【摘 要】作为“十二五”水专项苏州课题的示范工程之一，苏州同里古镇河道水质改善及维持方案，首先对同里古镇污染源进行了系统的调查，并以此为基础建立水动力-水质模型。根据对同里古镇水系现状及水体污染负荷分析，模型对各方案的情景分析结果，水环境改善的总体方案，将分别在分散性入河污染的控制、生态河道设计、河道水动力调控及水质维持技术措施等方面展开。力求彻底改善同里古镇的水环境现状，并为历史古镇河道水环境改善做出示范和提供依据。
　　【关键词】同里古镇；污染源调查；水动力-水质模型；分散性入河负荷；生态河道；水动力调控；生物过滤；
　　Suzhou Tongli Town river water quality improvement
　　and maintenance of technical solutions
　　Xu Guo-zhong1，Chen Xi-qing1，Huang Chen2，Ding Yong-wei2，Jia Hai-feng3，Ding Yi3
　　（1.Suzhou Municipal Water Authority， Suzhou 215011；
　　2. Drainage Management Office Suzhou City， Suzhou 215004；
　　3 College of Environmental Sciences， Tsinghua University， Beijing 100084）
　　【Abstract】As a "second five" water demonstration projects of special topics of Suzhou， Suzhou， Tongli Town river water quality improvement and maintenance program， the first of Tongli Town conducted a systematic survey of pollution sources， and as a basis for the establishment of water power-water quality model. According to Tongli Town water status and water pollution load analysis， the model for each alternative scenario analysis results of water environment improvement in the overall program， will be held in dispersed into the river pollution control， ecological river design， river water， power control and water quality technical measures to maintain such areas. Tongli Town seeks a radical improvement of the water environment situation， and to the historic town of river water environment improvement and provide the basis to make a demonstration.
　　【Keywords】Tongli Town； pollution investigation； hydrodynamic - water quality model； dispersed into the river load； ecological river； hydrodynamic regulation； biological filtration；
　　1.项目背景
　　同里古镇地处吴江市东北部，是典型的江南水乡小镇，曾获“中国十大魅力名镇”，“全国环境优美镇”，“中国十大历史文化名镇”等多项荣誉。同里古镇的经济以旅游业及其配套的服务业为主，高峰期大量游客的涌入对区域水环境的压力很大。
　　同里古镇保护区面积约1km2，水域约为26000m2，水岸线约4400m，河道最窄处约为5m，最宽处约22m，基本为垂直硬质驳岸。地势平缓坡降不明显，水流平缓，水动力学条件差。古镇区水系流向基本以“从西向东、从北到南”为主流线，受闸坝调控以及风向影响，有时表观上河道表面水流呈现反向流。古镇区水系主要以京杭大运河为补水源头，经古镇河道流入下游同里湖和南星湖，水系平面示意见图1，整个水系有一个入口，七个出口，每天由人工巡视，根据河道感官性状，按需开闸，由进水泵站从外部运河调水。
　　京杭运河吴江段水质属劣V类，主要超标因子是NH3-N、TP和TN，且运河通航致使补水浊度指标明显升高，感观效果不佳。由于外部补水水质不佳、河道水动力学条件差及古镇区域居民生活和旅游业带来的污染负荷过重等原因，致使古镇水环境质量恶化，严重影响了水乡古镇的品牌形象。因此，苏州市水利（水务）局利用国家科技重大专项——水体污染控制与治理“十二五”苏州课题实施的契机，依托同里古镇河道水质改善和维持工程的建设，在调查古镇河道污染源构成和特征的基础上，拟重点研究分散性入河污染源的控制、水系的生态调度和调控、河道典型污染物的快速去除及水质持久维持技术等，通过技术集成和示范工程的建立，一方面改善古镇水环境，为古镇的经济和社会发展提供保障，另一方面形成古镇河道水质修复与调控技术体系，为类似地区的改造和建设提供技术支撑。
　　2.古镇污染源调查情况 污染源的调查是治理水环境的基础，同里古镇的污染源主要有居民生活污染、旅游污染、干湿沉降污染和农业面源污染等。
　　居民生活污染主要分为两类，生活污水和生活垃圾的污染。生活污水的污染负荷与人均产污量和污水的收集处理率有关，生活垃圾的污染主要与垃圾的清运率、清运周期及降雨有关。在生活污水污染负荷的计算中，根据古镇居民住宅空间格局（如图2所示）及与其相关的污水管道建设情况（如黑水、灰水的各自不同走向，雨污分流状况等），通过实地调研，问卷调查和文献总结等方式，估算人均产污量及其入河率，进而计算出对河道的污染负荷量。
　　图1 同里古镇区水系及主要流向图
　　图2 住宅格局形式
　　旅游污染，主要是指餐馆，旅店以及部分休闲娱乐场所所产生的污染等。根据对餐馆和旅店一年用水量的分析和汇总，确定餐馆和旅店的平均排水量，并根据资料收集和实地调查，确定旅游高峰和淡季的游客人数，上座率，入住率等，再结合污水管网的收集状况，估算得到旅游污染负荷的时空分布情况。
　　大气干湿沉降污染是指区域内的降尘和降雨携带的入河污染物。同里古镇降尘负荷按《太湖水污染防治“九五”计划及2010年规划》的系数计算，其中降尘总氮污染负荷为180 kg/（a·km2），总磷污染负荷为14 kg/（a·km2）。降雨污染负荷与雨水中平均的污染物浓度及降雨量有关，在本项目中借鉴有关调研资料估算降雨中污染物浓度COD=20mg/L、TN=3mg/L、TP=0.05mg/L。
　　同里古镇的农田很少，在本项目中可忽略不计。其它污染主要指农贸市场的污水和污水漏排；农贸市场污染主要包括鲜鱼、鲜肉的现场清洗加工，地面清扫及冲洗产生的污水等；污水漏排主要指污水管道在收集输送过程中的漏失等。
　　表1给出了同里古镇污染源调查的主要污染物COD，TN和TP的负荷量调查成果。从中可以看出生活污水的污染负荷及污水漏排的污染负荷最大，是未来水环境治理方案中需要重点考虑的方面。
　　表1 不同类型污染源负荷量
　　污染源类型 COD/ t·a-1 TN/ t·a-1 TP/ t·a-1
　　生活污水污染负荷 34.07 2.27 0.17
　　生活垃圾污染负荷 2.07 0.1 0.04
　　旅游污染负荷 19.76 0.89 0.06
　　干湿沉降负荷 8.56 1.27 0.02
　　农贸市场污染负荷 2.25 0.17 0.02
　　污水漏排负荷 65.70 4.38 0.33
　　合计（含污水漏排） 132.41 9.08 0.64
　　合计（不含污水漏排） 66.71 4.70 0.31
　　3.古镇水系水动力-水质模型的建立
　　在对同里古镇的污染源及水系水质、水动力调研的基础上，为了更加深入研究古镇水环境改善的技术方案，采用EFDC和WASP模型构建了古镇水系的水动力-水质耦合模型。在模型建立过程中考虑的污染源主要是点源，同时考虑温度，风速，太阳辐射，降水量和蒸发量等条件，以水位和BOD5，NH4+-N，TP分别作为水动力和水质的验证指标进行模型验证，总体模拟结果良好。
　　利用验证后的模型对同里古镇水环境改善工程的两套初步设计方案进行了分析。方案一是在同里古镇区水系5个出水口分别设置5个集水井，用泵将水提升至位于进水泵站附近的水处理设施进行净化，净化后的水排出至三桥景点附近进入古镇水系，考虑到同里古镇河道水网由于表面蒸发和渗漏而损耗的水量，为了维持水网的正常水位，需要从其上游的“苏州吴江大运河水网”每天调入适当的水量进行补充。由于损耗有限，拟在原有大运河泵站内设置两台小泵（一用一备），将少量补充水提升入净化池一并处理。方案二是仅在在饮马桥和升船机闸两处附近建立两个取水措施，其余和方案一同。具体如图3，图4所示。
　　图3 方案一工程示意图
　　图4 方案二工程示意图
　　模型的模拟结果，为两套不同方案在水动力调控、生物过滤方案等各项技术方案的选择和优化提供依据。
　　4.水环境改善技术方案
　　4.1总体技术方案
　　根据对同里古镇水系现状及水体污染负荷分析，水环境改善的思路将围绕分散性入河污染的控制、生态河道设计、河道水动力调控及水质维持技术措施等方面展开。
　　4.2分散性入河污染负荷控制方案
　　分散性入河污染负荷的控制从工程和管理两个方面展开，主要包括以下四个方面：第一，完善居民生活污水收集系统，在空间位置特别狭窄的地区，考虑采用真空负压排水系统等特殊的收集系统；第二，调整和完善沿街餐饮、旅店污水管道收集系统，减少管道堵塞和满溢；第三，将农贸市场及其周围雨水排放纳入污水收集处理系统；第四，加强污水管道建设质量及养护质量的管理，提高垃圾的清运率、缩短清运周期。
　　4.3生态河道方案
　　根据对同里古镇河道的实地调研，同里古镇的河道断面可分为自然（近自然）河道和人工渠化河道。其中，主镇区的主要河道为人工硬质驳岸，人工渠化作用明显。仅外河运河的少部分河段保留着自然河道的形态结构。河道的人工渠化在不同程度上降低了河流形态的多样性，如对自然河流进行的裁弯取直改变了河流蜿蜒型的基本形态，急流、缓流相间的格局消失；对河流横断面上的几何规则化也改变了深潭、浅滩交错的形态，而导致水域生物群落多样性下降，影响生态系统的健康和稳定性。
　　考虑到研究区河道可供建设的场地非常有限，且需充分保证河道的景观作用等。考虑在部分河段的原有护堤上设置垂直型的生态护坡，河道内设置人工鱼礁。研究网格式生态护坡，利用陶粒、碎砖石、混凝土制作的复合砌块材料形成网格，在网格中栽植植物，形成网格与植物综合护坡系统，既能起到护坡作用，同时能恢复生态并具有一定的景观作用。人工鱼礁是为鱼类及甲壳类生物提供栖息及庇护场所，帮助恢复河道水生生态。同时人工鱼礁也结合种植水生植物，形成植物-软体动物-鱼生态系统，发挥对污染物的吸收和转化作用.4.4水动力调控方案
　　同里古镇区河道断面流速普遍偏低，内河各断面流速基本在0.01m/s左右。为了维持河流系统健康和满足河流系统水资源可持续利用，促进古镇水系水体交换，提高河道自净能力，使古镇水系动起来，做到水活，以期达到水美、水清、水优，必须考虑生态环境用水的需求。
　　水动力调控设计方案的选择上，根据前文“古镇水动力-水质模型”一章中对两套初步设计方案的情景分析，对模拟结果进行分析比较。对于水动力改善状况，以6月1日的模拟结果为例，比较现状条件、方案一和方案二的各断面流速分布情况，如下图5所示。
　　图5 现状条件、方案一和方案二
　　情景下流速分布情况
　　由上图可知，相对于现状，经过方案一和方案二改造后，同里古镇区水系的整体流速明显下降，且均小于0.02m/s，滞留现象严重。
　　通过进水泵站的水泵运行功率核算同里古镇区水系的流速，如表2所示。其中，现状流速根据进水泵站处水泵的功率计算得到。计算方法如下：
　　水泵功率为95kw，扬程为3.04m，转速为5.85r/min，效率为65%。根据公式：
　　其中，P——功率，w
　　H——水泵扬程，m
　　Q——流量，m3/s
　　n1，n2——电机和水泵效率
　　得到流量Q为：
　　由于水泵每天工作约4h，平均到一天24h，故流量为：
　　根据现状流量，以及方案一，方案二的总流量，测量得到的现状、方案一和方案二的入流口断面面积，可以计算得到现状，方案一和方案二的入流口流速计算值。具体如表2所示：
　　表2 现状条件下、方案一和方案二下入流口流量及流速计算值
　　现 状 方案一 方案二
　　流量t/d 29387.76 5000 5000
　　流量m3/s 0.340136 0.05787 0.05787
　　断面面积m2 16.7 8.88 9.91
　　流速m/s 0.020367 0.006517 0.00584
　　注：现状，方案一和方案二的入流口分别为进水泵站，蒋家桥和吉利桥
　　由表2的计算结果可知，模型对于流速的模拟结果在数量级上接近，具有一定的代表性。
　　单独比较方案一和方案二情景下整个水系的流动状态，如图6所示：
　　图6 方案一、方案二情景下流速分布情况
　　由图6可知，方案一情景下对于整个水系的流动状态较为有利，整体流动状态较好，流速为0的滞留区域较少。通过计算可得，方案一情景下水系的平均流速为0.068cm/s，方案二情景下水系的平均流速为0.094cm/s，因此，方案二情景下对流速的提升有利。
　　对于水质改善状况，方案二情景下的水质改善效果均要高于方案一情景下的水质改善效果。综合考虑上述因素，选用方案二为最终方案。
　　4.5生物过滤方案
　　生物过滤作为水质改善和维持的主要技术措施，采用多级生物滤池技术方案。该技术在“土壤净化法”长期实践经验基础上，采用天然材料和废弃材料，采用具有自净功能的“不饱和炭”、“脱氮材料”和“除磷材料”等多种介质的填料，组成复合填料床。通过特殊的曝气系统在填料床中形成好氧缺氧和厌氧交替的环境，达到脱氮、除磷和过滤的多重目的。
　　对前文所述两套不同设计方案进行情景模拟，选取NH4+ -N和TP为指标，具体结果如下图7～8所示。
　　图7 方案一、方案二及现状NH4+-N浓度比较
　　图8 方案一、方案二及现状TP浓度比较
　　由上述图中可知，对于同里古镇水系的主要超标污染物NH4+-N和TP，方案二对于其去除效果要好于方案一，因此，对于生物过滤工程的构筑物选址，采用方案二的设计，即在饮马桥和升船机闸两处分别设置集水井抽水，并在进水泵站附近的空地设置生物过滤的主体净化设施，设施规模为5000t/d。
　　生物过滤方案与河道水动力调控方案结合，逐步提升河道水质，提高河道水体的自净功能，回复水体的生态功能。预计工程投入运行一年后，古镇核心区河道氨氮、BOD5、溶解氧主要水质指标时空
　　分布上90%达到IV类，透明度提高50cm以上，彻底消除黑臭及水体富营养化问题。
　　5.效果预测及评估
　　同里古镇河道水质改善工程建成后，古镇区水网将形成独立于大运河的内循环水系。通过水动力调控、生态河道的构建和生物过滤对水质的深度处理，可以有效地提高同里古镇河道的水环境质量，保持水生态系统的稳定性。本项目作为国家水专项“十二五”苏州课题的示范工程之一，在未来的工作中，将结合工程建设和运行进行同步的测试和评估，积累设计、建设和运行经验。
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　　【科技项目】国家重大科技专项“产业密集型城镇水环境综合整治技术研究与示范课题”项目，课题编号：2011ZX07301-003。
　　【作者简介】徐国忠（1970-），男，江苏溧阳人，1995年7月清华大学水利水电工程系本科毕业，高级工程师，现任苏州市水利局总工程师，主要研究方向为水环境污染控制理论与技术。
　　【文章编号】1006-2688（2013）08-006-06