水位变化对人工复式河道水质净化效果的影响

邓 斌，孙艺峰，王雪松，张 刚

(1.中邦山水规划设计有限公司，吉林长春 130000；2.东北师范大学环境学院，吉林长春 130117；3.中邦汇泽园林环境建设有限公司，吉林长春 130000)

我国多数地区降水主要集中在夏秋两季，随着纬度的增高，降水逐渐向夏季集中。汛期降雨主要以暴雨形式出现，水资源的季节分布不均使洪水灾害风险极高，河道的行洪功能显得尤为重要。同时，经济的快速发展和资源的不合理利用也给生态环境带来了压力和挑战，水污染问题仍需进一步解决。随着城镇化进程的推进，城市河道的防洪能力减弱、水体净化能力下降、生态功能不断丧失的问题越来越凸显，河道治理问题也愈加受到社会各界人士的关注[1]。在城市河道治理过程中，综合考虑防洪、净水、景观等因素而选择适当的断面形式，是一项十分重要的工作。

矩形断面、梯形断面、“U”形断面和复式断面是河道断面常见类型，其中复式断面河道综合了枯水期和洪水期的过流和水位要求，可同时满足河道生态和景观效应[2]及洪水期河道行洪功能，复式断面的河道即复式河道成了河道治理中较为理想的形式。

复式河道，多指在断面形态上具有明显主河槽和滩地的河道，是自然界中较为常见的河道形态[3]，如黄河艾山河段、长江九江河段等[4]。现阶段我国关于复式河道的理论与实践研究大多集中在复式河道的水流结构、水流特性、过流能力、垂线流速分布规律、边界剪切应力的分布特征、滩槽相互作用的机理等水力学、河流动力学[5-7]方面，而对复式河道的净水效果关注较少。复式河道由滩地和主河槽构成，复式河道滩地基质使水流扰动可以促进河流加强复氧过程，当河水流经基质时也会被相应净化，但净化效率如何，目前鲜有报道。本论文结合平原河流下游自然复式河道的特点，通过模拟复式河道的主河槽和滩地，研究不同运行水位条件下人工复式河道对水体的净化效果，为河流生态修复提供理论基础。

1 实验设计与方法

1.1 人工复式河道模拟装置设计

本实验采用PPR板制作成规格为2 m×0.8 m×0.4 m(长×宽×高)的长方形箱体，实际有效体积为1.5 m×0.4 m×0.35 m，在其两端分别设计进水池和出口集水池，箱体分为两部分，由滩地和主河道构成。滩地由沸石(粒径1.5～2 cm)、灰渣(粒径2～3 cm)、火山灰(粒径0.9～1.1 cm)、沸石(粒径0.2～0.5 cm)以体积比为2∶1∶1∶2的复合填料构成，铺设高度为15 cm，河道设置2个弯道，每个弯道的夹角设置为60度。

图1 复式河道模拟装置剖面图

图2 模拟装置俯视示意图

实验操作时，将河水通过水泵(900 L·h-1)泵入复式河道模拟装置中，当水位达到实验设计的水位要求时，用同样的水泵将河水泵出，收集到集水池，再用水泵将集水装置中处理过的河水泵入模拟河道的进水端，往复循环。进水时，进水管需延伸到水面以下，防止接触空气而带来的曝气，给实验带来误差。

水位分别为滩地面(基质面以下5 cm)、基质面以上1 cm、基质面以上5 cm、基质面以上10 cm和基质面以上15 cm，每一水位稳定运行3天后测定各水质指标，计算净化效率。对照组与实验组水位相同。

1.2 水质指标的测定

实验用水取自小河沿子河。河水初始值和系统运行后采集的水样测定指标为化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)、氨氮和总磷(TP)。各指标分析方法和分析仪器见表1。

表1 各指标分析方法及仪器

1.3 净化效率计算公式

DO增长率(%)=(出水DO浓度-入水DO浓度)/入水DO浓度×100%.

COD去除率(%)=(入水COD浓度-出水COD浓度)/入水COD浓度×100%.

氨氮去除率(%)=(入水氨氮浓度-出水氨氮浓度)/入水氨氮浓度×100%.

TP去除率(%)=(入水TP浓度-出水TP浓度)/入水TP浓度×100%.

2 结果与分析

2.1 不同运行水位下DO的变化

由图3可见，对照组的DO增长率在8.01%～20.04%之间，而实验组DO的增长率显著高于对照组。当漫滩水位在基质面以上1 cm时，实验组DO增长率最高，可达98.31%，可能的原因是复式河道滩地与水体在低水位时能充分的接触，水流流过复式河道的滩地上铺设的大小相间的沸石、灰渣等基质时，增加了水体流动的扰动性，从而有利于复氧过程，使水中的DO含量增高。随着水位的上升和下降，DO增长率都会显著下降，当漫滩水位在基质表面以下5 cm、基质表面以上5 cm、10 cm和15 cm时，其DO增长率分别为51.17%、43.15%、26.06%和25.00%。在每种水位下实验组与对照组DO增长率均有显著性差异(P<0.01)。

图3 不同运行水位DO增长率

2.2 不同运行水位对COD处理效果的影响

由图4可见，对照组COD的去除率在13.77%～21.89%之间，实验组与对照组COD去除效率差异显著；实验组漫滩水位在基质面以上1 cm时，COD去除率最高，可达56.72%，可能由于低水位时，水体与滩地充分接触，水体流经时，增加了水体的扰动性，其DO增长率最高，生物膜上的好氧微生物加速了对有机物的分解。随着水位的上升和下降，COD去除率都会显著下降，当漫滩水位在基质表面以下5 cm、基质表面以上5 cm、10 cm和15 cm时，COD去除率分别为33.84%、35.95%、25.04%和24.82%；在每种水位下，实验组与对照组的COD去除率均有显著性差异(P<0.01)。

图4 不同运行水位COD去除率

2.3 不同运行水位对氨氮处理效果的影响

由图5可见，对照组的氨氮去除率在7.55%～19.77%范围内，而实验组氨氮去除率显著高于对照组。漫滩水位在基质面以上1 cm时，实验组氨氮去除率可达48.83%，随着水位的上升和下降氨氮去除率都会显著下降，当漫滩水位在基质表面以下5 cm、基质表面以上5 cm、10 cm和15 cm时，其去除率分别为35.43%、44.66%、23.28%和23.26%。

图5 不同运行水位氨氮去除率

在实验系统中，氨氮的去除主要通过基质的物理化学吸附和基质表面微生物作用过程实现。生物膜形成以后，其中的微生物通过硝化作用去除氨氮[8]，该作用一般需要处在有氧环境中进行，氨氮去除效果常随DO含量的升高而升高。本实验表明，在基质面以上1 cm时DO增长率最高，因而微生物硝化作用增强，滩地基质对氨氮的去除效果最佳。

2.4 不同运行水位对TP处理效果的影响

由图6可见，对照组的TP去除率在5.91%～14.12%之间；实验组TP去除率在31.77%～44.66%之间。每种水位下实验组均和对照组有显著性差异，漫滩水位在基质面以上15 cm时，TP去除率最大，可达44.66%，漫滩水位在基质面以上5 cm时，TP去除率最小，为31.77%。磷在填料固体累积物中的沉积和填料对磷的直接吸附是主要除磷机制[9]，本实验中漫滩水位的变化对TP去除率影响较小，其深入原因，还需要进一步探讨。

图6 不同运行水位TP去除率

3 结论

人工复式河道漫滩水位对水质净化效果有显著影响，在实验室模拟条件下，复式河道漫滩水位在基质面以上1 cm时，DO增加量最高，对COD、氨氮的处理效果最好，随着水位的升高或降低，溶解氧的增长率和COD、氨氮的去除率都有所下降：漫滩水位在基质表面以下5 cm、基质表面以上1 cm、5 cm、10 cm和15 cm时，DO增长率分别为51.17%、98.31%、43.15%、26.06%和25.00%；COD去除率分别为33.84%、56.72%、35.95%、25.04%和24.82%；氨氮去除率分别为35.43%、48.83%、44.66%、23.28%和23.26%。但是水位的改变对总磷的去除效果影响不大。