灌河生態修復人工濕地的水動力水質模擬

侯曉輝　周倩　邢寶龍　

摘 要：灌河沿線分布多個城市和鄉鎮，為保證河道水質，針對不同河段污染特征及場地條件，沿線分別布置支流匯入口表流人工濕地、污水處理廠尾水潛流人工濕地、河道灘地溪流濕地 、入河排污口生態濕地等4種不同工藝類型的人工濕地。為驗證人工濕地對水質改善的效果，采用MIKE21模型對灌河進行二維水動力水質模擬，對比分析了人工濕地工程實施前后灌河控制斷面水質情況，結果表明：通過對沿線生活污水排放口、支流匯入口、面源污染排放區等設置人工濕地，能夠有效降低入河污染物量，人工濕地在改善河流水環境和水生態方面具有良好的效果。

關鍵詞：人工濕地;MIKE21;水質;生態修復

中圖分類號：X522?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.013

Hydrodynamic and Water Quality Model of Constructed Wetland Ecological Restoration in Guanhe River Basin

HOU Xiaohui1， ZHOU Qian2， XING Baolong1， ZHAO Tongyang1， SONG Wenchao1

（1.Henan Water & Power Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China;

2.Zhengzhou City Municipal Engineering Design & Research Institute， Zhengzhou 450046， China）

Abstract：There are many cities along the Guanhe River. In order to ensure the water quality， according to the pollution characteristics and site conditions of different river sections， four different types of constructed wetlands are arranged along the river， namely， surface flow constructed wetland at tributary inlet， tail-water subsurface constructed wetland at sewage treatment plant， stream wetland at river beach and ecological wetland at sewage outlet. In order to verify the effect of constructed wetlands on water quality improvement， MIKE21 numerical simulation software was used for water quality to construct two-dimensional hydrodynamic and water quality model of the Guanhe River. It compared and analyzed the water quality standard of the river before and after the implementation of constructed wetland project. The results show that constructed wetlands can effectively reduce the amount of pollutants entering the river by setting up domestic sewage outfall， tributary inlet and non-point source pollution discharge area along the river and constructed wetlands have good effects on improving river water environment and water ecology.

Key words： constructed wetlands; MIKE21; water quality; ecological restoration

隨著綠色發展觀的提出，生態建設力度逐漸加大，流域生態建設處于新的歷史發展階段和治水興水的重要戰略機遇期。為了貫徹落實四水同治、加速推進河南省水利現代化，河南省政府選取灌河等10條河流率先開展流域生態系統治理規劃，其中開展的灌河流域綜合治理與生態修復，打造綠色生態河流廊道，對改善區域生態環境具有重要引領示范作用。

人工濕地作為生態修復常用的技術方法之一，具有投資節省、處理效果良好、運行費用低等優點[1-3]，在污水處理廠尾水、入河排污口、河湖水質提升、農村生活污水等污染水體治理實踐中被廣泛應用[4-7]。但已有研究主要是將人工濕地應用于單一點源污染處理，缺乏在規劃設計階段人工濕地布置方案的可行性分析，因此筆者針對灌河流域實際污染特點，沿河規劃布置不同類型的人工濕地，通過構建MIKE21水動力-水質模型，分析并論證人工濕地布置的合理性及對水環境改善的效果。

1 流域環境現狀及分析

1.1 流域概況

灌河是淮河右岸二級支流、史河左岸一級支流，發源于河南省信陽市商城縣黃柏山，流經商城、固始兩縣，在固始縣蔣集鎮與史河相匯成為史灌河，于固始縣三河尖匯入淮河。灌河干流全長164 km，流域面積1 650 km2，其中：商城縣境內河長108 km，境內流域面積1 280 km2;固始縣境內河長56 km，境內流域面積370 km2。灌河流域區位優勢獨特，山環水潤，東南西三面由縱向山脊環繞，有大小山峰300余座，自南向北穿越中低山、低山丘陵、丘陵壟崗、平原四大風貌區。鲇魚山水庫以南兩岸山峰疊嶂，地勢險要，海拔千米以上山峰有黃柏山、磨盤山、九峰尖、大牛山等;鲇魚山水庫庫區周圍是山地環境，海拔為100～800 m，坡度較大;鲇魚山水庫壩址以北河道兩岸地勢逐漸平緩，河床比降為1/800～1/1 000。

1.2 流域污染現狀

1.2.1 水質污染現狀

隨著灌河流域開發強度的加大，水質呈現惡化趨勢。鲇魚山水庫以上河段長竹園鄉、達權店鎮等沿線村鎮生活污水直排入河，導致局部河段個別污染因子超標;鲇魚山水庫至商城縣界河段，屬于開發利用區，沿線分布有商城縣城、產業集聚區、河鳳橋鄉及上石橋鎮等，污水處理廠尾水及部分生活污水排放導致此段污染較嚴重;灌河固始段因接納了固始縣城區污水廠尾水，現狀水質為《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類。

根據《信陽市水功能區水資源質量狀況通報》（2017年），灌河除商城排污控制區只進行水質類別評價不進行考核外，其他3個待考核水功能區（黃柏山省級自然保護區、鲇魚山壩下農業用水區、灌河下游農業用水區）水質均不達標。采用年度均值評價法，選用雙指標評價（氨氮和CODMn）和全指標評價（共26項）兩種評價方法，對照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）進行水功能區水質類別評價，灌河流域水功能區水質狀況見表1。

1.2.2 污染因素分析

（1）點源污染直排入河。灌河干流直排污水口共有27處，其中鲇魚山水庫以上有3處，鲇魚山水庫—商城縣界有17處，固始縣境內有7處。直排污水多為生活污水或者混合污水，生活污水主要有汪沖村、武畈村、湯泉池、余洼、油坊、閔灣、石牛村、團結村等入河排污口，混合污水有張新灣、河鳳橋老街、河鳳橋村新街、八里灘村等入河排污口，工業污水有山信糧業有限公司入河排污口。

（2）城鎮污水處理廠尾水入河。灌河流域范圍內有污水處理廠4座，商城縣境內3座、固始縣境內1座，現狀廢污水處理能力是9萬t/d，見表2。污水處理廠出水標準執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A，低于《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅴ類標準，仍屬于點源污染，直排入河會給灌河帶來較大污染負荷，是灌河污染的重要因素。

（3）支流匯入帶來的污染。灌河流域支流眾多，廣泛分布在商城縣、固始縣境內城區、村鎮，由于環保基礎設施不完善、農業面源污染治理滯后，部分支流水質較差，尤其是陶家河、周小河、河鳳橋河、上石橋河等流經城鎮的支流，部分生活污水直排入河，導致這幾條支流污染嚴重，NH3-N、TP等嚴重超標，匯入灌河后，給灌河帶入較大的污染負荷，這也是灌河鲇魚山水庫以下河段水質惡化的主要因素。

2 工程措施

（1）支流匯入口人工濕地凈化工程。在支流匯入口處建設人工濕地，減少支流帶入灌河的污染物。在關門河、毛坪河、陶家河、河鳳橋河、上石橋河、周小河等支流匯入口，結合河流灘地、河口三角洲等實際情況，合理規劃人工濕地，通過濕地植物的吸附、攔截、凈化作用，削減各支流匯入的污染物。人工濕地工藝以表流人工濕地為主，通過設置溢流堰、小型攔河壩的方式，將水引入人工濕地凈化區，表流人工濕地可采用“回腸式”，盡可能延長水力停留時間，增加污水與濕地植物接觸時間，提高污染物去除率。

（2）污水處理廠尾水人工濕地凈化工程。針對現有污水處理廠出水水質不滿足灌河水功能區水質要求的情況，規劃建設商城湯泉池污水處理廠、開源污水處理廠、聚源污水處理廠及固始第二污水處理廠等尾水人工濕地凈化工程，因地制宜，合理確定濕地規模、濕地類別及濕地工藝等。人工濕地工藝以人工潛流濕地為主，可采用“水平潛流人工濕地+垂直流人工濕地”“生態基人工濕地+水平潛流人工濕地+垂直流人工濕地”等復合人工濕地，通過設置不同粒徑的填料層，提高污染物的去除效率。

（3）河道灘地溪流濕地工程。陶家河入灌河口—上石橋鎮河段，總長約25 km，分別流經商城縣城區、產業集聚區、河鳳橋鄉和上石橋鎮等，受沿岸點源與面源污染影響較大，且灘地植被單一，自凈能力差。根據此段灘地寬、岸坡緩的特點，可引水入灘，構建灘地溪流濕地，結合河床灘地地形，構建濕地植物塘、沉水植物帶、浮水植物帶、挺水植物帶、沼生植物帶、濕生植物帶等不同類型的植物群落，進而創造好氧、缺氧、厭氧環境，降解與吸收不同有機、無機污染物，提升河流自然凈化能力。

（4）入河排污口生態濕地治理工程。針對灌河沿岸已設定的排污口，為進一步改善其水質、滿足灌河水功能區水質要求，開展商城縣團結、山信糧業和固始縣柳溝、徐寨、葉臺、道超等入河排污口污水生態治理工程，通過在排污口設置“跌水堰+灘地生態塘+水生植被帶”的方式，對排污口污水進行深度凈化。利用跌水堰進行充氧曝氣;生態塘可起到沉淀作用，生態塘內沉水植物可進一步去除氨氮和總磷;出水進入河道水生植物帶，起到進一步過濾、吸附、凈化的作用。平地村、新店村、歐樓村、閔灣村、石牛村、新橋村、八里灘村等，遠離城鎮，宜采用分散式方法處理農村生活污水，可建設“化糞池+生物氧化塘+挺水植物人工濕地+水平潛流濕地”的污水凈化系統，對灌河沿線村莊生活污水進行生態治理。灌河沿線人工濕地布置見表3。

3 水動力水質模擬及分析

3.1 數學模型

（1）水動力模型。采用MIKE21模型中FM模塊建立水動力水質耦合模型。二維水動力模型是基于Boussinesq和靜壓假定的二維不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程和連續方程建立的，模型基本控制方程：

式中：t為時間;η為水面相對于未擾動水面的高度;h為總水深;、分別為垂向平均流速在x、y方向上的分量;Pa為當地大氣壓;g為重力加速度;ρ為水密度;ρ0為參考水密度;f為科氏力系數（f=2Ωsin φ，Ω為地球自轉角速率，Ω=0.729×10-4s-1，φ為地理緯度）;sxx、sxy、syx、syy為輻射應力分量;Txx、Txy、Tyy為水平黏滯應力項;τsx、τsy為水面風應力張量;τbx、τby為河床底部應力張量;S為源匯項;us、vs為源匯項水流流速。

（2）水質模型。水質模型模塊（TR）與水動力模型模塊是動態連接的，可以模擬污染物在河流中的擴散情況，進而分析模擬區域污染物的遷移擴散規律，得出不同斷面污染物的濃度。采用的二維對流擴散方程為

Ct+uCx+vCy=Dx2Cx2+Dy2Cy2

式中：C為污染物濃度;u、v分別為x、y方向的流速;Dx、Dy分別為x、y方向上的擴散系數。

3.2 水質因子選擇及參數設置

根據灌河現狀水質分析，沿程點源污染主要是生活污水，面源污染是農業匯流，超標因子主要是COD、NH3-N、TP，因此選擇COD、NH3-N、TP作為污染控制因子。模型初始邊界條件設置：上邊界鲇魚山大壩流量采用近10 a最枯月平均流量0.5 m3/s，現狀水質按照地表水Ⅱ類標準;面源污染產生量按照枯水期徑流量143.36萬m3估算，面源污染物濃度參考目前國內城市雨水地表徑流污染物含量監測成果，COD、NH3-N、TP濃度分別為80、1.14、0.73 mg/L;點源污染主要考慮直排生活污水、污水處理廠尾水、陶家河入河污染物等污染較重的污染源，具體流量、濃度見表4。

3.3 模擬結果分析

為了對比工程方案實施前后的水質變化情況，利用MIKE21模型對現狀水質和工程措施實施后水質變化情況進行分析，以驗證工程措施是否有效。

（1）現狀水質變化。根據灌河沿線排污口資料，利用MIKE21模型對鲇魚山水庫大壩以下灌河流域進行二維水動力水質模擬。結合《河南省水環境功能區劃》對灌河進行分段考核，商城陶家河入河口上游600 m為考核斷面B—B，商城陶家河入河口下游1 800 m為考核斷面C—C，商城縣界灌河為考核斷面為D—D。工程實施前灌河現狀水質狀況見圖1。

模擬結果顯示：考核斷面B—B，COD、NH3-N、TP濃度分別為2.89、0.13、0.023 mg/L，符合地表水Ⅱ類標準，符合鲇魚山水庫水質現狀;考核斷面C—C，COD、NH3-N、TP濃度分別為38.81、4.17、0.870 mg/L，屬地表水劣Ⅴ類水;考核斷面D—D，COD、NH3-N、TP濃度分別為14.00、1.46、0.270 mg/L，屬地表水Ⅳ類水。根據現有資料分析，斷面B—B和斷面C—C之間為商城縣城，大量污染物排入導致C—C斷面水質急劇下降;開源污水處理廠尾水、支流陶家河水質污染、沿河村莊生活污水等污染源匯入也是C—C斷面水質差的主要原因。

（2）工程措施實施后水質變化情況。在污水處理廠尾水人工濕地凈化工程、入河排污口生態濕地凈化工程、支流匯入口人工濕地等工程實施后，通過MIKE21模型模擬灌河水質變化情況，上游邊界流量為0.5 m3/s時，灌河水質狀況見圖2。驗證結果顯示，C—C斷面，COD、NH3-N、TP濃度分別為19.75、0.95、0.190 mg/L，滿足地表水Ⅲ類水標準;D—D斷面，COD、NH3-N、TP濃度分別為8.22、0.39、0.080 mg/L，滿足地表水Ⅱ類水標準。模擬水質結果符合水功能區水質目標要求，說明灌河沿線人工濕地實施后，可以實現灌河水質目標。

通過對人工濕地工程布置方案實施前后兩種情況模擬對比分析發現，人工濕地實施后，COD、NH3-N、TP等污染控制指標均顯著下降，其中C—C斷面COD、NH3-N、TP濃度分別下降了49.12%、77.21%、78.16%，D—D斷面COD、NH3-N、TP濃度分別下降了41.29%、73.29%、70.37%，且控制斷面水質達到了水質目標要求。說明灌河沿線布置的人工濕地能夠顯著降低入河污染物量，提升灌河水體自凈能力，對改善灌河流域水環境和水生態具有良好的效果。模擬結果證明了工程布置措施可行，水質目標可達。

4 結 論

（1）在對灌河水質現狀及污染因素分析的基礎上，根據入河污染物特征，因地制宜，選擇合適的人工濕地工藝技術，布置不同類別的人工濕地，去除入河污染物，其中：支流入河口以人工表流濕地為主，形式可采用“回腸式”;污水處理廠尾水水質提升可選擇復合人工潛流濕地;污染嚴重的河段可設置灘地溪流人工濕地;一般入河排污口可結合場地高程，采用“跌水堰+生態塘+人工濕地”的組合工藝;分散的農村生活污水可采用“化糞池+生物氧化塘+挺水植物人工濕地+水平潛流濕地”的組合工藝。

（2）基于MIKE21模型對灌河鲇魚山以下河段進行了二維水動力-水質模擬，通過對人工濕地工程措施實施前后水質模擬結果對比分析得出，濕地工程實施后主要污染因子COD、NH3-N、TP濃度均有明顯下降，且控制斷面水質達到了水質目標要求，說明人工濕地能夠顯著降低入河污染物量，對改善灌河流域水環境和水生態具有良好的效果。

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【責任編輯 呂艷梅】

收稿日期：2019-08-06

作者簡介：侯曉輝（1985—），男，河南鄭州人，工程師，碩士，主要從事水環境治理與水生態修復工作

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