張世寶, 李勝東,, 馮健, 趙進勇, 丁洋, 于子鋮

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.中國水利水電科學(xué)研究院 水生態(tài)環(huán)境所,北京 100038)

目前,世界各地的河湖生態(tài)系統(tǒng)普遍出現(xiàn)了水污染、河湖生態(tài)功能退化等問題,嚴重影響了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。河流是城市經(jīng)濟社會系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)相互聯(lián)系的重要紐帶[3]。以往的城市河流治理主要關(guān)注防洪、排水功能和資源開發(fā),而忽略了河流生態(tài)保護[4]。隨著城市化進程的加快,城區(qū)河流水質(zhì)問題越來越嚴重。推進流域水質(zhì)綜合治理,是落實生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措,對我國轉(zhuǎn)型發(fā)展和綠色發(fā)展具有重要的推動作用[5-6]?；贖EC-RAS軟件建立的一維水動力水質(zhì)模型不僅可在多目標環(huán)境下交互使用,而且模擬水質(zhì)的精度較高[7-8]。董飛等[9]利用HEC-RAS軟件建立了遼河干流水動力水質(zhì)模型,構(gòu)建了遼河干流水功能區(qū)水質(zhì)響應(yīng)系數(shù)矩陣；陳相威等[10]通過HEC-RAS軟件模擬了不同補水方案下觀瀾河流域長水坑河在城市枯水期時生態(tài)景觀對水量的需求；馬楠[11]利用HEC-RAS軟件建立了通惠河水動力水質(zhì)模型,分析了護岸與河流流速及剪切力的關(guān)系；鄒麗芬[12]應(yīng)用HEC-RAS軟件建立了濱海平原河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型,模擬了常見污染物濃度值隨河網(wǎng)水流運動而發(fā)生的輸運擴散規(guī)律；李國華[13]應(yīng)用HEC-RAS軟件建立了黃河內(nèi)蒙古托克托段水動力水質(zhì)模型,模擬了河道暢流期內(nèi)污染物濃度的縱向沿程分布規(guī)律。由此可見,HEC-RAS軟件可以很好地模擬河道的水動力與水質(zhì)。

鹿溪河流域歷史悠久,文化底蘊豐厚。但近幾年來,由于農(nóng)村面源污染加重、城區(qū)污水匯入等原因,導(dǎo)致流域水質(zhì)常年處于地表水V類標準。為了合理調(diào)配鹿溪河流域水資源,有效改善水體質(zhì)量和流域生態(tài)條件,維護河流健康,采取水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施是非常必要的。針對鹿溪河流域的水環(huán)境及生態(tài)現(xiàn)狀,本文以2030年為規(guī)劃年,提出5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施,并利用HEC-RAS軟件建立鹿溪河流域一維水動力水質(zhì)模型,定量化分析5類措施在不同工況下的實施效果,以期為鹿溪河流域水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

鹿溪河又名瀘溪河、黃龍溪,屬錦江一級支流,岷江二級支流,發(fā)源于成都市龍泉驛區(qū)長松山西坡王家灣。鹿溪河全長74.6 km,流域面積為675 km2,平均比降為1.2%。鹿溪河是典型的山溪性河流,洪水主要由龍泉山脈的降水匯集而成,且匯流時間短、水位陡漲陡落，流量極不穩(wěn)定,最大洪水流量為 1 340 m3/s,枯水流量僅0.02 m3/s,多年平均流量為5.72 m3/s,多年平均年徑流總量為0.62億m3。由于鹿溪河大部分干支流的河流基流量較小,水體自凈能力差,并且農(nóng)村地區(qū)污水收集和處理設(shè)施建設(shè)滯后,存在一定的農(nóng)村生活面源污染等問題,導(dǎo)致河道水體質(zhì)量較差、水質(zhì)惡化嚴重。本文以鹿溪河干流川心橋—魚劍灘段為研究區(qū)域,針對鹿溪河流域污水處理廠排放標準偏低，農(nóng)村生活源污染、水污染和水體質(zhì)量差等主要問題,通過實施點源、面源、內(nèi)源污染治理工程及外流域生態(tài)補水和生態(tài)修復(fù)等措施,減少污染物入河,提高流域水環(huán)境容量,逐步改善鹿溪河水質(zhì),恢復(fù)鹿溪河良性水資源平衡及流域生態(tài)功能?；诖?擬在2030年前實施以下5大類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施,如圖1所示。

圖1 水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施圖

天府新區(qū)8座大型污水處理廠的總規(guī)模為48.0萬t/d,采用“MBR+臭氧活性炭”工藝,出水水質(zhì)達到地表水Ⅳ類標準;鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模為1.3萬t/d,采用污水管網(wǎng)分流制,出水水質(zhì)達到《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)中規(guī)定的排放標準;農(nóng)村生活污水人工濕地處理工藝采用“復(fù)合生物濾池+人工濕地+紫外線消毒工藝(10～50 m3/d)”及“A3O+MBBR工藝一體化設(shè)備+紫外線消毒工藝(50～300 m3/d)”的流程,出水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A類標準;截污工程總長94.3 km;生態(tài)濕地項目總規(guī)模為867.6 hm2;濱河生態(tài)緩沖帶總規(guī)模為360.0 hm2;河流生態(tài)修復(fù)工程中主河道生態(tài)護岸的總長為239.9 km;非防洪支流淺水型生態(tài)濕地和生態(tài)涵養(yǎng)地的總規(guī)模為24.8 hm2。根據(jù)污染源分布及污染物排放特點,擬定的鹿溪河水環(huán)境與生態(tài)治理措施的具體實施位置如圖2所示。

圖2 鹿溪河流域措施布局和考核斷面布局

2 研究方法

2.1 污染源分析與污染負荷計算

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研,鹿溪河流域面源污染的主要來源為農(nóng)村生活污水、分散式畜禽養(yǎng)殖與農(nóng)業(yè)種植,本文采用SWAT模型計算面源污染負荷;點源污染主要來源于城鎮(zhèn)生活污水和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖,其污染負荷分別根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》(GB 18596—2001)進行計算。根據(jù)水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施實施情況,參照《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311—2016)進行入河污染物削減量的計算。

2.2 工況設(shè)置

根據(jù)實際情況和鹿溪河上游水環(huán)境的總體變化趨勢,按照川心橋斷面的水質(zhì)狀況,結(jié)合水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施設(shè)置兩種工況,具體見表1。

表1 計算工況詳情對比

2.3 模型介紹

2.3.1 控制方程

非恒定流控制方程[12-13]采用一維Saint-Venant方程組,其中式(1)為連續(xù)方程,式(2)為動量方程，其計算公式如下:

(1)

(2)

式中:Q為流量,m3/s;x為距離,m;Z為水位,m;t為時間,s;q為旁側(cè)單位長度入流流量,m2/s;α為斷面不均勻系數(shù);A為過流斷面面積,m2;B為水面寬度，m;C為謝才系數(shù);R為水力半徑,m；g為重力加速度,m2/s。

水質(zhì)控制方程[13]采用一維對流擴散方程:

(3)

式中:A為過水斷面面積,m2;C為污染物質(zhì)的斷面平均濃度,mg/L;t為時間坐標;Q為斷面平均流量,m3/s;x為空間坐標;Ex為紊動擴散系數(shù);dC/dt為生化反應(yīng)項;S為污染物的排放量,mg。

2.3.2 幾何數(shù)據(jù)

采用2019年4月實測的地形數(shù)據(jù)作為一維水動力水質(zhì)模型中的地形資料,模擬范圍為川心橋—魚劍灘斷面,河段全長42.46 km。在鹿溪河干流上選取15個關(guān)鍵位置斷面,并以其中的廖皇寺、保水溝、河湖交匯、魚劍灘、興隆湖共5個斷面為重要考核斷面,具體位置如圖2所示。模型的計算區(qū)域及計算河段的示意圖如圖3所示。

圖3 鹿溪河流域計算區(qū)域及計算河段示意圖

2.3.3 邊界條件

鹿溪河有很多溝渠,根據(jù)SWAT模型的模擬結(jié)果和實地勘測情況,本次模擬中將污染源及子流域的流量、NH3-N和TP濃度作為水動力學(xué)及水質(zhì)模型的輸入項[14-17]。將天府新區(qū)8座污水處理廠作為補水水源輸入鹿溪河,補水流量和NH3-N、TP濃度見表2。以鹿溪河川心橋斷面2015年各月的實測流量和水質(zhì)濃度為鹿溪河一維水動力水質(zhì)模型的上邊界條件(見表3)，根據(jù)實際查詢到的資料和現(xiàn)場勘測情況,采用魚劍灘溢流堰水位439.2 m為模型的下邊界條件，對鹿溪河干流川心橋—魚劍灘段進行計算。

表2 污水處理廠的出水流量及NH3-N、TP濃度

表3 川心橋斷面2015年各月的實測流量和NH3-N、TP濃度

2.4 模型率定驗證

以鹿溪河魚劍灘斷面2015年各月的水質(zhì)和水量現(xiàn)狀資料為基礎(chǔ)進行模型率定,結(jié)果及誤差如圖4所示和見表4。

圖4 魚劍灘斷面實測值和計算值對比圖

表4 魚劍灘斷面實測值與計算值的預(yù)測誤差

由圖4和表4可知:模型模擬出的流量和水質(zhì)結(jié)果與實測值的基本接近;模型實測流量和計算流量的平均相對誤差為7.00%,模型NH3-N實測濃度和計算濃度的平均相對誤差為13.85%,模型TP實測濃度和計算濃度的平均相對誤差為20.50%。這說明:建立的水動力水質(zhì)模型基本能夠準確模擬鹿溪河水量和水質(zhì)的變化規(guī)律,可用于模擬和預(yù)測計算。

3 結(jié)果分析

3.1 鹿溪河流域污染源預(yù)測與評價

根據(jù)2.1節(jié)中污染源分析與污染負荷計算方法,得到鹿溪河流域的污染負荷量和水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施實施條件下污染物的削減量,最終計算出污染源的實際入河量,結(jié)果見表5。由表5分析可知，水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施實施后污染物入河量明顯降低。其中,NH3-N的削減量占該流域NH3-N總?cè)牒恿康?5%;TP的削減量占該流域TP總?cè)牒恿康?3%。

表5 措施實施后污染物入河負荷量 t/a

2030年措施實施前后NH3-N和TP的空間分布如圖5所示。由圖5可知:流域西部和南部區(qū)域內(nèi)的NH3-N削減明顯,同時東南部區(qū)域內(nèi)的NH3-N也得到了有效的控制;西部和南部區(qū)域內(nèi)的TP得到了明顯的控制,對東南部區(qū)域內(nèi)的TP也有一定的控制效果。這說明5類措施對鹿溪河流域污染源的削減效果顯著。

圖5 2030年措施實施前后NH3-N和TP的負荷量空間分布圖

3.2 目標可達性分析

3.2.1 工況1

將2.3.3節(jié)的邊界條件及3.1節(jié)中的數(shù)據(jù)輸入水質(zhì)模型中,當川心橋斷面的來水水質(zhì)為Ⅳ類水(工況1)時,各重要考核斷面2030年各月的NH3-N和TP的濃度變化情況如圖6所示。由圖6可知:工況1條件下,各重要考核斷面的水質(zhì)基本可達到地表水Ⅳ類標準,魚劍灘斷面部分月份的水質(zhì)可達到地表水Ⅲ類標準。

圖6 工況1條件下各重要考核斷面的NH3-N和TP濃度變化情況

3.2.2 工況2

將2.3.3節(jié)的邊界條件及3.1節(jié)中的數(shù)據(jù)輸入水質(zhì)模型中,當川心橋斷面的來水水質(zhì)為Ⅲ類水(工況2)時,各重要考核斷面2030年各月的NH3-N和TP的濃度變化情況如圖7所示。由圖7可知，各類措施實施后,各重要考核斷面的水質(zhì)基本可以達到地表水Ⅲ類標準。

圖7 工況2條件下各重要考核斷面的NH3-N和TP濃度變化情況

3.3 水質(zhì)達標率分析

對兩種工況下各重要考核斷面的水質(zhì)達標率進行計算，結(jié)果見表6。由表6可知:①工況1條件下各重要考核斷面Ⅳ類水達標率在83%以上,即一年中各斷面的水質(zhì)有300多天達到地表水Ⅳ類標準;保水溝上游斷面和興隆湖斷面的水質(zhì)不達標時段為枯水期。②工況2條件下各重要考核斷面Ⅲ類水達標率也在83%以上;保水溝上游斷面、河湖交匯斷面和興隆湖斷面水質(zhì)不達標的時段為枯水期。

表6 2030年兩種工況下各重要考核斷面的水質(zhì)達標率 %

4 結(jié)語

以水污染較為嚴重的鹿溪河作為研究對象,利用HEC-RAS軟件對鹿溪河干流川心橋—魚劍灘段的水質(zhì)情況進行模擬,以NH3-N、TP為例,計算了研究區(qū)的污染負荷和5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施的削減量,重點分析了在兩種工況下5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施對鹿溪河2030年的水質(zhì)改善效果,得出如下結(jié)論:

1)5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施對污染物的削減效果顯著,NH3-N和TP的削減率分別達到了95%和93%。

2)上游來水水質(zhì)對鹿溪河流域的水質(zhì)提升尤為關(guān)鍵。當上游來水水質(zhì)為地表水Ⅳ類標準(工況1)時,5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施完全實施后,2030年各重要考核斷面的水質(zhì)基本可達地表水Ⅳ類標準;當上游來水水質(zhì)為地表水Ⅲ類標準(工況2)時,5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施完全實施后,2030年各重要考核斷面水質(zhì)可達地表水Ⅲ類標準。

3)兩種工況下，各重要考核斷面的水質(zhì)達標率均為83%以上，且水質(zhì)不達標的時段均為枯水期，因此建議在枯水期實施引水工程。