生態護坡河道的流態特征分析及水質模擬

蔣 彬，吳義鋒,黃富民，朱建國，仲兆平

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074； 2.東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京 210096；3.江蘇省城市規劃設計研究院，江蘇 南京 210036)

生態護坡河道的流態特征分析及水質模擬

蔣 彬1,2,3，吳義鋒2,黃富民3，朱建國3，仲兆平2

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074； 2.東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京 210096；3.江蘇省城市規劃設計研究院，江蘇 南京 210036)

采用“三面光”河道和生態混凝土護坡河道進行了對照試驗。結果表明：生態混凝土護坡河道的坡面粗糙系數更大。在采用生態混凝土進行河流生態修復工程設計時，宜采用0.088以上的粗糙系數進行設計。生態護坡河道的生物生態型水質綜合模型可對污染物特征因子NH3-N和TP進行較好地模擬。采用不同的模擬參數，可對不同污染物的去除效果進行有效識別。

環境工程；生態混凝土；護坡；水質模擬

生態混凝土是改善河、湖硬質化護坡的新型材料。本試驗通過相關試驗研究，證明了生態混凝土護坡河道的水質改善效果及生態效應。但生態混凝土護坡面較為粗糙，降低了河道的過水能力。因此，有必要研究生態混凝土護坡河道壁面的粗糙系數和水流流態特征，為生態混凝土的推廣和應用提供技術資料。

國外對天然河道水流水動力特性的模型研究較多[1-2]，而國內的研究主要側重于河流生態修復效果的評價[3]，或者由于所得出的水質模型均基于尺度較小的小試研究數據，其適用性較差[4-5]。對涉及生態混凝土護坡河道的水質模型研究，更是鮮見報道。欲探討生態混凝土護坡河道中水質變化規律，可建立水質數學模型，通過數值模擬來率定和識別模型參數，研究水質變化過程和污染物去除機理。污染物在水體中的遷移轉化過程中涉及物理、化學和生物等過程的協同作用，因此，在建立水質模型時，必須考慮諸多過程的影響因素[6]，以建立較為實用的生態混凝土護坡河道水質改善和生態效應的評價體系。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

建立2條相同幾何尺寸的環形模擬試驗河道，河道外側岸周長54.7 m，內側岸周長29.5 m。河道斷面為梯形斷面，底寬1 m，上寬4 m，深1 m，岸坡坡度1∶1.5。河道水源經水泵提升，在入口及出口處均安裝流量計及閥門控制流量。河道中安裝水下推進器以模擬河水流動。河道Ⅰ采用標號為C15的混凝土進行“三面光”護坡，作為本試驗的空白對照；河道Ⅱ采用生態混凝土護坡。

1.2 試驗方法

1.2.1 流態特征及坡面粗糙系數

河水流速、坡面粗糙系數均會對水體水力停留時間(HRT)及水體與護坡的接觸情況產生影響，從而影響生態混凝土護坡的水質改善效應。因此，必須對模擬河道的流速分布及坡面粗糙系數進行分析。

測試流速時，在環形河道上設置兩個測試斷面，分別位于環形河道直線段的兩端，兩斷面相距21.0 m，斷面A位于水下推進器前方3.5 m處，斷面B位于水下推進器前方24.5 m處。在各斷面上確定5條流速測試垂線及9個測試點，如圖1。測試時，河道Ⅰ、河道Ⅱ中的流量相同，且使河道Ⅱ中平均流速接近于天然河道流速。

圖1 流速測試垂線和測試點分布(單位：m)

模擬河道為梯形斷面，采用謝才公式和曼寧公式進行水力計算[7]。斷面平均流速為5個測速垂線的9個測試點的平均值。已知參數為：水深h(實測)、流速v(實測)、邊坡系數m1=1.5、河床寬度b=1.0 m等；中間參數：水力坡降i；待求參數：坡面粗糙系數n1。

計算時，假設河床坡降i等于水力坡度J，即單位河段長度總水頭的減小值。經過推導，得到坡面粗糙率n1的計算公式如下(推導過程略)：

(1)

式中：v1，v2為兩斷面的平均流速；D為兩斷面之間的距離。

1.2.2 水質模型

基于生態動力學反應原理，在一級反應時，綜合Monod方程等相關模型，可把生態動力學模型的水質方程歸納為[8-10]

(2)

式中：n2為“箱子”數目；ki為速率常數；K為半飽和常數；C為污染物濃度。

模擬河道中河水在水下推進器的推動和混合下，可視為完全混合型水體。而對于完全混合型水體，污染物濃度變化方程為

(3)

式中：K為污染物綜合降解系數；VβC0為試驗周期內周圍環境(如降雨等因素)輸入的污染物負荷總量；C為污染物濃度。

生態混凝土具有孔隙結構，以其為基礎構建的護坡河道屬于結構較完整的微型生態系統，污染物在模擬河道中降解過程包括一系列物理、化學和生物等協同作用。因此，為詳細研究系數K，將污染物降解過程分為3個模塊：①生物模塊(包括微生物、綠色植物等)；②化學模塊(水解、化學沉降、氧化還原反應等)；③物理模塊(吸附、離子交換、離散等)。

1)生物模塊

(4)

2)化學模塊

根據環境化學反應表征模型，污染物的化學降解過程為

(5)

3)物理模塊

污染物的物理行為主要包括坡面基質對污染物的吸附、離子交換和離散等作用，其物理去除過程為

(6)

式(4)～式(6)中：k1，k2，k3為速率常數；n，p，q為相應指數。

忽略試驗期內周圍環境排入模擬河道的污染物負荷總量，即VβC0=0，則河道水質模型可表示為

(7)

令k=k1×k2×k3，m=n+p+q，則式(7)簡化為

(8)

式中：k為模型的綜合系數；K為半飽和常數；m，n定義為模型的功能參數，其中m為綜合效應系數，n為生物效應系數。

采用4階Rugge-Kutta方法對水質模型數值求解[13]，水質模擬指標選擇試驗水體中的2個特征污染因子：NH3-N和TP。針對不同的水力停留時間，分析河道Ⅰ、河道Ⅱ中特征污染因子濃度的變化。水力停留時間的調整通過控制每條模擬河道的進水流量及出水流量得以實現。

1.3 分析方法

流速測試采用LS78型旋杯式流速儀測試流速。各水質指標分析方法見《水和廢水監測分析方法》[14]。

2 結果與分析

2.1 流速分布特征

模擬河道流態受環形河道和水下推進器的影響，斷面流速分布不均。“三面光”護坡河道Ⅰ的流速變化幅度不大，斷面A平均流速為0.441 m/s，斷面B的平均流速為0.406 m/s。而生態混凝土護坡河道Ⅱ在同樣的水力條件下，因護坡面粗糙率和河流彎曲度的影響，流速衰減較快，斷面A平均流速為0.341 m/s，斷面B的平均流速僅為0.106 m/s。

圖2為兩條模擬河道在斷面B處的流速等值線。由圖2可知，河道Ⅰ、河道Ⅱ斷面流速等值線分布差異較大。河道Ⅰ因護坡面較為光滑，水流流態受到水流推進器和河道彎曲的共同影響，流速從內側向外側逐漸增加；水面下0.2 m的水平線上內側流速為0.267 m/s，中泓線流速為0.40 m/s，外側流速高達0.58 m/s，即斷面流速橫向差別較大，斷面流速垂向差別較小。河道Ⅱ因生態混凝土護坡面粗糙率高，斷面B的流態基本接近河渠中天然水流狀態；水面下0.4 m中泓線處流速最大，為0.161 m/s，接近底部處流速較低，僅為0.053 m/s，受河道彎曲度的影響，外側流速略高于內側。

圖2 斷面B處的流速等值線Fig.2 Velocity contour of section B of tested rivers

2.2 坡面粗糙系數的確定

將實驗所測流速及斷面幾何尺寸數據代入式(1)，即可得坡面粗糙系數n1。河道Ⅰ護坡材料為標號C15的傳統混凝土，且坡面進行了抹灰處理，故表面比較光滑，n1=0.012 2。河道Ⅱ護坡材料為生態混凝土，坡面較為粗糙，且坡面空隙填充土壤覆土以利于植物的生長，故粗糙系數較大，n1=0.087 9，為前者的7.2倍，過水能力較小。雖然生態混凝土護坡河道Ⅱ具有良好的水質改善和生態效應，但卻損失了部分過水能力。因此，在采用生態混凝土進行河流生態修復工程設計時，應二者兼顧，宜采用0.088以上的粗糙系數進行設計。

2.3 水質模型參數的率定

2.3.1 NH3-N濃度的數值模擬

圖3為河道Ⅰ、河道Ⅱ在HRT分別為1，2 d的NH3-N濃度的實測和模擬情況。

圖3 模型NH3-N計算值與實測值關系Fig.3 Relationship between calculation values and measured values of NH3-N

HRT=1，2d時，河道Ⅰ中NH3-N模型計算值和實測值的標準誤差分別為0.047和0.032，相關系數R2分別為0.99，0.96；河道Ⅱ中模型計算值和實測值的標準誤差分別為0.082，0.052，相關系數R2分別為0.88，0.75。水質模型模擬河道Ⅰ的NH3-N濃度變化時精度較高。河道Ⅱ模擬效果稍差，當初始NH3-N濃度較高時，模型計算值偏大。

表1為模型模擬NH3-N濃度時率定的水質參數。由表1可知，河道Ⅱ綜合系數k值是河道Ⅰ的6.9倍，因此河道Ⅱ中NH3-N的去除速率明顯高于河道Ⅰ。另外，在率定河道Ⅱ中水質指標NH3-N的相關參數時，模型對綜合效應系數m比較敏感，僅在m=1.0時能較好的計算數值，此時n=0.81，水質模型趨近于Monod方程，說明河道Ⅱ中NH3-N濃度降低主要通過微生物的作用，河水中溶解氧較高，生態護坡面氨化細菌、硝化細菌數量大，因此硝化強度大，同時綠色植物也對NH3-N具有一定的吸收作用，NH3-N能在較短的時間內被去除。河道Ⅰ中n/m為0.53，NH3-N除通過水中浮游細菌的作用被去除外，水解、揮發等非生物作用也有一定的去除效果，但去除速率較慢。

表1 模擬NH3-N計算參數

2.3.2 TP指標數值模擬

圖4為兩條模擬河道在HRT分別為1，2 d的TP濃度模擬情況。HRT為1，2 d時，河道Ⅰ中TP濃度模型計算值和實測值標準誤差分別為0.004，0.003，相關系數R2分別為0.98，0.99；河道Ⅱ中TP濃度模型計算值與實測值標準誤差分別為0.004，0.012，相關系數R2分別為0.75，0.95。可見模型對TP的模擬精度較高。但河道Ⅱ在HRT=1 d時模擬效果不如河道Ⅰ；河道ⅠTP濃度模擬效果較好，實測值和計算值的相關系數達0.98以上。

圖4 模型TP計算值與實測值關系Fig.4 Relation between calculation values and measured values of TP

表2為水質模型模擬TP濃度的計算參數。表中數據顯示河道Ⅱ的綜合系數k是河道Ⅰ的1.77倍，河道Ⅱ中TP濃度去除較快。從模型的功能參數m，n數值來看，兩條河道的差別不大；n/m數值均較小，表明在TP的去除過程中，通過生物作用的去除效果并不占優，而是通過物理、化學作用予以去除。模擬河道為環形的封閉河道，由于受到混凝土護坡面釋放堿性物質的影響，河水的pH值在8.0—9.0之間，堿性條件下磷酸鹽易發生化學反應生成沉淀而被去除[15]。河道Ⅱ的n/m相對較大，從一個側面反映了生態混凝土護坡的生態效應。因此，上述所建立的水質數學模型能識別水中污染物的去除途徑和效果。

表2 模擬TP計算參數

3 結 論

1)河道Ⅰ的坡面粗糙系數為0.012 2，河道Ⅱ的坡面粗糙系數為0.087 9。因此，在采用生態混凝土進行河流生態修復工程設計時，應將二者有機結合，宜采用0.088以上的粗糙系數進行設計。

2)在將水中污染物的生物、化學、物理作用過程進行耦合的基礎上，建立了生態護坡河道的生物生態型水質綜合模型，并針對污染物特征因子NH3-N，TP，對模型進行率定，模型計算值和實測值的相關性較好，模型模擬精度較高。相比于“三面光”河道，生態混凝土護坡河道n/m數值大，污染物去除過程中的生物效應更明顯，河流生態系統水平更高，水質改善效果更好。

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Flow Pattern Characteristics Analysis and Water Quality Simulation of River with Ecological Concrete Revetment

JIANG Bin1,2,3, WU Yifeng2, HUANG Fumin3, ZHU Jianguo3, ZHONG Zhaoping2

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Hydraulic and Water Transport Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, P.R.China;3. Jiangsu Institute of Urban Planning and Design, Nanjing 210036, Jiangsu, P.R.China)

A contrasted experiment was conducted in two river models, which were respectively built by common concrete and ecological concrete. The experiment results indicate that roughness coefficient of ecological concrete revetment is greater than that of hard revetment. When ecological concrete is adopted in the design of river ecological restoration project, the appropriate roughness coefficients for the design should be more than 0.088. The pollutant characteristic factors, such as NH3-N and TP, can be well simulated in the biological and ecological water quality comprehensive model of the river with ecological concrete revetment. Removal efficiencies for different pollutants can be effectively identified by using different simulation parameters.

environment engineering; ecological concrete; revetment; water quality simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.15

2015-09-25；

2015-12-13

國家科技支撐計劃課題(2013BAJ10B13);重慶交通大學省部共建水利水運工程教育部重點實驗室開放基金項目(SLK2011B03)

蔣 彬(1972—)，男，重慶人，博士，主要從事水處理術、生態修復技術方面的研究。E-mail：jb340@163.com。

X522

A

1674-0696(2016)03-066-05