不同生态修复措施组合方案的河道净化效果预测

徐国杰

(锦州市水利事务服务中心,辽宁 锦州 121000)

1 河流概况

女儿河是小凌河的最大支流,从西南向东北流经兴城、连山、南票等地后于锦州市注入小凌河,全长134km,总面积1490 km2。女儿河在葫芦岛内段长98.6km2,葫芦岛与太和区共同边界段长约9km,境内流域面积1271km2,最大洪峰为5000m3/s,最小流量为0.2m3/s,年输水量1.9045亿m3。近年来,受工农业生产污水直排等因素影响女儿河诸断面水质较差,一维水流水质运动规律与该河道型河流水质运动特性相符。鉴于此,文章利用MIKE11系统创建的水生态数学模型预测不同修复方案净化效果,为加快修复女儿河水生态提供一定技术支持。

2 建模流程

2.1 水动力学模型

MIKE11是采用动量方程和水流连续方程组成的河流水动力模型,其数学表达式为:

(1)

(2)

式中:z、t为水位和时间坐标;A、B、Q、R为过水断面面积、宽度、流量和水力半径;q、c、x为旁侧入流量、谢才系数和位置坐标[1]。

2.2 水质模型

1)非稳态一维水质模型。采用MIKE11 HD模块可以确定MIKE11 AD的水动力条件,模拟水体中物质的扩散及对流过程,其数学表达式为:

(3)

式中:C、Sc为模拟物质浓度及其衰减项;Ex、S为纵向扩散系数和单位时间单位河长的污染源排放量[2-4]。结合河流特点和实践经验确定对流扩散系数D,即:

D=aVb

(4)

式中:V为流速;a、b为经验系数。

2)水生态模型。MIKE11中的Eco Lab模块既能够体现各状态变量的相互关系,也可用于描述生态、化学即物理过程,将水生态、水动力与对流扩散模型相耦合探究其传输机理及生化反应。河流产氧来源于大气复氧和植物的光合作用,耗氧来源于动植物与底泥消耗、碳氮化合物和其它物质氧,其平衡方程可以表示成[5-8]:

(5)

水中的氨氮浓度与有机植物降解、消化反应及水生植物吸收等因素密切相关,平衡方程可以表示成:

(6)

式中:DDO、CS为溶解氧及饱和条件下的浓度;K2、θ2为大气复氧系数和呼吸作用温度系数;K3、θ3为生化需氧量的降解系数和温度系数;K4、θ4为消化系数和消化过程中的温度系数;Y1、P1、B1为降解BBOD生成氨氮的转化率、光合作用生产氧气的速率和微生物及动植物消耗氧气速率;BBOD、NNH4为生化需氧量的浓度和氨氮浓度;KS、R为半饱和系数与呼吸作用的速率。

2.3 河网概化

通过河网概化更加客观真实地反映自然河流的水力特性,概化过程中应最大程度地维持河网的调蓄和蓄水功能不变。结合实际情况将锦州市女儿河概化成10条河道,总节点数60个,总长257km。

2.4 边界条件

模型的计算边界条件为2021年各站点水位实测数据,在不考虑外部污染源的情况下用水质监测数据作为水质边界条件。

2.5 模型率定

1)率定水动力模型。设定计算步长60s,模拟周期6个月,壁面糙率0.03,起始水位3.0m。通过对各个断面逐时水位反复调整模型参数,从而确定河道糙率处于0.06～0.10范围。经检验,各断面水位偏差≤1.5～4.0cm,实测与模拟水位变化规律基本一直,具有较高的模拟精度,这表明可以利用该模型模拟河流水质。

2)率定水质模型。为确定模型率定的主要参数及其计算准确度,结合拟定3种修复方案,全面分析各治理条件下的河流水质状况,治理状况如表1所示。采用率定后的模型计算分析不同生态修复方案下NH3-N、BOD5和COD因子的降解系数。

表1 河道治理方案

考虑到女儿河水流较缓的实际情况,可以利用下式表征污染物的降解过程:

∂C/∂t=-kC

(7)

式中:C为污染物浓度;t、k为反应持续时间和污染物降解系数。将上式进行积分,则有:

InCt=-kt+InC0

(8)

式中:C0、Ct为污染物初始和第t天的浓度值;k为降解系数。采用主要污染因子降解速率和实测水质数据,并充分考虑河流水动力特性系统率定模型,不同修复措施下的率定结果如表2所示,扩散系数率定后处于5～10之间。以2#采样点的DO、NH3-N、BOD、COD作为对比指标检验模型准确度,结果显示实测数据与模型计算值相差很小,两者的相对误差处于2.0%～5.8%之间,对河流水质模拟具有较强适用性与准确度。

表2 模型参数率定结果

综上分析,不同生态修复措施的模型参数率定结果存在一定差异,其中生态湿地的BOD和COD降解速率最快,其次是生态浮床或自然护坡+木桩,各修复措施的BOD与COD降解速率相差不大。研究表明,对去除氨氮生态湿地作用效果最好。所以,对于去除各种污染物生态湿地的作用效果最优。

3 实用效果预测

为了定量分析不同生态修复方案下的锦州市女儿河水质净化效果,对3种治理方案下的河流水质变化情况(1～10月)利用模型进行预测计算,预测期内的污染负荷取2021年各污染指标平均值,基准模拟情景选取2021年水文条件。采用表2中的率定值优化调整Eco Lab模型中的主要参数,并将其与MIKE11中的AD、HD集成进行数值模拟计算。

3.1 底泥疏浚与生态护岸方案

向Mike11 Eco Lab系统输入底泥疏浚与生态护岸的有关参数,东、西片河段参数按照底泥疏浚与生态护岸方案设定,其它因素相同条件下锦州市女儿河水质变化特征如图1所示。

(a)COD

从图1可以看出,锦州市女儿河采用底泥疏浚与生态护岸方案时,经过10个月的治理修复COD、DOD5、NH3-N平均值依次下降3.63mg/L、0.69mg/L、0.17mg/L,降幅依次为11.87%、14.87%和17.74%;DO平均值相较于初始值增加1.08mg/L,增幅为28.20%。通过分析变化趋势可知,初始底泥疏浚与生态护岸的水质净化效果显著,后期COD、DOD5、NH3-N浓度呈波动上升趋势,究其原因是初期内源和污染物控制效果显著,但随着底泥再次沉淀生态修复效果开始减弱,各因子浓度值逐渐增大。

3.2 生态护岸与生态浮床方案

向Mike11 Eco Lab系统输入生态护岸与生态浮床的有关参数,东、西片河段参数按照生态护岸与生态浮床方案设定,其它因素相同条件下锦州市女儿河水质变化特征如图2所示。

(a)COD

从图2可以看出,锦州市女儿河采用生态护岸与底泥疏浚方案时,经过10个月的治理修复COD、DOD5、NH3-N平均值分别减小5.34mg/L、0.96mg/L、0.078mg/L,降幅达到为17.40%、18.86%和8.60%;DO平均值相较于初始值增加1.11mg/L,增幅为28.53%。

3.3 自然护坡+木桩与生态湿地方案

向Mike11 Eco Lab系统输入自然护坡+木桩和生态湿地的有关参数,南、北片河段参数按照生态湿地和自然护坡+木桩方案设定,其它因素相同条件下锦州市女儿河水质变化特征如图3所示。

(a)COD

从图3可以看出,锦州市女儿河采用自然护岸+木桩与生态湿地方案时,经过10个月的治理修复COD、DOD5、NH3-N平均值分别减小7.65mg/L、1.49mg/L、0.172mg/L,降幅达到24.89%、28.93%和19.05%;DO平均值相较于初始值增加1.50mg/L,增幅为38.07%。

综上分析,本研究所设定的3种修复方案均能明显改善河流水质。对比生态浮床与生态护岸、底泥疏浚与生态护岸这两种方案,两者的主要区别在于是联合生态浮床还是底泥疏浚。结合表2率定结果,生态浮床明显高于底泥疏浚的降解速率,后者对BOD5、NH3-N的削减作用更加显著,这是由于该方案初期明显控制了内源污染,使得污染物浓度大幅下降,削减量较多。自然护坡+木桩与生态湿地方案相较于其它方案,其削减作用更加显著,所以该方案具有更快的各污染物削减速率,其改善河流水质的效果最显著,并且该方案有利于改善水环境和形成多层次绿化界面,实际应用时具有显著的生态效能,可以促进“水美乡村”建设和创造水生态景观[9-11]。所以,最终确定自然护坡+木桩与生态湿地为最优方案。

4 结 论

1)文章结合锦州市女儿河实际情况构建了3种典型的生态修复方案,利用水生态模型预测了各方案下的净化效果,可为河流水生态治理及其方案设计提供一定参考。

2)研究表明,自然护坡+木桩与生态湿地方案既有利于改善水环境和形成多层次绿化界面,实际应用时还具有显著的生态效能,为“水美乡村”建设和创造水生态景观提供条件。其中,生态湿地比较适用于平原河网,其生态修复效果最为突出可以优先考虑该措施。

3)可以将水生态数学模型作为合理选择生态修复方案的有效手段,为确定适用于不同河道的最佳方案还要考虑景观效果、后期管护难易程度、工程投资以及水质净化效果等因素。