水環境生物
——生態修復模式優化研究

青島市水務事業發展服務中心 徐佳佳

一、基礎理論

（一）水環境容量與水質模型概述

水環境容量是指水體承載污染物的能力，具體體現為針對目標水體，特定水文條件下，在達到目標水質時，單位時間內水體能夠容納的最大污染物量。水環境容量的要素主要有：研究水域、水質目標和納污能力。

計算水環境容量需要建立水環境容量的數學模型，水環境容量模型的建立基礎是水質數學模型，用于描述河流水質的數學模型有很多，如：穩態模型、動態模型、簡單的零維模型、一維水質模型、二維水質模型、三維水質模型等。

1.河流水質模型

河流水質模型是以數學方程的方式，描述研究因素在水體中隨著空間、時間發生變化的規律，是應用歷史最長的一種環境系統數學模型。水質模型按研究對象的水質隨不同空間的分布變化，可分為零維、一維、二維、三維模型；按研究對象的水質隨不同時間的變化，可分為穩態、動態模型；按研究對象的污染物來源分布不同，分為點源、面源污染模型；以影響因素的數量為劃分依據，可分為單一、綜合水質模型。

從水質模型的空間維數來說，所有的水體系統理論上都是三維結構，但實際使用中，往往不需要非常精確地考慮所有因素，因此三維以下的水質模型就能滿足要求。如果只是對較小區域的水質進行粗略的估算，零維模型就已足夠。如果需要對較長河段的水體中污染物分布情況分析時，一維模型可以滿足需求。如果要對水質污染物的分布情況分河段、分部位細化分析，就需要增加模型維數，考慮采用二維、甚至三維的模型。當三維中某一維方向上控制因子混合比較均勻，而其它二維方向上有較大的濃度梯度時，更適合運用二維模型。

（1）零維模型

零維模型在水質模型運用時的主要形式是河流稀釋模型；對于湖泊和水庫，主要表現為箱式模型。其污染物濃度計算結果偏小，可引入不均勻系數加以修正。其方程如下：

式中：C-污染物稀釋濃度（mg/l），CP-污染物排放濃度（mg/l），QP-廢水排放濃度（mg/l），Ck-來流污染物濃度（mg/l），Qk-河流流量（m3/s）。

（2）一維模型

對于河流而言，一維模型假定污染物濃度僅在縱向（水流方向）上發生變化，當計算河段同時滿足下列條件：①河段寬度和深度較小，并可簡化為矩形斷面；②污染物基本達到均勻混合狀態所用時間較短；③橫向和垂向（水深方向）的污染物濃度變化非常小，可以忽略時，可采用以下一維穩態方程進行水質計算：

式中：C-污染物濃度（mg/l），x-沿河縱向長度（m），u-河流斷面平均流速（m/s）,K-污染物綜合衰減系數，E-河流縱向離散系數（m2/s）。

忽略離散作用，即E=0時，上式的解析解為：

式中：C-預測斷面水質濃度（mg/l），C0-起始斷面水質濃度（mg/l），k-水質綜合衰減系數，x-斷面間距（m），u-河段平均流速（m/s）。

（3）二維模型

二維模型主要適用于在污染物不能盡快混合或橫向有明顯的濃度梯度的情況，這種狀況主要發生在河段較寬或長度較短的水域水體中，此時需要建立二維水質模型，以模擬污染物在垂向和橫向上的濃度變化。河流二維模型有解析解與數值解之分，其解析解模型為：

式中：y-目標位置到河岸的垂直距離（m），My-橫向擴散系數，h-河段起始斷面平均深度，其余同上。

（4）三維模型

如果在x、y、z三個維度上都存在濃度梯度的時候，則需采用三維模型。理論上來說，大部分水域水體的污染都是發生在三個維度上，需要使用三維模型來詮釋和解決，但在實際應用中，一般會根據水質管理的不同需求、污染物混合程度和水域的結構特點，將水質模型概化為相對簡單的二維、一維乃至零維來處理。

2.水環境容量模型

水環境容量很大程度上可以數據的形式體現社會經濟活動對水生態環境的影響，主要由稀釋容量和自凈容量組成，主要的計算方法有：解析公式法、環境容量定義法、模型試錯法等。解析公式法適用于河流流速、斷面面積較小的情況，一維水質模型應用較多。環境容量定義法是基于水環境凈化目標和自凈規律的概念計算方法，其簡單方便，該方法假定各河段斷面水質均達到目標水質要求，計算條件趨于理想狀態。模型試錯法適用于河網，并且河網中各河段之間相互產生影響，適合非穩態的河流水環境容量的計算。本文采用解析公式法計算水環境容量。

基于一維水質模型的水環境容量模型具體計算公式為

式中：C0-起始斷面的水質濃度（mg/L）；Q0-起始斷面流量(m3/s)；k-水質綜合衰減系數（d-1）；x-斷面間河段長（m）；u-河段平均流速（m/s）；Cs-水功能區劃的水質目標；q-入河污水流量（m3/s）。

（二）水質模型和水環境容量模型的確定

本項目研究河段屬于寬淺比較小的小河流，因此選用一維水質模型進行水質的預測與水環境容量的計算。

（三）水環境容量計算控制因子的選定

根據前期的水質調查可知，固城湖區養殖廢水中污染物主要是TN、TP，因此本文選定TN、TP作為控制因子。

（四）水環境容量模型參數設計值的確定

1.本底濃度

本底濃度是指被研究水體的初始濃度，其取值應該是研究水域上斷面的污染物濃度。如果上斷面污染物的真實濃度低于上斷面的水質標準所規定的濃度，則取上斷面的水質標準濃度。

2.目標濃度

選取水域控制污染因素，劃定模型研究控制斷面，根據水質管理的目標需求，確定控制因素的目標濃度。

3.流速

流速確定主要分為三種情況，當實測資料比較豐富，可以根據水位、設計流量及水面面積，推算出流速；當資料不足時，可選取經驗公式，計算所求斷面的流速；條件允許時也可通過實測法確定。

4.降解系數

降解系數是水質模型的關鍵參數之一，它反映了污染物濃度在水體中變化速度的快慢。計算方法主要有：

（1）資料類比分析法

通過查閱資料，將所研究的目標河流的實際情況，類比相關的河流，選取情況相近的河流，分析其已有的研究成果，確定目標河流的系數。

（2）實測數據估值法

試驗條件允許下，選擇河岸、流速情況較理想的河段，示蹤試驗選定的目標污染物在水體中的變化情況，依據降解系數的推算公式測算有關數據。

（3）利用常規監測資料估算

在設有固定水質監測設施、且監測資料較完備齊全的河流，可以取用監測資料記錄數據進行估算，此方法適用于水利水文設施較完善的重要河流。

本項目采用實測數據估算法，進行示蹤監測，選取中試現場整條河道，在進水和出水兩段面進行采樣，測定TN、TP濃度，確定不同控制因子的降解系數。

二、密集養殖區水環境生物生態修復技術模式優化數學模型

（一）試驗區河道概況

所選試驗區地點位于高淳固城湖周邊永勝圩螃蟹養殖區的圩區河道內，永勝圩總體呈長方形輪廓，三面臨近固城湖。試驗河段位于圩區中部迎湖桃源度假村附近，河段寬約15m，長約150m，水深1.0～1.2m。

（二）河道水質監測情況

試驗區上游河道全長約3000m，為較準確研究河流的自凈能力，將河流劃分為5段，平均每600m取一次水樣，測定其TN、TP濃度，作為建立養殖區生物—生態修復技術數學模型的基礎資料。

河道流速采用現場監測法，7次取樣的流速分別為0.0178m/s、0.017m/s，0.0192m/s、0.0181m/s、0.0183m/s、0.0180m/s、0.0175m/s。

（三）原河道降解系數測定

本次采用實測數據估值法進行降解系數的測算，根據一維水質模型，以現場收集監測的水質及流量情況為基礎，將上小節中七次取樣的濃度監測數值取平均值，可以推算出河道各段的降解系數。計算結果如表1。

表1 各控制因子的k降解系數值單位：d-1

降解系數是水質模型的基礎參數，降解系數確定后，根據一維水質模型可以通過河道中某點的水質情況，預測前后任意處的水質狀況，這對固城湖區養殖廢水的污染狀況的掌控及污染水體的修復治理有很重要的理論意義。

（四）試驗生態修復區綜合降解系數

于試驗區設置四個不同的浮床覆蓋率 0%、20%、30%、40%，每個浮床長度50m，進行開放水域的水質凈化試驗，通過研究不同凈化指標的去除情況，結合水質模型理論，分析在生態修復手段下的河流降解系數，探求不同浮床覆蓋率對生態修復系統的綜合降解系數的影響，為試驗區制定水環境凈化模式及參數提供理論依據。

沿水流方向每50米分別設A、B、C、D、E五個取樣點，試驗每7天取一次水樣，連續監測四次，取其結果的平均值作為最終的水質濃度（見表2、表3）。

表2 TN的綜合降解系數計算表

表3 TP的綜合降解系數計算表

通過數據回歸分析可以得出，生物生態修復系統中各污染控制因子的綜合降解系數與系統浮床覆蓋率之間有一定的數量關系，歸納結果見表4。

表4 覆蓋率與綜合降解系數關系方程式

根據以上回歸方程，可以預測系統不同覆蓋率下的水體綜合降解系數，進而預測經過不同覆蓋率的生物生態修復系統處理的水體的出水水質，抑或根據目標水質要求，推測滿足要求的最小覆蓋率。

三、生物—生態修復模式設定

為降低試驗區河道入湖水質濃度，我們在河段入湖口采用生物—生態修復措施，通過上述原河道水質模型及生物—生態修復系統綜合降解系數的研究進行計算，根據計算結果確定修復方案。分別假定入湖口處鋪設500m、1000m、1500m長度的修復系統，浮床覆蓋率選用30%，則整個河道的水體凈化分為河流自凈部分和生物生態系統凈化部分，水質模型計算結果見表5。

表5 不同生物生態修復系統長度下河道水環境容量 單位：t/a

從表5可以看出，鋪設500m修復系統后的水環境容量比無外力修復的原河道有所改善，但在地表水Ⅲ級的水質目標下，TN的污染量仍超出水體承載能力。鋪設1000m修復系統后，在太湖流域養殖水排放Ⅰ級水質標準下，TN、TP的水環境容量分別是500m長度的3倍、1.7倍，增幅明顯，但在地表水Ⅲ級的水質目標下，整條河道的TN含量仍處于超負荷狀態。鋪設1500m修復系統后，兩個水質標準下，各控制目標的水環境容量均有富余，較之1000m長度的水環境容量增幅亦十分明顯。實際工作中可根據具體的入湖水質目標要求及主要污染控制目標和對整個河道的水環境要求，來確定修復技術模式。

四、總結

通過現場取樣監測，依據一維水質模型，測算得出試驗區河道降解系數，并計算出現狀水質下每年內需要削減的污染物的總量。通過實驗，分析確定生物生態修復系統中浮床覆蓋率與綜合降解系數間的關系，運用excel進行數據分析，得出覆蓋率與綜合降解系數間的數量方程，在此基礎上針對試驗區河道設定不同的修復模式下，為生物生態修復系統在處理養殖廢水中的靈活運用提供理論依據。