派河岸邊帶濕地水力停留時間擴增估算

朱昊彧 張瀏 隗嵐琳

摘要 以派河流域氣象資料和流域基礎(chǔ)信息為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用頻率分析法和小流域經(jīng)驗公式法推算了派河降雨與徑流量的相應(yīng)關(guān)系;結(jié)合流域特征，應(yīng)用產(chǎn)流理論探索了區(qū)域降水與派河徑流之間的關(guān)系;根據(jù)濕地污染物攔截的最佳水力停留時間，計算達(dá)到各河段最佳污染物攔截效果所需增加的水力停留時間。建議派河流域加強岸邊帶濕地保護，提高污染物攔截效率。

關(guān)鍵詞 派河;岸邊帶;降雨;產(chǎn)匯流;水力停留時間

中圖分類號 S29文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）10-0190-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.10.049

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Amplification Estimation of Hydraulic Retention Time in Pai River Riparian Zones with Wetlands

ZHU Hao-yu1，2，ZHANG Liu3，WEI Lan-lin2 （1.Hohai College，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074;2.Institute of Ecological Environment，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210098;3.Anhui Academy of Environmental Sciences，Hefei，Anhui 230022）

Abstract Based on meteorological data and basic information of the Pai River Basin，frequency analysis method and small watershed empirical formula method were used to calculate the corresponding relationship between rainfall and runoff in the Pai River Basin.Combined with the characteristics of river basin，the relationship between regional precipitation and Pai River runoff was explored by applying the theory of runoff production.According to the optimal retention time of wetland pollutants，the increased hydraulic retention time needed to achieve the optimal pollutant retention effect in each river section was calculated.It was suggested that the protection of the riparian zone wetland should be strengthened to improve the efficiency of pollutant interception.

Key words Pai River;Riparian zone;Rainfall;Runoff;Hydraulic retention time

派河位于合肥市肥西縣，是巢湖重要的泄洪河流。在降雨后的產(chǎn)匯流過程會向河流輸入大量面源污染，進而帶入大量污染物進入巢湖，這一現(xiàn)象在洪水期尤為突出。河流岸邊帶濕地被證實對降雨帶來的面源污染具有重要攔截作用[1]，而這種攔截作用的強度和降雨在濕地的水力停留時間具有密切相關(guān)性。水力停留時間指待處理污水在濕地中的平均停留時間，濕地對水體內(nèi)污染物攔截或凈化效果理論上與水力停留時間呈拋物線關(guān)系[2]。

近年來，隨著社會、經(jīng)濟的發(fā)展，巢湖水質(zhì)有惡化趨勢，原因之一就是各入湖支流攜帶大量營養(yǎng)鹽進入湖區(qū)，引起湖區(qū)水體富營養(yǎng)化[3]。為改善巢湖水環(huán)境，降低入湖污染負(fù)荷，筆者以派河流域為研究對象，計算派河流域產(chǎn)匯流時間和各河段河岸帶濕地實力停留時間，最終獲得達(dá)到最佳污染物攔截效果各河段所需要增加的水力停留時間，以期為派河流域及巢湖水環(huán)境治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

派河源于肥西縣江淮分水嶺棗林崗及紫蓬山山脈北麓，東南向注入巢湖，流域面積571 km2，年徑流量29.0萬m3，多年平均來水量1.88億m3，其中上游為防虎北麓丘陵崗地，該處河槽深而陡坡，下切甚烈，中游以沖積平原為主，河寬30～70 m，高程5～7 m，整個河道可以分為上派段、中派段和下派段，河道全長60 km，河道平均比降為1.18%[4]。

派河流域總體呈倒錐形，地形地貌及海拔高度變化不大，總的地形為由西北向東南傾斜，河水的流向受地勢影響也基本為由西北流向東南，從發(fā)源地起接受支流苦驢河、梳頭河、王老堰河、滾子河、古埂河等補給[5]，最后于派河大橋附近匯入巢湖。派河各個支流的流域面積基本相當(dāng)，降雨后地表徑流沿這些支流流出，匯入派河主干道。支流有時并無明顯的地表徑流，只有在夏季或降雨較大時期才能看到明顯徑流。

2 流域降雨特征分析

降雨數(shù)據(jù)采用派河流域臨近的肥西縣氣象站點2017年全年監(jiān)測數(shù)據(jù)。該氣象站位于派河流域中部，對分析派河流域降雨特征具有很好的實用參考價值。分析派河2017年月平均降雨資料發(fā)現(xiàn)，除8、11、12月外，派河流域全年降雨較為均勻，在50～100 mm內(nèi)波動，其中8月降雨量最高接近300 mm，而11、12月降雨量較低，在20 mm左右（圖1）。

降雨強度一般分為7個等級，以24 h雨量為例，各降雨強度級別如表1所示。24 h降雨量達(dá)到或超過50 mm的降雨都稱為暴雨，而暴雨又分為暴雨、大暴雨和特大暴雨[6]。按此分級（表1），派河流域降雨天氣約占全年的33%，是因為該地區(qū)處于亞熱濕潤季風(fēng)氣候，降雨充沛。雖派河流域降雨類型大多為小雨，一般達(dá)不到暴雨降雨標(biāo)準(zhǔn)，但由于其降雨歷時較長，因此容易使得下墊面含水率飽和，進而使流域以蓄滿產(chǎn)流機制進行產(chǎn)流。

如圖2所示，從單次累計降雨量來看，派河流域中雨降雨累計的降雨量最多，其次為大雨、暴雨、小雨，微雨類型幾乎為零。此外，微雨由于雨量太小，不會產(chǎn)生徑流，因此在計算派河流域的產(chǎn)匯流時間時，應(yīng)較多關(guān)注小雨、中雨、大雨和暴雨過程，而對于降雨量很少的微雨則可以忽略。

3 流域下墊面條件

為了進一步確定派河原狀土的導(dǎo)水性能，確定原狀土的滲透系數(shù)，進行單環(huán)法滲水試驗。該研究于2018年11月在派河干流巢湖入湖口上游約3 km處開展單環(huán)滲水試驗，在試坑上嵌入直徑為0.3 m的單環(huán)，將單環(huán)周圍縫隙填土夯實，環(huán)內(nèi)鋪反濾粗砂;向鐵環(huán)內(nèi)注水至刻度線處，然后迅速注入一杯水，待水面下降至刻度線處，再注入一杯水，這樣不斷將水注入鐵環(huán)內(nèi)，并使鐵環(huán)內(nèi)的水層厚度保持在標(biāo)定的刻度線上;記錄每一杯水的注入時間。開始時因滲入速度較快，稍后時間間隔要延長，直到下滲時間基本穩(wěn)定為止[7]。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為滲入流量呈隨機浮動趨勢，且變幅小于5%。根據(jù)一定時間內(nèi)試驗坑穩(wěn)定消耗水量測算土壤滲透系數(shù)。

該試驗為單環(huán)滲水試驗，注水量保持常量，計算滲水速率隨時間的變化關(guān)系。可應(yīng)用達(dá)西滲透定律來進行結(jié)果計算，即K=VI=QWI。式中，Q穩(wěn)定滲透流量，即注入水量，單位m3/s;V為滲透水流速度，單位m/s;w為滲水坑的底面積，單位m2;I為垂向水力坡度，根據(jù)經(jīng)驗值選擇I=1。

根據(jù)以上分析計算方法分析原土層滲水試驗數(shù)據(jù)可知，原土層黏性土土壤滲透速率很小，滲透速率隨滲透時間很快減小，并很快趨于穩(wěn)定。土層滲透速率隨時間的變化趨勢如圖3所示。穩(wěn)定后的滲透速度為5.519 8×10-4cm/min，即9.199 7×10-8m/s。土層滲透系數(shù)計算公式如下：K=VI=9.199 7×10-81=9.199 7×10-8m/s。由此得出派河流域土壤滲透系數(shù)K為9.199 7×10-8m/s。這表明原土層土壤持水性強，透水性較差。

值得注意的是，雖然派河流域下墊面整體滲透性較差，但在降雨初期，下墊面仍具有較好的條件，這是由下墊面土壤的含水率決定的。這意味著，對于派河流域中的微雨和小雨，很大程度上在下墊面中保存，通過包氣帶逐漸入滲至派河。

4 流域降雨與產(chǎn)流時間分析

為觀測不同降雨強度下流域下墊面的產(chǎn)匯流特征，分析派河流域產(chǎn)流期降雨量和產(chǎn)流歷時的關(guān)系，計算流域降雨產(chǎn)匯流時間，為派河清水廊道攔截帶的設(shè)置提供理論依據(jù)，該研究采用頻率分析法[8]和小流域經(jīng)驗公式法[9]推算了派河降雨類型與徑流量的相應(yīng)關(guān)系。

選擇3種不同降雨類型，分別對應(yīng)派河流域的小雨、中雨、大雨，分析降雨期間的徑流流量特征，分析派河流域產(chǎn)匯流時間。此次研究使用數(shù)據(jù)分別來自派河監(jiān)測站和肥西縣氣象局，所選降雨時段是連續(xù)無降雨天氣后發(fā)生降雨天氣的狀況，以此對派河產(chǎn)匯流過程進行分析。

4.1 大雨條件下派河徑流量變化過程

選擇2017年2月9日至3月1日派河監(jiān)測站流量數(shù)據(jù)和肥西縣降雨數(shù)據(jù)。監(jiān)測第16天，派河流域發(fā)生大雨降雨天氣，相應(yīng)地，第17天派河監(jiān)測站流量明顯升高，因此在大雨條件下派河流量最大值發(fā)生時間約24 h。同時，由于降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取時間為每天08：00，流量數(shù)據(jù)獲取為每天00：00，從降雨開始到流量發(fā)生變化的時間約為0.5 d（圖4）。

4.2 小雨、中雨條件下派河徑流量變化過程

選擇2018年3月22日至2018年4月15日期間派河監(jiān)測站流量數(shù)據(jù)和肥西縣降雨數(shù)據(jù)。如圖5所示，監(jiān)測至第8天時派河流域發(fā)生小雨降雨天氣，監(jiān)測第13天派河流域發(fā)生中雨降雨天氣，相應(yīng)地，第11天和第16天派河監(jiān)測站流量達(dá)到最大值。第10天和第14天時，派河流域流量即發(fā)生變化。因此，在小雨和中雨條件下，派河流量發(fā)生變化對應(yīng)的時間約為2和1 d。

5 各河段擴增水力停留時間估算

派河從發(fā)源地起接受支流苦驢河、梳頭河、卞小河、光明大堰河、王建溝、孫老堰河、潭沖河、五老堰河、斑鳩堰河等支流的補給[10]（圖6）。由于部分支流缺乏河流地形數(shù)據(jù)，該研究選擇資料較為齊全的梳頭河、卞小河、光明大堰河、王建溝、五老堰河和斑鳩堰河作為研究對象，對其自然產(chǎn)流時間進行計算。

流域匯流時間t的計算使用經(jīng)驗公式，該方法適用于計算流域面積小于500 km2流域的匯水時間計算：

t=5.467×（nl）0.8p0.5×i0.4（1）

式中，t代表匯流時間，l代表匯流距離，n代表下墊面糙率，p代表下墊面土地利用類型指數(shù)，i代表河道平均坡降。

對于小型流域而言，各支流土地利用類型相似，下墊面糙率相似，因此，各支流匯入的平均時長比可表示如下：

t1/t2=l10.8i10.4l20.8i20.4（2）

對于派河流域各支流，基本參數(shù)如表2所示。

將指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化處理，以派河產(chǎn)匯流時間24 h為計算基礎(chǔ)，計算各支流產(chǎn)匯流時間與派河干流產(chǎn)匯流時間關(guān)系。得到其關(guān)系式后，即可計算出該支流的產(chǎn)匯流時間。

例如：光明大堰河產(chǎn)匯流時間（x），則派河產(chǎn)匯流時間可通過下式計算：

t光明大堰河/t派河=l10.8i10.4l20.8i20.4=x/24（3）

由此得出，派河產(chǎn)匯流時間為13.3 h。

相似地，其余支流產(chǎn)匯流時間如表3所示。

水力停留時間是人工濕地系統(tǒng)設(shè)計中一個重要參數(shù)，利用人工濕地系統(tǒng)凈化降雨等水量大、污染物濃度高的污水時，處理效率相對較低，其中一個很重要的原因就是需要水力停留時間較長[11]。研究表明，增加水力停留時間的確可以有效增強人工濕地對污染物的去除能力。多項研究發(fā)現(xiàn)，在水力停留時間為48 h左右時對總氮、總磷等污染物的去除率最高[12-14]。派河流域各種類型降雨累計降雨量較為相似，受下墊面滲水作用影響，小雨和微雨產(chǎn)生的大部分降雨量進入包氣帶經(jīng)過較長時間才會進入派河，因此，派河流域岸邊帶阻隔帶應(yīng)重點關(guān)注中雨以上降雨。其中暴雨雖然產(chǎn)匯流時間短，但由于其每年發(fā)生次數(shù)很小，因此派河岸邊阻隔帶可按照中雨和大雨強度布置，水力停留時間控制在24 h 以上。

根據(jù)岸邊緩沖帶污染物最優(yōu)處理效率48 h計算，得出光明大堰河需要擴增水力停留時間34.7 h。由于各支流岸邊緩沖帶將水力停留時間擴增為48 h，需擴增水力停留時間匯總?cè)绫?所示。

6 結(jié)論

派河各支流產(chǎn)匯流時間基本在35 h以內(nèi)，產(chǎn)匯流受到地形、地質(zhì)和植被覆蓋等多方面影響。派河流域靠近派河入巢湖口，產(chǎn)匯流時間有變短趨勢，而理論上由于上游地形較陡下游平緩，產(chǎn)匯流時間應(yīng)該有變長趨勢，主要原因可能在于下游地面硬化和河岸帶濕地的破壞。為提高岸邊緩沖帶對污染物的攔截作用，將水力停留時間提高為48 h后，除光明大堰河外各支流需擴增12～20 h水力停留時間。因

此，建議在派河流域保護流域植被，尤其是靠近河流的岸邊帶濕地，這些措施有效提高降雨帶來面源污染在緩沖帶的水力停留時間，進而有效攔截污染物。

參考文獻(xiàn)

[1]

張鳳鳳，李土生，盧劍波.河岸帶凈化水質(zhì)及其生態(tài)功能與恢復(fù)研究進展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，26（S2）：459-464.

[2] 錢嫦萍，陳振樓，曹承進，等.人工濕地技術(shù)削減雨水初期徑流污染負(fù)荷研究進展[J].華東師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（1）：55-62.

[3] 方春霞，張瀏.派河支流污染源解析及對策措施研究：以五老堰河為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（22）：52-55.

[4] 王書航.巢湖水華時空分布特征及成因初步分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[5] 國昌哲.巢湖西半湖夏季底泥磷釋放通量的估算[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2012.

[6] 葛朝霞，曹麗青.氣象學(xué)與氣候?qū)W教程[M].北京：中國水利水電出版社，2009：55.

[7] 黃凱，楊飛.淺析野外滲水試驗及其滲透系數(shù)的計算[J].河南科技，2013（22）：191-192.

[8] 郭生練，劉章君，熊立華.設(shè)計洪水計算方法研究進展與評價[J].水利學(xué)報，2016，47（3）：302-314.

[9] 季亞輝，韓林，黃欣，等.山洪災(zāi)害分析評價中小流域洪水計算方法研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（20）：231-233，239.

[10] 汪巧玲.派河流域水環(huán)境治理及生態(tài)修復(fù)工程[J].綠色科技，2016（14）：93-94，97.

[11] 吳建強，周訓(xùn)華，王敏，等.水力停留時間變化對2種人工濕地凈化效果的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報，2012，6（10）：3537-3542.

[12] 張毓媛，曹晨亮，任麗君，等.不同基質(zhì)組合及水力停留時間下垂直流人工濕地的除污效果[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2016，25（2）：292-299.

[13] 徐麗，葛大兵，謝小魁.水力停留時間對人工濕地運行的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30（31）：219-223.

[14] 靳同霞，張永靜，王程麗，等.2種人工濕地的水力停留時間及凈化效果[J].環(huán)境工程學(xué)報，2012，6（3）：883-890.