净水技术|青草沙水库藻类防控与多水源调配示范研究成果
项目团队介绍
上海城投原水有限公司主要职责：一是承担着上海青草沙、陈行和黄浦江上游金泽三大水源地日常管理和运营，为除崇明本岛以外的所有上海市属、郊区自来水供应原水；二是作为应用示范的单位承担国家、市级各类科研项目，对原水领域的先进技术进行集成和应用。
目前，青草沙水库是世界上最大的边滩水库，也是上海市最大的饮用水水源地。青草沙水库位于长江河口段、南北港分流口附近的北港进口段江心水域，水库总面积为66.15 km2，有效库容为4.35亿m3，具有淡水资源丰沛、水质优良稳定、可供水量大、水源易保护、抗风险能力强等综合优势。青草沙水库的建成使上海形成了“两江并举、三足鼎立”的水源地战略格局。为了更好运行和管理青草沙水库，保障水库水质安全，在“十二五”期间，针对水库藻类和多水源调配问题，开展了水库物理控藻技术、藻嗅原水的厂前预处理技术以及多水源调配示范平台建设等系列关键技术研究，为青草沙供水系统水质安全提供有效技术支撑。
课题研究背景与目标
《青草沙水库控藻技术研究与多水源调配示范》（2012ZX07403-002-03）课题属于《太湖流域上海饮用水安全保障技术集成与示范》（2012ZX07403-002）的子课题，由上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司牵头、上海城投原水有限公司承担完成，现已结题。
本课题拟解决青草沙水源基于藻类与嗅味去除的预氧化与粉末活性炭吸附关键，主要研究内容包括：（1）加强青草沙水库形成后入水口营养盐、藻类、氯离子等水质指标动态监测，提供水质在线监测数据，为水库运行方案优化提供数据支撑；（2）建立对不同季节不同水库区域藻的分布特征、水库水文气候特征进行全面表征的监测技术方案；（3）青草沙水库原位物理控藻技术；（4）制定非咸潮期青草沙水库运行调度方案；（5）研究适用于青草沙原水的厂前除藻技术；（6）上海市多水源调度示范工程建设。
课题研究成果
2.1
青草沙水库水质特征
本课题针对水库取水口和库内水质开展年度监测，研究氯化物、营养盐等季节性变化特点，研究分析得出水库取水口和库内水质特征，为水库运行管理提供依据。
2.1.1
青草沙水库取水口水质特征
青草沙取水口水质决定水库是否能够正常取水以及库内水质的优劣。根据长江口的水质特点，冬季咸潮来临，取水口氯化物浓度易超标不利于取水；夏季较高的营养盐浓度将导致水库内藻类增殖的风险。
取水口氯化物浓度是冬季监测的重点指标，关系到水库能否正常取水。本课题利用长江口盐度自动监测系统对水库入水口的氯化物进行实时连续监测。通常咸潮北支倒灌以上游闸外氯化物浓度连续12 h大于250 mg/L作为咸潮来临的依据，北港正面直接入侵以氯化物浓度连续2 h大于250 mg/L作为咸潮来临的依据。在咸潮期间，水库上游闸关闭，库容量以及可运行的最低水位都受到严峻挑战，最低运行水位一度低至1.11 m。因此，掌握合适的抢水时机对青草沙水库的运行管理具有重要的意义。
水库的外源性营养盐输入主要来自入库的长江下游原水，总氮和总磷是衡量水体污染负荷的重要指标。根据营养盐年度变化特征，2012年~2014年，取水口总氮的年平均浓度分别是2.24 mg/L、2.26 mg/L和2.51 mg/L，呈现逐年升高；总磷的平均浓度分别是0.10 mg/L、0.08 mg/L和0.08 mg/L，呈现逐年降低，营养盐总体比较稳定。根据营养盐的季节性变化特征，总氮、总磷浓度随季节有一定波动，藻类多发的7月~9月，库外取水口总磷的浓度有所降低，这是因为该时段是丰水期，长江径流量增大，营养盐浓度略低，库外营养盐的浓度与库内的藻类数量并没有直接的相关关系。
2.1.2
青草沙水库库内水质特征
研究结果表明，青草沙水库总磷浓度在0.03~0.12 mg/L，总氮浓度在0.48~1.88 mg/L；取水口到输水口总磷浓度下降约50%左右，总氮浓度下降10%~30%，藻类数量和pH有所增加。营养盐在丰水期浓度较低，枯水期浓度较高；高藻期库外的叶绿素和藻类本底值较低，营养盐有小幅波动；氯化物浓度有明显的季节性和年度变化。
监测数据表明，输水口叶绿素浓度高于取水口，pH比取水口平均升高，故取水口藻类不是影响水库总体藻类密度的主要因素。青草沙水库库内总藻密度为106~107cells/L，输水区藻密度2012年~2014年呈减少趋势，季节性变化较为明显，整体呈现夏秋季藻类密度高；藻类种类演替呈现运行初期的蓝绿藻优势向稳定运行期的硅藻优势演变趋势，冬、春季以硅藻为主，夏、秋季以蓝藻为主。
2.2
青草沙水库物理控藻技术
青草沙水库运行过程中，夏季高温时期，部分浅水边缘地带有藻类生长趋势，会对水库的供水安全造成危害。课题研究了闸门引排水动力调控、物理拦截等措施对青草沙水库藻类控制的条件和作用，研发直接、有效、安全的物理控藻技术，为青草沙水库藻类控制提供技术手段。
2.2.1
上下游闸门水力调节方法
根据青草沙水库水质特征，可通过采用上下游闸门水力调节方法控制藻类，其主要作用有两个方面：（1）通过下游闸门的开启排出闸门附近形成的藻类，藻类的排出量可以根据叶绿素的浓度以及闸门的排水量大致估算；（2）通过青草沙水库上下游闸门引排调度手段，可以改善库区水动力，减少水库停留时间，改变流场和水力条件，有效排出大量藻类，保证原水水质。
2.2.2
滤藻网拦截除藻技术
在输水区闸井外围布置拦藻浮坝及滤藻网对输水区藻类进行物理拦截，拦藻设施分布图如图1所示。
图1 输水区拦藻设施分布情况
根据拦截前后藻类数量的跟踪监测表明，夏季藻类较多时期，通过1道滤藻网的拦截，可使水中藻类数量降低约30%。通过比较滤藻网前后水样的藻密度（典型优势藻蓝藻、黄藻、绿藻）和叶绿素a含量，分析得出：滤藻网对蓝藻拦截效果最佳，其次是黄藻，最后是绿藻，拦截效果与藻种和深度有关。
2.3
非咸潮期青草沙水库运行调度方案
青草沙水库非咸潮期是指每年长江枯水期结束之后到下一年枯水期来临之前的时段，大致为4月~10月。在非咸潮期间，课题对青草沙水库流场进行了观测和三维模型模拟计算研究，对库内水体流速、流向进行分析判断，结合流场状态与库内水质特征，综合考虑富营养化控制、水力引排等关键因素，研究形成了《青草沙水库非咸潮期运行调度方案》。
水库运行调度的主要目的是加大水体交换效率，减少水力停留时间，从流态的角度防止藻类过度增殖。因此，水库采用最短停留时间为原则的“能引则引、能排则排”运行调度手段，建立“上引下排”闸门联合调度运行模式，利用下游闸多排水尽量排藻；利用潮汐规律上游闸多引水，尽量引入含泥沙量高的水；根据风向风速排藻和拦藻；运行水位控制2 m~3 m，改善水库水力条件，维护库内水质。
自2013年运行调度方案实行后，非咸潮期水库内的藻类密度和叶绿素a浓度比未实行时明显降低。
2.4
青草沙原水厂前除藻技术
通过厂前加氯、加粉炭的原水预处理，可以削减原水藻、嗅，减轻后续水厂压力。在原水投加次氯酸钠灭活藻细胞，降低藻细胞浓密度；投加粉末活性炭吸附嗅味物质，同时利用长距离输送反应器的停留时间与水动力混合条件，在输送过程中削减藻细胞、嗅味。针对青草沙原水藻类和嗅味物质2-MIB，研究形成《青草沙原水系统预加氯技术规程》和《青草沙原水系统粉末活性炭除嗅技术规程》并进行生产应用，视水质情况在原水系统投加次氯酸钠0.6~1.5 mg/L，投加粉末活性炭5~20 mg/L，从五号沟原水泵站原水至各水厂头部，藻细胞密度可降低90%以上，2-MIB基本30 ng/L以下。
2.5
上海市多水源调度示范工程建设
上海多水源调配可视化平台位于上海城投原水有限公司严桥泵站，在原黄浦江上游引水工程严桥泵站调度中心的基础上进行建设，2015年7月建成投入正常运行。示范工程依据多水源城市原水系统综合调控关键技术和上海多水源原水系统综合调控方案主要结论，建设了上海多水源原水调度系统，如图2所示，涵盖黄浦江上游水源、青草沙水库、陈行水库三大原水系统，具备供水水源及其原水系统的水质和设施设备的数据监测、采集、预警、监控管理、数据传输共享、模拟演练、调试及应急指挥等功能；编制了多水源系统调度模型软件；建立了多水源调度可视化平台，形成原水系统不同工况下切换调度方案的模拟演示系统。
图2上海城投原水调度水源调度系统框架
示范工程建成后，开展了多水源原水系统的运行监控和数据采集监测，科学指导了青草沙原水和陈行原水系统之间的水量切换调度。应用证明，多水源调度系统运行稳定正常，监测数据可靠，水源调配方案合理可行，达到预期功能。基于现状运行条件，调度系统涉及三大原水系统可调配原水水量达到1300万m3/d，水源事故应急状况下调配水量达到700万m3/d。实现了上海陆域三大原水系统由单水源调度模式向多水源调度模式的转变，初步实现了由经验调度向科学调度的转化。
3
研究展望
课题针对上海青草沙水库藻类、嗅味等关注的水质问题，通过监测分析了青草沙水库水质特征和藻类生长演变特点，根据水质特征与主要问题，重点从水库物理控藻、非咸潮期运行调度、厂前预处理与多水源调配示范等方面开展研究，解决上海青草沙水库藻类防控与多水源调配示范面临的技术问题。
其中，上海多水源调配可视化平台示范工程在现有黄浦江上游引水系统、青草沙水库和陈行水库长江原水系统的基础上形成多水源调度网络，建立了多水源调度软件及可视化平台，实现上海陆域三大原水系统由单水源调度模式向多水源调度模式的转变，初步实现了由经验调度向科学调度的转化，提升了太湖流域黄浦江上游原水和青草沙水库、陈行水库长江原水供应的安全保障能力，对上海市供水安全保障具有重要意义。示范工程建设和运行调度经验，可为其他特大型城市多水源调配提供参考。
编辑札记
水乃生命之源，一汪好水造福一方百姓。上海水务人共同打造的“两江并举、集中取水、水库供水、一网调度”的原水供应格局，将更好的为居民用水保驾护航。青草沙水库藻类防控与多水源调配示范研究的成果分享给行业人士，希望可以为其他地区水库运行提供技术经验。
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