西安皂河治理水源補給設計方案對河道水質演變影響研究

林志遠

（中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710000）

1 引言

目前,我國大部分城市河道水質受到人類活動影響[1,2],造成河床淤泥積壓、堤身水土流失及水質富營養(yǎng)化等問題[3,4],對河流水生態(tài)環(huán)境帶來較大負面影響。針對河道水質受污染狀況,開展河道水源補給設計顯得尤為重要,其有利于改善河流水質[5],對泥沙淤積等具有排泥降淤作用。因而,開展河道水源補給方案設計研究對推動水質治理水平具有重要意義。楊媛媛等[6]、王正冉等[7]、陳秀洪等[8]基于河道水質現(xiàn)狀,劃分出不同監(jiān)測斷面,通過布設傳感器等監(jiān)測手段,研究河道各特征斷面上水質的時空演化特征,為評價河道水質凈化處理或水源補給設計提供了依據(jù)。張月婷等[9]、季洪濤[10]、羅志潔[11]基于MIKE 水動力學模擬平臺,探討了動水作用下水質污染物遷移特征,分析了水質特征參數(shù)受水力特性影響變化,有助于豐富河流水質處理及評價水質狀態(tài)成果。利用構建水質模型手段,可以建立水質與污染物的演變,楊芬等[12]、裴羽佳等[13]采用WASP 模型、SWMM 模型等可以較好模擬水質在動水作用下水質主要特征參數(shù)的演變,對研究水質治理或凈化具有參考價值。本文基于西安皂河水源補給設計方案問題,建立了皂河水質SWMM 模型,研究了水源補給點與補給量對水質改善的影響,為皂河水源補給設計提供依據(jù)與參考。

2 水源補給方案

2.1 工程概況

西安長安區(qū)地表水資源分布不均,集中在該秦嶺北麓,而地表集水面積較大的峪道受水利工程限制影響,無法較大規(guī)模開發(fā)地表水資源,此對長安區(qū)供水帶來較大困難。當前長安區(qū)地下水開發(fā)利用率遠超安全標準值,達107.1%,部分區(qū)域甚至形成沉降漏斗,對區(qū)內生產生活安全帶來潛在危險。皂河在長安區(qū)境內總長8.9 km,從流域內河道斷面可劃分出上、中、下三個流段,其中皂河長安區(qū)上游段全長3.1 km,其地表供水主要面向泄洪排澇,特別針對北杜曲、申店兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)部分村莊農業(yè)退水,該區(qū)段內兩側堤防已得到加固,監(jiān)測表明岸坡滲透坡降及堤身穩(wěn)定性均較佳。中游段涉及到河道暗涵,全長共有4.4 km,暗涵截面尺寸為3.1 m×2.2 m,設置有明渠蓋板,確保水資源不受其他污染源影響,該段河道地表水資源主要面向區(qū)域內生活用水及工業(yè)用水,部分作為城市泄洪排澇使用,河道堤身采用混凝土與四季春植物生態(tài)護坡形式,見圖1,且該段河道寬度乃是皂河在全域內最寬段,最寬之處可達4.5 m。皂河下游段全長1.2 km,采用明渠蓋板的河道斷面形式,底寬6 m,深4.02 m～4.22 m,河底為0.4 m 厚漿砌塊石底板,兩側為漿砌塊石重力擋土墻；下游段河道采用梯形斷面形式,兩側岸坡設置有底板為0.4 m 厚的漿砌塊石砌筑,堤頂有預制蓋板,并覆蓋厚度在0.15 m～0.2 m 的碎石填土,根據(jù)對皂河水生態(tài)體系監(jiān)測表明,河道兩側淤泥厚度較大,且泥質成分較高,顆粒細度較低,而在皂河河道斷面發(fā)生彎曲時,其迎水側淤積厚度高于背水側,現(xiàn)場測試得知淤泥中含有銅元素高達115 mg/kg,而汞、砷、錳等元素含量分別可達1.28 mg/kg、7.78 mg/kg、395 mg/kg,表明皂河水質受污染嚴重較高。且本文將皂河城區(qū)段排水系統(tǒng)進行概化,從城區(qū)管網(wǎng)劃分,獲得4381 個匯水區(qū),見圖2,而概化排水系統(tǒng)后分析得知,皂河受排污系統(tǒng)影響,雨污合流,溢流污染頻次較高。為此,河道管理部門考慮皂河開展生態(tài)補水治理,其水源補給管道布設見圖3,管徑為600 mm,全段管線長5.1 km,最大引水量可達0.6 m3/s,以壓力泵式輸水,最大輸水耗散率不超過20%。由于輸水管線全覆蓋皂河上、中、下游三個區(qū)段,且補給量受上游補水水源控制影響,故工程設計部門應確定最優(yōu)于皂河水質凈化的補給點與最佳補給量。

圖1 堤身生態(tài)護坡設計

圖2 皂河匯水區(qū)概化圖

圖3 水源補給管道布設

2.2 方案設計分析

針對皂河水質凈化問題,一方面進行水生態(tài)治理與河道水下清淤,另一方面開展水源補給,重點針對皂河水質問題設計最優(yōu)補給點與補給量。從皂河匯水區(qū)內點、面源污染現(xiàn)狀調查,并結合引水管道分布,設計三個對比方案的補給點,分別對應皂河上、中、下游三個斷面,三個補給點斷面上設定為單一補給方案,補給量分別統(tǒng)一設定為3000 萬m3,研究分別在此三個斷面上補給量達到設定值后區(qū)段內水質演化特征。而從補給量設定來看,考慮上游水源最大供水量不超過5500 萬m3,故本文設定補給量對比方案為1500 萬m3,2500 萬m3、3500 萬m3、4500 萬m3、5500 萬m3。由于皂河各河道水質污染物以化學元素居高,故筆者以水質pH 值、COD 含量、氨氮含量及磷含量特征參數(shù)開展對比分析,并假定補給年限均為1年。從上述各對比方案中開展模擬計算分析,探討補給點、補給量對水質參數(shù)影響,進而確定最優(yōu)補給方案。

本文采用SWMM 水質模型開展河道補給方案影響下水質演化分析[12,14],該模型計算模塊單元見圖4,初始水質參數(shù)在各方案中均保持一致,初始COD 與氨氮含量分別為75 mg/L、9 mg/L,并與現(xiàn)狀皂河水質相吻合。并將河流水質及污染質成分進行網(wǎng)格化,河道補水、增水狀態(tài)乃是網(wǎng)格化擴展的進程,而降雨及排污等水文、水力特征采用曲線沖刷模型進行疊加,其水文參數(shù)的增加與迭代采用SWMM 輸入、輸出模塊,見圖5。

圖4 SWMM 模型模塊

圖5 SWMM 模型計算流程圖

3 補給點對河道水質演變影響

3.1 pH 值變化

針對皂河上、中、下游不同補給點設計,以河道SWMM水質模型計算為抓手,獲得斷面上水質pH值演變特征,見圖6。

圖6 pH 值受補給點影響變化特征

分析圖中pH 值變化可知,皂河水質pH 值分布具有時間效應,不同補給點上pH 值差異性較大,在三個不同補給點中pH值最高均為1月,在上游補給點方案中該月pH值可達8.16,而同方案中的5月、8月pH 值較前者分別減少了32%、46.9%,同時該方案中11月、12月pH 值較1月的差幅均為25.2%,表明每年11月～12月、1月～2月皂河水質pH 值均較穩(wěn)定,且分布水平較高,水質中具有較大量的堿性污染物。從水質pH 波幅來看,三個補給點方案中均在5月～9月分布遞減,整體為偏酸性水質；而在2月～5月中三個方案中pH 值具有跳躍性變化,特別是在中、下游補給點方案中,3月～5月中pH 值最大波幅分別達24.6%、62.4%。筆者認為,皂河水質pH 值變化波幅與季節(jié)降雨密切相關,當降雨較頻繁且地下徑流活動較活躍,則皂河水質pH 值受稀釋較大,由此可見皂河水質污染物以堿類為主；當進入冬季受降雨較少、徑流量較少的影響,導致水質中和效果較弱,反映在pH 值水平較高[15]。

對比三個補給點方案pH 值變化可知,上游補給點方案中pH 值最大為8.16,全年pH 平均值為6,而中、下游河道全年平均pH 值較之分別增大了34.7%與減少了16.3%,表明上游補給點方案中對皂河水質凈化稀釋效果較佳。中、下游補給方案中水質pH 值最大水平均接近10,即補給點供應水源無法有效稀釋堿類污染物,故選擇合理補給點對提升水質具有重要意義。而在皂河流域內雨季5月～9月,上游補給方案中平均pH 值為5.6,而中、下游補給方案中在該時序內最大pH值超過7。因而,河道水質凈化水源補給點應靠近上游區(qū)段。

3.2 化學污染物含量變化

對皂河水質模型分析,可獲得河道斷面上化學污染物含量在全年各月分布變化,見圖7。從COD 含量、氨氮含量變化可知,兩者具有相似性,但又具有各自變化特點；在全年各月時序上,不論是COD 含量亦或是氨氮含量,均從1月～2月份高含量水平開始遞減,直至7月～9月份達到最低水平,最終在11月～12月份達到另一峰值水平；有所不同的是,COD含量在11月～12月份內分布穩(wěn)定,而氨氮含量在該時序段內受波幅影響較大,如在下游補給點方案中11月、12月份氨氮含量差幅可達18.6%。

圖7 水質污染物含量受補給點影響變化特征

對比補給點方案下污染物含量差異性可知,COD 含量水平最低為上游補給點方案,其全年COD 含量平均值為25.1 mg/L,峰值位于1月～2月,達43 mg/L,而中、下游補給方案中COD 含量的平均值較之分別增長了72.5%、129.5%。在冬季10月～12月穩(wěn)定段內,上游補給點COD 含量穩(wěn)定在25.3 mg/L,而下游補給方案中該時段內COD 含量受補水路徑影響,仍然具有較高水平,達62.1 mg/L。分析認為,上游補給方案中補水路徑更短、對下游水力勢能影響更大,更有助于排污、沖淤,對水質污染物的遷移能力更大,故表現(xiàn)在污染物含量水平更低。氨氮含量中不同方案間差異更顯著,上游補給方案中河道平均氨氮含量為0.79 mg/L,而中、下游方案含量較之具有88.6%、146.8%增幅,且中、下游氨氮含量在全年各月中波幅性較大,特別是在降雨與地表活動徑流影響下,在7月或9月中仍有氨氮含量增長,此與區(qū)段內地表徑流造成的地表污染物回流、匯水等原因,引起氨氮含量水平增高。綜合pH 值與化學污染物含量變化特征,認為上游補給點方案更利于水質凈化。

4 補給量對河道水質演變影響

4.1 pH 值變化

為研究水源補給量對河道水質演變特征影響,本文給出不同補給量方案下全年河道水質pH 值變化,見圖8。從圖中可知,并不是補給量愈大,河道水質pH 值更趨中和,當水源補給量過多時,河道水質并未發(fā)生較明顯中和,而是維持在與低補給量方案相當?shù)膒H 水平,表明高補給量方案下凈化“技術”優(yōu)勢并未呈現(xiàn)。在補給量為1500 萬m3方案中,河道水質pH 值最大為10.38,平均值為8.7,而在高補給量5500 萬m3方案中全年河道水質pH 值較前者差幅不超過10%；在各補給量方案中,以補給量3500 萬m3方案下水質pH 維持在中和狀態(tài),而其他方案中或由于凈化量不夠,或因為凈化量超過河道水質承載量,其水質pH 值均未處于較理想狀態(tài)[16]。筆者認為,當水源補給量過多時,且超過河道水質最大承載量后,此時河道內水質主體已不再是原有皂河,而補給水源成為皂河內主水體,原皂河水體中污染物演變成新主水體的污染源,進而表現(xiàn)出水質pH 值偏堿性或酸性。

圖8 水質pH 值受補給量影響變化特征

4.2 化學污染物含量變化

同理,從水質模型中提取獲得化學污染物含量變化特征,見圖9。基于COD 含量與氨氮含量的變化可知,當補給量愈多,COD 含量先減后增變化,而氨氮含量的變化具有一致性,呈遞減態(tài)勢；在補給量為1500 萬m3時,河道全年各月COD平均含量為46.4mg/L,而以補給量3500 萬m3為變化節(jié)點,在該節(jié)點前COD 平均含量隨補給量方案變化具有降幅26.3%,當補給量超過3500 萬m3時,COD 平均含量增長46.6%。氨氮含量在各補給量方案對比中,平均含量降幅為17.4%。從兩個參數(shù)的表現(xiàn)結果來看,COD 含量受補給量影響出現(xiàn)逆轉性變化特征,為避免河道凈化后水質COD 含量出現(xiàn)“反哺”現(xiàn)象,應控制水源補給量在3500 萬m3以下[17]。另一方面,氨氮含量受補給量影響,在各方案中的變幅有所差異,尤以補給量方案3500 萬m3后,該方案后的氨氮含量平均降幅較小,特別是在冬季11月～12月及1月～2月。綜合分析認為,確定水源補給量在3500 萬m3時不論是COD 含量亦或是氨氮含量,均處于較佳凈化狀態(tài)。

圖9 水質污染物含量受補給量影響變化特征

5 結論

（1）水質pH 值分布具有時間效應,1月pH 值最高,而每年11月～12月、1月～2月水質pH 均較穩(wěn)定,5月～9月pH 遞減；上游補給點方案中pH 平均值低于中、下游,且更趨于水質中和。

（2）COD 含量與氨氮含量在1月～2月份最高,7月～9月份最低,但COD 含量與氨氮含量在11月～12月份分別具有峰值水平與較大波幅；上游補給點方案COD 含量與氨氮含量均為各方案中最低,而中、下游補給方案的氨氮含量在全年波幅性較大。

（3）水源補給量并未與pH 值呈一致性關系,高、低補給量方案下pH 水平相當,以補給量3500 萬m3方案下pH 值穩(wěn)定在中和狀態(tài)。

（4）水源補給量愈多,COD 含量先減后增變化,而氨氮含量為遞減；COD 含量在補給量超過3500 萬m3后具有反流效應,而氨氮含量在補給量3500 萬m3后平均降幅較小。