平原河网地区生态调水实例研究——以温瑞塘河瑞安段为例

王龙华,徐海波,吴剑峰,李东祥

(1.瑞安市水利局,浙江 瑞安 325200；2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020；3.瑞安市温瑞塘河工程建设指挥部,浙江 瑞安 325200)

随着经济社会的快速发展,污水的排放量日益增加,河流、湖泊等水环境急剧恶化,为此,我国大力开展了水体修复研究。目前,水体修复方法主要有：化学方法,如加入铁盐促进磷沉淀,加入石灰石脱氮等；物理方法,如生态调水、底泥疏浚、机械除藻等；生物修复,利用人工培育的植物、动物、微生物等吸收、降解水体中的有机物,从而使水体净化3类方法[1]。各类方法都有其独特的优缺点,如化学方法见效快,但易产生二次污染；物理方法简单实用,但易反复；生物方法无二次污染,但受环境影响大。在选择治理方法时,应尽量发挥其优势,尽可能地减少其负面效应。在控污、截污未彻底的情况下,在有条件的地区,适时进行生态调水来改善水质,不失为一个短期内见效快、投资少的一个好方法。但毕竟水资源有限,因此,科学调水、合理用水,提高调水效率就显得尤为重要。本文结合温瑞塘河瑞安段的生态调水实际情况,探讨合适的生态调水控制方案。

1 生态调水的原理

生态调水是通过水资源的合理调配,通过增加水体流动性、利用水质较好的水体提高较差水体的水质,同时增加水体流动性,进而改善调水区域水环境的一种措施。生态调水不仅能够增加水体的稀释容量,也能通过增加水体的溶解氧来提升自净能力,从而达到净化水质的目的[2-3]。

(1)稀释作用。将水质较好的水引入受污水体并充分混合,能快速降低污染物质在水体中的相对浓度,增大水体的净污比,从而减轻了污染物质在水体中的危害。例如杭州西湖就是通过生态调水,把清洁的钱塘江水引入西湖,从而降低了湖中的氮、磷以及有机物等的含量,从而改善了西湖的水质。自2003年实施规模引水后,西湖就彻底摆脱了富营养化的状态,近10多年来从未爆发大规模的蓝藻[4]。

(2)富氧作用。“流水不腐,户枢不蠹”,指的就是流动的水体富氧能力强,溶解氧含量高,水质好。溶解氧对水体至关重要,当溶解氧含量不足时,水生动物因缺氧而死亡,好氧微生物被厌氧微生物所取代,水体中的有机物在厌氧微生物的作用下分解,从而导致水体发黑发臭。一般而言,静态水体的富氧过程主要通过与大气的氧分子交换,富氧系数为0.10～0.23,而紊流水体由于水体的紊动效果,增加了水体与大气的接触面积,其富氧系数远高于静态水体,最高可以达到0.35[5]。

2 生态调水的优势与局限性

2.1 生态调水的优势

目前我国在许多地方都采用生态调水来改善当地的河湖水质,如南京玄武湖的引水工程,太湖的“引江济太”工程以及滇池“活水工程”[6-8]等,与其它治理措施相比,生态调水具有如下优点：

(1)纯粹依赖水体自净作用,无负面影响。利用生态调水引入洁净的水,降低了原受污水体中污染物质如氮、磷等的含量,同时也增加了水体的溶解氧含量,有利于好氧微生物对污染物的降解。与化学方法相比,它不依赖于任何外来的物质,从而避免了二次污染；与生物法相比,它受外界环境干扰较小,可操作性更强。

(2)见效快,投资少。利用生态调水对原水进行稀释,能在较短时间内改善水质,效果非常明显。如果当地的水利设施比较完善,则能大大降低引水成本。与化学方法相比,它不需要采取后续的打捞措施；与生物法相比,它不需要考虑温度、阳光等外在条件。

(3)增加原水中的生物种类与数量。原受污水体污染物浓度高,溶解氧含量低,生物种类少。通过生态调水,不仅能弥补原水中的生物量,而且能增加水体中的溶解氧,从而大大加快微生物对污染物质的降解。

2.2 生态调水的局限性

生态调水只是一种污染治理的辅助措施,难以从根本上治理污染,经过多年的实践检验表明,主要存在以下不足之处：

(1)引水效果受水源水质及引水量影响较大。生态调水的治理效果,关键取决于引水量及引水水质。若引水水质及水量不能达到要求,则引水效果会大打折扣。此外,引水渠在引流时是否会带入一些新的污染物质,也必须在引水时考虑到,否则旧的污染物质未除,又会引进新的污染物质。

(2)只能缓解污染效果,不能根治。生态调水只能增大净污比,降低污染物质的浓度,从而减轻污染效果。与化学、生物法相比,其根治效果并不理想。一般而言,生态调水适合于富营养化水体,通过引水稀释氮、磷含量,从而减轻水体的富营养化,降低蓝绿藻爆发的次数。

综上所述,生态调水要求引用水源水质较好、水量充裕,能够在短期内缓解水体水质。浙江省部分沿海地区水库蓄量较大,水质较好,因此,这些地区在污染源未能较好控制的情况下,实施生态调水来改善水环境是较为合适的。

3 生态调水在温瑞塘河瑞安段中的应用研究

3.1 温瑞塘河现状

温瑞塘河是温州市境内重要的水系之一,地处瓯江以南、飞云江以北,跨越鹿城、瓯海、龙湾、瑞安3区1市。温瑞塘河主河道全长33.82km,整个流域面积740km2,水面面积22km2,多年平均降雨量1694.8mm,年径流量9.13亿m3[9]。由于近年来经济社会发展很快,截污治污工程总体进展相对滞后,未经处理的污水入河现象仍然比较严重,因此,目前温瑞塘河综合整治工作面临的形势还是非常严峻。2003—2008年常规监测断面数据分析表明,温瑞塘河大部分区域现状水质为劣Ⅴ类,主要超标因子依次为氨氮、DO和BOD5。据相关的调查数据表明,温瑞塘河流域最大的污染源是生活污水,其中生活污水中的COD约占总量的80%,氨氮约占总量的57%。温瑞塘河水环境功能区为多功能区,水质类别要求为Ⅳ类。

为此,浙江省各级政府均对温瑞塘河综合整治给予了高度关注,但温瑞塘河综合整治工作任重道远,在截污治污工程没有取得突破性进展的情况下,生态调水促进了水体的流动、改善了塘河水质,是一项较行之有效的水污染治理措施。随着珊溪水库及赵山渡引水工程的建设完成,为瑞安市温瑞塘河生态调水提供了较好的水源,增加了生态调水的可行性。

3.2 生态调水方案研究

河流水质数学模型是研究水体随时间和空间运动及水质变化的重要手段之一,可以较好地模拟生态调水过程中河网内水质的变化过程,可以有效评定不同生态调水方案实施后的效果,从而为生态调水保障工程的布置以及调度提供依据。考虑到氨氮为温瑞塘河河网内最严重的污染因子,因此,此次选用氨氮作为模拟因子。

3.2.1 模型原理

目前一维河网水流水质模型的计算软件较多,有荷兰水力学所的SOBEK、丹麦水力学所的MIKE11、美国陆军兵团HECRAS等。考虑到MIKE11计算软件具有算法可靠、计算稳定、界面友好及前后处理方便等突出优点,此次选用MIKE11软件。

3.2.1.1 水流模型

非定常水动力学模型的控制方程为一维非恒定流动方程组：

式中：Z(x,t)为断面平均水位,m；Q(x,t)为断面流量,m3/s；A(x,t)为断面面积,m2；u(x,t)为断面平均流速,m/s；C为谢才系数,qi为单位河长上的支流流量,m3/s。

河网其内边界条件比较复杂,主要有支汊节点的处理,河网的支汊点有三汊、四汊 ……等多种方式,其处理办法是利用交汊点上应满足：Z1=Z2=……=Zn

可以建立相应的方程数及同等未知数求解。

求解上述方程时,将河道离散成水位、流量相间的计算点,采用6点Abbott差分格式求解。

3.2.1.2 水质模型

水质模型以对流扩散模型为基础,该模型考虑污染物的对流扩散与线性降解,对流扩散的基本工作方程为：

式中：C为污染物浓度,mg/L；D为污染物弥散系数,m2/s；A为断面过水面积,m2；Q为流量,m3/s；K为降解系数,s-1；C2为污染物的点源浓度,mg/L；q为污染物的点源流量,m3/s；x为空间步长,m；t为时间步长,s。

定解条件为浓度的初值与边界值。浓度初始条件：t=0,C(x,t)=C(x,0),边界条件：当x=0时,C(x,t)=C(0,t),当x=L时,C(x,t)=C(L,t)。

对流扩散方程求解采用隐式有限差分格式。

3.2.1.3 模型验证

学习以学生为主体，自主建构知识意义，并不是说所有知识都能在某种仿真情境中建构，仍有知识需要教师的课堂传授和讲解。就是相对适合情境教学的语言学习，也需要教师传授词汇语法等知识，每个知识点都让学生在情境中构建的想法既不实际，也不科学，例如第三单元是关于飞机遭遇雷击的故事，让学生亲身经历这种情境简直是匪夷所思。多媒体可以是一个很好的教学工具，能够帮助建立更多情境，但是教学设计对多媒体的依赖将大大增加。

(1)河网概化。经统计,正常高水位计算范围内河网的河道容积约为1444.3万m3,概化后的河道容积为1410.9万m3,两者误差为2.3%,可满足精度的要求 (见图1)。

图1 河网概化图

(2)模拟验证。此次对某时段温瑞塘河瑞安段的水位及水质进行了监测,监测点位见图1,经模型模拟,水位误差在0.02m以内,氨氮大多数监测点误差在20%以内,验证结果较合理可靠。率定的参数：糙率值n为0.03,弥散系数D=15m2/s,降解系数为0.05～0.07d-1。

3.2.2 不同方案条件生态调水效果影响研究

3.2.2.1 水闸开启方式对生态调水效果影响研究

在调水期间,河网水可通过肖宅水闸、上埠水闸和下埠水闸流入飞云江。开启不同的水闸会影响河网水质的分布,此次对这3个水闸的不同开启方案进行了分析,水闸的开启方案见表1。水闸开启方案的效果比较时,生态调水流量均取用5.7m3/s。根据水闸开启方案的计算结果见表2。

表1 水闸开启方案表

表2 水闸开启方案氨氮计算表 mg/L

由表2可知,方案5开启上埠水闸和肖宅水闸相对其它方案而言,河网水质的改善程度相对较高,各观测点水质浓度也相对较为均匀。

3.2.2.2 生态调水与削污组合措施对水质影响研究

根据温瑞塘河相关整治要求,对不同阶段的污染负荷的削减提出较为明确的目标(见表3),在不同的削污目标下,所需要的生态调水量会有所不同,此次研究分析了不同生态调水量与削污相结合方案下的河道水质改善情况,进而为削污与生态调水的成效评估提供依据。此次模拟生态调水氨氮浓度为0.5mg/L。污染负荷水平与调水流量不同组合方案见表3。

表3 污染负荷水平与调水流量组合方案表

根据上述2种措施组合成各种计算方案的计算成果见表4。

表4 各方案下河网的氨氮浓度预测对比表 mg/L

由表4可知,污染负荷削减与生态调水均能有效改善水质,削减程度越高、调水量越大,水质改善程度越高；从水质目标来看,如不调水,污染负荷削减需要达到表3中污染负荷削减的Ⅱ项要求,这也说明污染负荷的削减任重道远,适当进行生态调水是较有效也较可行的方法。

3.2.2.3 生态调水停止后水质变化研究

此次研究还对生态调水一定时间后,然后停止调水,水质的变化趋势情况进行了预测分析,结果见图3。

图3 调水停止后各监测日零时水质变化趋势图

由图3可知,停止调水后,河网水质很快就趋于恶化,变化趋势表现为前期变化幅度较快,一定时期后水质变化趋于平缓,并稳定下来。

3.2.3 生态调水保障及方式

结合前面分析,为保障生态调水的效果,可以：

(1)工程措施上,修建温瑞塘河主塘河控制闸工程。一是可以提高温瑞塘河温州市区片的水位,二是可以将温州市区片与瑞安片分开进行调度,进而提高调水效果。

(2)排江闸控制上,在生态调水期间采用上埠水闸和肖宅水闸组合控制,在调水前可适当降低河网水位。

(3)调水方式可以采用引水2d,停1d的方式,保持水体的相对流动性,同时可防止水质反弹。

4 结 语

生态调水作为水环境治理的一种措施,在调水水质及水量得以保障的前提下,不失为一种见效快且简单实用的方法,目前在引江济太、西湖引水等工程都获得了一定的成功。根据温瑞塘河瑞安段的实践可以看出：①污染负荷削减与生态调水均能有效改善水质,削减程度越高、调水量越大,水质改善程度越高；②单纯利用生态调水来达到水功能水质要求,所需的生态调水量巨大,无法实现,必须配合削污,且削污是根本；③根据当地污染及河网特点,可采用间断调水,不可长时间停引,否则水质将很快趋于恶化。总的来说,生态调水仅仅只是一种辅助方法,并不能从根本上消除水体污染,必须要从污染源控制、水体生态系统修复等方面进行根本性的治理。因此,各地在选择生态调水时,应从当地实际出发,慎重选择。

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