綜合處理工藝在西溪濕地清水入城中的應用

傅建彬，李佳偉，趙心宇

（杭州水利水電勘測設計院有限公司， 浙江 杭州 310017）

0 引 言

為改善杭州市城西特別是運西片水環境，為西溪國家濕地公園提供優質水源，杭州市政府于2007 年啟動錢塘江引水入城工程，通過隧洞引錢塘江水至杭州城西，取水口位于九溪大刀沙，沿線經過轉塘鎮、龍塢鎮、留下鎮后接入東穆塢溪，直至西溪濕地，最終匯入城西河網與京杭運河（見圖1）。通過錢塘江引水入城，有效改善西溪濕地生態補水水質，提升濕地的整體生態環境，對豐富生物多樣性及保證物種群落穩定性起到積極作用，同時也有效惠及城西至大城北的城市河道。

圖1 錢塘江引水入城圖

由于錢塘江來水含沙量較高，雖經大刀沙取水樞紐處沉沙池進行沉淀，但下游輸水暗渠出口處仍存在一些小顆粒懸浮質，西溪濕地公園內淤積較為嚴重，城西水體的水質雖然不差，但濁度較高、能見度低；特別是汛期，錢塘江水濁度超過40 NTU（透明度小于40 cm）時，往往會停止向西溪濕地引水（經統計，平均每年有70 d 停止引水），造成西溪濕地公園內水位下降甚至河床裸露等。錢塘江引水最大的難題是平時水體中以小顆粒懸浮質為主，透明度低；而汛期來水泥沙含量較高，水體渾濁度高，因此需要及時掌握來水流量和濁度變化，并采取調整絮凝劑投量等措施加以應對[1]；延安黃河引水工程中，對黃河水質污染特性及泥沙問題進行了探討，提出澄清池工藝，即通過控制混合和攪拌條件，使絮凝劑與高濁度泥沙有效碰撞，快速生成密實的顆粒狀絮凝體，提升了水體透明度，有效解決了延安黃河引水水質難題[2]，因此本文通過對錢塘江不同來水情況進行不同水質處理方式，對西溪濕地水體甚至整個城西城市河道的水質提升具有重要意義。

1 錢塘江來水分析

1.1 來水中懸浮質分析

錢塘江現狀水質較好，依據歷史水質資料，其綜合水質基本能達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的Ⅱ類標準，但其水質含沙量大，漲潮時濁度高。目前錢塘江引水入城來水量按8～15 m3/s 進行控制，含沙量在洪水時為1.0～2.0 kg/m3，大潮時為0.5～1.0 kg/m3，小潮時為0.1 kg/m3以下。采用韓其為法對大刀沙取水樞紐沉沙池沉積過程進行分析，沉降池平均分成8 段，每段40 m。級配分選見圖2，計算成果見表1。

表1 計算結果匯總表

圖2 級配分選示意圖

經計算可知，通過大刀沙沉沙池作用，水中所含沙沉積率約為52.48%；且通過級配分選可知，大于0.025 mm 的粗顆?；驹诔恋沓刂谐练e，細顆粒所占比重增加明顯，因此可知錢塘江水中粗顆粒沙基本在沉沙池中沉淀，西溪濕地水體中濁度均為細顆粒所引起。

1.2 來沙量分析

大刀沙引水流量保持在25 m3/s，則7—11 月每月進入引水口的泥沙量均超過萬t，其合計輸沙量達8.045 1 萬t，占全年的2/3（全年輸沙量為12.426 2 萬t），具體見表2。

表2 全年逐月懸移質含沙量和輸沙量表

自錢塘江引水帶來的泥沙除在沉沙池大部分淤積和引水道內因停引水造成少量淤積外，其余泥沙將全部淤積在下游河道。淤積在引水道的泥沙量和進入下游河道的泥沙量計算見表3。

表3 不同下游水位情況下全年引水道和下游河道可能淤積量表 單位：t

考慮到西溪濕地為國家級公園，如果大量泥沙沉積在西溪濕地，將對其生態系統造成嚴重破壞性，因此應盡快將引水入城中的泥沙沉積下來，且盡量集中沉積，以便集中進行疏浚。

2 綜合處理工藝方案

根據SL 269—2001《水利水電工程沉沙池設計規范》，沉沙池內流速受沉降最小粒徑控制，當沉降最小粒徑為0.05～0.10 mm 時，其流速應控制在0.05～0.15 m/s，入城引水實際流速為0.29～0.54 m/s。為滿足沉沙流速要求，在上埠河與東穆塢溪交匯處設置翻板閘用于抬高上游水位，減緩流速，結合兩側已建擋墻形成沉沙池，在此區域內投放絮凝劑來進行沉沙處理，讓泥沙在沉沙池中緩慢沉降，并定時清淤，讓相對清澈的水進入下游。

2.1 擬定變頻投放系統

2.1.1 絮凝劑選擇

根據錢塘江的原水濁度變化范圍大的特性，采用聚合氯化鋁為絮凝劑（食品級）。該絮凝劑濁度去除率為硫酸鋁的1.25～3.00 倍，因為原水中有干擾混凝過程的藻類和有機物，將消耗部分硫酸鋁，而聚合氯化鋁電離聚合反應中更具有活性[3]；對原水溫度、濁度變化適應性強；絮凝體形成快，沉淀速度高，可以縮短絮凝和沉淀時間；處理水的pH值降低少，pH 值適應范圍達5～9，處理成本低[4]。

2.1.2 變頻控制投放系統

在絮凝劑加藥點和下游翻板閘處，分別布置自動濁度檢測儀和流量計，根據來水濁度、水流流量、藥劑投放量和出水濁度、流量等關系，擬合變頻加藥曲線，并通過PLC 工程自動控制系統，控制計量泵變頻加藥，達到處理效果最優條件下的最經濟加藥量目標。變頻投放系統見圖3。

圖3 變頻投放系統圖

2.1.3 絮凝劑混合系統

為將絮凝劑充分、均勻地擴散于水體中，在暗渠出水口處采用機械混合方式。機械混合是以電動機驅動攪拌器對加過藥劑的原水進行攪拌，以達到藥劑在原水中均勻分散的目的。此種混合方式攪拌器的攪拌速度可根據進水流量和濁度變化所要求的混合G 值而調節，以使混合效果達到最佳[5]。

混合設備裝設在暗渠出口前，每1 格暗渠內裝設1 臺。為三葉式，葉片直徑為0.75 m，轉速為200 r/min，功率約5.5 kW。設備葉片距渠道底部1.50 m。

2.2 設置絮凝沉沙池

由于大刀沙以水閘引水為主，西溪濕地來水量變化較大。為充分發揮絮凝劑效果，環境工藝需要有1 個較大的沉淀池作為絮凝劑釩化、絮凝的發生體。

1）在下游設置翻板閘靈活控制水位，即來水量小時能抬高河道水位，減緩河道流速，并形成較大水景觀[6]；來水量大時不降低河道現狀過流能力。通過設置翻板閘，結合兩側已建擋墻作為池壁，利用下游翻板閘作為沉沙池終點，形成長約1 450 m，深約3 m 的沉沙池。

2）在河道中增設X 型導流屏，調整水流流態、提供絮凝劑充分碰撞、成長礬化空間[7]?？紤]到東穆塢溪也是沿山河的泄水通道，因此導流屏設置成可伸縮式結構，平時將導流屏沉入河道中，改善水流；汛期則將導流屏卷起，恢復原河道的過水面積。通過將河道作為絮凝劑的沉淀池，達到水利與環境工藝的有機結合，節約了工程投資和施工工期。

2.3 底泥疏浚

通過綜合處理，錢塘江來水基本在翻板閘上游沉積；也達到了原先集中沉積，便于清淤的目標?？紤]到引水入城不能斷流，因此采用水下疏浚工藝。

目前國內外適宜內河水下疏浚的主要有：

1）常規疏浚挖泥船：如普通的索式抓斗挖泥船、鏈斗挖泥船、鏟斗挖泥船、絞吸式挖泥船、斗輪式挖泥船、泵吸式挖泥船、多功能挖泥船等。這些船型是國內比較常見的疏浚機具，選擇范圍較大。

2）環保疏浚挖泥船：如環保型的密閉抓斗挖泥船、鏟斗挖泥船、環保絞吸式挖泥船、環保斗輪式挖泥船、泵吸式挖泥船、多功能挖泥船等。環保型挖泥船是根據環保要求新建或對常規挖泥船改進后的疏浚機具，疏浚精度提高和疏浚過程中對水體的攪動擴散影響較小[8]。

3）在某大型疏浚工程中進行帶水疏浚試驗，綜合考慮疏浚過程中對水體擾動、工作效率，經試驗認為絞吸式挖泥船對水體環境影響最小，在清淤泥沙情況時工作效率最高，可達到100 m3/h。

經方案比選，本段底泥采用環保絞吸式清淤，絞吸清淤對水體的擾動較小，工作效率最高。絞吸上來的淤泥直接采用陸上槽車運輸，陸上槽車運輸包括挖泥和排泥2 道工序，即需先將底泥從水下挖出，然后裝入岸邊的槽罐車或卡車，陸路將疏浚底泥運至處置場地。陸上運輸也要經過挖泥→裝車運輸→卸車→堆場填埋等多道工序，增加裝卸倒運環節，這種運輸排泥方式，具有靈活向多個地點、多個方向底泥處置場所輸送的優點。

3 綜合處理工藝關鍵點分析

工程運行中，對綜合處理過程中影響水質濁度的因素進行分析，并建立關系曲線。

運行過程中聚合氯化鋁絮凝劑濃度為10%，以上游引水入城輸水暗渠出口的流速作為原水流速，此時水質濁度作為原水濁度，沉淀池出口翻板閘處水質濁度作為出水濁度。

影響絮凝效果的2 個主要因素是加藥量和絮凝時間[9]。由于絮凝階段主要在沉沙池內進行，絮凝時間由原水流速決定，本次主要分析原濁度去除率與加藥量和原水流速的變化關系。

3.1 濁度去除率與加藥量關系

運行數據表明，原水流速大多處于0.3～0.4 m/s，根據引水控制，不同時段原水流速有些許波動。經分析，原水流速0.3～0.4 m/s 時，加藥量與濁度去除率關系見圖4。

圖4 加藥量與濁度去除率關系曲線圖

從圖4 可以看出，在投加量較小時，濁度去除率隨加藥量的增加而增大。當投加量達到一定量時，濁度去除率達到最佳效果，繼續增加投藥量，濁度去除率出現降低趨勢，變化趨勢平緩。

通過對已測數據進行擬合，原水流速0.3～0.4 m/s 時，濁度去除率和加藥量滿足關系式：

式（1）中：Y為濁度去除率，%；X為加藥量，L/h。

通過計算，原水流速0.3～0.4 m/s 時，最佳加藥量約為1 164 L/h，此時濁度去除率可達95.41%（透明度2.00 m）；在加藥量為600～800 L/h，其濁度去除率在85.00%～90.00%（透明度0.70～1.00 m），本工程既要考慮透明度，又要在運行費之間尋求最佳性價比，因此本次加藥量推薦指標為600～800 L/h。

3.2 濁度去除率與原水流速的關系

在本項目中原水流速是影響水處理的重要因素。根據運行數據，在投藥量分別為400、600、800 L/h 時，分析在不同投藥量情況下，濁度去除率與原水流速的關系，見圖5。

圖5 不同投藥量時濁度去除率與原水流速關系曲線圖

從圖5 可以看出，在不同投藥量情況下，濁度去除率與原水流速的變化關系基本一致，隨著原水流速增大，濁度去除率降低[10]。原水流速0.25～0.30 m/s 時，原水流速的變化對濁度去除率影響不大。當原水流速大于0.30 m/s，原水流速的變化對濁度的影響逐漸增強。

4 綜合處理效果

西溪濕地清水入城工程通水以來，水處理能力為70 萬t/d，原水濁度由50～250 NTU 下降到10 NTU 以下，水體透明度達到1.00～3.00 m，東穆塢溪河段清澈見底。特別是在G20 峰會期間系統正常穩定運行，向杭州G20 峰會交出了滿意的答卷。目前源源不斷的錢塘江清水流入城西河網和西溪濕地，極大地改善了當地水環境。

5 結 語

1）本項目新建翻板閘用于抬高上游水位，減緩流速，結合兩側已建擋墻形成沉沙池，在此區域內投放絮凝劑來進行沉沙處理，并定時清淤，讓相對清澈的水進入下游。

2）經運行數據分析，原水流速0.30～0.40 m/s時，濁度去除率隨加藥量增加先增大，而后趨于平緩，最佳加藥量約為1 164 L/h（透明度2.00 m）；在加藥量為600～800 L/h 時，其濁度去除率在85.00%～90.00%（透明度0.70～1.00 m），本工程既要考慮透明度，又要在運行費之間尋求最佳性價比，本次以加藥量600～800 L/h 為推薦指標。

3）在不同投藥量情況下，隨著原水流速增大，濁度去除率降低；且隨著原水流速的增大，原水流速的變化對濁度的影響逐漸增強。

4）針對錢塘江引水來水量較大，低溫濁度較高的水體，可通過工程措施適當減緩水流流速，通過導流屏等提供絮凝劑充分碰撞、成長的礬化空間，加快懸浮質絮凝沉淀過程、提升來水透明度；并通過耦合來水量、濁度、流速與絮凝劑投放量之間的關系，提出變頻投放系統，尋求最經濟運行模式。

西溪濕地清水入城項目除了新建一座翻板閘和增設加藥系統外，均依靠原有設施實現，極大縮短了工期、節省了投資。本項目通過采用絮凝劑水處理技術可在短時間內達到凈化水體的目標，且效果穩定，工程運行以來，有效改善西溪濕地生態補水水質，進一步提升濕地的整體生態環境，對豐富生物多樣性及物種群落生境穩定性起到積極作用，同時也有效惠及城西至大城北的城市河道，對類似工程有非常好的參考和借鑒意義。