周荏波

(東莞市南畬塱排站管理處，廣東 東莞 523325)

1 概 述

在枯水期，常由于水量過(guò)小，導(dǎo)致城市河道水動(dòng)力不足，進(jìn)而影響流域的水質(zhì)及河道的自潔能力，甚至?xí)斐伤蛏鷳B(tài)的失衡[1]。為了保持水域的生態(tài)平衡，常采用生態(tài)補(bǔ)水的方式改善枯水期水域的水質(zhì)[2-3]。

目前，已有許多學(xué)者開展了關(guān)于生態(tài)補(bǔ)水對(duì)水域水質(zhì)改善的研究。胡廣早等[4]探討了補(bǔ)水量對(duì)徐州區(qū)段的水質(zhì)改善情況，但缺乏河道水動(dòng)力與補(bǔ)水量的關(guān)系討論。逄敏等[5]針對(duì)秦淮河水質(zhì)，研究了南京防洪控源截污和生態(tài)補(bǔ)水的改善效率，但是對(duì)補(bǔ)水點(diǎn)設(shè)置和水源的選擇思考不夠深入。王雪等[6]探究了檢測(cè)斷面的水質(zhì)參數(shù)，但未考慮河道干流與支流的關(guān)系。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文選取Mikell模型耦合模擬分析某河水域的水質(zhì)情況，探究不同補(bǔ)水量和生態(tài)補(bǔ)水對(duì)河流水質(zhì)水量改善效果，并結(jié)合水文地質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)置合適的補(bǔ)水點(diǎn)，選取合適的補(bǔ)水水源。

2 工程概況

本文所研究的河流圈定范圍為81.6 km2。由于城市排水系統(tǒng)規(guī)劃問(wèn)題，導(dǎo)致居民的生活污水和周邊的生產(chǎn)污水排入河道，污染河水，造成研究區(qū)域水體的生態(tài)系統(tǒng)失衡，生態(tài)結(jié)構(gòu)遭到破壞。在枯水期，由于水位下降，河道的自潔能力未能發(fā)揮作用，加劇了河水水質(zhì)的惡化。

3 水質(zhì)模型構(gòu)建

結(jié)合研究水域的水質(zhì)特點(diǎn)，在研究生態(tài)補(bǔ)水對(duì)城市水質(zhì)的影響規(guī)律時(shí)，取Mikell[7]模型進(jìn)行建模分析。本文的水質(zhì)研究模型主要利用Mikell模型的Ecolab、HD和AD三大模塊耦合構(gòu)建而成，并采用該模型探究生態(tài)補(bǔ)水措施對(duì)河流水質(zhì)改善效果。Ecolab水質(zhì)模塊可以模擬降解有機(jī)物、硝化反應(yīng)、磷反應(yīng)、反硝化反應(yīng)、大氣富氧等相互作用過(guò)程，其原理基于降解反應(yīng)方程，降解反應(yīng)方程可以體現(xiàn)污染物之間的相互作用過(guò)程。

對(duì)研究水域進(jìn)行河網(wǎng)概化后，骨干河道有8條，分別為A河、B河、C河、D河、E河、F河、G河、H河。其中，A河為干流，其余7條河道為支流。在進(jìn)行流域概化時(shí)，調(diào)蓄作用小的河道被視為調(diào)蓄水面。在概化模型中，僅有橡膠壩一個(gè)建筑物，位于A河中游。

在進(jìn)行污染源概化時(shí)，點(diǎn)源和排污口的位置一一對(duì)應(yīng)，分布在河網(wǎng)中。在已建有處理規(guī)模為8×104m3/d的污水處理廠，據(jù)悉近日規(guī)模將再增加4×104m3/d，擴(kuò)建為12×104m3/d，而該區(qū)的日均排污量可達(dá)25.71×104m3/d。因此，超出污水處理廠規(guī)模的污水將使用點(diǎn)源的方式排放，排入就近的支流河道中。采用Load calculator模塊可以實(shí)現(xiàn)污染源面源的概化。據(jù)該區(qū)《人口年報(bào)匯總表》統(tǒng)計(jì)，將未接入城市污水管理系統(tǒng)的污染源如農(nóng)村生活污水、生產(chǎn)污水、畜禽污水、城市生活污水等，污染河段的排污負(fù)荷量將根據(jù)就近原則，利用Mikell模型按照混合模型計(jì)算面源邊界。

以河道枯水期的水位為模型計(jì)算的初始條件，選擇2011年河道枯水期的水位流量為邊界流量，其中C河與D河的邊界流量為1 m3/s；B河、C河、D河、E河、F河的邊界水位為4.8 m。2011年A河下游枯水期的潮位變化趨勢(shì)見圖1。

圖1 A河枯水期下游潮位

河床糙率是主要的水動(dòng)力參數(shù)，采用HD模塊模擬。n為曼寧系數(shù)，本文取n為0.03。Ecolab水質(zhì)模塊可以率定枯水期的水質(zhì)參數(shù)，需要率定的參數(shù)主要有硝化程度、污染物降解速率、富氧率等。在《Ecolab水質(zhì)模塊參考手冊(cè)》中可以查閱其他需要的定值參數(shù)。表1為研究流域的水質(zhì)率定結(jié)果，檢測(cè)面污染物的相對(duì)誤差在表1中也有體現(xiàn)。由表1數(shù)據(jù)可知，C河與E河的TP濃度相對(duì)誤差分別為40%和350%，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的12.5%；其他河流的TP濃度誤差均在12.5%以內(nèi)。但H河與F河的TP濃度的絕對(duì)誤差為0.02和0.07，均小于0.1，從絕對(duì)誤差的角度考慮符合要求。因此，率定結(jié)果合理。

表1 各斷面污染物計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 生態(tài)補(bǔ)水方案設(shè)定

4.1 補(bǔ)水水源選取

生態(tài)補(bǔ)水的水源多為雨水、江湖水庫(kù)原水以及再生水[8]。但再生水的水質(zhì)較差；雨水的補(bǔ)給量不穩(wěn)定；江湖水庫(kù)原水存在著運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、輸水效率低的問(wèn)題。

選擇該區(qū)某水廠原水作為補(bǔ)水水源。水廠原水以長(zhǎng)江水為主，在控源截污后，接入研究水域系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。河流的干流中游建有橡膠壩，由于壩體的存在會(huì)影響補(bǔ)水效果，因此考慮在橡膠壩下游設(shè)置補(bǔ)水站來(lái)研究生態(tài)補(bǔ)水對(duì)河道水質(zhì)水量改善效果。

4.2 補(bǔ)水方案設(shè)定

設(shè)置補(bǔ)水周期為7天，采用水廠原水的補(bǔ)水方案，詳情見表2。由表2可知，根據(jù)補(bǔ)水類型可將補(bǔ)水方案分為兩大類：間斷補(bǔ)水和持續(xù)補(bǔ)水。其中，持續(xù)補(bǔ)水為全天候補(bǔ)水，補(bǔ)水量為10×104m3/d；間斷補(bǔ)水根據(jù)每天的補(bǔ)水量多少又分為3種類型，共設(shè)置4種補(bǔ)水方案。水廠的原供水規(guī)模為15×104m3/d，改造后供水規(guī)?？蛇_(dá)25×104m3/d。

表2 水廠原水補(bǔ)水方案

5 生態(tài)補(bǔ)水效果分析

污染物濃度削減率和流速分布是評(píng)價(jià)生態(tài)補(bǔ)水對(duì)研究水域改善效果的兩個(gè)重要參數(shù)[9]。污染物濃度削減率評(píng)價(jià)又包含3個(gè)指標(biāo)，即COD、NH3-N以及TP，可通過(guò)研究流域的斷面污染物濃度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比得到。而流速分布是體現(xiàn)水質(zhì)狀況的重要參數(shù)[10]，表征水的流動(dòng)性，流速越大，水體的自潔能力越強(qiáng)。

5.1 方案效果比較

各方案處理后的河道斷面污染物濃度與削減率的擬合計(jì)算理論值與實(shí)測(cè)值見表3。

表3 處理后的河道斷面污染物的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

由表3數(shù)據(jù)可知，采用不同方式進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水處理后，對(duì)研究水域的水質(zhì)改善效果并不顯著。方案3中污染物削減率最大，說(shuō)明污染物的削減率與每天的補(bǔ)水量成正比。

為了評(píng)價(jià)不同的間斷補(bǔ)水方案對(duì)河道水質(zhì)水量改善效果，將方案1-方案3的污染物濃度削減率指標(biāo)(COD、NH3-N以及TP)繪制成柱狀圖，并擬合出補(bǔ)水量增長(zhǎng)與濃度削減率的關(guān)系曲線，以便更加清晰地比選措施方案，所得關(guān)系見圖2 。

圖2(a)為不同補(bǔ)水方案對(duì)A河與D河COD濃度削減率的影響趨勢(shì)。由圖2(a)可知，隨著補(bǔ)水量的增大，COD的削減率呈現(xiàn)增大后減小的趨勢(shì)，在補(bǔ)水量為10×104m3/d時(shí)，COD的削減率達(dá)到最大值。在方案1(5×104m3/d)中，有3條河道出現(xiàn)COD的削減率為負(fù)值的現(xiàn)象，這可能是由于補(bǔ)水量過(guò)小，支流的水動(dòng)力不足，導(dǎo)致支流水體的稀釋能力下降，COD削減率因此表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

圖2(b)為不同補(bǔ)水方案對(duì)干流A河與支流D河NH3-N濃度削減率的影響趨勢(shì)。由圖2(b)可知，隨著補(bǔ)水量的增大，D河的NH3-N削減率呈現(xiàn)增大后減小的趨勢(shì)，在補(bǔ)水量為10×104m3/d時(shí)，NH3-N的削減率達(dá)到最大值；而A河的NH3-N削減率隨補(bǔ)水量的增大而增大，在補(bǔ)水量達(dá)到10×104m3/d后，H3-N削減率的增大趨勢(shì)有所減緩。在方案1(5×104m3/d)中，有部分河道出現(xiàn)NH3-N的削減率為負(fù)值的現(xiàn)象，與COD為負(fù)值的原因相同。

圖2(c)為不同補(bǔ)水方案對(duì)干流A河與支流C河TP濃度削減率的影響趨勢(shì)。由圖2(c)可知，隨著補(bǔ)水量的增大，C河的TP削減率呈現(xiàn)增大后減小的趨勢(shì)，在補(bǔ)水量為10×104m3/d時(shí)，TP的削減率達(dá)到最大值。而A河的TP削減率隨補(bǔ)水量的增大而增大，在補(bǔ)水量達(dá)到10×104m3/d后，基本保持不變。

由圖2的分析可知，方案二的生態(tài)補(bǔ)水措施對(duì)A河的水質(zhì)水量改善效果最好。雖然由表3數(shù)據(jù)可知，污染物濃度削減率最高的為方案3，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的原則考慮，方案2要優(yōu)于方案3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，分析間斷補(bǔ)水方案2與持續(xù)補(bǔ)水方案4的優(yōu)劣。方案2的COD削減率與NH3-N削減率均大于方案4，TP的削減率略低于方案4，說(shuō)明COD與NH3-N的削減采用間斷補(bǔ)水更有利，而TP的削減則采用持續(xù)補(bǔ)水更有利。由于枯水期的A河超標(biāo)污染物主要為COD與NH3-N，因此A河的生態(tài)補(bǔ)水方案選擇間斷補(bǔ)水每天8 h、補(bǔ)水量為10×104m3/d的方案2。

圖2 間斷補(bǔ)水方案COD、NH3-N、TP削減率的提高情況

5.2 最終方案效果分析

比較表3中方案2與對(duì)照組的污染物削減率可知，采用間斷式的生態(tài)補(bǔ)水方案，改善前后其他河道的COD削減率均增大4%以上，僅有B河為2.04%。NH3-N與TP的削減率改善效果與COD削減率相當(dāng)，其他河道的NH3-N與TP的削減率分別增大1%和3%以上，而B河的僅分別增大0.31%和0.52%。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，B河的污染物削減率改善效果明顯要弱于其他支流。這是因?yàn)锽河相較于其他支流河道更曲折，并且長(zhǎng)度更長(zhǎng)，曲折的河道減小了支流水動(dòng)力，導(dǎo)致水體的稀釋能力降低，表現(xiàn)為生態(tài)補(bǔ)水后污染物削減率提升幅度要小于其他支流和干流。

方案2與對(duì)照組的研究水域流速分布見圖3。由圖3(a)可知，在對(duì)照組中，A河的橡膠壩上游河段水流流速均大于0.05 m/s，但H河的水流流速由于河道的多彎導(dǎo)致分布不均。A河的中游水流流速在0～0.02 m/s之間，這是由于水流被上游的橡膠壩阻截導(dǎo)致，造成支流的水流流速下降。由此可見，水廠的原水補(bǔ)水點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在橡膠壩下游。

圖3(b)為采用方案2生態(tài)補(bǔ)水后的研究流域流速分布圖。由圖3(b)可知，生態(tài)補(bǔ)水后A河的中下游水流流速顯著上升，增大為0.05～0.1 m/s，增大50%以上。相比于對(duì)照組，位于A河下游的支流在水廠原水補(bǔ)水后流速增大顯著，但位于上游的支流流速變化不大。就流速的改善效果來(lái)看，下游支流末端改善不顯著。

圖3 對(duì)照組和方案2流速分布

6 結(jié) 論

本文選取Mikell模型耦合模擬分析某河水域的水質(zhì)情況，模擬分析不同補(bǔ)水方案下污染物COD、NH3-N、TP削減率及流速分布變化，探究不同補(bǔ)水量和生態(tài)補(bǔ)水方案對(duì)河道水質(zhì)改善效果。結(jié)論如下：

1) 考慮間斷補(bǔ)水和持續(xù)補(bǔ)水，并且設(shè)置不同的補(bǔ)水量。經(jīng)擬合和分析發(fā)現(xiàn)，隨著補(bǔ)水量的增大，污染物濃度削減率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在補(bǔ)水量為10×104m3/d時(shí)，污染物濃度削減率提升效果最為顯著。當(dāng)補(bǔ)水量相同時(shí)，采用間斷補(bǔ)水對(duì)于流域的水質(zhì)改善效果要優(yōu)于持續(xù)補(bǔ)水。

2) 河道水體的流動(dòng)性在生態(tài)補(bǔ)水后顯著增加，水體流速提高，污染物濃度的削減率在生態(tài)補(bǔ)水后有所上升，水質(zhì)得到改善。