基于HEC-RAS的鹿溪河流域水質(zhì)治理效果研究

張世寶, 李勝東,, 馮健, 趙進(jìn)勇, 丁洋, 于子鋮

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.中國水利水電科學(xué)研究院 水生態(tài)環(huán)境所,北京 100038)

目前,世界各地的河湖生態(tài)系統(tǒng)普遍出現(xiàn)了水污染、河湖生態(tài)功能退化等問題,嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。河流是城市經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)相互聯(lián)系的重要紐帶[3]。以往的城市河流治理主要關(guān)注防洪、排水功能和資源開發(fā),而忽略了河流生態(tài)保護(hù)[4]。隨著城市化進(jìn)程的加快,城區(qū)河流水質(zhì)問題越來越嚴(yán)重。推進(jìn)流域水質(zhì)綜合治理,是落實生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措,對我國轉(zhuǎn)型發(fā)展和綠色發(fā)展具有重要的推動作用[5-6]。基于HEC-RAS軟件建立的一維水動力水質(zhì)模型不僅可在多目標(biāo)環(huán)境下交互使用,而且模擬水質(zhì)的精度較高[7-8]。董飛等[9]利用HEC-RAS軟件建立了遼河干流水動力水質(zhì)模型,構(gòu)建了遼河干流水功能區(qū)水質(zhì)響應(yīng)系數(shù)矩陣；陳相威等[10]通過HEC-RAS軟件模擬了不同補(bǔ)水方案下觀瀾河流域長水坑河在城市枯水期時生態(tài)景觀對水量的需求；馬楠[11]利用HEC-RAS軟件建立了通惠河水動力水質(zhì)模型,分析了護(hù)岸與河流流速及剪切力的關(guān)系；鄒麗芬[12]應(yīng)用HEC-RAS軟件建立了濱海平原河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型,模擬了常見污染物濃度值隨河網(wǎng)水流運動而發(fā)生的輸運擴(kuò)散規(guī)律；李國華[13]應(yīng)用HEC-RAS軟件建立了黃河內(nèi)蒙古托克托段水動力水質(zhì)模型,模擬了河道暢流期內(nèi)污染物濃度的縱向沿程分布規(guī)律。由此可見,HEC-RAS軟件可以很好地模擬河道的水動力與水質(zhì)。

鹿溪河流域歷史悠久,文化底蘊(yùn)豐厚。但近幾年來,由于農(nóng)村面源污染加重、城區(qū)污水匯入等原因,導(dǎo)致流域水質(zhì)常年處于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。為了合理調(diào)配鹿溪河流域水資源,有效改善水體質(zhì)量和流域生態(tài)條件,維護(hù)河流健康,采取水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施是非常必要的。針對鹿溪河流域的水環(huán)境及生態(tài)現(xiàn)狀,本文以2030年為規(guī)劃年,提出5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施,并利用HEC-RAS軟件建立鹿溪河流域一維水動力水質(zhì)模型,定量化分析5類措施在不同工況下的實施效果,以期為鹿溪河流域水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

鹿溪河又名瀘溪河、黃龍溪,屬錦江一級支流,岷江二級支流,發(fā)源于成都市龍泉驛區(qū)長松山西坡王家灣。鹿溪河全長74.6 km,流域面積為675 km2,平均比降為1.2%。鹿溪河是典型的山溪性河流,洪水主要由龍泉山脈的降水匯集而成,且匯流時間短、水位陡漲陡落，流量極不穩(wěn)定,最大洪水流量為 1 340 m3/s,枯水流量僅0.02 m3/s,多年平均流量為5.72 m3/s,多年平均年徑流總量為0.62億m3。由于鹿溪河大部分干支流的河流基流量較小,水體自凈能力差,并且農(nóng)村地區(qū)污水收集和處理設(shè)施建設(shè)滯后,存在一定的農(nóng)村生活面源污染等問題,導(dǎo)致河道水體質(zhì)量較差、水質(zhì)惡化嚴(yán)重。本文以鹿溪河干流川心橋—魚劍灘段為研究區(qū)域,針對鹿溪河流域污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)偏低，農(nóng)村生活源污染、水污染和水體質(zhì)量差等主要問題,通過實施點源、面源、內(nèi)源污染治理工程及外流域生態(tài)補(bǔ)水和生態(tài)修復(fù)等措施,減少污染物入河,提高流域水環(huán)境容量,逐步改善鹿溪河水質(zhì),恢復(fù)鹿溪河良性水資源平衡及流域生態(tài)功能。基于此,擬在2030年前實施以下5大類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施,如圖1所示。

圖1 水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施圖

天府新區(qū)8座大型污水處理廠的總規(guī)模為48.0萬t/d,采用“MBR+臭氧活性炭”工藝,出水水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn);鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模為1.3萬t/d,采用污水管網(wǎng)分流制,出水水質(zhì)達(dá)到《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 51/2311—2016)中規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn);農(nóng)村生活污水人工濕地處理工藝采用“復(fù)合生物濾池+人工濕地+紫外線消毒工藝(10～50 m3/d)”及“A3O+MBBR工藝一體化設(shè)備+紫外線消毒工藝(50～300 m3/d)”的流程,出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A類標(biāo)準(zhǔn);截污工程總長94.3 km;生態(tài)濕地項目總規(guī)模為867.6 hm2;濱河生態(tài)緩沖帶總規(guī)模為360.0 hm2;河流生態(tài)修復(fù)工程中主河道生態(tài)護(hù)岸的總長為239.9 km;非防洪支流淺水型生態(tài)濕地和生態(tài)涵養(yǎng)地的總規(guī)模為24.8 hm2。根據(jù)污染源分布及污染物排放特點,擬定的鹿溪河水環(huán)境與生態(tài)治理措施的具體實施位置如圖2所示。

圖2 鹿溪河流域措施布局和考核斷面布局

2 研究方法

2.1 污染源分析與污染負(fù)荷計算

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研,鹿溪河流域面源污染的主要來源為農(nóng)村生活污水、分散式畜禽養(yǎng)殖與農(nóng)業(yè)種植,本文采用SWAT模型計算面源污染負(fù)荷;點源污染主要來源于城鎮(zhèn)生活污水和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖,其污染負(fù)荷分別根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596—2001)進(jìn)行計算。根據(jù)水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施實施情況,參照《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 51/2311—2016)進(jìn)行入河污染物削減量的計算。

2.2 工況設(shè)置

根據(jù)實際情況和鹿溪河上游水環(huán)境的總體變化趨勢,按照川心橋斷面的水質(zhì)狀況,結(jié)合水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施設(shè)置兩種工況,具體見表1。

表1 計算工況詳情對比

2.3 模型介紹

2.3.1 控制方程

非恒定流控制方程[12-13]采用一維Saint-Venant方程組,其中式(1)為連續(xù)方程,式(2)為動量方程，其計算公式如下:

(1)

(2)

式中:Q為流量,m3/s;x為距離,m;Z為水位,m;t為時間,s;q為旁側(cè)單位長度入流流量,m2/s;α為斷面不均勻系數(shù);A為過流斷面面積,m2;B為水面寬度，m;C為謝才系數(shù);R為水力半徑,m；g為重力加速度,m2/s。

水質(zhì)控制方程[13]采用一維對流擴(kuò)散方程:

(3)

式中:A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;C為污染物質(zhì)的斷面平均濃度,mg/L;t為時間坐標(biāo);Q為斷面平均流量,m3/s;x為空間坐標(biāo);Ex為紊動擴(kuò)散系數(shù);dC/dt為生化反應(yīng)項;S為污染物的排放量,mg。

2.3.2 幾何數(shù)據(jù)

采用2019年4月實測的地形數(shù)據(jù)作為一維水動力水質(zhì)模型中的地形資料,模擬范圍為川心橋—魚劍灘斷面,河段全長42.46 km。在鹿溪河干流上選取15個關(guān)鍵位置斷面,并以其中的廖皇寺、保水溝、河湖交匯、魚劍灘、興隆湖共5個斷面為重要考核斷面,具體位置如圖2所示。模型的計算區(qū)域及計算河段的示意圖如圖3所示。

圖3 鹿溪河流域計算區(qū)域及計算河段示意圖

2.3.3 邊界條件

鹿溪河有很多溝渠,根據(jù)SWAT模型的模擬結(jié)果和實地勘測情況,本次模擬中將污染源及子流域的流量、NH3-N和TP濃度作為水動力學(xué)及水質(zhì)模型的輸入項[14-17]。將天府新區(qū)8座污水處理廠作為補(bǔ)水水源輸入鹿溪河,補(bǔ)水流量和NH3-N、TP濃度見表2。以鹿溪河川心橋斷面2015年各月的實測流量和水質(zhì)濃度為鹿溪河一維水動力水質(zhì)模型的上邊界條件(見表3)，根據(jù)實際查詢到的資料和現(xiàn)場勘測情況,采用魚劍灘溢流堰水位439.2 m為模型的下邊界條件，對鹿溪河干流川心橋—魚劍灘段進(jìn)行計算。

表2 污水處理廠的出水流量及NH3-N、TP濃度

表3 川心橋斷面2015年各月的實測流量和NH3-N、TP濃度

2.4 模型率定驗證

以鹿溪河魚劍灘斷面2015年各月的水質(zhì)和水量現(xiàn)狀資料為基礎(chǔ)進(jìn)行模型率定,結(jié)果及誤差如圖4所示和見表4。

圖4 魚劍灘斷面實測值和計算值對比圖

表4 魚劍灘斷面實測值與計算值的預(yù)測誤差

由圖4和表4可知:模型模擬出的流量和水質(zhì)結(jié)果與實測值的基本接近;模型實測流量和計算流量的平均相對誤差為7.00%,模型NH3-N實測濃度和計算濃度的平均相對誤差為13.85%,模型TP實測濃度和計算濃度的平均相對誤差為20.50%。這說明:建立的水動力水質(zhì)模型基本能夠準(zhǔn)確模擬鹿溪河水量和水質(zhì)的變化規(guī)律,可用于模擬和預(yù)測計算。

3 結(jié)果分析

3.1 鹿溪河流域污染源預(yù)測與評價

根據(jù)2.1節(jié)中污染源分析與污染負(fù)荷計算方法,得到鹿溪河流域的污染負(fù)荷量和水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施實施條件下污染物的削減量,最終計算出污染源的實際入河量,結(jié)果見表5。由表5分析可知，水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施實施后污染物入河量明顯降低。其中,NH3-N的削減量占該流域NH3-N總?cè)牒恿康?5%;TP的削減量占該流域TP總?cè)牒恿康?3%。

表5 措施實施后污染物入河負(fù)荷量 t/a

2030年措施實施前后NH3-N和TP的空間分布如圖5所示。由圖5可知:流域西部和南部區(qū)域內(nèi)的NH3-N削減明顯,同時東南部區(qū)域內(nèi)的NH3-N也得到了有效的控制;西部和南部區(qū)域內(nèi)的TP得到了明顯的控制,對東南部區(qū)域內(nèi)的TP也有一定的控制效果。這說明5類措施對鹿溪河流域污染源的削減效果顯著。

圖5 2030年措施實施前后NH3-N和TP的負(fù)荷量空間分布圖

3.2 目標(biāo)可達(dá)性分析

3.2.1 工況1

將2.3.3節(jié)的邊界條件及3.1節(jié)中的數(shù)據(jù)輸入水質(zhì)模型中,當(dāng)川心橋斷面的來水水質(zhì)為Ⅳ類水(工況1)時,各重要考核斷面2030年各月的NH3-N和TP的濃度變化情況如圖6所示。由圖6可知:工況1條件下,各重要考核斷面的水質(zhì)基本可達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),魚劍灘斷面部分月份的水質(zhì)可達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 工況1條件下各重要考核斷面的NH3-N和TP濃度變化情況

3.2.2 工況2

將2.3.3節(jié)的邊界條件及3.1節(jié)中的數(shù)據(jù)輸入水質(zhì)模型中,當(dāng)川心橋斷面的來水水質(zhì)為Ⅲ類水(工況2)時,各重要考核斷面2030年各月的NH3-N和TP的濃度變化情況如圖7所示。由圖7可知，各類措施實施后,各重要考核斷面的水質(zhì)基本可以達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 工況2條件下各重要考核斷面的NH3-N和TP濃度變化情況

3.3 水質(zhì)達(dá)標(biāo)率分析

對兩種工況下各重要考核斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率進(jìn)行計算，結(jié)果見表6。由表6可知:①工況1條件下各重要考核斷面Ⅳ類水達(dá)標(biāo)率在83%以上,即一年中各斷面的水質(zhì)有300多天達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn);保水溝上游斷面和興隆湖斷面的水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時段為枯水期。②工況2條件下各重要考核斷面Ⅲ類水達(dá)標(biāo)率也在83%以上;保水溝上游斷面、河湖交匯斷面和興隆湖斷面水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的時段為枯水期。

表6 2030年兩種工況下各重要考核斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率 %

4 結(jié)語

以水污染較為嚴(yán)重的鹿溪河作為研究對象,利用HEC-RAS軟件對鹿溪河干流川心橋—魚劍灘段的水質(zhì)情況進(jìn)行模擬,以NH3-N、TP為例,計算了研究區(qū)的污染負(fù)荷和5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施的削減量,重點分析了在兩種工況下5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施對鹿溪河2030年的水質(zhì)改善效果,得出如下結(jié)論:

1)5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施對污染物的削減效果顯著,NH3-N和TP的削減率分別達(dá)到了95%和93%。

2)上游來水水質(zhì)對鹿溪河流域的水質(zhì)提升尤為關(guān)鍵。當(dāng)上游來水水質(zhì)為地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(工況1)時,5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施完全實施后,2030年各重要考核斷面的水質(zhì)基本可達(dá)地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)上游來水水質(zhì)為地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(工況2)時,5類水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)措施完全實施后,2030年各重要考核斷面水質(zhì)可達(dá)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

3)兩種工況下，各重要考核斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率均為83%以上，且水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的時段均為枯水期，因此建議在枯水期實施引水工程。