灌河生态修复人工湿地的水动力水质模拟

侯晓辉　周倩　邢宝龙　

摘 要：灌河沿线分布多个城市和乡镇，为保证河道水质，针对不同河段污染特征及场地条件，沿线分别布置支流汇入口表流人工湿地、污水处理厂尾水潜流人工湿地、河道滩地溪流湿地 、入河排污口生态湿地等4种不同工艺类型的人工湿地。为验证人工湿地对水质改善的效果，采用MIKE21模型对灌河进行二维水动力水质模拟，对比分析了人工湿地工程实施前后灌河控制断面水质情况，结果表明：通过对沿线生活污水排放口、支流汇入口、面源污染排放区等设置人工湿地，能够有效降低入河污染物量，人工湿地在改善河流水环境和水生态方面具有良好的效果。

关键词：人工湿地;MIKE21;水质;生态修复

中图分类号：X522   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.013

Hydrodynamic and Water Quality Model of Constructed Wetland Ecological Restoration in Guanhe River Basin

HOU Xiaohui1， ZHOU Qian2， XING Baolong1， ZHAO Tongyang1， SONG Wenchao1

（1.Henan Water & Power Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China;

2.Zhengzhou City Municipal Engineering Design & Research Institute， Zhengzhou 450046， China）

Abstract：There are many cities along the Guanhe River. In order to ensure the water quality， according to the pollution characteristics and site conditions of different river sections， four different types of constructed wetlands are arranged along the river， namely， surface flow constructed wetland at tributary inlet， tail-water subsurface constructed wetland at sewage treatment plant， stream wetland at river beach and ecological wetland at sewage outlet. In order to verify the effect of constructed wetlands on water quality improvement， MIKE21 numerical simulation software was used for water quality to construct two-dimensional hydrodynamic and water quality model of the Guanhe River. It compared and analyzed the water quality standard of the river before and after the implementation of constructed wetland project. The results show that constructed wetlands can effectively reduce the amount of pollutants entering the river by setting up domestic sewage outfall， tributary inlet and non-point source pollution discharge area along the river and constructed wetlands have good effects on improving river water environment and water ecology.

Key words： constructed wetlands; MIKE21; water quality; ecological restoration

隨着绿色发展观的提出，生态建设力度逐渐加大，流域生态建设处于新的历史发展阶段和治水兴水的重要战略机遇期。为了贯彻落实四水同治、加速推进河南省水利现代化，河南省政府选取灌河等10条河流率先开展流域生态系统治理规划，其中开展的灌河流域综合治理与生态修复，打造绿色生态河流廊道，对改善区域生态环境具有重要引领示范作用。

人工湿地作为生态修复常用的技术方法之一，具有投资节省、处理效果良好、运行费用低等优点[1-3]，在污水处理厂尾水、入河排污口、河湖水质提升、农村生活污水等污染水体治理实践中被广泛应用[4-7]。但已有研究主要是将人工湿地应用于单一点源污染处理，缺乏在规划设计阶段人工湿地布置方案的可行性分析，因此笔者针对灌河流域实际污染特点，沿河规划布置不同类型的人工湿地，通过构建MIKE21水动力-水质模型，分析并论证人工湿地布置的合理性及对水环境改善的效果。

1 流域环境现状及分析

1.1 流域概况

灌河是淮河右岸二级支流、史河左岸一级支流，发源于河南省信阳市商城县黄柏山，流经商城、固始两县，在固始县蒋集镇与史河相汇成为史灌河，于固始县三河尖汇入淮河。灌河干流全长164 km，流域面积1 650 km2，其中：商城县境内河长108 km，境内流域面积1 280 km2;固始县境内河长56 km，境内流域面积370 km2。灌河流域区位优势独特，山环水润，东南西三面由纵向山脊环绕，有大小山峰300余座，自南向北穿越中低山、低山丘陵、丘陵垄岗、平原四大风貌区。鲇鱼山水库以南两岸山峰叠嶂，地势险要，海拔千米以上山峰有黄柏山、磨盘山、九峰尖、大牛山等;鲇鱼山水库库区周围是山地环境，海拔为100～800 m，坡度较大;鲇鱼山水库坝址以北河道两岸地势逐渐平缓，河床比降为1/800～1/1 000。

1.2 流域污染现状

1.2.1 水质污染现状

随着灌河流域开发强度的加大，水质呈现恶化趋势。鲇鱼山水库以上河段长竹园乡、达权店镇等沿线村镇生活污水直排入河，导致局部河段个别污染因子超标;鲇鱼山水库至商城县界河段，属于开发利用区，沿线分布有商城县城、产业集聚区、河凤桥乡及上石桥镇等，污水处理厂尾水及部分生活污水排放导致此段污染较严重;灌河固始段因接纳了固始县城区污水厂尾水，现状水质为《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类。

根据《信阳市水功能区水资源质量状况通报》（2017年），灌河除商城排污控制区只进行水质类别评价不进行考核外，其他3个待考核水功能区（黄柏山省级自然保护区、鲇鱼山坝下农业用水区、灌河下游农业用水区）水质均不达标。采用年度均值评价法，选用双指标评价（氨氮和CODMn）和全指标评价（共26项）两种评价方法，对照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）进行水功能区水质类别评价，灌河流域水功能区水质状况见表1。

1.2.2 污染因素分析

（1）点源污染直排入河。灌河干流直排污水口共有27处，其中鲇鱼山水库以上有3处，鲇鱼山水库—商城县界有17处，固始县境内有7处。直排污水多为生活污水或者混合污水，生活污水主要有汪冲村、武畈村、汤泉池、余洼、油坊、闵湾、石牛村、团结村等入河排污口，混合污水有张新湾、河凤桥老街、河凤桥村新街、八里滩村等入河排污口，工业污水有山信粮业有限公司入河排污口。

（2）城镇污水处理厂尾水入河。灌河流域范围内有污水处理厂4座，商城县境内3座、固始县境内1座，现状废污水处理能力是9万t/d，见表2。污水处理厂出水标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A，低于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类标准，仍属于点源污染，直排入河会给灌河带来较大污染负荷，是灌河污染的重要因素。

（3）支流汇入带来的污染。灌河流域支流众多，广泛分布在商城县、固始县境内城区、村镇，由于环保基础设施不完善、农业面源污染治理滞后，部分支流水质较差，尤其是陶家河、周小河、河凤桥河、上石桥河等流经城镇的支流，部分生活污水直排入河，导致这几条支流污染严重，NH3-N、TP等严重超标，汇入灌河后，给灌河带入较大的污染负荷，这也是灌河鲇鱼山水库以下河段水质恶化的主要因素。

2 工程措施

（1）支流汇入口人工湿地净化工程。在支流汇入口处建设人工湿地，减少支流带入灌河的污染物。在关门河、毛坪河、陶家河、河凤桥河、上石桥河、周小河等支流汇入口，结合河流滩地、河口三角洲等实际情况，合理规划人工湿地，通过湿地植物的吸附、拦截、净化作用，削减各支流汇入的污染物。人工湿地工艺以表流人工湿地为主，通过设置溢流堰、小型拦河坝的方式，将水引入人工湿地净化区，表流人工湿地可采用“回肠式”，尽可能延长水力停留时间，增加污水与湿地植物接触时间，提高污染物去除率。

（2）污水处理厂尾水人工湿地净化工程。针对现有污水处理厂出水水质不满足灌河水功能区水质要求的情况，规划建设商城汤泉池污水处理厂、开源污水处理厂、聚源污水处理厂及固始第二污水处理厂等尾水人工湿地净化工程，因地制宜，合理确定湿地规模、湿地类别及湿地工艺等。人工湿地工艺以人工潜流湿地为主，可采用“水平潜流人工湿地+垂直流人工湿地”“生态基人工湿地+水平潜流人工湿地+垂直流人工湿地”等复合人工湿地，通过设置不同粒径的填料层，提高污染物的去除效率。

（3）河道滩地溪流湿地工程。陶家河入灌河口—上石桥镇河段，总长约25 km，分别流经商城县城区、产业集聚区、河凤桥乡和上石桥镇等，受沿岸点源与面源污染影响较大，且滩地植被单一，自净能力差。根据此段滩地宽、岸坡缓的特点，可引水入滩，构建滩地溪流湿地，结合河床滩地地形，构建湿地植物塘、沉水植物带、浮水植物带、挺水植物带、沼生植物带、湿生植物带等不同类型的植物群落，进而创造好氧、缺氧、厌氧环境，降解与吸收不同有机、无机污染物，提升河流自然净化能力。

（4）入河排污口生态湿地治理工程。针对灌河沿岸已设定的排污口，为进一步改善其水质、满足灌河水功能区水质要求，开展商城县团结、山信粮业和固始县柳沟、徐寨、叶台、道超等入河排污口污水生态治理工程，通過在排污口设置“跌水堰+滩地生态塘+水生植被带”的方式，对排污口污水进行深度净化。利用跌水堰进行充氧曝气;生态塘可起到沉淀作用，生态塘内沉水植物可进一步去除氨氮和总磷;出水进入河道水生植物带，起到进一步过滤、吸附、净化的作用。平地村、新店村、欧楼村、闵湾村、石牛村、新桥村、八里滩村等，远离城镇，宜采用分散式方法处理农村生活污水，可建设“化粪池+生物氧化塘+挺水植物人工湿地+水平潜流湿地”的污水净化系统，对灌河沿线村庄生活污水进行生态治理。灌河沿线人工湿地布置见表3。

3 水动力水质模拟及分析

3.1 数学模型

（1）水动力模型。采用MIKE21模型中FM模块建立水动力水质耦合模型。二维水动力模型是基于Boussinesq和静压假定的二维不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程和连续方程建立的，模型基本控制方程：

式中：t为时间;η为水面相对于未扰动水面的高度;h为总水深;、分别为垂向平均流速在x、y方向上的分量;Pa为当地大气压;g为重力加速度;ρ为水密度;ρ0为参考水密度;f为科氏力系数（f=2Ωsin φ，Ω为地球自转角速率，Ω=0.729×10-4s-1，φ为地理纬度）;sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量;Txx、Txy、Tyy为水平黏滞应力项;τsx、τsy为水面风应力张量;τbx、τby为河床底部应力张量;S为源汇项;us、vs为源汇项水流流速。

（2）水质模型。水质模型模块（TR）与水动力模型模块是动态连接的，可以模拟污染物在河流中的扩散情况，进而分析模拟区域污染物的迁移扩散规律，得出不同断面污染物的浓度。采用的二维对流扩散方程为

Ct+uCx+vCy=Dx2Cx2+Dy2Cy2

式中：C为污染物浓度;u、v分别为x、y方向的流速;Dx、Dy分别为x、y方向上的扩散系数。

3.2 水质因子选择及参数设置

根据灌河现状水质分析，沿程点源污染主要是生活污水，面源污染是农业汇流，超标因子主要是COD、NH3-N、TP，因此选择COD、NH3-N、TP作为污染控制因子。模型初始边界条件设置：上边界鲇鱼山大坝流量采用近10 a最枯月平均流量0.5 m3/s，现状水质按照地表水Ⅱ类标准;面源污染产生量按照枯水期径流量143.36万m3估算，面源污染物浓度参考目前国内城市雨水地表径流污染物含量监测成果，COD、NH3-N、TP浓度分别为80、1.14、0.73 mg/L;点源污染主要考虑直排生活污水、污水处理厂尾水、陶家河入河污染物等污染较重的污染源，具体流量、浓度见表4。

3.3 模拟结果分析

为了对比工程方案实施前后的水质变化情况，利用MIKE21模型对现状水质和工程措施实施后水质变化情况进行分析，以验证工程措施是否有效。

（1）现状水质变化。根据灌河沿线排污口资料，利用MIKE21模型对鲇鱼山水库大坝以下灌河流域进行二维水动力水质模拟。结合《河南省水环境功能区划》对灌河进行分段考核，商城陶家河入河口上游600 m为考核断面B—B，商城陶家河入河口下游1 800 m为考核断面C—C，商城县界灌河为考核断面为D—D。工程实施前灌河现状水质状况见图1。

模拟结果显示：考核断面B—B，COD、NH3-N、TP浓度分别为2.89、0.13、0.023 mg/L，符合地表水Ⅱ类标准，符合鲇鱼山水库水质现状;考核断面C—C，COD、NH3-N、TP浓度分别为38.81、4.17、0.870 mg/L，属地表水劣Ⅴ类水;考核断面D—D，COD、NH3-N、TP浓度分别为14.00、1.46、0.270 mg/L，属地表水Ⅳ类水。根据现有资料分析，断面B—B和断面C—C之间为商城县城，大量污染物排入导致C—C断面水质急剧下降;开源污水处理厂尾水、支流陶家河水质污染、沿河村庄生活污水等污染源汇入也是C—C断面水质差的主要原因。

（2）工程措施实施后水质变化情况。在污水处理厂尾水人工湿地净化工程、入河排污口生态湿地净化工程、支流汇入口人工湿地等工程实施后，通过MIKE21模型模拟灌河水质变化情况，上游边界流量为0.5 m3/s时，灌河水质状况见图2。验证结果显示，C—C断面，COD、NH3-N、TP浓度分别为19.75、0.95、0.190 mg/L，满足地表水Ⅲ类水标准;D—D断面，COD、NH3-N、TP浓度分别为8.22、0.39、0.080 mg/L，满足地表水Ⅱ类水标准。模拟水质结果符合水功能区水质目标要求，说明灌河沿线人工湿地实施后，可以实现灌河水质目标。

通过对人工湿地工程布置方案实施前后两种情况模拟对比分析发现，人工湿地实施后，COD、NH3-N、TP等污染控制指标均显著下降，其中C—C断面COD、NH3-N、TP浓度分别下降了49.12%、77.21%、78.16%，D—D断面COD、NH3-N、TP浓度分别下降了41.29%、73.29%、70.37%，且控制断面水质达到了水质目标要求。说明灌河沿线布置的人工湿地能够显著降低入河污染物量，提升灌河水体自净能力，对改善灌河流域水环境和水生态具有良好的效果。模拟结果证明了工程布置措施可行，水质目标可达。

4 结 论

（1）在对灌河水质现状及污染因素分析的基础上，根据入河污染物特征，因地制宜，选择合适的人工湿地工艺技术，布置不同类别的人工湿地，去除入河污染物，其中：支流入河口以人工表流湿地为主，形式可采用“回肠式”;污水处理厂尾水水质提升可选择复合人工潜流湿地;污染严重的河段可设置滩地溪流人工湿地;一般入河排污口可结合场地高程，采用“跌水堰+生态塘+人工湿地”的组合工艺;分散的农村生活污水可采用“化粪池+生物氧化塘+挺水植物人工湿地+水平潜流湿地”的组合工艺。

（2）基于MIKE21模型对灌河鲇鱼山以下河段进行了二维水动力-水质模拟，通过对人工湿地工程措施实施前后水质模拟结果对比分析得出，湿地工程实施后主要污染因子COD、NH3-N、TP浓度均有明显下降，且控制断面水质达到了水质目标要求，说明人工湿地能够显著降低入河污染物量，对改善灌河流域水环境和水生态具有良好的效果。

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【责任编辑 吕艳梅】

收稿日期：2019-08-06

作者简介：侯晓辉（1985—），男，河南郑州人，工程师，硕士，主要从事水环境治理与水生态修复工作

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