平原河網(wǎng)河道結(jié)構(gòu)與水體自凈能力關系實驗分析

閔俊杰，蔣立新

(1.國電環(huán)境保護研究院有限公司，南京 210031；2.無錫市城市防洪工程管理處，江蘇 無錫 214000)

1 實驗背景

目前全球的河道隨著城市發(fā)展，天然結(jié)構(gòu)、河型、河流自然流態(tài)發(fā)生了很大的變化，對河流的生態(tài)功能造成了很大影響，所以很多單位、學者對河流的研究多為河流流量、河流能耗、河道空間形狀、河流運砂能力、河道比降、河流調(diào)蓄能力等方面，很少涉及河流城市化進程中天然河道結(jié)構(gòu)變化對水體自凈能力的影響。經(jīng)地質(zhì)分析計算確定，平原河流的坡降和河道寬深比均比較小，所以平原河流的能耗率較小、輸砂能力較大。從水質(zhì)學進行分析，水體內(nèi)存在的泥沙顆粒是典型的河流污染物，由于城市化進程造成的水動力學改變，使水體中泥沙顆粒分布失衡，同時也改變了泥沙顆粒表面物理性質(zhì)和電化學性質(zhì)，容易導致泥沙顆粒和金屬污染物、有機污染物發(fā)生吸附、絡合及化學反應，降低河流的降解速率，加劇河流污染程度。因此對平原河網(wǎng)河道結(jié)構(gòu)與水體自凈能力、營養(yǎng)循環(huán)、環(huán)境容量之間的運行規(guī)律進行探討，對綠色城市生態(tài)建設和生態(tài)維護有重要意義[1]。文章以平原河網(wǎng)河道結(jié)構(gòu)與水體自凈能力關系進行實驗探討，主要實驗內(nèi)容如下。

2 實驗方法

2.1 河道模型構(gòu)建和實驗方法

實驗河道構(gòu)建選擇6個長度一致的PVC槽，長度均為2m，每個PVC槽使用相同水泥泥塑成不同河寬的獨立河流模型單元，6個PVC槽的截面均為規(guī)則梯形面積分別為31、42、49、54、58、65cm2。模擬河道的構(gòu)建需要底泥和水源，本實驗取樣(底泥和水源)取自某平原河道，對實驗取樣進行化驗分析，各成分含量見表1。在實驗過程中會出現(xiàn)取樣分析、水分蒸發(fā)等現(xiàn)象導致實驗河道模型內(nèi)水源減少，所以需要根據(jù)實驗實際情況補充河道模型內(nèi)水源，在水源取樣時另外在另一平原河網(wǎng)河道備份補充水源量，以彌補模型內(nèi)水源損失，在實驗時每次水源補充要及時記錄，另外補充水源時要提前檢測其水質(zhì)，避免補充水源水質(zhì)不合格影響實驗結(jié)果。本實驗時間為12周，在實驗期間共補充水源4.8L,占河道模型總水量的8.2%。

模擬河道實驗時，流量控制方法運用轉(zhuǎn)子流量計進行記錄，分別在每個河道模型上設置2個監(jiān)測點，監(jiān)測每周兩次，分別在2L/h、4L/h、8L/h、12L/h 這4個流量水平值上進行實驗分析，用監(jiān)測點的平均值作為分析的數(shù)據(jù)之一。

表1 河道模型內(nèi)底泥和水源各成分含量

2.2 實驗測試指標和方法

檢測底泥和水源的含磷總量(檢測方法采用過硫酸鉀氧化-磷鉬藍比色法)、COD含量(檢測方法采用重絡酸鉀法)、PO43--P(游離磷)含量(檢測方法采用直接比色法)、有機質(zhì)含量(檢測方法采用硫酸鉀氧化-紫外分光光度法)。

2.3 實驗設備儀器

分光光度計選擇型號為exact-density(美國)，高速離心機采用型號為JIDI-6D臺式低速大容量離心機(廣州吉迪儀器有限公司)。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 各監(jiān)測面的水力特征

根據(jù)6個河道模型的幾何特性和過水斷面面積，記錄4個流量水平下監(jiān)測點監(jiān)測相應斷面的實際流速值，結(jié)果如圖1所示。

圖1 各監(jiān)測斷面的流速情況

根據(jù)圖1的結(jié)果可以看出，6個河道模型相應監(jiān)測點監(jiān)測斷面的流速隨著水流量的增大而不斷增加；在流速一致情況下，下游的流速比上流的流速大；隨著水流量增加至12L/h時，隨著水位上升，流速從上游到下游變化明顯，呈波狀變化。

3.2 有機質(zhì)含量對流量及補充水COD值的影響

實驗記錄得出的每個河道模型中COD含量隨流量變化的變化規(guī)律(圖2)。

(0號斷面代表河道模型循環(huán)水入口位置，補充水源在此位置補充，以下同)

從圖2可以看出水中COD含量隨著流量的不斷增加呈現(xiàn)出較大波動(先升后降)。經(jīng)技術人員分析，當河道流速<0.5m/h時，平原網(wǎng)河道內(nèi)存在的各種有機物的水動力移動能力差，各種有機物的存在主要以沉積狀態(tài)為主；當河道流速在0.5-1.5m/h之間時，平原網(wǎng)河道內(nèi)存在的各種有機物發(fā)生分異的可能性較大，在河流運動和外界有機物沖擊下，會引起河道內(nèi)存在的各種有機物波動，產(chǎn)生有機物集聚，導致河道水質(zhì)惡化，這是平原河網(wǎng)河道水質(zhì)惡化的原因之一，也是河流生態(tài)修復反復失敗的主要原因，所以在進行平原河網(wǎng)河道管理時，應注重外來水源的管理；當河道流速>1.5m/h時，會快速使河道中各種有機物趨于一致，降低局部有機物含量，避免出現(xiàn)河道局部污染。所以根據(jù)河道中有機物與流速之間的變化關系，在進行平原河網(wǎng)河道改造治理時應將河道流速高于1.5m/h以上才能保證河道治理質(zhì)量[2-4]。

圖3為各監(jiān)測斷面下COD含量隨補充水源的變化規(guī)律結(jié)果。

圖3 各監(jiān)測斷面COD含量對補充水源的變化規(guī)律

從圖3結(jié)果顯示，在流速或流量一致情況下，平原河網(wǎng)河道的COD含量變化值受補充水的影響非常大；和水源COD含量平均值23.13mg/L相比較，當補充水源COD含量和此值接近時，對河道有機物存在影響較小。當補充水源COD含量小于此值時，補充水源會稀釋河道模型內(nèi)有機物，但在6個河道模型中3號河道模型的稀釋效果最差。當補充水源COD含量大于此值時，會加大河道模型的有機質(zhì)含量，加重河道模型的污染程度，但在6個河道模型中3號河道模型受補充水源內(nèi)有機質(zhì)的影響最??；當流速<1.5m/h時，3號河道模型對有機物有較好的抗沖擊能力主要與3號河床的動力學特性關系很大。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，補充水源的水質(zhì)對平原河網(wǎng)河道的水質(zhì)影響非常大，所以在平原河網(wǎng)河道污染治理時，要重點對城市污水排放進行管控，建立城市污水處理系統(tǒng)，過濾凈化后的污水才能排入河道水，另外在城市排水系統(tǒng)建立時，需要科學規(guī)劃，提高城市化進程中城市排水系統(tǒng)對暴雨徑流洪峰流量的集中排水處理能力，避免在暴雨時大量有機物質(zhì)污水涌入河道。

3.3 水中P素對流量及補充水TP(總磷)、PO43--P(游離磷)含量的影響規(guī)律

各監(jiān)測斷面下水中總磷變化、水中PO43--P含量變化見圖4、圖5。

圖4 各監(jiān)測斷面水中總磷含量變化

圖5 各監(jiān)測斷面水中游離磷含量變化

從圖4顯示的數(shù)據(jù)來看，隨著水流量的不斷增加，總磷在上游和下游的波動逐漸減少，這時補充水源的總磷含量大于河道內(nèi)總磷含量，可以證明緩流河道可以不斷增加總磷含量。從圖5顯示的數(shù)據(jù)來看，各河道模型的游離磷隨流量的不斷增加而增加，流速的增大能夠產(chǎn)生一定作用力，可以有效促進底泥中磷元素的釋放，加大了污染源含量，使河道更加富營養(yǎng)化。對比上游和下游的游離磷含量不難發(fā)現(xiàn)，下游水體的游離磷隨著流量的不斷增加也隨之增加，因此雖然有些平原河網(wǎng)河道的流速較慢，但由于上游和下游之間的水力學關系，水源的富營養(yǎng)化有很大的關聯(lián)性，這種現(xiàn)象也容易導致緩流河道出現(xiàn)營養(yǎng)物及污染物質(zhì)的堆積重疊，加劇河道污染程度，加大河道生態(tài)治理恢復的技術難度。

3.4 底泥中污染

為了判斷各種有機物在緩流河道水源和底泥表面發(fā)生的變化規(guī)律，分別在4個流量水平實驗結(jié)束時，立即在對應監(jiān)測點取底泥樣品進行化驗分析，監(jiān)測結(jié)果表明，當流速<0.5m/h時，時間相同的前提下，有機物的沉積速度最快，在各河道模型中3號河道內(nèi)有機物沉積速度最快，沉積量最多。實驗中游離磷變化，流速較低時底泥中的游離磷含量較高，隨著流量的不斷增大游離磷含量逐漸降低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，隨著流量的增加底泥的紊流擴散系數(shù)也不斷增加，加速底泥中磷元素釋放，使河道水源中磷元素增加。

4 結(jié) 語

平原河網(wǎng)河道的流量及補充水源對水體中的各種有機物含量影響較大，在水流流速<0.5m/h時，各種有機物主要以沉積狀態(tài)存在；當流速>1.5m/h時，加大了各種有機物的分解和游離磷的釋放速度，使水體中磷元素增加，更加富營養(yǎng)化。因此在平原河網(wǎng)河道生態(tài)建設和治理時，要有一定大局觀和整體布局性，治理時應先從區(qū)域河網(wǎng)管理入手，而不是僅僅局限于某一個河道的治理。