清原滿族自治縣山區河道生態治理模式模擬研究

范世鵬

(清原滿族自治縣清原鎮綜合事務服務中心,遼寧 撫順 113300)

山區河道具有水流持續時間段、水量水位變化大等特點,山區河流被污染或破壞不僅會導致行洪功能下降引發自然災害,還會給當地農田、居民和生態環境造成嚴重影響[1]。因此,結合河道特點實施生態治理,增強河流自潔能力與清潔度,改善流域自然環境具有重要意義。

為全面掌握水質變化情況許多學者利用水質模型開展了深入研究,并取得豐碩的成果,如劉曉等以三峽庫區干支流為例,應用EFDC模型在線聯機運算預測了總氮、總磷、化學需氧量等污染因子變化情況;杜丹丹等以烏梁素海為例,運用綜合營養狀態指數(TLI)探討分析水體營養狀態及其關鍵影響因子;田莘冉等利用風險模型分析河流水環境質量狀況,科學評價了12個河流斷面2011—2015年的水質風險等級;張秀菊等以通州區新江海站點為例,利用支持向量回歸的水質預測模型揭示水體TP、NH3-N含量變化趨勢;秦云等結合梁子湖采樣數據,采用方差分析法評定其水質等級;劉暉等通過采集湖水重金屬和微量元素等數據,采用多元統計法評定了湖庫底泥及水質狀況;程桂等針對海綿城市水文過程,利用SWMM模型分析了不同方案措施下的水質狀況;郭鵬程等以生態湖為例,應用MIKE21模型預測分析了水體交換及流動狀況,為優化設計人工生態提供數據支持[2-9]。因此,用于海洋、河湖、河流等水質模擬的方法和模型較多,但主要側重于大中型湖泊和河流的水量水質分析,對中小型河道的水質模擬特別是山區河道生態治理改善河流水質的研究還鮮有報道,有必要深入探究河流水環境受不同生態治理方案的影響作用。

1 研究方法

1.1 研究區概況

清原滿族自治縣位于撫順市北端,地處遼東山地丘陵區,地勢西北低,東南高,總面積約4000km2。境內水庫、河流眾多,柳河、柴河、清河、渾河均發源于本地,水源充沛,水質清澈,共有主、支流103條,總流長183km。清原縣擔負著供應營口、盤錦、鞍山、遼陽、鐵嶺、撫順、沈陽等遼寧中部城市群居民生活和工農業生產用水的重要使命,這是全國九大重點水源地之一,全省重要用材林與水源涵養林基地[10-11]。文章選取清原縣山區河道——清河為研究對象,河流全長159km,比降1.58‰,流域面積5150km2。其中,山地面積占整個流域的85%,上游山地海拔400～800m,山坡較陡,一般在30°～45°,巖石多露頭,植被較好[12-13]。

1.2 數據來源

由于研究區河道未設水質與水文監測站點,故選用2020年每月實測TP、NH3-N、COD實質量濃度數據以及每10d實測流量、水位數據進行分析。

1.3 水動力模型

水動力模塊就是對非連續性運動規律水體利用一維非恒定流方程組模擬分析的方法,其連續和動量控制方程如下:

(1)

(2)

式中:x為沿主河道流向的距離,m;t為時間,s;A、Q、h為過水斷面面積,m2、流量,m3和水位,m;q、a、g為旁側入流流量,m3/s、動量校正系數和重力加速度,m/s2;C、R為謝才系數和水力半徑,m。

由于各處的質量濃度不同,水流中的物質存在擴散運動且隨平均流量運移,可利用對流擴散方程模擬懸浮或溶解于水體的物質一級線性衰減過程和運輸過程,對流擴散方程的數學表達式如下:

(3)

式中:C、C2為污染物及其源匯質量濃度,ml/L;D、K為縱向擴散系數(m2/s)和衰減系數(1/d),其它參數含義同上。

1.4 建模與率定

通過以下方式構建水動力模型:考慮到山區河道斷面數據缺乏的情況,在符合模擬精度的情況下降河道斷面按照規劃資料和實測數據概化成地形斷面,上、下游邊界為時間-流量和時間-水位序列,全域河道糙率統一取0.033。采用以下方法構建水質模型:內、外部邊界條件取概化的底泥面源污染河道或距離河道上邊界200m處排污口以及研究河段上下邊界污染物實測質量濃度,依據排污口水質現場檢測數據確定污染物入河系數0.9。結合定期監測數據,計算TP、NH3-N、COD的入河貢獻率為16.2%、18.5%和12.6%[14-16]。

對模型精度利用Nash-Sutcliffe系數評估,具體如下:

(4)

根據相關研究成果初步確定擴散系數,通過比較實測值與模擬值確定最終的擴散系數為8m2/s。采用2020年每月實測水質數據率定模型參數,經多次調試優化確定TP、NH3-N、COD水質指標衰減系數為0.12/d、0.10/d和0.11/d,實測和模擬水質數據如圖1所示。結果表明,實測與模擬河道斷面水質具有相同的變化趨勢,相對誤差處于0.8%～1.2%范圍,該模型精度較高可以用于不同生態治理模式下的水質模擬。

(a)COD指標

(b)NH3-N指標

(c)TP指標

1.5 擬定生態治理模式

根據數值模擬結果和山區河道特征,將截污控制設定為清河治理的基準模式,采用生態治理技術擬定曝氣增氧+生態浮床、自然護坡+仿木樁護坡和水下森林3種模式。針對3種模式建立相應的水動力水質模型,經率定計算確定適用于不同模式的衰減系數,如表2所示。

表2 衰減系數率定值

2 結果與分析

2.1 污染源截污控制下的水質

經實地調查,底泥內源釋放和生活污水為清河污染物主要來源,故研究選取水質較差的11月數據模擬分析清淤疏浚和排污口截流實施前、后的水質狀況,如圖2所示。

(a)COD指標

(b)NH3-N指標

(c)TP指標

從圖2可以看出,排污口截流在一定程度上改善了河流水質,但其提升效果不明顯,TP、NH3-N、COD質量濃度平均降幅只有0.19%、0.23%和0.11%;清淤疏浚可以有效降低沿程污染物濃度,通過擬合分析濃度分布曲線確定TP、NH3-N、COD質量濃度平均降幅為5.19%、8.63%和3.52%,明顯改善了河流水質。因此,清淤疏浚高于排污口截流整治效果,說明底泥內源污染是該河流水質主要影響因素,沿程污染物不斷累積至下邊界出現最大值,底泥污染源被清除后使得沿程水質明顯改善;由于入河污染負荷不大且流量較小,排污口截流實施前、后的污染物含量相差不大。

2.2 不同生態治理模式下的水位

1)天然流量條件。依據清河2020年各月實測來水量分析其流量過程,并對比分析河道斷面現狀與模擬水位,基準模式和曝氣增氧+生態浮床、自然護坡+仿木樁護坡、水下森林生態模式下的水位變化如圖3所示。

圖3 水位變化模擬值

河道糙率受生態治理模式的影響顯著,天然流量過程中河道水位出現較大變化。從圖3可以看出,曝氣增氧+生態浮床、自然護坡+仿木樁護坡、水下森林模式相較于基準模式河道水位平均提高0.89m、0.43m和1.09m。因此,河道生態治理應考慮天然過流能力,以防因河道治理降低其農田灌溉、防洪排澇等基本功能。

2)排澇標準條件下。由于清河主要發揮人文景觀和防洪排澇功能,故僅考慮排澇標準下的水位特征。根據該地區排澇標準合理選擇排澇模數M為4.05m3/s,并考慮清河集水面積S計算設計排澇流量為4.28m3/s,計算公式為:Q設=M·S。

清河兩岸邊坡1∶2,河底與岸頂高程為2.2m、5.0m,底寬6m,安全超高0.5m,計算確定最大過流水深3.12m。采用曼寧公式確定曝氣增氧+生態浮床、自然護坡+仿木樁護坡、水下森林模式下的排澇設計水位如表3所示,并校核過流能力,曼寧公式如下:

(5)

表3 河道過流能力計算值

結果表明,在自然護坡+仿木樁護坡和基準模式下排澇設計水位4.82m、4.45m低于允許最高過流水位5.05m,相應的最大水深下的過流量3.84m3/s和5.15m3/s高于設計排澇流量4.28m3/s,這兩種模式符合河道排澇要求;曝氣增氧+生態浮床和水下森林模式下排澇設計水位5.45m、5.58m高于允許最高過流水位5.05m,相應的最大水深下的過流量2.55m3/s和2.40m3/s低于設計排澇流量4.28m3/s,這兩種模型均不符合河道排澇要求。因此,河道生態治理應考慮具體情況,通過現場調查采取增大河道底坡、降低河底高程以及加大河寬等方式增強河道過流能力。

2.3 不同生態治理模式下的水質

采用不同治理模式下的衰減系數率定值,模擬曝氣增氧+生態浮床、自然護坡+仿木樁護坡、水下森林模式下清河TP、NH3-N、COD隨時間的相對變化率,結果如圖4所示。

(a)COD指標

(b)NH3-N指標

(c)TP指標

從圖3可以看出,曝氣增氧+生態浮床、自然護坡+仿木樁護坡、水下森林治理模式均可以在一定程度上降低清河污染物。從降解效果上,從低到高對COD、NH3-N、TP的降解作用排序均為自然護坡+仿木樁護坡<曝氣增氧+生態浮床<水下森林。這是因為水下森林模式可以利用微生物分解和植物吸收等生物、物理化學作用,形成相互促進、互相影響高降解污染物的循環系統。曝氣增氧+生態浮床與水下森林的作用原理相近,但該模式構建的浮床范圍小,形成的微生物和動植物數量較少,但增設的曝氣增氧設施可以提高水生微生物和動植物活性,提高水體含氧量,所以也具有較好的降解效果。

從時間變化上,污染物質量濃度表現為春季、秋季和冬季較高,而夏季較低的變化趨勢。受上游來水影響夏季水量充沛,河道內動植物具有較高活性,水質較好;而春季、秋季和冬季河流水量較少,加之春、秋季施用農藥化肥量大,在降雨徑流作用下污染物進入河流,且秋、冬季植物腐爛衰敗沉積于河道底泥內,產生的一定的內源污染,所以該時段水質較差。從變化規律上,不同季節河道污染物濃度具有較大變化,而降解速率變化不大,不同濃度的污染物降解速率不超過5%,說明污染物濃度對齊降解速率的影響較低[17-18]。

3 結 論

文章模擬研究了清淤疏浚和排污口截流對清原縣山區河道的水質改善效果,并模擬分析了曝氣增氧+生態浮床、自然護坡+仿木樁護坡、水下森林治理模式下的水質和水位變化特征,得出如下結論:

1)底泥內源污染對清河水質影響較大,入河污染負荷對水質影響相對較小,將底泥污染源清除可以有效改善河流水質。

2)排澇標準下,自然護坡+仿木樁護坡和基準模式排澇設計水位低于允許最高過流水位,符合河道排澇要求;曝氣增氧+生態浮床和水下森林模式排澇設計水位高于允許最高過流水位,不符合河道排澇要求。河道生態治理應考慮具體情況,可以采取增大河道底坡、降低河底高程以及加大河寬等方式增強河道過流能力。

3)河道生態治理可以在一定程度上降低清河污染物,從低到高對COD、NH3-N、TP的降解作用排序均為自然護坡+仿木樁護坡<曝氣增氧+生態浮床<水下森林,應結合具體情況選擇合適的生態治理模式。