加过药剂的原水进行搅拌，以达到药剂在原水中均匀分散的目的。此种混合方式搅拌器的搅拌速度可根据进水流量和浊度变化所要求的混合G 值而调节，以使混合效果达到最佳[5]。

混合设备装设在暗渠出口前，每1 格暗渠内装设1 台。为三叶式，叶片直径为0.75 m，转速为200 r/min，功率约5.5 kW。设备叶片距渠道底部1.50 m。

2.2 设置絮凝沉沙池

由于大刀沙以水闸引水为主，西溪湿地来水量变化较大。为充分发挥絮凝剂效果，环境工艺需要有1 个较大的沉淀池作为絮凝剂钒化、絮凝的发生体。

1）在下游设置翻板闸灵活控制水位，即来水量小时能抬高河道水位，减缓河道流速，并形成较大水景观[6]；来水量大时不降低河道现状过流能力。通过设置翻板闸，结合两侧已建挡墙作为池壁，利用下游翻板闸作为沉沙池终点，形成长约1 450 m，深约3 m 的沉沙池。

2）在河道中增设X 型导流屏，调整水流流态、提供絮凝剂充分碰撞、成长矾化空间[7]。考虑到东穆坞溪也是沿山河的泄水通道，因此导流屏设置成可伸缩式结构，平时将导流屏沉入河道中，改善水流；汛期则将导流屏卷起，恢复原河道的过水面积。通过将河道作为絮凝剂的沉淀池，达到水利与环境工艺的有机结合，节约了工程投资和施工工期。

2.3 底泥疏浚

通过综合处理，钱塘江来水基本在翻板闸上游沉积；也达到了原先集中沉积，便于清淤的目标。考虑到引水入城不能断流，因此采用水下疏浚工艺。

目前国内外适宜内河水下疏浚的主要有：

1）常规疏浚挖泥船：如普通的索式抓斗挖泥船、链斗挖泥船、铲斗挖泥船、绞吸式挖泥船、斗轮式挖泥船、泵吸式挖泥船、多功能挖泥船等。这些船型是国内比较常见的疏浚机具，选择范围较大。

2）环保疏浚挖泥船：如环保型的密闭抓斗挖泥船、铲斗挖泥船、环保绞吸式挖泥船、环保斗轮式挖泥船、泵吸式挖泥船、多功能挖泥船等。环保型挖泥船是根据环保要求新建或对常规挖泥船改进后的疏浚机具，疏浚精度提高和疏浚过程中对水体的搅动扩散影响较小[8]。

3）在某大型疏浚工程中进行带水疏浚试验，综合考虑疏浚过程中对水体扰动、工作效率，经试验认为绞吸式挖泥船对水体环境影响最小，在清淤泥沙情况时工作效率最高，可达到100 m3/h。

经方案比选，本段底泥采用环保绞吸式清淤，绞吸清淤对水体的扰动较小，工作效率最高。绞吸上来的淤泥直接采用陆上槽车运输，陆上槽车运输包括挖泥和排泥2 道工序，即需先将底泥从水下挖出，然后装入岸边的槽罐车或卡车，陆路将疏浚底泥运至处置场地。陆上运输也要经过挖泥→装车运输→卸车→堆场填埋等多道工序，增加装卸倒运环节，这种运输排泥方式，具有灵活向多个地点、多个方向底泥处置场所输送的优点。

3 综合处理工艺关键点分析

工程运行中，对综合处理过程中影响水质浊度的因素进行分析，并建立关系曲线。

运行过程中聚合氯化铝絮凝剂浓度为10%，以上游引水入城输水暗渠出口的流速作为原水流速，此时水质浊度作为原水浊度，沉淀池出口翻板闸处水质浊度作为出水浊度。

影响絮凝效果的2 个主要因素是加药量和絮凝时间[9]。由于絮凝阶段主要在沉沙池内进行，絮凝时间由原水流速决定，本次主要分析原浊度去除率与加药量和原水流速的变化关系。

3.1 浊度去除率与加药量关系

运行数据表明，原水流速大多处于0.3～0.4 m/s，根据引水控制，不同时段原水流速有些许波动。经分析，原水流速0.3～0.4 m/s 时，加药量与浊度去除率关系见图4。

图4 加药量与浊度去除率关系曲线图

从图4 可以看出，在投加量较小时，浊度去除率随加药量的增加而增大。当投加量达到一定量时，浊度去除率达到最佳效果，继续增加投药量，浊度去除率出现降低趋势，变化趋势平缓。

通过对已测数据进行拟合，原水流速0.3～0.4 m/s 时，浊度去除率和加药量满足关系式：

式（1）中：Y为浊度去除率，%；X为加药量，L/h。

通过计算，原水流速0.3～0.4 m/s 时，最佳加药量约为1 164 L/h，此时浊度去除率可达95.41%（透明度2.00 m）；在加药量为600～800 L/h，其浊度去除率在85.00%～90.00%（透明度0.70～1.00 m），本工程既要考虑透明度，又要在运行费之间寻求最佳性价比，因此本次加药量推荐指标为600～800 L/h。

3.2 浊度去除率与原水流速的关系

在本项目中原水流速是影响水处理的重要因素。根据运行数据，在投药量分别为400、600、800 L/h 时，分析在不同投药量情况下，浊度去除率与原水流速的关系，见图5。

图5 不同投药量时浊度去除率与原水流速关系曲线图

从图5 可以看出，在不同投药量情况下，浊度去除率与原水流速的变化关系基本一致，随着原水流速增大，浊度去除率降低[10]。原水流速0.25～0.30 m/s 时，原水流速的变化对浊度去除率影响不大。当原水流速大于0.30 m/s，原水流速的变化对浊度的影响逐渐增强。

4 综合处理效果

西溪湿地清水入城工程通水以来，水处理能力为70 万t/d，原水浊度由50～250 NTU 下降到10 NTU 以下，水体透明度达到1.00～3.00 m，东穆坞溪河段清澈见底。特别是在G20 峰会期间系统正常稳定运行，向杭州G20 峰会交出了满意的答卷。目前源源不断的钱塘江清水流入城西河网和西溪湿地，极大地改善了当地水环境。

5 结 语

1）本项目新建翻板闸用于抬高上游水位，减缓流速，结合两侧已建挡墙形成沉沙池，在此区域内投放絮凝剂来进行沉沙处理，并定时清淤，让相对清澈的水进入下游。

2）经运行数据分析，原水流速0.30～0.40 m/s时，浊度去除率随加药量增加先增大，而后趋于平缓，最佳加药量约为1 164 L/h（透明度2.00 m）；在加药量为600～800 L/h 时，其浊度去除率在85.00%～90.00%（透明度0.70～1.00 m），本工程既要考虑透明度，又要在运行费之间寻求最佳性价比，本次以加药量600～800 L/h 为推荐指标。

3）在不同投药量情况下，随着原水流速增大，浊度去除率降低；且随着原水流速的增大，原水流速的变化对浊度的影响逐渐增强。

4）针对钱塘江引水来水量较大，低温浊度较高的水体，可通过工程措施适当减缓水流流速，通过导流屏等提供絮凝剂充分碰撞、成长的矾化空间，加快悬浮质絮凝沉淀过程、提升来水透明度；并通过耦合来水量、浊度、流速与絮凝剂投放量之间的关系，提出变频投放系统，寻求最经济运行模式。

西溪湿地清水入城项目除了新建一座翻板闸和增设加药系统外，均依靠原有设施实现，极大缩短了工期、节省了投资。本项目通过采用絮凝剂水处理技术可在短时间内达到净化水体的目标，且效果稳定，工程运行以来，有效改善西溪湿地生态补水水质，进一步提升湿地的整体生态环境，对丰富生物多样性及物种群落生境稳定性起到积极作用，同时也有效惠及城西至大城北的城市河道，对类似工程有非常好的参考和借鉴意义。