淤泥质海岸人工海滨浴场水质...——以上海金山城市沙滩为例_季永兴.pdf

第4 5卷 第1期2 0 2 3年 2月海 洋 湖 沼 通 报T r a n s a c t i o n so fO c e a n o l o g ya n dL i m n o l o g yV o l.4 5 1F e b.,2 0 2 3淤泥质海岸人工海滨浴场水质改善方案及效果监测 以上海金山城市沙滩为例季永兴1,2,3,印 越1,2,3(1.上海市水利工程设计研究院有限公司 上海2 0 0 0 6 1;2.华建集团上海海洋工程设计研究院,上海2 0 0 0 6 1;3.上海滩涂海岸工程技术研究中心,上海2 0 0 0 6 1)摘 要:为解决在淤泥质海岸建设人工海滨浴场涉及的水质维护问题,在调查了潮流、泥沙、水质及本底生物等基础上,提出了围堤分隔、沉沙碧水、引排换水、生态自净等水质维护总体方案,并开展了沉沙碧水试验、换水可行性及设施规模论证、生物净化措施研究和长期水质监测分析。结果显示:1)围堤分隔成围区可达到碧水沉沙效果,2d后悬沙沉降率达9 3%,水体中总磷浓度削减率达7 0%;2)利用潮差和泵站、涵闸可实现海水浴场围区节能减排的引排换水功能,泵站和涵闸分别按单次补满或排空确定规模;3)生态自净系统构建需在本底调查基础上,按照食物网结构的营养动力学原理,投放适宜数量和规模的鱼、虾、蟹、贝、藻等;4)随着活动人群数量增加,水质有变坏趋势,并且呈明显季节性变化。最后,研究建议加强引排设施维护和生态系统监测,控制夏季人流数量,加强水体交换频次。关键词:海滨浴场;淤泥质海岸;水质维护;引排水规模;生态自净系统;杭州湾中图分类号:P 7 4 8;P 7 5 3;P 7 6 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 3-6 4 8 2(2 0 2 3)0 1-1 2 2-0 7D O I:1 0.1 3 9 8 4/j.c n k i.c n 3 7-1 1 4 1.2 0 2 3.0 1.0 1 7引 言上海周边均为淤泥质海岸,虽然拥有约5 0 0k m的海岸线资源,却因海水含沙量高、海水浑浊,而无一处可供游人享受休憩的海水浴场。为此,上海市政府相关部门提出利用杭州湾北岸河势、滩势相对稳定的岸段1,采用人工措施建设海滨浴场。于是,距离杭州湾海滨最近的金山新城就得天独厚地被规划建设一座海滨浴场2,通过建设保滩堤坝,降低流速与风浪,沉淀泥沙(简称“碧水沉沙”),并人工铺设沙滩,将金山新城海岸线建设成为“水清、沙软”的城市沙滩景观。由于供人类活动的海水浴场对水质要求比较高,同时人类在海水浴场活动也会产生污染物3,所以规划建设的金山城市沙滩海水浴场除采取碧水沉沙措施提高透明度外,还需要采取引清换水或生态自净措施提高水质。我国 景观娱乐用水标准(G B1 2 9 4 1-9 1)和 海水水质标准(G B3 0 9 7-1 9 9 7)对海水浴场水质作了明确要求。世界卫生组织和欧盟也对海水浴场水质提出了评价体系和评价指标4-6。所以,水质维护是海水浴场建设和运行管理者关注的关键问题。许多学者对此做了大量研究,包括污染因素3,7、致病微生物种类3,8、健康危害3,以及预测评估方法8-9、监测评价体系3,8-1 0等。已有相关研究主要针对开敞式水域的海水浴场,而金山城市沙滩海水浴场位于杭州湾北岸,属于淤泥质的强潮河口1 1,且附近有上海石化总厂排污影响1 2,需要利用围隔形成相对封闭的区域,碧水沉沙,提高透明度,另一方面隔离排污对海水浴场的影响。为此,笔者根据海水浴场的不同分区布局方案研究了引排水方式和规模,以及引清换水及生态自净两种水质维护方式。工程运行至今已十余年,经现场十余年监测数据分析,水质维护较好。基金项目:上海市海洋局科研计划项目(编号:沪海科2 0 1 9-3);上海市黄浦区自主创新领军人才计划 第一作者简介:季永兴(1 9 7 0),男,江苏南通人,博士,教授级高工,主要从事水利及海岸工程设计与研究。E-m a i l:j i y x s h 1 6 3.n e t 收稿日期:2 0 2 0-0 4-2 61期淤泥质海岸人工海滨浴场水质改善方案及效果监测1 2 3 1 研究条件1.1 滩涂现状金山城市沙滩杭州湾北岸,西起上海石化总厂凹入式内湾东侧海塘拐角,东至杭州湾大道东约3 3 0m。岸滩为典型的淤泥质海岸,0m线以上滩地滩坡和缓,介于1.58.6之间,多数在5以下;0-5m线坡度较陡,可达1 02 0;-5-8m线坡度减缓,约在51 0之间。拟建的人工沙滩采用保滩堤坝围合,形成相对静水区域。保滩堤坝总长约34 2 1.2m,平行岸滩的顺堤距离主海堤约5 0 0m,滩面高程约-5.0-3.0m。图1 金山城市沙滩总体布局图F i g.1 P l a n n i n go f t h ea r t i f i c i a lb a t h i n gb e a c ho f J i n s h a nD i s t r i c t1.2 降雨及蒸发根据金沙咀站气象资料,工程区年平均气温1 5.7,月平均最高气温出现在7、8月份,为2 7.5。多年平均蒸发量13 4 6.3mm,超过年平均降水量。7、8月高温,蒸发量分别为1 9 6.3mm和1 8 8.2mm。多年平均降雨量为11 9 1mm,全年总降雨量的6 0%集中的59月。1.3 潮流及泥沙杭州湾为强潮海湾,湾内潮汐属非正规浅海半日潮。金山咀站历史最高潮位为6.5 7m,历史最低潮位为-1.7 2m,多年平均高潮位为3.8 3m,多年平均最低潮位为-0.2 3m,多年平均潮位为1.7 9m。潮差季节变化明显,冬季小,夏季大。金山咀站实测最大潮差6.7 8m,最小潮差0.8 3m,平均潮差4.1 1m。落潮历时一般大于涨潮历时,平均落潮历时7h1m i n,平均涨潮历时5h2 4m i n。杭州湾内潮流基本上呈东西向往复流,流向几乎与等深线平行,涨潮流速一般大于落潮流速。金山咀站实测最大流速1.9 9m/s(2 2 3),平均流速1.5 2m/s(2 2 3);落潮最大流速1.4 5m/s(5 9),平均流速0.9 2m/s(5 5)。杭州湾北岸水域泥沙来源主要为海域来沙及河底沙再浮,含沙量不仅与潮汐大小有关,而且年内季节性变化显著1 3。金山咀站实测-2m等深线位置,涨潮平均含沙量0.6 1k g/m3,落潮平均含沙量0.4 7k g/m3;-5m等深线位置,涨潮平均含沙量0.7 2k g/m3,落潮平均含沙量0.5 2k g/m3。泥沙中值粒径为0.0 3 10.1 2 5mm。1 2 4 海 洋 湖 沼 通 报2023年1.4 水质及盐度2 0 0 4年1月(冬季)和6月(夏季)分别对工程区域海水水质进行了监测。各测点监测结果(表1)显示,工程区域大部分海水水质指标达到或超过 海水水质标准(G B3 0 9 7-1 9 9 7)的二类水标准,而无机氮和活性磷酸盐却为四类标准。工程区域盐度受制于海流与径流,夏季平均含盐度为8.0 2,冬季为9.9 6。2 工程方案2.1 总体布局要开发成为海水浴场,最重要和核心的问题是要形成碧蓝清澈且适宜沐浴的水环境。杭州湾北岸工程区域虽然泥沙含量不是很高,但是海水浑浊,透明度低,观感性差。另外,受周边石化厂和人类活动影响,无机氮和活性磷酸盐为四类,不适宜沐浴。所以,笔者等提出采用围堤实施围隔,形成相对封闭的水域,一方面碧水沉沙,提高透明度,另一方面隔离排污对海水浴场的影响。考虑凹入式内湾处一个雨水泵站排水口,近期暂不能对其改造,所以该岸段列入二期开发(图1)。经工程布置,一期海水浴场面积约1.2 5k m2。最初考虑对围区分隔,设置浑水区和清水区,利用涵闸引水至浑水区,经浑水区沉淀后,再通过涵闸或泵站引水至清水区。但是,为研究围堤分隔碧水沉沙的可行性,2 0 0 4年1月和6月,在水质监测的同时,做了悬沙沉降试验。结果显示,浑水水样经1d静止沉降后,透明度明显提高,悬沙沉降率达8 6.4%;经2d沉淀后,悬沙沉降率达9 3%,水体中总磷浓度削减率达7 0%。所以,经碧水沉沙试验后,笔者等认为可以只设置一个围区,利用涵闸或泵站直接从外海引水,再利用涵闸排水,实现换水、补水、排水、排空功能,再辅以生态系统净化,实现水质维护。表1 工程区域海水水质监测成果T a b l e1 W a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gr e s u l t so nt h es i t e i nJ a n.a n dJ u n.,2 0 0 4监测项目单位监测值水质类别p H-7.8 78.0 7D Om g/L6.4 67.4 7C O Dm g/L1.9 42.8 9B O D5m g/L0.6 61.4 3O i lm g/L0.0 50.1 8无机氮m g/L1.4 62.1 3活性磷m g/L0.0 5 60.2 1 42.2 工程方案对于围堤的堤顶高程,需综合考虑投资、景观效果和淹没风险。围堤高,投资大,景观效果差;围堤低,投资省、景观效果好,但淹没风险大。综合比较采用15年一遇潮位作为堤顶高程较为合适。所以,堤顶设计高程5.4m,考虑沉降因素,竣工验收的高程为6.0m。围区内运行水位高程有两种方案可以考虑。方案一(简称“低水位方案”):以平均潮位作为日常运行水位,这样可以利用涵闸在高潮时引水,运行费用低,但水位与围堤高差大,景观效果差;方案二(简称“高水隐堤方案”):以15年一遇潮位作为堤顶高程,考虑地球为圆形,可以基本实现隐没围堤的视觉,景观效果好。综合多方意见,确定采用高水隐堤方案,正常运行水位为5.0m,风暴潮淹没期为5.4m。3 水质改善方案在水质改善和维护方面,拟在围堤分隔和改造场地周边雨污水管网基础上,实施引排水设施,置换水质恶化水体或补充水量蒸发引起的水量减少,排除海水溢流倒灌入围区水量或维修养护时排空围区,或改善围区水体水动力条件。同时,构建海水生态系统,提升海水自净能力。3.1 换水措施3.1.1 引排水方案为实现围区换水、补水、排水、排空及制造围区水动力的功能,研究设置引排水设施。方案包括:“大引大排方案”,即大规模涵闸和泵闸组合在涨潮时引水,并利用涵闸在落潮时排水;“细水长流方案”,即降低涵闸和泵站规模,增加换水时间,满足换水目的。为实现较好的景观效果和避免换水对运行影响,相关1期淤泥质海岸人工海滨浴场水质改善方案及效果监测1 2 5 部门提出运行期采用“高水隐堤”方案,即运行期水位为5.0m,且换水尽量安排在晚上进行。由于涨潮历时短,而落潮历时长,同时引水会造成围区浑浊,影响运行,而排水不会影响水体透明度,所以引水考虑采用较大规模,排水可适当降低规模。所以,笔者等根据工程区平均高潮为-1.7 9m,拟定涵闸底板顶高程为2.0m,利用涵闸在涨潮时引水,在涨潮后期利用泵站将围区水位提升至5.0m(因工程区多年平均高潮位为3.8 3m);落潮时,仅利用涵闸排水。工程实施时,有关部门提出,为降低工程投资,要求利用围堤施工时留下的5根 8 0 0临时排水钢管实现放空排水(钢管底标高为2.0m),涵闸主要功能为降低围区水位,即提高排水涵闸底板顶高程至4.0m。考虑未来沉降因素,竣工时涵闸底板顶高程拟定为4.3m。3.1.2 引水泵站规模引水泵站规模按照涵闸排水至闸底板顶高程4.0m,然后引水至正常运行水位5.0m,按2d时间蓄满计算,同时,复核泵站为围区水面蒸发及围堤渗漏补水的规模。补水周期以半个月计,每次补水为晚上1 0:0 0至第二天凌晨2:0 0。按一次性引水方式计算,引水泵站规模为7.5 2m3/s;按蒸发渗漏补水计算,月最大蒸发量按1 9 6.3mm,引水泵站规模为8.5 2m3/s。为安全起见,设计引水泵站流量取用9.0m3/s。采用3台潜水轴流泵,单机流量3.0m3/s。图2 围区库容曲线图F i g.2 S t o r a g ec a p a c i t yc u r v eo f t h ee n c l o s u r ea r e a图3 排水时围区