某河道水質模擬分析及水質保護措施

王玉玨，馮小平

(德州市水文中心，山東 德州 253016)

1 河道現狀

某河道長23.4 km，河道現狀水質較差，匯入干流河道直接導致干流河水污染。根據現場調查走訪，河道污染源主要來自上游的醫專、第四中學和軸承廠，目前建設占地約22.3×104m2，每天產生的污水約1 800 m3。在枯水季節，現狀上游河段徑流量非常小，加上近年來降雨減少，為保證水庫蓄水量，上游水庫實際運行中無法滿足下泄水量要求。另一方面，河道河口下游約1 800 m處建有一中型閘作為擋水建筑物，以抬高水位滿足灌溉的需求。因此，上游點源污染、河段生態蓄水量不足、水自身水動力較差等問題導致該段河道水質較差。為了解河道污水排入主干流河段的水質變化情況，需對河口-六屯大閘段河道進行水質模擬分析[1]，并提出水質保護措施。

2 水質模擬分析

2.1 二維水質模型

2.1.1 基本方程

河道水質模擬采用MIKE21軟件中二維水動力模型，該模型利用溶質運移方程，計算在水體流動、擴散等條件下的水質變化情況。基本方程如下：

1) 連續方程。

(1)

2) 動量方程。

(2)

(3)

3) 溶質運移方程。

(4)

式中：u、v分別為ζ、η方向流速分量，m/s；h為水位，m；H為水深，m；g為重力加速度；f為柯氏力系數；C為河道中某一位置水體平均濃度。

2.1.2 基本方程的數值離散方法

基本方程組采用ADI法離散，其主要技術路線參照文獻[2]中ADI法進行模型數值離散，該計算方法在很多文章文獻中均有所應用，不再贅述。

2.1.3 定解條件

1) 初始條件。

u=0，v=0，ζ=0

2) 邊界條件。

自由表面邊界條件：對于潮汐模擬，表面風應力為0，(τ0x,τ0y)=(0,0)

3) 動邊界處理。動邊界問題是指計算區域中有水和無水區域交界線的確定問題[3]。本模型采用“凍結法”處理，通過定義臨界水深Δh來確定干濕點或干濕單元，當水深h>Δh時，糙率取正常值；反之，糙率取一大值[4]。對計算區域內灘地干濕過程，采用水位判別法處理，即當某點水深小于一淺水深εdry(如0.1 m)時，令該處流速為零，灘地干出；當該處水深大于εflood(如0.2 m)時，參與計算，潮水上灘。

2.1.4 模型設置

1) 建立模型。本次模擬河段為河道河口上游100 m至六屯大閘處，全長約2 000 m，模擬河段位置圖見圖1。該段河道來水比較單一，沿河段無集水水流特別是污水匯入，根據本項目地形測量數據，利用模型網格生成器制作二維模型有限元網格(參見圖2)。該有限元網格為三角形不均勻網格，共有點1 245個、有限元2 083個。

圖1 模擬河段位置圖

圖2 水質分析斷面

2) 研究工況。由于降雨時河道徑流量較大，對水質改善影響明顯，因此本次水質模型計算僅考慮枯水工況。根據該河道受上游一水庫影響的特點，分成上游徑流量極小和普通兩個工況：①上游徑流量為860 m3/d(僅有大壩滲流水)；②上游徑流量為42 300 m3/d(約0.5 m3/s)，即為上游水庫對下泄最小生態需水量的要求。工況② 在工況①模擬結果基礎上運行，兩種工況其余邊界條件一致。

3) 邊界條件。上邊界流量。工況①：上邊界流量為常數0.01 m3/s≈860 m3/d；工況②：上邊界流量為常數0.50 m3/s≈42 300 m3/d。

水質條件。上邊界濃度：假設該河段上游來水水質達到地表水V類標準，主要指標見表 1。

表1 上游來水水質指標表

入河污水污染： 根據估算入河生活污水量為1 800 m3/d，按平均流量輸入為0.021 m3/s，輸入的入河污水水質見表2。

表2 典型生活污水水質指標表

4)初始條件。

工況①：初始水位設為1 783 m，初始濃度COD為40 mg/L，NH3-N為5 mg/L。

工況②：初始水位基于工況①計算結果，初始濃度亦基于工況①計算結果。

5) 模型參數。計算時長：時間步長10 min，模擬總時長為6 d。糙率：根據上段已治理河道治理資料，該段綜合糙率可取0.031。

6) 水質評價指標。綜合城鎮污水處理廠水污染物排放指標一級A及再生利用景觀用水指標，設定本次水質模擬分析控制指標值見表3。

表3 龍川江易受污染河段水質主要控制指標

2.2 結果分析

模型計算完成后，選取該河段4個典型斷面位置對COD和 NH3-N指標進行分析， 水質分析斷面見圖 2。

2.2.1 工況①水質情況分析

分析圖3可知，該河段在初始水質良好的情況下，由于河道污水的匯入，斷面#1處水體在36 h內COD和NH3-N指標迅速升高，并在約60 h達到最大值，COD濃度約143 mg/L，NH3-N濃度約19 mg/L，并在幾小時后趨于穩定；斷面#2處水體在約96 h后污染物指標達到最大值；斷面#3和#4處水體由于距離河道河口較遠，因此在本次6 d的模擬過程中水質影響較小，但隨著時間的增加，兩處的水體也將被污染。

圖3 工況①水質情況變化曲線

2.2.2 工況②水質情況分析

分析圖4可知，工況②在河水上段已經被污染的情況下，上游輸入0.50 m3/s 的清潔水體，因此斷面#1和#2處水體在12 h內COD和NH3-N指標迅速降低，并最終趨于穩定且小于控制指標；斷面#3和#4處水體受上游來水量增加的影響，上游污染物通過兩處斷面，因此在數小時內濃度經歷了增加又減小的過程，但大部分時間水質良好。

圖4 工況②水質情況變化曲線

綜合以上分析，該河道河口至六屯大閘河段由于受污水排入及水閘攔水的影響，在枯水天數較長時水質會嚴重超標，水體黑臭。

3 水質改善措施

因上游來水量不能保證，為保證河道水質，近期新建約4 500 m2的人工濕地對河道污水進行處理后下放河道，處理規模為1 800 m3/d，遠期考慮將片區污水納入市政污水管網。

3.1 水質改善措施比選

根據2.2一節水質模擬分析，河道水質污染近期需新建污水處理系統，對河道污水進行處理后下放到干流河道。考慮到支流污染來源的復雜性和潛在危害風險性較大的特點， 建議建設分散式污水處理設施或人工濕地進行處理，兩者的優缺點見表4。

表4 污水處理廠和人工濕地優缺點比較

綜合考慮區域地理位置、污水量以及管理維護方面的需要，采用人工濕地技術進行處理。

3.2 濕地選址

生態濕地選址應盡可能選用荒地、洼地和河塘邊等地勢低洼處，減少土方開挖與外運量，就近集中設置，各構筑間銜接順暢，水頭損失較小。本工程選址遵循以下幾點原則：①主要區域應選擇地勢稍低處，減小下游提升泵站的揚程，但又需滿足處理達標水能自流排至支流的要求；②應盡量避免區域水土流域、減少對現狀林木砍伐或破壞；③應充分利用地形地勢，減少土方開挖及外運；④總體布置應便于運行、管理， 運行費用低。

根據現場條件，河道匯入口上游180 m右岸有一塊農田，現狀地面高程為1 786 m左右，適合布置人工濕地。濕地面積4 500 m2，河道該處河底高程1 783.3 m，故需在河道上新建攔水堰，并新建提水泵站，攔水采用埋石混凝土結構，堰高1 m，頂高程1 784 m；提水泵站布置在河道右岸，設潛水泵兩臺，泵站主要參數為Q=100 m3/h，H=6 m，N=4 kW。

3.3 濕地工藝設計

3.3.1 濕地工藝選擇

根據選定的處理方案可知，生態濕地為整個工程的核心部分，根據本工程場地條件、水質條件及水質目標，本工程濕地工藝采用以人工建造為主、可控制的和工程化的水平潛流生態濕地[5]。

3.3.2 進出水設計

根據《人工濕地污水處理技術規范》(HJ 2005-2010)，水平潛流濕地系統污染物去除效率可參照表5取值。本工程從保護河流水質出發，水平潛流濕地系統污染物去除率均取低值，則本工程水平潛流濕地進出水設計指標見表5。

表5 水平潛流濕地系統污染物去除效率

3.4 濕地平面布置

根據《人工濕地污水處理技術規范》(HJ 2005-2010)，結合本工程用地條件，單元長度取45.9 m，單元寬度取15.6 m，則單元長寬比為2.9<3.0，單元面積為716 m2<800 m2，符合規范要求。由前述設計可知，水平潛流生態濕地所需面積為4 500 m2，則本工程水平潛流濕地所需單元數為 6個。水平潛流濕地位于河道河口右岸位置，長度為 95 m，寬度約為 48 m，按照單元長 45.9 m、寬15.6 m 計，本水平潛流濕地可分為3座并聯運行，每座分為2個單元共2個梯級串聯運行，每單元設置一處跌水[6]。

濕地縱向設計：根據《人工濕地污水處理技術規范》(HJ 2005-2010))，水平潛流濕地水力坡度宜為0.5%～1.0%，由于本工程地面坡降較小，為減少挖方，本水平潛流濕地床底坡S取0.5%。結合地勢高程，水平潛流濕地分為兩個梯級，分別為一級水平潛流區，二級水平潛流區，兩級之間跌水0.64 m。從上游往下游，一級水平潛流區底高程為1 785.00～1 784.97 m，二級水平潛流區底高程為1 784.33～1 784.30 m，出水直接排入該河道。

濕地植物的選配：濕地植物選擇耐污能力強、景觀效果好的水生植物。濕地植物可以選擇鳶尾和美人蕉，它們具有白色、紅色、黃色花朵；也可以選擇香蒲、風車草、紙莎草和蘆葦，香蒲較為抗寒，并生長黃色花柱；蘆葦較易成活，生長茂盛，同時也會為鳥類提供棲息地。上述植物在濕地塘栽種時，由邊緣到中心，植株逐漸增高[7]，依次種植鳶尾、風車草、美人蕉、香蒲和蘆葦，形成高低錯落的植物帶，并通過不同植物的搭配，使其四季都能呈現郁郁蔥蔥的景象。有的濕地區域可考慮留出一定面積的游覽休閑空間，使用各色石材布設蜿蜒小徑，或使用木材布設木板棧道，既便于人們參觀游覽，也有利于系統管理調試。

4 結論及建議

通過建立水質模型，對河道河口-六屯大閘段水質進行兩種工況下不同時段的水質模擬分析，了解水質變化情況和變化規律，提出河道污水近期處理方案為人工濕地建設，并進行人工濕地選址、平面布置以及工藝設計等，可有效解決該河道的水質污染問題，提高水質質量。建議將遠期河道污水在上游納入市政污水管網后，待河道水質得到改善后，可拆除人工濕地。