翟敏婷，張 云，張 弛，薛樹紅，李飄飄

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710000；2.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，西安 710000）

0 引 言

我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，給河流水環(huán)境帶來了巨大壓力，威脅了生態(tài)環(huán)境的安全，制定科學(xué)有效的水環(huán)境治理方案和工程措施成為生態(tài)環(huán)境發(fā)展的迫切需求。目前國內(nèi)外在河流水質(zhì)提升領(lǐng)域已形成大量較為成熟的工程治理措施，包括生態(tài)濕地工程、復(fù)氧曝氣工程、生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建工程等［1-4］。近年來，利用生物膜凈化水質(zhì)處理技術(shù)不斷地發(fā)展并廣泛應(yīng)用［5］。礫石生物濾床（以下簡稱“濾床”）技術(shù)屬于改進(jìn)的生物膜工藝，通過鋪設(shè)多層礫石，大幅度提升微生物附著面積，增加生物膜量，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化提升［6］。與傳統(tǒng)生物膜技術(shù)相比，礫石生物濾床天然材料成本低、易獲得，應(yīng)用布置簡單，運(yùn)行管理方便，在水環(huán)境治理領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用。國內(nèi)外開展了諸多科學(xué)研究和工程實(shí)踐，其中日本江戶川構(gòu)建生物濾床凈化廠治理河水，BOD、NH4+-N 去除率達(dá)75.2%、71.1%，凈化效果尤其顯著［7］。臺灣老街溪采用旁路礫石生物濾床處理污染河水，BOD去除率為20%～70%，SS 去除率為77%，采用曝氣后，BOD 去除率可上升到50%～80%［8］。葛俊等采用礫石生物濾床對白鶴溪水質(zhì)進(jìn)行凈化，HRT為2.5 h工況下，COD、NH4+-N、TN去除率均值分別為42.7%、83.6%、31.6%［9］。然而以往研究多注重于濾床運(yùn)行后對水質(zhì)的凈化效果分析，關(guān)于濾床規(guī)模參數(shù)確定以及不同規(guī)模、不同邊界條件下濾床對不同區(qū)域條件、不同污染程度河道的污染處理效果研究，并能夠指導(dǎo)工程規(guī)劃和應(yīng)用實(shí)踐的研究尚待加強(qiáng)。本研究針對漢中某水系特性，通過室內(nèi)小型礫石濾床水質(zhì)凈化實(shí)驗(yàn)?zāi)M成果結(jié)合國內(nèi)外廣泛使用的QUAL2k水質(zhì)模型，模擬研究不同工況下濾床對河道水質(zhì)凈化效果，以期為濾床參數(shù)確定提供科學(xué)依據(jù)，并為其他濾床水質(zhì)凈化處理工程建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)域概況

興漢新區(qū)城市水系位于陜西省漢中市，是由興漢新區(qū)內(nèi)原有七個小水庫整理聯(lián)通形成的新的水域，本次研究范圍為水系源頭至下游1 000 m。研究區(qū)所在的漢中市屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.7 ℃。年平均降水量在800～1 000 mm 之間，其中6-9月降雨量占全年降雨量的80%左右，冬季11-2月占全年降雨量的5%～8%。降水空間分布不均，漢江北岸由南向北遞增，降水在900～1 000 mm，盆地中部約800 mm左右，漢江以南的米倉山地區(qū)由北向南遞減，最大可達(dá)1 600 mm以上。全年陰天較多，濕度較大，風(fēng)速小。

2 模型構(gòu)建及工況分析

2.1 QUAL2k模型簡介

QUAL2k 模型是美國環(huán)保局推出的綜合性、多用途的一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型［10］。模型采用有限差分法模擬計(jì)算一維平流-彌散的污染組分的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，適用于充分混合的樹枝狀河流和寬深比不大的中小型河道的多種水質(zhì)組分模擬。模型將河道劃分為一系列恒定非均勻流河段，同一河段具有相同的水力、水質(zhì)特征及參數(shù)，進(jìn)一步將河段劃分成相同長度的計(jì)算單元。點(diǎn)源以某一坐標(biāo)點(diǎn)的形式按照實(shí)際排污口的位置添加到河道和對應(yīng)單元中；非點(diǎn)源在影響區(qū)域內(nèi)按距離平均分配至各單元進(jìn)行模擬計(jì)算［11-15］。

2.2 水系模型構(gòu)建

漢中水系模擬主要污染指標(biāo)為NH4+-N、PO43--P、COD，QUAL2k 水質(zhì)模型包含氮、磷模塊，可自定義設(shè)置COD 模塊，滿足組分模擬要求；干流模擬段全長1 km，河道寬5～10 m，河道水深約0.5 m，寬深比不大，河長遠(yuǎn)大于河寬和河深，基本可認(rèn)為各種污染組分在水體中沿橫向和垂向能夠混合均勻，主要是縱向反應(yīng)，靠縱向遷移向下游輸送污染物和水量，符合模型的適用條件。

模型構(gòu)建時將研究區(qū)彎曲的河段概化為順直河段，根據(jù)控制斷面位置分布情況把模擬河道劃分為2 個河段、4 個長度為250 m 的計(jì)算單元，下游500 m 處作為水質(zhì)控制斷面，濾床作為旁路支流以點(diǎn)源的形式加入模型。下游到上游源頭的樁號范圍為K0+000～K1+000。見圖1。

圖1 河流概化與河道劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of river generalization and channel division

2.3 邊界條件與模型參數(shù)

2.3.1 邊界水質(zhì)數(shù)據(jù)

研究區(qū)冬季和夏季的河道源頭水質(zhì)差異較大，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場采樣后實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果，見表1。參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值，采用單因子指數(shù)法對研究指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，結(jié)果表明受污染河水在冬季污染物濃度高，夏季污染物濃度低，主要污染物為化學(xué)需氧量、氮和磷，濃度均超過地表水V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。此外本次采樣水體中有機(jī)磷含量較少可忽略不計(jì)，后續(xù)在水質(zhì)評價(jià)時用PO43--P 濃度代替TP濃度進(jìn)行分析。

表1 冬季和夏季進(jìn)水水質(zhì) mg/LTab.1 Influent water quality in winter and summer

2.3.2 邊界水量數(shù)據(jù)

根據(jù)歷史實(shí)測流量數(shù)據(jù)，結(jié)合后期河道運(yùn)行狀況，將夏季河道源頭流量設(shè)定為1.1 m3/s，冬季流量設(shè)定為0.8 m3/s，全段無其他水源補(bǔ)給和引水工程。

2.3.3 氣象數(shù)據(jù)

模型氣象數(shù)據(jù)輸入包括氣溫、露點(diǎn)溫度、風(fēng)速、云量覆蓋百分度表示以及河流遮陰率。氣象數(shù)據(jù)來源為漢中市氣象站1981-2010年月平均氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，氣溫?cái)?shù)據(jù)為日最高溫度和日最低溫度的平均值。露點(diǎn)溫度根據(jù)氣溫和相對濕度計(jì)算得到。由于漢中水系主要干流流經(jīng)山地和平原地帶，河流遮陰率統(tǒng)一采用5%。氣象數(shù)據(jù)取值見表2。

表2 氣象數(shù)據(jù)取值表Tab.2 Value table of meteorological data

2.3.4 模型參數(shù)

模型參數(shù)主要包括河道的自然特征參數(shù)、水力參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)三類，參考本工程相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)及其他相關(guān)工程參數(shù)取值范圍，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，確定研究區(qū)自然特征參數(shù)河底藻類覆蓋度達(dá)到20%～30%，河底沉積物的覆蓋度可達(dá)到75%～90%，復(fù)氧參數(shù)選擇模型內(nèi)置的復(fù)氧模型（O’Connor-Dobbins 公式），根據(jù)河流水深、溫度及風(fēng)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動計(jì)算。水力參數(shù)取值河道縱坡為3%，曼寧系數(shù)n為0.05，河岸左右邊坡坡度均設(shè)置為1∶3。

水質(zhì)參數(shù)包括模型中與氮磷和COD 反應(yīng)相關(guān)的所有參數(shù)，根據(jù)夏季（2018年7月13日、7月14日、8月11日）和冬季（2018年12月7日）沿河自上游至下游4 個點(diǎn)位（編號1～4）現(xiàn)場采集水體水樣的實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)分析結(jié)果數(shù)據(jù)對模型水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行率定，利用10月25日實(shí)測數(shù)據(jù)對率定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，率定和驗(yàn)證過程見圖2，模型模擬值和實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測值相對誤差保持在30%以內(nèi)，滿足精度要求。最終參數(shù)取值見表3。

表3 水質(zhì)參數(shù)取值表Tab.3 Water quality parameter value table

圖2 率定與驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Calibration and verification results

2.3.5 工況設(shè)計(jì)

綜合考慮河道周邊用地、河流水質(zhì)情況、濾床反應(yīng)條件等要求，設(shè)計(jì)以下幾種工況條件。

把濾床作為支流加入漢中水系模型，在距源頭100 m 附近處（樁號K0+900）引出一部分水至礫石濾床，引水水量為各工況設(shè)計(jì)流量，經(jīng)濾床凈化后再在距源頭200～300 m 附近處（樁號K0+700～K0+800）引入原河道。以水力停留時間（HRT）為控制指標(biāo)，夏季HRT 為6 h，冬季為12 h，因此不同規(guī)模的濾床對河道水體凈化效果主要取決于濾床處理水量的差異。

本次室內(nèi)濾床凈化概化實(shí)驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，對各濾床反應(yīng)器成功掛膜后，人工配制反應(yīng)器進(jìn)水，分別模擬冬季和夏季水質(zhì)，試驗(yàn)期間，每3 d 收集一次反應(yīng)器出水水樣，反應(yīng)穩(wěn)定時收集沿程水樣，所有水樣都測定以下常規(guī)指標(biāo)，包括TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P 以及COD，同時監(jiān)測反應(yīng)器中DO、T 和出水pH。其中pH 采用PHS-3C pH 計(jì)測定，T、DO 采用梅特勒S9 溶解氧測定儀測量，COD 采用重鉻酸鉀法測量，TN、NH4+-N、NO3--N、PO43--P 等采用XINMAO752N 分光光度計(jì)測量。冬夏實(shí)驗(yàn)歷時均為105 d。本文以室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支流輸入水質(zhì)濃度數(shù)據(jù)，其中濾床進(jìn)水口的濃度為取水口處原河道的模擬輸出濃度，出水口匯入河道處的濃度通過進(jìn)水濃度和出-進(jìn)水濃度比計(jì)算可得，出-進(jìn)水濃度比等于出水口濃度/進(jìn)水口濃度，見表5。

表5 濾床對污染物凈化實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果Tab.5 Experimental simulation results of filter bed purification of pollutants

3 結(jié)果與分析

基于本文構(gòu)建的漢中水系QUAL2k模型模擬不同工況下濾床對研究區(qū)水質(zhì)的凈化效果，評估控制斷面水質(zhì)狀況，與地表水Ⅲ、Ⅳ類水作比較。夏季、冬季不同尺寸礫石濾床對漢中水系水質(zhì)凈化效果模擬結(jié)果見圖3、4。

表4 濾床參數(shù)設(shè)計(jì)表Tab.4 Table of design filter bed parameters

圖3 夏季不同尺寸礫石濾床對漢中水系水質(zhì)凈化效果模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of water purification effect of different size gravel filter bed in Hanzhong river system in summer

由夏季模擬結(jié)果可知，對于方案S1，即不加任何措施的原天然河道，在原河道自凈及污染遷移轉(zhuǎn)化過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD 濃度分別為2.81、0.33、29.02 mg/L，去除率分別為7.8%、6.9%、5.6%，其中COD 可達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N 和PO43--P 均超標(biāo)；對于方案S2，即在原天然河道旁路加100 m長度的礫石濾床，在原河道自凈、污染遷移轉(zhuǎn)化及礫石濾床凈化多重過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD濃度分別為2.08、0.23、20.53 mg/L，去除率分別為32.0%、34.0%、33.2%，其中COD 可達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，接近Ⅲ類水，NH4+-N 和PO43--P 仍超標(biāo)；對于方案S3，即在原天然河道旁路加200m 長度的礫石濾床，在原河道自凈、污染遷移轉(zhuǎn)化及礫石濾床凈化多重過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD濃度分別為1.48、0.16、14.11 mg/L，去除率分別為51.5%、54.3%、54.1%，其中COD 和PO43--P 達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N 達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)綜合比選，200 m 的濾床已經(jīng)可滿足PO43--P、COD 達(dá)到Ⅲ類水的水質(zhì)目標(biāo)，對于超標(biāo)少量的NH4+-N 污染物，為避免濾池尺寸不必要的浪費(fèi)，建議采用其他措施進(jìn)行單指標(biāo)處理。

圖4 冬季不同尺寸礫石濾床對漢中水系水質(zhì)凈化效果模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of water purification effect of different size gravel filter bed in Hanzhong river system in winter

由冬季模擬結(jié)果可知，對于方案W1，即不加任何措施的原天然河道，在原河道自凈及污染遷移轉(zhuǎn)化過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD 濃度分別為8.03、0.707、37.89 mg/L，去除率分別為1.4%、3.1%、6.1%，均超過Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N 和PO43--P甚至為劣Ⅴ類水；對于方案W2，即在原天然河道兩岸各加150 m 共計(jì)300 m 長度的礫石濾床，在原河道自凈、污染遷移轉(zhuǎn)化及礫石濾床凈化多重過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD 濃度分別為4.46、0.44、21.93 mg/L，去除率分別為45.2%、39.7%、46.0%，其中COD 可達(dá)到IV 類水標(biāo)準(zhǔn)，接近Ⅲ類水，NH4+-N和PO43--P仍超標(biāo)；對于方案W3，即在原天然河道旁路左右兩岸各加200 m 共計(jì)400 m 長度的礫石濾床，在原河道自凈、污染遷移轉(zhuǎn)化及礫石濾床凈化多重過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD 濃度分別為2.56、0.315、19.86 mg/L，其中COD 達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N 仍超過IV 類水標(biāo)準(zhǔn)，PO43--P 接近Ⅳ類水。經(jīng)綜合比選，方案W2 可滿足COD 達(dá)到Ⅳ類水的水質(zhì)目標(biāo)，方案W3 可滿足COD 達(dá)到Ⅲ類水、PO43--P 接近Ⅳ類水的水質(zhì)目標(biāo)，W3 對NH4+-N、PO43--P、COD 的去除率分別為68.6%、57.5%、51.1%。多種尺寸的濾床作用下NH4+-N 仍始終超標(biāo)，主要原因?yàn)楦髦狭鹘?jīng)區(qū)域主要為農(nóng)業(yè)種植區(qū)，水體主要污染為農(nóng)業(yè)面源污染，且漢中地區(qū)種植灌溉主要在冬春季節(jié)。長期水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明該面源污染受季節(jié)影響特別是冬季灌溉較大，有機(jī)物（COD、BOD5）、氮（TN 和NH4+-N）、磷（TP 和PO43--P）濃度均在冬季最高。此外設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下冬季河道流量較小，河道自身稀釋凈化作用相對較弱，僅靠濾床的外部作用無法起到大量削減污染的目的，建議搭配其他措施組合提升水質(zhì)。

4 結(jié) 論

多種工況下模型模擬結(jié)果表明：夏季濾床HRT=6 h 水力條件下，100 m 的濾床可將控制斷面COD 提升至Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，200 m 的濾床可將控制斷面PO43--P、COD 提升至Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，將NH4+-N 提升至Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，200 m 的濾床對NH4+-N、PO43--P、COD 的去除率分別為51.5%、54.3%、54.1%；冬季濾床HRT=12 h水力條件下，300 m 的濾床可滿足COD 達(dá)到Ⅳ類水，400 m 的濾床可滿足COD 達(dá)到Ⅲ類水、PO43--P 接近Ⅳ類水的水質(zhì)目標(biāo)，400 m 的濾床對NH4+-N、PO43--P、COD 的去除率分別為68.6%、57.5%、51.1%。

根據(jù)模型模擬結(jié)果，濾床尺寸越大，對污染去除率越高，但在工程應(yīng)用和方案制定過程中，需綜合考慮用地限制、經(jīng)濟(jì)成本、凈化效果等多因素，因此針對水體污染較嚴(yán)重、河道本身流量較小、稀釋凈化作用弱或僅個別指標(biāo)未達(dá)標(biāo)等問題，建議采用模擬優(yōu)化后的相應(yīng)規(guī)模的濾床搭配組合其他措施進(jìn)行單指標(biāo)處理。