河道水質(zhì)模擬分析及水質(zhì)保護(hù)措施

戴光鑫，朱愛華，朱 剛

（1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心 ,山東 濟(jì)南 250100；2. 夏津縣水豐水利工程有限公司,山東 夏津 250102）

1 河道現(xiàn)狀

某河道長23.4 km,河道現(xiàn)狀水質(zhì)較差,匯入干流河道直接導(dǎo)致干流河水污染。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查走訪,河道污染源主要來自上游的大專、中學(xué)和軸承廠,目前建設(shè)占地約22.3萬m2,每天產(chǎn)生的污水約1800 m3。在枯水季節(jié),現(xiàn)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(shí)際運(yùn)行中無法滿足下泄水量要求,另一方面河道河口下游約1800 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(diǎn)源污染、河段生態(tài)蓄水量不足,水自身水動(dòng)力較差等問題導(dǎo)致該段河道水質(zhì)較差。為了了解河道污水排入主干流河段的水質(zhì)變化情況,需對河口~大閘段河道進(jìn)行水質(zhì)模擬分析,根據(jù)分析結(jié)果提出水質(zhì)保護(hù)措施。

2 水質(zhì)模擬分析

2.1 二維水質(zhì)模型

2.1.1基本方程

河道水質(zhì)模擬采用MIKE21軟件中二維水動(dòng)力模型,本模型利用溶質(zhì)運(yùn)移方程計(jì)算在水體流動(dòng)、擴(kuò)散等條件下的水質(zhì)變化情況,基本方程如下：

（1）連續(xù)方程：

（2）動(dòng)量方程：

（3）溶質(zhì)運(yùn)移方程：

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(shù)；C為河道中某一位置水體平均濃度。

2.1.2基本方程的數(shù)值離散方法

基本方程組采用ADI法離散,其主要技術(shù)路線參照劉宏坤《交匯河段橋梁建設(shè)對水流影響的數(shù)值模擬分析》2.2章節(jié)中ADI法進(jìn)行模型數(shù)值離散方法中采用技術(shù)路線［1］,計(jì)算方法在很多文章文獻(xiàn)中均有所應(yīng)用,不在贅述。

2.1.3定解條件（1）初始條件：u=0,v=0,ζ=0。

（3）動(dòng)邊界處理

動(dòng)邊界問題是指計(jì)算區(qū)域中有水和無水區(qū)域交界線的確定問題［2］,本模型采用“凍結(jié)法”處理,通過定義臨界水深Δh來確定干、濕點(diǎn)或干、濕單元,當(dāng)水深h＞Δh時(shí),糙率取正常值,反之糙率取一大值［3］,對計(jì)算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過程,采用水位判別法處理,即當(dāng)某點(diǎn)水深小于一淺水深εdry（如0.1 m） 時(shí),令該處流速為零,灘地干出,當(dāng)該處水深大于εflood（如0.2 m）時(shí),參與計(jì)算,潮水上灘。

2.1.4模型設(shè)置

（1）建立模型

本次模擬河段為河道河口上游100 m至大閘處,全長約2000 m,模擬河段位置圖見圖 3,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(jù)本項(xiàng)目地形測量數(shù)據(jù),利用模型網(wǎng)格生成器制作二維模型有限元網(wǎng)格,見圖4。該有限元網(wǎng)格為三角形不均勻網(wǎng)格,共有點(diǎn)1245 個(gè),有限元2083 個(gè)。

圖4 二維模型有限元網(wǎng)格

（2）研究工況

由于降雨時(shí)河道徑流量較大,對水質(zhì)改善影響明顯,因此本次水質(zhì)模型計(jì)算僅考慮枯水工況,根據(jù)該河道受上游一水庫影響的特點(diǎn),分成上游徑流量極小和普通兩個(gè)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42300 m3/d（約 0.5 m3/s）,即為上游水庫對下泄最小生態(tài)需水量的要求。工況② 在工況①模擬結(jié)果基礎(chǔ)上運(yùn)行,兩種工況其余邊界條件一致。

（3）邊界條件

1）上邊界流量：工況①,上邊界流量為常數(shù) 0.01 m3/s≈860 m3/d；工況②,上邊界流量為常數(shù)0.50 m3/s≈42300 m3/d。

2）水質(zhì)條件

上邊界濃度：假設(shè)該河段上游來水水質(zhì)達(dá)到地表水V類標(biāo)準(zhǔn),主要指標(biāo)見表 1。

表1 上游來水水質(zhì)指標(biāo)表

入河污水污染： 根據(jù)估算入河生活污水量為1800 m3/d,按平均流量輸入為0.021 m3/s,輸入的入河污水水質(zhì)見表 2。

表2 典型生活污水水質(zhì)指標(biāo)表

（4）初始條件

工況①,初始水位設(shè)為1783 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(jì)算結(jié)果,初始濃度為亦基于工況①計(jì)算結(jié)果。

（5）模型參數(shù)

計(jì)算時(shí)長：時(shí)間步長10 min,模擬總時(shí)長為6 天。糙率：根據(jù)上段已治理河道治理資料,該段綜合糙率可取0.031。

（6）水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)

綜合城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放指標(biāo)一級A及再生利用景觀用水指標(biāo),設(shè)定本次水質(zhì)模擬分析控制指標(biāo)值見表3。

表3 易受污染河段水質(zhì)主要控制指標(biāo)

2.2 結(jié)果分析

模型計(jì)算完成后,選取該河段4個(gè)典型斷面位置對COD和 NH3-N指標(biāo)進(jìn)行分析, 水質(zhì)分析斷面見圖 5。

圖5 水質(zhì)分析斷面

工況①水質(zhì)情況分析見圖6。

圖6 工況①水質(zhì)情況

根據(jù)圖 6 分析可知,該河段在初始水質(zhì)良好的情況下,由于河道污水的匯入,斷面#1 處水體在36 小時(shí)內(nèi)COD和NH3-N指標(biāo)迅速升高,并在約60 小時(shí)達(dá)到最大值,COD濃度約為143 mg/L,NH3-N濃度約為19 mg/L,并在幾小時(shí)后趨于穩(wěn)定；斷面#2 處水體在約96 小時(shí)后污染物指標(biāo)達(dá)到最大值；斷面#3 和#4 處水體由于距離河道河口較遠(yuǎn),因此在本次6天的模擬過程中水質(zhì)影響較小,但隨著時(shí)間的增加,兩處的水體也將被污染。

（2）工況②水質(zhì)情況分析

（a）工況②COD濃度變化曲線

根據(jù)圖 7 分析可知,工況②在河水上段已經(jīng)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 小時(shí)內(nèi)COD和NH3-N指標(biāo)迅速降低,并最終趨于穩(wěn)定且小于控制指標(biāo)；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(shù)小時(shí)內(nèi)濃度經(jīng)歷了增加又減小的過程,但大部分時(shí)間水質(zhì)良好。

圖7 工況②水質(zhì)情況

綜合以上分析,該河道河口至大閘河段由于受污水排入及水閘攔水的影響,在枯水天數(shù)較長時(shí)水質(zhì)會(huì)嚴(yán)重超標(biāo),水體黑臭。

3 水質(zhì)改善措施

由于上游來水量不能保證,為保證河道水質(zhì),近期新建約 4500 m2的人工濕地對河道污水進(jìn)行處理后下放河道,處理規(guī)模為1800 m3/d,遠(yuǎn)期考慮將片區(qū)污水納入市政污水管網(wǎng)。

3.1 水質(zhì)改善措施比選

根據(jù) 2.2 水質(zhì)模擬分析,河道水質(zhì)污染近期需新建污水處理系統(tǒng)對河道污水進(jìn)行處理后下放到干流河道,考慮到支流污染來源的復(fù)雜性和潛在危害風(fēng)險(xiǎn)性較大的特點(diǎn), 建議建設(shè)分散式污水處理設(shè)施或人工濕地進(jìn)行處理,兩者的優(yōu)缺點(diǎn)見表 4。

表4 污水處理廠和人工濕地優(yōu)缺點(diǎn)比較

綜合考慮區(qū)域地理位置、污水量,以及管理維護(hù)方面的需要,建議采用人工濕地技術(shù)進(jìn)行處理。

3.2 濕地選址

根據(jù)現(xiàn)場條件,河道匯入口上游180 m右岸有一塊農(nóng)田,現(xiàn)狀地面高程為1786 m左右,適合布置人工濕地,濕地面積4500 m2,河道該處河底高程 1783.3 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(jié)構(gòu),堰高1 m,頂高程1784 m；提水泵站布置在河道右岸,設(shè)潛水泵兩臺,泵站主要參數(shù)為Q=100 m3/h,H=6 m,N=4 kW。

3.3 濕地工藝設(shè)計(jì)

（1）濕地工藝選擇

根據(jù)前述選定的處理方案可知,生態(tài)濕地為整個(gè)工程的核心部分,根據(jù)本工程場地條件、水質(zhì)條件及水質(zhì)目標(biāo),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(tài)濕地,建設(shè)濕地總面積4500 m2。

（2）進(jìn)出水設(shè)計(jì)

根據(jù)《人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范》（HJ 2005-2010）,水平潛流濕地系統(tǒng)污染物去除效率可參照表6 取值,本工程從保護(hù)河流水質(zhì)出發(fā),水平潛流濕地系統(tǒng)污染物去除率均取低值,則本工程水平潛流濕地進(jìn)出水設(shè)計(jì)指標(biāo)見表5。

表5 水平潛流濕地系統(tǒng)污染物去除效率

3.4 濕地平面布置

由前述設(shè)計(jì)可知,水平潛流生態(tài)濕地所需面積為 4500 m2,則本工程水平潛流濕地所需單元數(shù)為 6 個(gè)。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(jì),本水平潛流濕地可分為3 座并聯(lián)運(yùn)行,每座分為2 個(gè)單元共2 個(gè)梯級串聯(lián)運(yùn)行,每單元設(shè)置一處跌水。

濕地縱向設(shè)計(jì)：根據(jù)《人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范》（HJ 2005-2010）,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(jié)合地勢高程,水平潛流濕地分為兩個(gè)梯級,分別為一級水平潛流區(qū),二級水平潛流區(qū)［4］,兩級之間跌水0.64 m。從上游往下游,一級水平潛流區(qū)底高程為1785.00 m~1784.97 m,二級水平潛流區(qū)底高程為1784.33 m~1784.30 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(qiáng)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(fēng)車草、紙莎草和蘆葦。上述植物在濕地塘栽種時(shí),由邊緣到中心,植株逐漸增高［5］,依次種植鳶尾、風(fēng)車草、美人蕉、香蒲和蘆葦,形成高低錯(cuò)落的植物帶,并通過不同植物的搭配,使其四季都能呈現(xiàn)郁郁蔥蔥的景象。

4 結(jié)論及建議

通過建立水質(zhì)模型,對河道河口～六屯大閘段水質(zhì)進(jìn)行2 種工況下不同時(shí)段的水質(zhì)模擬分析,了解了水質(zhì)變化情況和變化規(guī)律,并提出河道污水近期處理方案為人工濕地建設(shè),并進(jìn)行人工濕地選址、平面布置以及工藝設(shè)計(jì)等,可有效地解決該河道的水質(zhì)污染問題,提高水質(zhì)質(zhì)量,建議在遠(yuǎn)期河道污水在上游納入市政污水管網(wǎng)后,待河道水質(zhì)將得到改善,可拆除人工濕地。