生態(tài)護(hù)岸面源污染物截污效率簡化計(jì)算模型*

楊 星，王 蔚

(1．江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2．江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇 南京 210029)

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生態(tài)護(hù)岸面源污染物截污效率簡化計(jì)算模型*

楊 星1，王 蔚2

(1．江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2．江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇 南京 210029)

生態(tài)護(hù)岸面源污染物截污效率的量化研究對生態(tài)護(hù)岸建設(shè)和管理具有重要的意義，為此，定義了生態(tài)護(hù)岸截污效率概念并建立了其簡化計(jì)算模型，同時(shí)，利用常熟地區(qū)不同下墊面條件下的人工降雨模擬試驗(yàn)，進(jìn)一步分析得到了模型中降雨徑流污染物濃度、降雨徑流含沙量，徑流泥沙所吸附的污染物質(zhì)量濃度的經(jīng)驗(yàn)公式，最后應(yīng)用該模型對常熟市金涇塘河道治理中擬采用的梯級(jí)潛流式生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行了截污效率計(jì)算，結(jié)果顯示：利用該模型計(jì)算的新型生態(tài)護(hù)岸綜合截污效率達(dá)到了75.4%，和試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致；作為一種護(hù)岸環(huán)境效益的量化分析方法，模型的建立具有明顯的工程意義。

生態(tài)護(hù)岸；面源污染；截污效率；計(jì)算模型；人工降雨試驗(yàn)；經(jīng)驗(yàn)公式

生態(tài)護(hù)岸是固岸技術(shù)的一種[1-2]。在保有傳統(tǒng)硬質(zhì)材料護(hù)岸型式基本功能前提下，生態(tài)護(hù)岸加強(qiáng)了護(hù)岸的生態(tài)保護(hù)功能、水邊景觀功能、文化內(nèi)涵表達(dá)功能等，即能達(dá)到削弱護(hù)岸工程對自然水體環(huán)境生態(tài)脅迫性的目的，又能很好地滿足人們臨水親水的需求，更能體現(xiàn)一定的區(qū)域水文化內(nèi)涵，符合現(xiàn)代治河理念，得到了廣泛的研究和應(yīng)用，并取得了豐碩的成果，其中在護(hù)岸材料、構(gòu)造型式、植草技術(shù)、行洪影響分析等方面，尤顯突出。以生態(tài)護(hù)岸構(gòu)造型式為例，基于天然石材、木材、植被等的常用型式就有堆石、石籠、活木樁(live staking)、灌叢墊(brush mattress)和活枝捆垛(live fascine)等數(shù)十種[3-6]。20世紀(jì)80年代發(fā)明的三維土工網(wǎng)植草技術(shù)，2000年加拿大籍韓國人金博士與中國張逸陽博士共同發(fā)明研制的生態(tài)袋、各種生態(tài)磚、生態(tài)混凝土、可降解土工布等綠色材料的出現(xiàn)[7-9]，廢棄物綠色材料加工工藝的發(fā)展[10]，以及對生態(tài)護(hù)岸行洪影響、結(jié)構(gòu)安全性能等方向的深入研究[11-13]，進(jìn)一步推動(dòng)了生態(tài)護(hù)岸綜合技術(shù)的發(fā)展。此外，生態(tài)護(hù)岸型式的多樣化，還促進(jìn)了以層次分析法(AHP)為代表的生態(tài)護(hù)岸優(yōu)化選型技術(shù)的發(fā)展[14]。

以上研究成果顯示，國內(nèi)外生態(tài)護(hù)岸建設(shè)分別經(jīng)過短期、長期的發(fā)展，都積累了相當(dāng)?shù)睦碚摶A(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，若只從技術(shù)應(yīng)用角度來看，兩者之間的差距不大，主要的存異點(diǎn)在設(shè)計(jì)理念上，國外發(fā)達(dá)國家更關(guān)注生態(tài)護(hù)岸的固岸抗侵蝕功能和維系河岸自然屬性功能，所以側(cè)重于生態(tài)護(hù)岸的工程材料、結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)等層面。國內(nèi)因?yàn)楫?dāng)前河流污染、生態(tài)系統(tǒng)退化等存在的實(shí)際問題，而更寄希望于生態(tài)護(hù)岸在河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、入河污染物處理等方面的建設(shè)成效，已有的研究成果，如，劉盈斐[15]通過魚類對孔隙的選擇實(shí)驗(yàn)，提出多孔棲息單元式生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)并研究新型生態(tài)護(hù)岸修建后的魚類數(shù)量變化趨勢；蔡婧[16]針對上海城市地表徑流的水質(zhì)特征，研究了生態(tài)護(hù)岸提高生物多樣性的效益以及生態(tài)護(hù)岸作為濱岸植被緩沖帶控制面源污染的效益研究，都是圍繞這兩方面的內(nèi)容進(jìn)行的。但是現(xiàn)階段研究成果的匱乏，理論認(rèn)識(shí)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致生態(tài)護(hù)岸的生態(tài)效益、環(huán)境效益的分析與設(shè)計(jì)，更多地只是依賴定性的和經(jīng)驗(yàn)的東西，而缺乏定量的依據(jù)，其建設(shè)成效不盡人意的實(shí)例不乏出現(xiàn)，這也是生態(tài)護(hù)岸建設(shè)目前面臨的主要瓶頸問題。

綜上，針對生態(tài)護(hù)岸在“生態(tài)修復(fù)”、“污染物處理”等方面即沒有明確的建設(shè)要求，也沒有規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)依據(jù)的現(xiàn)實(shí)情況，并特別考慮到降雨徑流污染是河流水體污染的主要原因之一，對河流生態(tài)環(huán)境已經(jīng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在污染物處理方面，雖然國外學(xué)者早在20世紀(jì)90年代初，就針對濕地、砂濾等系統(tǒng)提出了一些表征污染物去除率的簡易方程式，但尚不能直接應(yīng)用在生態(tài)護(hù)岸上，生態(tài)護(hù)岸截污效率計(jì)算模型匱乏已成為制約生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的障礙之一，亟待進(jìn)行研究。為此，定義了生態(tài)護(hù)岸的截污效率，提出了生態(tài)護(hù)岸面源污染物截污效率簡化計(jì)算模型，為生態(tài)護(hù)岸環(huán)境效益定量性的分析與設(shè)計(jì)提供一種新的數(shù)學(xué)方法。

1 模型的建立

1.1 截污效率模型的初步建立

設(shè)污染物x任意計(jì)算時(shí)段Δt(s)進(jìn)入護(hù)岸系統(tǒng)的總量為MIt(kg)，對應(yīng)的護(hù)岸系統(tǒng)截留的污染物總量為MEt(kg)，則護(hù)岸系統(tǒng)Δt時(shí)段污染物x的平均截污效率P(%)可用公式(1)計(jì)算

(1)

污染物x進(jìn)入護(hù)岸系統(tǒng)的總量MIt可以分為徑流攜帶的可溶性部分和徑流泥沙吸附的非可溶部分，按公式(2)計(jì)算

(2)

污染物x護(hù)岸系統(tǒng)的截留總量MEt主要受2個(gè)因素的影響，包括護(hù)岸系統(tǒng)截砂的能力、護(hù)岸系統(tǒng)截留徑流中可溶性污染物的能力，可以按公式(3)計(jì)算

(3)

式中，M1t為計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)，截砂作用截留的污染物x的平均質(zhì)量(kg)；M2t為計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)，護(hù)岸系統(tǒng)截留的溶在水中的污染物x的平均質(zhì)量。

M1t和M2t分別按公式(4)和公式(5)計(jì)算

(4)

(5)

(6)

式中，K1t為護(hù)岸綜合截砂效率(取值0～1)；K2t為護(hù)岸對溶于水中的污染物x的綜合截污效率(取值0～1)；CIt為降雨徑流所含溶在水中的污染物x的質(zhì)量濃度(mg/L)；Cst為徑流泥沙所含污染物x的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/kg)；SIt為進(jìn)入護(hù)岸系統(tǒng)的降雨徑流含沙量(kg/m3)。公式中的參數(shù)受下墊面條件、降雨強(qiáng)度等影響很大，下面一一講解。

1.2CIt求解公式推導(dǎo)

降雨徑流所含污染物濃度的大小受下墊面條件、降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨頻次等綜合因素的影響，理論上難以直接求解，于是根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)尋求經(jīng)驗(yàn)公式成為解決的手段。為此，基于以下實(shí)際情況：①降雨對下墊面表層污染物的沖刷、稀釋和溶解等作用主要發(fā)生在降雨徑流形成的初期，所以盡管徑流污染物質(zhì)量濃度會(huì)隨著降雨過程呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性和波動(dòng)性，但總體下降的趨勢不會(huì)改變；②雨強(qiáng)越大，雨水對地表的沖刷作用越強(qiáng)，則降雨徑流攜帶的污染物就越多。所以，一定范圍內(nèi)，降雨量與污染物質(zhì)量濃度呈正相關(guān)關(guān)系。但是，降雨對污染物還有稀釋的作用，超出一定雨強(qiáng)范圍后，在相同的污染物累積量條件下，雨強(qiáng)越大，雨水對污染物的稀釋作用越強(qiáng)，徑流中污染物的質(zhì)量濃度就會(huì)降低，降雨量與污染物質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；③水利工程上，設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期一般≥20年一遇(與市政排水設(shè)計(jì)區(qū)別)，所以用于分析的實(shí)測數(shù)據(jù)應(yīng)取較大降雨強(qiáng)度的情況；并通過在常熟河網(wǎng)地區(qū)不同下墊面進(jìn)行人工降雨模擬試驗(yàn)，推求獲得CIt經(jīng)驗(yàn)公式(7)。其中人工降雨裝置采用南京南林電子科技有限公司設(shè)計(jì)的NLJY-10：降雨高度4 m；雨滴直徑分布范圍為1.7～2.8 mm；有效降雨面積為4 m2；試驗(yàn)雨強(qiáng)分別選擇10、20、50 mm/h；連續(xù)降雨歷時(shí)120 min；檢測污染物僅考慮TP、TN。

(7)

式中,α、β、γ、a、b是參數(shù)，i是降雨強(qiáng)度變量(mm/h)，t是時(shí)間變量(min)。

下面驗(yàn)證公式的合理性：

圖1 徑流污染物峰值計(jì)算值和實(shí)測值對比Fig.1 Compansion of calculated values and experimental values of of the peak of pollutant concentration表1 降雨徑流污染物質(zhì)量濃度計(jì)算公式參數(shù)Table 1 Calculation parameters for formula (7)

類別αβγabTP8.6932.3733.379.3614.40TN6.5134.1937.268.5122.50

1.3 SIt求解公式推導(dǎo)

降雨泥沙的產(chǎn)生過程包括雨滴的擊濺起沙、片蝕、溝蝕以及徑流搬運(yùn)等過程，機(jī)理上十分復(fù)雜，理論上也難以直接求解，為此，基于以下實(shí)際情況：①降雨量越大，雨滴對地表的打擊擾動(dòng)作用越強(qiáng)，則侵蝕力越大，泥沙流失也就越多，所以高強(qiáng)度的降雨在徑流形成初期更容易形成較大的含沙量；②徑流泥沙含量隨著產(chǎn)流過程存在一定的波動(dòng)，但總體隨著降雨過程的漸趨結(jié)束而呈現(xiàn)下降趨勢；③參考一般的降雨重現(xiàn)期設(shè)計(jì)條件，僅考慮大暴雨情況。通過1.2節(jié)的人工降雨模擬試驗(yàn)，推求獲得SIt計(jì)算公式如下

圖2 徑流污染過程計(jì)算值和實(shí)測值對比(雨強(qiáng):20mm/h)Fig.2 Compansion of calculated values and experimental values of the rainfall pollution process(Rainfall intensity:20mm/h)

(8)

式中：φ、θ、ε、c、d是參數(shù);i是降雨強(qiáng)度變量(mm/h);t是時(shí)間變量(min)。下面驗(yàn)證公式的合理性。

1)公式中的φln(θi)+ε表示徑流泥沙含量的峰值，根據(jù)同一場地不同雨強(qiáng)下人工降雨實(shí)測峰值，試算看是否能取得最佳的參數(shù)φ、θ、ε數(shù)值。僅給出常熟金涇塘南港塘段菜地人工模擬降雨試驗(yàn)試算結(jié)果(圖3，φ=3.20,θ=14.14,ε=-8.30)，顯示：①計(jì)算的徑流泥沙峰值和實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好；②降雨強(qiáng)度較低階段，峰值增長很快，隨著降雨強(qiáng)度的不斷增大，增長趨勢逐漸減緩，與試驗(yàn)結(jié)果相似；③當(dāng)i<0.95時(shí)，計(jì)算峰值<0，此時(shí)徑流泥沙含量計(jì)算值已經(jīng)沒有工程意義。

圖3 徑流泥沙峰值計(jì)算值和實(shí)測值對比Fig.3 Compansion of calculated values and experimental values of the peak of sediment concentration

2)公式(0.01ct+d)3表示徑流泥沙變化趨勢，乘上已經(jīng)確定的峰值，則可根據(jù)不同雨強(qiáng)下人工降雨實(shí)測泥沙含量過程，試算看是否能取得最佳的參數(shù)c、d值，使得按公式(8)計(jì)算出的徑流泥沙含量變化過程相似于實(shí)測數(shù)據(jù)。僅給出常熟金涇塘南港塘段菜地人工模擬降雨試驗(yàn)試算結(jié)果，且僅考慮20 mm/h降雨過程(圖4,c=-0.33,d=1.05)，計(jì)算的徑流泥沙變化過程和實(shí)測數(shù)據(jù)擬合度好，顯示了公式(8)的適用性和合理性。

圖4 徑流泥沙計(jì)算過程和實(shí)測過程對比Fig.4 Compansion of calculated values and experimental values of the sediment concentration process

1.4 Cst求解公式推導(dǎo)

降雨徑流形成過程中，土壤中的一部分污染物質(zhì)溶解于水中，由地表徑流運(yùn)載匯入河道；另一部分非可溶性污染物，直接通過徑流泥沙載體運(yùn)輸匯入河道，成為潛在的污染源。將人工降雨試驗(yàn)區(qū)域隨機(jī)采集的土樣，參照相關(guān)檢測規(guī)范進(jìn)行前處理，之后作為待檢測土樣：①各取少量待檢測土樣做土壤TP、TN的檢測；②各取100 g待檢測土樣，分別加入500 mL蒸餾水，用玻璃棒充分?jǐn)嚢?圖5)，最大釋放土壤中的可溶性污染物，之后檢測水中的TP、TN值；③所得結(jié)果按公式(9)分別計(jì)算土壤污染物TP、TN中各自可溶性部分占比，結(jié)果參考表2。

表2 試驗(yàn)區(qū)土壤TP和TN可溶性部分占比Table 2 Ratio between soluble TP and TN in the soil

圖5 土壤污染物中可溶性比例試驗(yàn)Fig.5 Soluble contaminant test in the soil

(9)

式中，ξ為土壤某種污染物中可溶性部分所占的百分比(%)；M土C土為土壤某種污染物質(zhì)的質(zhì)量(mg)，其中,M土為土壤質(zhì)量(kg，本例為0.1 kg)，C土為土壤中某種污染物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/kg)；V水C水為水中某種污染物質(zhì)的質(zhì)量(mg)，其中V水為水體體積(L，本例為0.5 L)，C水為某種污染物質(zhì)的質(zhì)量濃度(mg/L)。

以上結(jié)果顯示：①試驗(yàn)區(qū)土壤污染物質(zhì)的可溶性部分占比穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)；②試驗(yàn)區(qū)土壤總的污染物質(zhì)中，可溶性部分僅占到1%左右，其余不可溶性部分占到90%左右，也間接說明了對徑流泥沙攔截的重要性。所以，可以將Cst表達(dá)如公式(10)，是合理的。

(10)

1.5 截污效率模型的說明

綜上，將CIt的表達(dá)式(7)、SIt的表達(dá)式(8)、Cst的表達(dá)式(10)帶入公式(6)，同時(shí)，通過試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式等可以確定系數(shù)K1t、K2t數(shù)值，則可求得護(hù)岸系統(tǒng)的綜合截污效率P。需要說明的是：①生態(tài)護(hù)岸環(huán)境效益定量分析缺乏足夠的理論基礎(chǔ)和研究成

果，所以其截污效率計(jì)算公式建立在經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)基礎(chǔ)上；②水利工程上的設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期較大，本節(jié)所分析的各類公式一般適用于一定暴雨等級(jí)的情況；③公式中主要系數(shù)的確定，還需要針對不同地域不同土地利用形式，在下一階段展開進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，最終給出系數(shù)查算圖表。

2 生態(tài)護(hù)岸截污效率計(jì)算模型實(shí)例應(yīng)用

因建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位可研需要，對常熟市金涇塘河道治理中擬采用的一種新型生態(tài)護(hù)岸-梯級(jí)潛流式生態(tài)護(hù)岸(參考圖6)進(jìn)行截污效率計(jì)算。其截污設(shè)計(jì)思路參考了土壤滲濾和潛流式濕地污水處理技術(shù)，不僅在其內(nèi)部構(gòu)筑了砂石填料和梯級(jí)跌水坎，還在外部構(gòu)建了截雨溝和生態(tài)袋，其中截雨溝即用于輸送降雨徑流進(jìn)入砂石填料，又兼顧沉砂截污的作用；連續(xù)設(shè)置的梯級(jí)跌水坎則是為了增強(qiáng)砂石填料去污效果，即一方面利用其阻水作用，增大污染物的水力停留時(shí)間，一方面利用坎槽的蓄水作用，提供可吸附污染物的微生物生存或維持微生物活力的富含有機(jī)質(zhì)的水體環(huán)境；砂石填料則具有比較有效的滲濾截污作用；生態(tài)袋上生長的植被也用于截污作用。

圖6 梯級(jí)潛流式生態(tài)護(hù)岸斷面結(jié)構(gòu)Fig.6 Cross-sectional structure of the ecological riverbank

以TP為例，20 mm/h設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度條件下，參考已有的前期試驗(yàn)成果[17]，梯級(jí)潛流式生態(tài)護(hù)岸綜合截砂效率K1t=0.83，對溶于水中的TP的綜合截污效率K2t=0.21，另外CIt、SIt、Cst分別按公式(7)、公式(8)、公式(10)計(jì)算，其中主要系數(shù)參考表1，計(jì)算成果參考圖7,梯級(jí)潛流式生態(tài)護(hù)岸綜合截污效率為75.4%，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致[17]，為生態(tài)護(hù)岸的合理規(guī)劃和科學(xué)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐和定量分析方法。

圖7 梯級(jí)潛流式生態(tài)護(hù)岸綜合截污效率Fig.7 Efficiency of pollutant elimination of the ecological riverbank

3 結(jié)論與展望

從環(huán)境效益角度，生態(tài)護(hù)岸還停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，缺少定量分析的數(shù)學(xué)方法，為此，本文進(jìn)行了生態(tài)護(hù)岸面源污染物截污效率簡化計(jì)算模型的研究，主要結(jié)論與展望如下：

1)提出了生態(tài)護(hù)岸截污效率的概念，分析推導(dǎo)了其計(jì)算模型。同時(shí)，通過開展常熟河網(wǎng)地區(qū)不同下墊面條件下的人工模擬降雨試驗(yàn)，進(jìn)一步分析得到了模型中降雨徑流污染物濃度、降雨徑流含沙量，徑流泥沙所吸附的污染物質(zhì)量濃度的經(jīng)驗(yàn)公式，為生態(tài)護(hù)岸的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供了定量分析的數(shù)學(xué)方法。

2)利用生態(tài)護(hù)岸截污效率計(jì)算模型，對常熟市金涇塘河道治理中擬采用的一種新型生態(tài)護(hù)岸-梯級(jí)潛流式生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行了截污效率計(jì)算，為金涇塘河道治理的相關(guān)建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位提供了必要的數(shù)據(jù)參考。

3)文中推求的生態(tài)護(hù)岸截污效率計(jì)算模型中的主要參數(shù)僅適合常熟地區(qū)，其它地區(qū)的適宜參數(shù)獲取尚需要經(jīng)過進(jìn)一步的試驗(yàn)，以參數(shù)查算圖表的形式給出，以方便今后使用。

4)總的來說，生態(tài)護(hù)岸截污效率簡化計(jì)算模型建立過程依據(jù)的實(shí)測數(shù)據(jù)以及一般性的降雨面源污染規(guī)律，是主要針對中小河流的，對于較大河流情況，還有待進(jìn)一步分析其合理性。

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Simplified Calculation Model of Non-Point Source Pollution Removal Efficiency by Ecological Embankment

YANGXing1,WANGWei2

(1. Jiangsu Hydraulic Research Institute, Nanjing 210017, China;2. Jiangsu Water Conservancy Project Construction Bureau, Nanjing 210029, China)

Quantitative study of non-point source pollution removal efficiency is of significance in effective management of ecological embankment construction. Therefore, this work put forward a new concept of pollution removal efficiency of ecological embankment and the simplified calculation model. Meanwhile, several empirical formulas of key variables in this model were deduced based on the rainfall simulation tests under different ground cover in Changshu City, including pollutant concentrations in runoff water, sediment concentrations in runoff water and pollutant mass concentrations of sediment in runoff water. As one case study for the ecological embankment with a gradient and subsurface treatment system used for Jinjingtang River in Changshu City, the results showed the comprehensive pollution removal efficiency could reach 75.4%, which was in good agreement with experimental data. As a kind of quantitative analysis method of environmental benefits of ecological embankment projects, the establishment of the model had obvious engineering significance.

ecological embankment; non-point source pollution; pollution removal efficiency; calculation model; rainfall simulation tests; empirical formula

10.13471/j.cnki.acta.snus.2015.05.018

2015-03-11

江蘇省水利科技資助項(xiàng)目(2012064)

楊星 (1978年生)，男；研究方向：水資源與水環(huán)境、港口、海岸及近海工程;E-mail: ydaxue@163.com

TV143

A

0529-6579(2015)05-0090-06