清原滿族自治縣山區(qū)河道生態(tài)治理模式模擬研究

范世鵬

(清原滿族自治縣清原鎮(zhèn)綜合事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 撫順 113300)

山區(qū)河道具有水流持續(xù)時間段、水量水位變化大等特點,山區(qū)河流被污染或破壞不僅會導(dǎo)致行洪功能下降引發(fā)自然災(zāi)害,還會給當(dāng)?shù)剞r(nóng)田、居民和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響[1]。因此,結(jié)合河道特點實施生態(tài)治理,增強河流自潔能力與清潔度,改善流域自然環(huán)境具有重要意義。

為全面掌握水質(zhì)變化情況許多學(xué)者利用水質(zhì)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(qū)干支流為例,應(yīng)用EFDC模型在線聯(lián)機(jī)運算預(yù)測了總氮、總磷、化學(xué)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(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)探討分析水體營養(yǎng)狀態(tài)及其關(guān)鍵影響因子;田莘冉等利用風(fēng)險模型分析河流水環(huán)境質(zhì)量狀況,科學(xué)評價了12個河流斷面2011—2015年的水質(zhì)風(fēng)險等級;張秀菊等以通州區(qū)新江海站點為例,利用支持向量回歸的水質(zhì)預(yù)測模型揭示水體TP、NH3-N含量變化趨勢;秦云等結(jié)合梁子湖采樣數(shù)據(jù),采用方差分析法評定其水質(zhì)等級;劉暉等通過采集湖水重金屬和微量元素等數(shù)據(jù),采用多元統(tǒng)計法評定了湖庫底泥及水質(zhì)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(zhì)狀況;郭鵬程等以生態(tài)湖為例,應(yīng)用MIKE21模型預(yù)測分析了水體交換及流動狀況,為優(yōu)化設(shè)計人工生態(tài)提供數(shù)據(jù)支持[2-9]。因此,用于海洋、河湖、河流等水質(zhì)模擬的方法和模型較多,但主要側(cè)重于大中型湖泊和河流的水量水質(zhì)分析,對中小型河道的水質(zhì)模擬特別是山區(qū)河道生態(tài)治理改善河流水質(zhì)的研究還鮮有報道,有必要深入探究河流水環(huán)境受不同生態(tài)治理方案的影響作用。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)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(qū),地勢西北低,東南高,總面積約4000km2。境內(nèi)水庫、河流眾多,柳河、柴河、清河、渾河均發(fā)源于本地,水源充沛,水質(zhì)清澈,共有主、支流103條,總流長183km。清原縣擔(dān)負(fù)著供應(yīng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yǎng)林基地[10-11]。文章選取清原縣山區(qū)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(shù)據(jù)來源

由于研究區(qū)河道未設(shè)水質(zhì)與水文監(jiān)測站點,故選用2020年每月實測TP、NH3-N、COD實質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)以及每10d實測流量、水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 水動力模型

水動力模塊就是對非連續(xù)性運動規(guī)律水體利用一維非恒定流方程組模擬分析的方法,其連續(xù)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?dāng)嗝婷娣e,m2、流量,m3和水位,m;q、a、g為旁側(cè)入流流量,m3/s、動量校正系數(shù)和重力加速度,m/s2;C、R為謝才系數(shù)和水力半徑,m。

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

(3)

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

1.4 建模與率定

通過以下方式構(gòu)建水動力模型:考慮到山區(qū)河道斷面數(shù)據(jù)缺乏的情況,在符合模擬精度的情況下降河道斷面按照規(guī)劃資料和實測數(shù)據(jù)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(tǒng)一取0.033。采用以下方法構(gòu)建水質(zhì)模型:內(nèi)、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(zhì)量濃度,依據(jù)排污口水質(zhì)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)確定污染物入河系數(shù)0.9。結(jié)合定期監(jiān)測數(shù)據(jù),計算TP、NH3-N、COD的入河貢獻(xiàn)率為16.2%、18.5%和12.6%[14-16]。

對模型精度利用Nash-Sutcliffe系數(shù)評估,具體如下:

(4)

根據(jù)相關(guān)研究成果初步確定擴(kuò)散系數(shù),通過比較實測值與模擬值確定最終的擴(kuò)散系數(shù)為8m2/s。采用2020年每月實測水質(zhì)數(shù)據(jù)率定模型參數(shù),經(jīng)多次調(diào)試優(yōu)化確定TP、NH3-N、COD水質(zhì)指標(biāo)衰減系數(shù)為0.12/d、0.10/d和0.11/d,實測和模擬水質(zhì)數(shù)據(jù)如圖1所示。結(jié)果表明,實測與模擬河道斷面水質(zhì)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(tài)治理模式下的水質(zhì)模擬。

(a)COD指標(biāo)

(b)NH3-N指標(biāo)

(c)TP指標(biāo)

1.5 擬定生態(tài)治理模式

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和山區(qū)河道特征,將截污控制設(shè)定為清河治理的基準(zhǔn)模式,采用生態(tài)治理技術(shù)擬定曝氣增氧+生態(tài)浮床、自然護(hù)坡+仿木樁護(hù)坡和水下森林3種模式。針對3種模式建立相應(yīng)的水動力水質(zhì)模型,經(jīng)率定計算確定適用于不同模式的衰減系數(shù),如表2所示。

表2 衰減系數(shù)率定值

2 結(jié)果與分析

2.1 污染源截污控制下的水質(zhì)

經(jīng)實地調(diào)查,底泥內(nèi)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(zhì)較差的11月數(shù)據(jù)模擬分析清淤疏浚和排污口截流實施前、后的水質(zhì)狀況,如圖2所示。

(a)COD指標(biāo)

(b)NH3-N指標(biāo)

(c)TP指標(biāo)

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(zhì),但其提升效果不明顯,TP、NH3-N、COD質(zhì)量濃度平均降幅只有0.19%、0.23%和0.11%;清淤疏?？梢杂行Ы档脱爻涛廴疚餄舛?通過擬合分析濃度分布曲線確定TP、NH3-N、COD質(zhì)量濃度平均降幅為5.19%、8.63%和3.52%,明顯改善了河流水質(zhì)。因此,清淤疏浚高于排污口截流整治效果,說明底泥內(nèi)源污染是該河流水質(zhì)主要影響因素,沿程污染物不斷累積至下邊界出現(xiàn)最大值,底泥污染源被清除后使得沿程水質(zhì)明顯改善;由于入河污染負(fù)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(tài)治理模式下的水位

1)天然流量條件。依據(jù)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(xiàn)狀與模擬水位,基準(zhǔn)模式和曝氣增氧+生態(tài)浮床、自然護(hù)坡+仿木樁護(hù)坡、水下森林生態(tài)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(tài)治理模式的影響顯著,天然流量過程中河道水位出現(xiàn)較大變化。從圖3可以看出,曝氣增氧+生態(tài)浮床、自然護(hù)坡+仿木樁護(hù)坡、水下森林模式相較于基準(zhǔn)模式河道水位平均提高0.89m、0.43m和1.09m。因此,河道生態(tài)治理應(yīng)考慮天然過流能力,以防因河道治理降低其農(nóng)田灌溉、防洪排澇等基本功能。

2)排澇標(biāo)準(zhǔn)條件下。由于清河主要發(fā)揮人文景觀和防洪排澇功能,故僅考慮排澇標(biāo)準(zhǔn)下的水位特征。根據(jù)該地區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)合理選擇排澇模數(shù)M為4.05m3/s,并考慮清河集水面積S計算設(shè)計排澇流量為4.28m3/s,計算公式為:Q設(shè)=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(tài)浮床、自然護(hù)坡+仿木樁護(hù)坡、水下森林模式下的排澇設(shè)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(jié)果表明,在自然護(hù)坡+仿木樁護(hù)坡和基準(zhǔn)模式下排澇設(shè)計水位4.82m、4.45m低于允許最高過流水位5.05m,相應(yīng)的最大水深下的過流量3.84m3/s和5.15m3/s高于設(shè)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(tài)浮床和水下森林模式下排澇設(shè)計水位5.45m、5.58m高于允許最高過流水位5.05m,相應(yīng)的最大水深下的過流量2.55m3/s和2.40m3/s低于設(shè)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(tài)治理應(yīng)考慮具體情況,通過現(xiàn)場調(diào)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(tài)治理模式下的水質(zhì)

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

(a)COD指標(biāo)

(b)NH3-N指標(biāo)

(c)TP指標(biāo)

從圖3可以看出,曝氣增氧+生態(tài)浮床、自然護(hù)坡+仿木樁護(hù)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(hù)坡+仿木樁護(hù)坡<曝氣增氧+生態(tài)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(xué)作用,形成相互促進(jìn)、互相影響高降解污染物的循環(huán)系統(tǒng)。曝氣增氧+生態(tài)浮床與水下森林的作用原理相近,但該模式構(gòu)建的浮床范圍小,形成的微生物和動植物數(shù)量較少,但增設(shè)的曝氣增氧設(shè)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(zhì)量濃度表現(xiàn)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(nèi)動植物具有較高活性,水質(zhì)較好;而春季、秋季和冬季河流水量較少,加之春、秋季施用農(nóng)藥化肥量大,在降雨徑流作用下污染物進(jìn)入河流,且秋、冬季植物腐爛衰敗沉積于河道底泥內(nèi),產(chǎn)生的一定的內(nèi)源污染,所以該時段水質(zhì)較差。從變化規(guī)律上,不同季節(jié)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(jié) 論

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

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

2)排澇標(biāo)準(zhǔn)下,自然護(hù)坡+仿木樁護(hù)坡和基準(zhǔn)模式排澇設(shè)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(tài)浮床和水下森林模式排澇設(shè)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(tài)治理應(yīng)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(tài)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(hù)坡+仿木樁護(hù)坡<曝氣增氧+生態(tài)浮床<水下森林,應(yīng)結(jié)合具體情況選擇合適的生態(tài)治理模式。