（环境工程专业论文）棕榈湖水质保持技术研究.pdf

中文摘要 摘要 随着城市化进程的加快，许多天然湖都进入了城市规划和开发范围。相比大 型浅水湖泊，城市内的中小型浅水湖泊的研究显的比较薄弱。城市湖泊具有滞蓄、 排泄雨洪、供水、旅游观光等综合功能，它对于城市生态建设是十分重要的。因 此，城市中小型浅水湖泊的水环境问题不容忽视，而且其水环境保持与改善的任 务尤为严峻。首先，城市湖泊自身相对封闭，流速较缓，湖体置换周期长，不利 于污染水体的稀释扩散；其次，城市湖泊位于人类活动密集区，人类对城市湖泊 的破坏力远大于远离城市的湖泊，特别是不受河流直接补给的封闭城市内湖，其 接纳的污染负荷往往大于自身的自净能力，生态脆弱性更为显著。 棕榈湖作为开发小区的“内湖”，既有一般城市湖泊的共性，也有其特殊性。 本论文通过对棕榈湖水量水质、补给区域水量水质和方案经济技术及环境效益分 析，寻求适合棕榈湖的水量保障措施和水质保持技术；通过对湖体流场模拟分析、 水质及变化机理分析、限制营养因子确定和富营养化评价，验证水质保持技术是 否可行，和挖掘出一些水质新问题和解决措施。 通过水量平衡分析得知，棕榈湖自身全年盈余水量为1 6 9 3 1 2 时，磷为限制因素；当n ：p 7 2 时，氮为潜在的 限制因素；当7 2 n ：p i ，说明该系统可行； d 静态投资回收期p p = - 构筑物与设备投资侔净总收益 = 4 3 7 ( 6 4 6 1 9 8 ) = 9 7 5 a 。 环境景观效益分析 1 ) 环境效益 调蓄沉淀池和砂滤池都由一定的调蓄能力，尤以调蓄沉淀池明显，6 0 0 m 3 的调 蓄容积对雨洪有一定的延迟作用。小区雨水地表径流经处理后出水达到国家地 表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) v 类标准，为棕榈湖水体良性循环创造条件， 一期小区雨水补给后，全年湖水置换次数由0 1 2 次，a 增大为o 8 1 次，a ，湖水“新 陈代谢”情况大为改观，而棕榈湖水量充沛和水质良好时，湖水可用作生活杂用 水，绿化和浇洒道路等。小区雨水蓄集可减少雨水的排放，降低小区雨洪压力， 节约了水资源。 2 ) 景观效益 设计中，水处理构筑物都是按掩埋式设计的，即便象砂滤池的暴露在外面的 顶部，施工后以盆栽修饰美化：调蓄沉淀池的顶上就是景观池，根本感觉不到它 的存在。湿地以跌水小溪形式布置，蜿蜒曲折，阶梯而下；小溪两边大石突兀， 其中卵石点点，流水潺潺；水生植物错落有致，随风而舞，水中的螺狮更是在此 安家落户。 湖水置换情况改善后，湖水水质恶化的风险降低，湖与周围的景色水乳交融， 湖光山色，尽收眼底，美不胜收。 2 棕榈湖水量补给方案和水质保持技术研究 2 6 雨水处理系统和湖水的水质安全 2 6 1 雨水处理系统水质安全 如前所述，小区降雨径流完全截流在经济上是难以承受，棕榈泉国际生态小 区一期工程也不例外，调蓄沉淀池6 0 0 m 3 的有效容积，能储存雨水管最大设计流 量0 4 7 m 3 s 约2 1 r a i n 的雨水，这还比重现期p = - l a 的集水时间t = 3 0 m i n 小降雨量 大时系统处理效果差主要原因就是雨水截流量( 比例) 小，部分径流未得到有效 处理，但这不可回避，因此调蓄沉淀池和砂滤池设溢流管和超越管。但单是这样 也是不够的，地表径流中的s s 、c o d 、总氮和总磷等成分含量都较高，因此考虑 溢流管和超越管出水流入湖滨带水生植物带，通过水生植物带的过滤器作用雨水 污染物得到一定程度的降解，而且水生植物带还起到缓流作用。在湖水保持设计 中，湿地的出口、调蓄沉淀池溢流管和超越管以及砂滤池的出水都先经过湖滨缓 冲带( 图2 4 和图2 ，5 ) 。 图2 a 湖滨缓冲带平面布置图 f i g 2 4 p l a ns h e ao f b u f f e rs t r i po f l a k e s h o r eo f p a l ml a k c 图2 5 湖滨缓冲带断面布置图 f i g 2 5 s e c t i o n a ld m w i n g o f b u f f e r s t r i p o f l a k e s h o r c o f p a l m l a k o 当未超负荷时，系统能有效降低s s 和营养盐浓度。但即便如此，也会出现未 重庆大学硕士学位论文 有效去除营养盐浓度的问题。对于沉砂渔和调蓄沉淀池，暴雨后沉砂池中氨的积 累，氨的积累时有机物的分解所致；暴雨后调蓄沉淀池在湿地循环水量用尽后， 有机物( 包括氨) 在污泥中的不断积累。这些积累物在下次暴雨被泛起，形成二 次污染，因此，在每次暴雨之后都应排泥。对于砂滤池，是滤料的堵塞问题，大 量颗粒为黏土或淤泥大小的颗粒，不能在雨水管中有效沉淀，而在砂滤池中截留 下来。随着黏土或淤泥积累在砂滤池中，砂滤池高效多孔的性质大大降低并且流 经砂滤池的水流量变慢，l a r o c k 就指出在砂滤池运行的头三年内，流经砂滤池的 水流量下降了7 0 1 6 ”。这个问题可以通过定期更换上层2 0 c m 厚度的滤料得以解 决，如果能够附带合理的养护措施，则可以杜绝严重的砂滤池堵塞问题。 2 6 2 湖水水质安全 对于棕榈潮湖水本身，即使外源污染得到有效控制( 事实上，雨时二期工地 总有部分水流量进入湖中) ，如果内源污染未得以有效去除或控制，那么湖水水体 可能就会有延迟恢复的现象，棕榈湖的表现是秋季湖水变差。其主要原因是内源 营养物( 主要是磷酸盐) 释放占总营养物负荷的比例大或者内源营养物的基值大， 而传统水质保持技术无法短时降解如此量的营养物；秋季气温降低，表水层温度 降低，密度增大，表水层水体“下沉”，底水层水体“上浮”，营养盐上涌，湖水 对流而充分混合。随着外源污染持续的有效控制，内源营养物基值的降低，湖水 最终摘掉“延迟恢复”的帽子。 在有突发的大量污染物进入水体，生态系统受到严重的冲击或者水生态系统 不能自行恢复以及旱季湖水水位严重降低水质降低等情况下，可适当地补充一些 洁净水体，以降低水体的污染物浓度，重新生物的净化作用，补充洁净水还可以 弥补人工湖水量亏损，补水时，最好是用泵把护水抽出作绿化灌溉水用后再补充 洁净水体，自来水或处理后的洁净雨水。 2 7 小结 本章的主要内容包括： 棕榈湖概述：简要介绍棕榈湖的地理、水文、气象和项目开发概况和开发 前的水质状况。 棕榈湖水量保障措施和水质保持的工程技术确定：依据棕榈湖的水文、地 理，进行棕榈湖水量平衡分析，并提出棕榈湖的水量保障措施：以小区降水形成 的地面径流和直接降水为主要补给水源，旱季和水质事故时辅以自来水为补给水 源。同时，在水量保障措施的基础上，提出棕搁湖水质保持的工程技术：降雨径 流最小化技术、底泥疏浚和护岸整治、湖水水体水质的生态控制和管理和建筑工 地对湖水污染的最小化。 2 棕榈湖水量补给方案和水质保持技术研究 小区雨水蓄集利用方案和工艺设计以及经济、技术和环境效应分析：一期 工程以小高层建筑为主，以及部分亲水联排别墅，雨水蓄集利用方案采用集中处 理方式：小高层建筑片的雨水经过雨水管收集后，通过调蓄池截留后再集中处理， 超过调蓄池截留能力的雨水直接入湖，处理采用格栅+ 沉砂池+ 调蓄沉淀池+ 人 工湿地处理系统；联排别墅片的雨水地表径流采用交替工作的砂滤池处理系统； 生态公园与环湖岸带的雨水则通过绿地渗入地下和棕榈湖或流入生态公园的湿 地。二期为纯别墅住宅小区，所以雨水蓄集利用方案采用就近分散处理的方式。 同时对一期小区雨水蓄集利用方案和工艺进行经济、技术和环境效应分析，得出 方案和工艺设计的可行的结论； 水质安全问题简述：简要阐述雨水处理构筑物出水水质和湖水水质可能出 现的问题，并提出问题的基本解决方法。 3 地表径流对棕榈湖水质的影响研究 3 地表径流对棕榈湖水质的影响研究 本章主要对棕榈湖的土地使用类型不同的两个子流域的雨水地表径流量和径 流特征进行比较研究，量化已开发完毕一期地块和正在开发中的二期地块的地表 径流对湖水水质的影响。 3 1 棕榈湖子流域概况 既然棕榈湖的水量保障措施是以小区降水形成的地面径流和直接降水为主要 补给水源，旱季和水质事故时辅以自来水为补给水源，那么降水，尤其是地面径 流的水质对棕榈湖水体水质的影响至关重要。但由于棕榈泉国际生态小区的不同 地块处于不同的开发时期，土地使用类型不同，致使不同地块的地面径流的水量 水质存在差别，对湖泊水体的影响程度也不同。 图3 1 棕榈泉国际生态小区雨水管网平面示意图 f i g 3 1d i a g r a m m a t i c p l a n o f s t o r m w a t e r p i p e n e t w o r k o f p a l ms p r i n gi n t e r n a t i o n a le c o - r e s i d e n t i a lv i l l a g e 3 3 重庆大学硕士学位论文 棕榈湖的两侧并有两平行方向的坡地与中部山脉将两个湖面夹住，生态小区 也依山就势，因地制宜，根据具体地形、地貌特点分期开发，因此，棕榈湖汇水 子流域主要有两个，即一期地块( 含生态公园) 和二期地块( 含国际学校) 。目前， 一期工程已完工，二期工程正在建设中。各部分的面积如表2 2 所示。一期工程布 设了完整的雨水收集管网：两个枝状子管网，分别收集小高层和联排别墅区的雨 水，收集的雨水分别流入调蓄沉淀池+ 人工湿地系统和砂滤池( 图3 1 、图3 2 和图 3 3 ) ；二期工地设置了简单的集水坑和沿湖截流排水沟，截流沟接排水管流入市政 雨水管( 图3 4 ) 。 一 州 _ | 1 驾爿 起 鸯 谜b 写麟 伊 乡 蓑 l 荽 甏 h 髟挈黼湖。、心：! ! 龄黼墓型璧璺 口j 】q ：o h 一、鹋芦下强 图3 2 调蓄沉淀池+ 人工湿地系统平面图 f i g 3 2p l a n d r a w i n g o f s y s t e m o f a c c o m m o d a t i o n - s e d i m e n t a t i o n t a n k p l u sa r t i f i c i a l w e t l a n d 羹i骖爨遂i 蒸i 5 7 。9 汐b ) 夕椽檎湖 o ， 1 平面布懿、 n t 嘱。秽掣 图3 3 砂滤池平面图及实物图 f i g 3 , 3 p l a na n ds u b s t a n c ed r a w i n go f s a n df i l t e r 3 地表径流对棕榈湖水质的影响研究 图3 4 沿湖截流排水沟 f i g 3 4 l i t t o r a li i i t e r c e p t e ad r a i nd i t c ho f p a l ml a k e 3 2 子流域地表径流对棕榈湖水质的影响 3 2 1 地表径流水质 一期地块 如表3 1 所示，棕榈泉国际生态小区一期地块道路雨水水质变化不是很大( 样 本容量n = 4 ，取样时间包括降水的前中后期，水样的取样点包括部分屋面、路面和 部分雨水沟及检查井) 。与重庆市学林雅园小区道路雨水水质( 表3 2 ) 相比，水 质指标基本优于后者，这与一期小区的较高的绿化率、较好的物业管理和区域空 气质量等有关。 表3 1 重庆棕榈泉国际生态小区一期道路雨水水质 t a b l e3 1w a t e rq u a l i t yo f r t m o f f i ne a r l yp a l ms p r i n ge l o g i c a lr e s i d e n t i a l v i l l a g ei nc h o n g q i n g c o d c r 黝r m g l 1t p m g l - l 水质指标 p h 浊庄t n 4 t t j m g l - i 雨水水质 5 8 “59 3 9 1 1 81 刍缶80 2 2 一也6 10 0 8 m 4 1 2 v 类水质 6 母4 0 2 00 2 3 5 重庆大学硕士学位论文 表3 2 重庆市学林雅园小区道路雨水水质 t a b l e3 2w a t e rq u a l i t yo f r u n o f f i nx u e l i n y a y u a nv i l l a g ei nc h o n g q i n g c o d c , 水质指标 p h s s m g l 1 氨氮，m g l - 1t p m g l 1 l i n g l 1 雨水水质 5 5 6 59 3 2 5 9 42 9 1 - 2 1 3 。60 4 0 - - 4 5 20 0 3 0 1 0 2 0 v 类水质 6 母4 02 00 2 二期地块 二期地块是工程用地，道路径流包括一定的工地建设用水，工地废水直接或 间接排入截留沟，甚至棕榈湖。二期工地废水和雨水径流水质见表3 3 ( 样本容量n = n 。 表3 3 重庆棕榈泉国际生态小区二期地块工地废水和雨水径流水质 t a b l e3 3 w a t e rq u a l i t yo f t h em i x t u r eo f w a t e a w a t e ra n dr u n o f f i nc o n s t r u c t i o ns i t e o fs e c o n d a r yp a l ms p r i n ge c o l o g i c a lr e s i d e n t i a lv i l l a g ei nc h o n g q i n g c o d o 氨氨，m g l 1t p m g r 1 水质指标 p h 浊度n t u m g l i 雨水水质 5 9 v 7 41 2 3 7 1 0 0 0每击90 1 0 1 8 3 4o 0 5 4 1 6 9 1 v 类水质6 - - 9 4 02 o0 2 3 2 2 降水量和地表径流量估算 降雨量估算 地区多年平均年降雨量1 1 4 5 5 m m ，降雨量年际变化和月际较大( 见2 1 2 章 节) ，小区多年平均月降水量分布见图3 5 。 2 5 0 2 0 0 曼1 5 0 嘲 簧1 0 0 遨 5 0 0 一多年平均月降 水量( m ) 月份 1 23 45 6 7891 01 11 2 表3 5 棕榈泉国际生态小区多年平均月降水量 t a b l e3 5s t a t i s t i cm o n t h l ya v e r a g ep r e c i p i t a t i o no f p a l ms p r i n g e c o l o g i c a lr e s i d e n t i a lv i l l a g ea n de c o l o g i c a lp a r k 3 地表径流对棕榈湖水质的影响研究 然而，2 0 0 6 年重庆市大旱，降水方面，7 月以来，全市降水量显著减少，各 地降水偏少五至九成，1 4 个区县( 自治县、市) 龟有气象记录以来的最少值。7 月1 1 日8 月3 0 日，全市平均降水6 2 4 毫米，为1 9 5 1 年以来同期最少，而主城区降 水量更是为1 8 9 1 年以来同期最少；蒸发量方面，7 月以来，全市3 0 个区县( 自治 县、市) 蒸发量为历史同期最高。假定除7 、8 月以外的月份，2 0 0 6 年降水量和多 年平均年一样( 7 、8 月的平均年降水量分别为9 7 8 0 m m 和1 4 8 1 0 m m ) ，扣除2 0 0 6 年7 、8 月的降水减少量，则2 0 0 6 年降水量q ： q = 1 1 4 5 5 一( 9 7 8 0 + 1 4 8 1 0 一6 2 4 ) = 9 6 2 m m 地表径流量估算 棕榈国际生态小区的绿化率较高，达3 7 ，因而径流系数较小，地表径流量 较小；又2 0 0 6 年7 、8 月的降水量极少，蒸发量却为历史同期最高，因而。假定7 、 8 月的径流系数为零( 补水量为零) ，则2 0 0 6 年小区的等效降水量q ： q - - 9 6 2 - - 6 4 = 8 9 8 m m 根据降水量和不同地块的径流系数，可以估算出不同地块的地表径流量，棕 榈国际生态小区一期和二期地块地表径流量估算见表3 4 表3 4 棕榈泉国际生态小区一期和二期地块地表径流量估算 t a b l e3 ae s t i m a t i o no f r u n o f f o f e a r l ya n ds e c o n d a r y p a l ms p r i n ge c o l o g i c a lr e s i d e n t i a lv i l l a g ea n de c o l o g i c a lp a r k 一期地块二期地块 集雨面积 生态公园和环湖边坡 居住小区工地 面积( 1 l a ) 4 4 88 ，8 02 6 2 7 降雨强度( ) 8 9 8 ： b t r l ( t o m 3 ) 4 0 2 7 9 0 2 3 5 9 径流系数 0 1 5o 6 20 2 0 地表径流量( 1 0 4 m 3 ) o 6 0 4 9 0 4 7 2 总计( 1 0 4 m 3 ) 5 5 0 4 7 2 总计( 1 0 4 m 3 ) 1 0 2 2 二期地块工地废水排放量估算 根据现场勘查，工地废水多直接流入截留沟，或者和土壤含蓄水一并下渗至 截留沟；缺少工地用水当量数据，工地废水排放量难以准确估算。工地废水排放 量以二期地块地表径流量的2 0 估算，即4 7 2 x 0 2 = 0 9 4 1 0 4 m 3 ，则二期地块工 地截留沟截留水量为4 7 2 + 0 9 4 = 5 6 6 1 0 4 i n 3 。 重庆大学硕士学位论文 3 2 3 输入营养物估算与比较 一期地块的入湖营养物估算 一期地块包括生态公园和居住小区，其中居住小区汇水面积8 8 h a ：小高层建 筑片的汇水面积7 4 h a ；联排别墅片的汇水面积1 4 h a 。雨水处理设施的水量来源主 要是居住小区，小高层建筑片和联排别墅片有独立的雨水收集管线，小高层建筑 片的雨水服务于格栅+ 沉砂池+ 调蓄沉淀池+ 人工湿地处理系统；联排别墅片的 雨水服务于砂滤池。生态公园的降水主要通过绿化地的截留和渗滤后进入棕榈湖 而不进入雨水处理设施，但考虑计算的方便，仍将生态公园和环湖边坡的地表径 流量纳入小高层建筑片的地表径流量，入湖水质按湿地出水水质计算。格栅+ 沉 砂池+ 调蓄沉淀池+ 人工湿地处理系统和砂滤池的出水水质如表3 5 ( 样本容量n = 4 ) 和表3 6 ( 样本容量n = 4 ) 。 表3 5 湿地出水水质 t a b l e3 5t h ee f f l u e n tq u a l i t yo f w e t l a n d c o d o 水质指标 p h 浊度n 兀， m g l 。i 剥g m g l 1t p m g l i 雨水水质 6 2 7 o3 1 扣5 3 4m 之30 0 2 0 3 40 0 0 8 0 2 0 6 v 类水质 6 - - o4 02 0 0 2 表3 6 砂滤池出水水质 t a b l e3 6t h ee f f l u e n tq u a l i t yo f s a n df i l t e r c o d o t p m g l i 水质指标 p h 浊度n ny m g l 1 氨j g m g l - 1 雨水水质6 4 一刁03 1 8 - 1 4 79 - - 8 00 5 章由8 60 0 4 6 - - 0 2 2 3 v 类水质 6 - - , 94 02 o0 2 根据一期地块的道路径流量和道路径流水质、构筑物出水水质，可以估算出 一期地块小高层建筑片和联排别墅片的入湖营养物削减量和削减率，见表3 7 。 从表3 7 可以看出，一期地块( 小高层建筑片和联排别墅片) 的入湖营养物量 得到较好的削减，削减率都超过5 0 ，雨水处理构筑物取得了较理想的截留减源的 效果。 3 地表径流对棕榈湖水质的影响研究 表3 7 一期地块入湖营养物削减量估算 t a b l e3 7e s t i m a t i o no f n u t r i t i o nr e d u c t i o no f i n f l u e n to f p a l ml a k ei n e a r l yp a l ms p r i n ge c o l o g i c a lr e s i d e n t i a lv i l l a g ea n de c o l o g i c a lp a r k ( - - ) 一期地块小高层建筑片 面积( i l a ) 1 1 4 8 地表径流量 4 7 0 ( 1 0 4 m 3 a ) 地表径流均值营养物负荷处理出水均值营养物负荷削减量 水质指标 ( n a g l - 1 )( t a )( m g l 1 )( 蚺( v a ) 浊度n 1 1 f 6 3 7 02 9 9 44 2 40 1 9 92 7 9 5 c o d c , 4 0 1 8 8 01 1 5 0 5 4 11 3 3 9 氨氮 1 4 20 0 6 70 1 80 0 0 8 0 0 5 9 t p 0 2 5o 0 1 20 1 0 7o 0 0 50 0 0 7 ( 二) 一期地块联排别墅片 面积( h a ) 1 4 0 地表径流量 o 8 0 ( 1 0 4 m 3 a ) 地表径流均值营养物负荷处理出水均值营养物负荷削减量 水质指标 ( m g l 1 )( t a )( m g l 1 )( t a )( t a ) 浊度n t u 6 3 7 00 5 1 08 9 40 0 7 20 4 3 8 c o d e r 4 0 0 3 2 04 4 5 0 3 5 6 0 0 3 6 氨氮1 4 2o 0 1 1 o 7 l 0 0 0 6o 0 0 5 t p0 2 5o 0 0 20 1 3 40 0 0 10 0 0 1 ( 三) 一期地块 水质指标浊度，n 兀，c o d c ,氨氮 t p 营养物总削减量( t a ) 3 2 3 31 3 0 30 0 6 4 0 0 0 8 地表径流营养物基值( t a ) 3 5 0 42 2 0 0 0 0 7 80 0 1 4 削减率( ) 9 2 25 9 28 2 15 7 1 二期地块的入湖营养物估算 二期地块的入湖水包括工地废水和雨水地表径流，其水质如表3 8 ( 样本容量n = 9 ) 所示。 重庆大学硕士学位论文 表3 8 二期地块工地废水和雨水径流排湖水质 t a b l e3 8w a t e rq u a l i t yo f i n f l u e n to f p a l ml a k em i x e dw a t e r w a t e ra n dr u n o f f i nc o n s t r u c t i o n s i t eo f s e c o n d a r yp a l ms p r i n ge c o l o g i c a lr e s i d e n t i a lv i l l a g ei nc h o n g q i n g c o d o 水质指标 p h 浊度 m g l - 1 射g m g l 1t p m g l 1 1 雨水水质 6 0 4 51 8 2 1 3 78 9 20 6 4 - - 1 1 0 6 0 0 4 0 - i 2 9 6 v 类水质 6 - - 94 02 00 2 根据二期地块的工地截留沟截留水量和道路径流水质、截留沟出水水质，可 以估算出二期地块入潮营养扬削减量和削减率，见表3 9 。 表3 9 二期地块入湖营养物削减量估算 t i b l e3 9 e s t i m a t i o no f n u t r i t i o nr e d u c t i o no f i n f l u e n to f p a l ml a k ei n s e c o n d a r yp a l ms p r i n ge c o l o g i c a lr e s i d e n t i a lv i l l a g ea n de c o l o g i c a lp a r k ( 一) 二期地块 面积( 1 l a ) 2 6 2 7 地表径流量 5 6 6 ( 1 0 4 m 3 a ) 地表径流均值营养物负荷处理出水均值营养物负荷削减量 水质指标 ( m g l 1 ) ( t a )( r a g l )( t a )( t a ) 浊度，h r r i ，5 0 6 22 8 6 5 l 7 7 6 4 ，3 9 2 2 4 2 5 9 c o d c 。 3 7 52 1 2 35 0 o2 8 3 00 7 0 7 氪氮 9 2 20 5 2 25 8 50 3 3 1o 1 9 1 1 p o 8 7 40 0 4 9 0 6 6 8 0 0 3 8 0 0 1 1 ( - - ) 二期地块 水质指标浊度n t u c o d c f 氨氮 t p 营养物总削减量( t a ) 2 4 2 5 9一o 7 0 70 1 9 10 0 1 l 地表径流营养物基值( t a ) 2 8 6 5 l2 1 2 30 5 2 20 0 4 9 削减率( )8 4 73 3 3 3 6 62 2 4 从表3 9 可以看出，二期地块的入湖营养物量除悬浮物外，营养物指标并未得 到很好的削减，其中c o d c ，的削减率甚至出现负值，而氨氮和总磷的削减率也不 高，截流沟的截留效益不显著，这与截流沟积水至顶后，沟内的沉积物沉积( 将) 至顶时，截留沟并未按时抽排，致使仍有部分，尤其大雨时，污水流入湖有关。 3 地表径流对棕榈湖水质的影响研究 输入营养物量比较 从表3 7 和表3 9 可以比较一期地块和二期地块输入棕榈湖的营养物量，其输 入量如表3 1 0 。 表3 1 0 一期地块和二期地块输入棕榈湖的营养物量比较 t a b l e3 1 0 c o m p a r i s o no f n u t r i t i o ni n p u to f e a r l ya n ds e c o n d a r yp l o to f l a n di n p a l ms p r i n ge c o l o g i c a lr e s i d e n t i a lv i l l a g ee n de c o l o g i c a lp a r k 、 水质指标 地块、 浊度棚c o d b氨氮 t p 一期地块输入营养物量( t a ) 0 2 7 10 8 9 7 0 0 1 40 0 0 6 二期地块输入营养物量( t a ) 4 3 9 22 8 3 00 3 3 l 0 0 3 8 从表3 1 0 可以看出，二期地块输入棕榈湖的各营养物量明显都高于一期地块， 说明二期地块对棕榈湖的水质影响力大于一期地块。这一方面是由于二期地块自 身地表径流营养物浓度基值大，这从表3 7 和表3 9 可以看出；另一方面是由于一 期小区的雨水处理设施理想的截留作用，而二期截留沟管理不当，截留效益不显 著的缘故。 输入营养物总量 从表3 7 和表3 9 可以计算一期地块和二期地块输入棕榈湖的营养物总量和削 减量，其输入量和削减量如表3 1 1 所示。 表3 1 l 一期地块和二期地块输入棕榈湖的营养物总量 t a b l e3 1 1t o t a ln u t r i t i o ni n p u ti n t op a l ml a k eo f e a r l ya n ds e c o n d a r yp l o to f l a n do f p a l ms p r i n ge c o l o g i c a lr e s i d e n t i a lv i l l a g ea n de c o l o g i c a lp a r k 、水质指标 地块、 浊度舢 c o d o 氨氮 1 p 地块输入营养物总量( t a ) 4 6 6 33 7 2 70 3 4 50 0 4 4 地表径流营养物总基值( t a ) 3 2 1 5 54 3 2 30 6 0 0 0 0 6 3 削减量( t a ) 2 7 4 9 20 5 9 6 0 2 5 50 0 1 9 削减率( ) 8 5 51 3 94 2 53 0 2 从表3 1 1 可看出，一期地块和二期地块地表径流营养物总基值和输入棕榈湖 的营养物总量并不大，这与地表径流量偏小、地表径流水质一般和一期小区的雨 水处理设旌理想的截留作用等有关。其输入棕榈湖营养物削减率除c o d c r 外，属 4 1 重庆大学硕士学位论文 较理想水平，对照表3 1 0 可以得出其主要症结在于二期工地，尤其截留沟管理不 当，截留效益不显著。 3 2 4 小结 通过棕榈湖的土地使用类型不同的两个子流域的面积，地表径流量和地表径 流水质特征的量化和比较研究，量化了已开发完毕一期地块和正在开发中的二期 地块的地表径流对湖水水质的影响，量化数据说明二期地块输入棕榈湖的各种营 养物量都高于一期地块，二期地块对棕榈湖的水质影响力大于一期地块，由于二 期地块面积大，所以二期地块的水质管理始终都是重点。幸好输入棕榈湖的各种 营养物总量不大，营养物总削减率却一般。 3 3 管理存在问题和改进 从入湖营养物的估算中，可以看出截留沟等水处理设施的管理存在一些问题。 3 3 1 一期小区、二期工地项目的水环境管理问题 棕榈泉国际生态小区的水环境管理问题主要有： 一期小区建成并有业主入住后，采用的格栅+ 沉砂池+ 调蓄沉淀池+ 人工 湿地处理系统并未及时和按时运行，造成处理构筑物的积累物在下次暴雨被泛起， 形成二次污染，增加了下次运行的负荷，并降低了景观效果。 棕榈泉国际生态小区二期工地沿护岸设有截留沟，但截流沟积水至顶后， 并且沟内的沉积物沉积漂浮物漂浮( 将) 至顶时，截留沟并未按时抽排，致使仍 有部分，尤其大雨时，污水流入湖( 图3 6 ) ；同时，工地的截流井( 坑) 的截流 的雨水和工地用水在无雨时未及时抽排，尤其是渗透率差的点，这也造成了暴雨 时的一定程度的二次污染。 二期工地的部分工地废水和生活污水随地排放，垃圾乱扔，而流入截流沟， 甚至从工地地砸直接入湖，造成携带污染物入湖( 图3 7 ) 。 棕榈湖的水生植物带的水生植物的养护和清理工作，尤其养护方面，不尽 如人意，多数水生植物的生长( 除风车草和狐尾藻等藻类) 并不良好，这一定程 度上影响了水体自净能力和水体水质。 3 地表径流对棕榈湖水质的影响研究 图3 6 沿湖截流排水沟污染 f i g 3 6 c o n t a m i n a t i o no f l i t t o r a li n t e r c e p t e dd r a i nd i t c ho f p a l ml a k e 图3 7 二期工地废水污染 f i g 3 7 c o n t a m i n a t i o no f w a t e r w a t e ri nc o n s t r u c t i o ns i t eo f s e c o n d a r yp a l ms p r i n ge c o l o g i c a lr e s i d e n t i a lv i l l a g ei nc h o n g q i n g 3 3 2 改进措施 改进措施主要包括： 设计方作好督促工作，向房地产方说明构筑物运行的重要性，并及时向物 管部门提供构筑物运行管理手册，必要时给予物管人员一定的培训： 重庆大学硕士学位论文 督促建设方及时抽排截流沟和截流井( 坑) 的滞留水和滞留物，妥善处理 生活垃圾和建筑垃圾，减少工地用水冒跑滴漏现象： 督促物管部门作好水生植物的养护和清理工作，必要时实行水生植物的更 换和再种植。 从实施及效果来看，第一和第三条改进的较好，而第二条并未得到有效的改 进。 4 棕榈湖湖体流场对置换周期的影响研究 4 棕榈湖湖体流场对置换周期的影响研究 长期观察发现此命题的研究十分重要，有普遍意义和通用性。本章从流场的 角度出发，分析棕榈湖进出口水流流场对湖体置换周期的影响，以及简要分析风 生流对湖水置换周期的影响，并以此提出合理的促进湖泊循环流动的工程措施。 4 1 湖体置换次数概述 置换周期与置换次数成反比，为了论述方便，本章用置换次数的概念。 湖泊污染的一个重要原因水水体更换时间长，尤其深部水体相对静止，污染 物质排出时间更是长久。从上一章计算得出，忽略降水季节分配不均性，棕榈湖 自身全年盈余水量为1 6 9 x1 0 4 m 3 ，湖容为1 4 2 7 1 0 4 m 3 ，全年湖体置换次数： n t = 1 6 9 x 1 0 4 1 4 2 7 x 1 0 4 = 0 1 2 次，a ； 一期小区和生态公园补水后，棕榈湖全年盈余水量为1 1 6 1x1 0 4 m 3 ，全年湖体 置换次数： n 2 - - 1 1 6 1 1 0 4 1 4 2 7 x 1 0 4 = o 8 1 次a ； 而二期完成后，棕榈湖全年盈余水量为3 1 9 8 x1 0 4 m 3 ，全年湖体置换次数： n 3 - - - - 3 1 9 8 1 4 2 7 - - 2 2 48 ( a 但“全年湖体置换次数”只是一个平均值的概念，它反映湖水整体水量的平 均的置换次数，而并非每单位水量的置换次数，例如，有单位水量刚进湖就直接 流向出口，水流短路，水力停留时间很小；而有单位水量一直“沉积”在湖底， 水力停留时间很大，因而“全年湖体置换次数”带有宏观性、不同区域水体样本 分布大区间性和片面性。 全年湖体置换次数，它受降水季节分配不均性、湖泊进出口的位置位置与形 式以及流速大小、湖盆因素和风场、温度分层结构以及c o r i o l i s 力等方面综合影响。 通过一定的工程措施改善湖体置换次数( 水体停留时间) ，减小分布的区间长度，提 高均匀性。具体地说，降水季节分配不均性、湖盆因素、风场、温度分层结构以 及c o r i o l i s 力等因素是基本无法改变或者说改变力度很小的，但却可以根据诸因素 的影响方向因势利导，例如夏季降雨量大，就可以将底层湖水作为绿化用水之用； 而对于湖泊进出口未定的进出口位置分布、形式和流速大小等因素，则可通过模 拟的方式模拟进出口不同布局( 主要指空间关系，附以速度关系) 的水流流场， 确定对于整个水域混合度较好的布局的水流流场，从而确定湖泊进出口分布。 重庆大学硕士学位论文 4 2 棕榈湖进出口对湖水置换影响的流场模拟 流场模拟主要对湖泊进出口的位置分布形式和流速大小等因素的不同布局作 流场模拟，得出能带动整个水域水体交换，不同水域都有较好的新陈代谢能力的 合理布局的流场，并附以提出促进水体交换的工程措施。 4 2 1 水动力模型及其方程建立 采用有限体积法对棕榈湖水力建立的符合浅水假定模型的进出口湖水流场进 行模拟。 水动力模型简化及其方程建立 温水、污水排放口附近与远离排放口的水域，其流动状况和水动力学特性有 很大差异，模拟计算时常分为排放1 ：3 附近的近区和远离排放口的远区1 6 2 】。在近区 排放口的起始动量起主导作用，污水排入水体两者混参剧烈，流动变化大，属于 射流问题；在远区起始动量已衰减，流动状况已基本不受排污射流的影响，主要 属予随流输移的扩散问题，需要采用不同的数学模型来分区模拟。湖泊、水库的 水环境问题是反映大水域整体流动特性的远区模型，对近区局部现象则不要求完 全模拟，且控制方程在推导中忽略了平面上的水温、密度的差异而产生的水平向 压力差的作用，因此在求解流场时，不必考虑温度和密度的变化【6 a 水库、湖泊的水动力学模型，最初有假定研究的水域是等深的恒定流场，采 用势流理论分析，用有限元法计算的流场模型，由于忽略的因素较多，不能很好 地反映实际，有的简化模型中忽略了非恒定项、对流项、水平粘性项，但考虑了 水下地形变化的影响，形成风生环流模型。比较完整的计算模型是从流动的基本 方程出发，将方程沿深度平均而得二维控制方程组，方程组包括影响流动的惯性 力、重力、c o r i o l i s 力、紊流粘性应力、水面风应力、底部摩阻力、并考虑水下地 形变化的影响。这种模型推导严谨，考虑因素比较全面，适用面广，但需对非线 性的对流项进行处理，进行大量的迭代计算，而计算机技术的发展弥补了这一不 足。对于大型的湖泊，c o r i o l i s 力、风生应力的影响，在各类数学模型中都是不能 忽略的；而对于中小型水库湖泊其c o r i o l i s 力则可忽略【6 2 h 。 湖泊、河口、大型水库中，垂向加速度与重力加速相比很小，可以略去不计。 例如，潮流引起的垂向加速度的数量级只是重力加速度的l o 一，从而假定压强沿 水深h 方向的分布为静压强分布，即浅水假定1 6 7 j 。 在浅水湖泊、水库以及潮汐河口流场的计算中，常以平均水平面水位为基准 面，自由水面相对于基准面的高度用号表示，水面下任意点总水深 h ( x ，y ，t ) = h ( x ，y ) + e ( x ，y , 0 【6 2 】。其中h 为基准面以下的水深。采用右手正交坐标系如图 4 1 ，正东方向为x 轴正北方向为y 轴，z 轴垂直于平均水面，方向向上。 4 棕榈湖湖体流场对置换周期的影响研究 z 图4 1 湖泊坐标系统 f i g4 1 c o o r d i n a t e ds y s t e mo f l a k e 忽略温度效应，流场计算的基本方程通常使用n s ( n a v i e r - s t o k e s ) 方程， 计入紊动引起的脉动与时均性作用，通过时均化处理得雷诺( r e y n o l d s ) 方程。雷诺 ( r e y n o l d s ) 方程与连续性方程的张量形式如下： 旦掣+ 丝掣：户岛一塑+ 要( f 闩2 ，3 2 ) (41)oa 瓠， x , 瓠i 敏二一 罢+ 旦! 譬盟= 0 0 , j = 1 ，2 ，3 ) ( 4 2 ) 研 a t , 其中p 为密度，肛为紊动粘性系数，u i 为沿i 轴方向的流速分量；p 为压强； b i 为沿i 轴方向的体积力；i = l 为x 轴方向；i - - 2 为y 轴方向；i = 3 为z 轴方向。 根据以上的分析，棕榈湖进出口的位置分布形式和流速大小等因素的不同布 局的流场符合浅水假定，可按水深平均的二维方程组计算流场，即不考虑流速在 水深方向的变化。浅水假定模型二维方程组包括影响流动的惯性力、重力、c o r i o l i s 力、紊流粘性应力、水面风应力、底部摩阻力。由于棕榈湖底部平整过，不考虑 水下地形变化的影响；棕榈湖属小型湖泊，其c o r i o l i s 力可忽略。 所以，体积力b l = o ，b 2 = 0 ，b 3 = 一g ，略去( 4 1 ) 中第三方向中所有加速度 项和对应的应力项，则第三方向简化为： 一p g ：宴 彩 因b 3 作用方向和x 3 坐标轴的方向相反，所以等式右边出现负号。对上式积分 得： p = g ( 参一z ) + p o = 户g ( 善+ ) ( 4 3 ) 其中芎为自由水面高程，p 。为水面上的大气压。 不考虑流速在水深方向变化的二维n _ 一s 方程和连续性方程： 4 7 重庆大学硕士学位论文 旦掣+ 笔掣：一娑+ 要o ，j 乩2 ) ( 4 4 ) a t 瓠i瓠i 敏f 瓠| 。 一 害+ 掣：0 o ，_ ，：1 ，2 ) ( 4 渤 式( 4 4 ) 和式( 4 5 ) 即棕榈湖浅水假定模型的水动力学控制方程。 沿水深平均的水动力学控制方程 1 ) 沿水深平均的连续性方程 定义平均水深为： 石= 吉f “出= 吉e 甜出 ( 4 6 ) 石：上f f ，出：上广v d z j h而h“ 密度随时间的变化忽略不计，即娑：0 ，而且认为是均质不可压流体，密度 为常数消去，代入( 4 2 ) 式得水深平均得连续性方程： 丢f ( 罢+ 罢- i - 娑：0 ) a z ( 4 7 一) 一li + 一= l ) h 南、瓠卸a z 。 应用l e i b n i z 公式对方程进行积分变换： r 罢出= 丢r 砒叫警- 兢f f = 下o ( i g , u ) 叫警 ( 4 8 ) r 考出= 号r 吡一矿等+ 矿参= 字一v ，等 c 4 m r 塑d z ：，一矿：矿塑+ 矿型+ 塑 ( 4 1 0 ) 4 钯 孤 砸 i ，z 式中，自由水面运动学条件为： 矿：塑：o _ i f _ n + yo u r + o , v( 4 1 1 ) 窿良 砂 弦 底部运动学条件为： 矿= 矿= 矿 ( 4 1 2 ) 上标。s ”表示水面( s u r f a c e ) ，下表“b ”表示水底( b o t t o m ) 。将式( 4 6 ) ( 4 9 ) 代入连续性方程( 4