派河岸边带湿地水力停留时间扩增估算

朱昊彧 张浏 隗岚琳

摘要 以派河流域气象资料和流域基础信息为基础数据，采用频率分析法和小流域经验公式法推算了派河降雨与径流量的相应关系;结合流域特征，应用产流理论探索了区域降水与派河径流之间的关系;根据湿地污染物拦截的最佳水力停留时间，计算达到各河段最佳污染物拦截效果所需增加的水力停留时间。建议派河流域加强岸边带湿地保护，提高污染物拦截效率。

关键词 派河;岸边带;降雨;产汇流;水力停留时间

中图分类号 S29文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）10-0190-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.10.049

開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Amplification Estimation of Hydraulic Retention Time in Pai River Riparian Zones with Wetlands

ZHU Hao-yu1，2，ZHANG Liu3，WEI Lan-lin2 （1.Hohai College，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074;2.Institute of Ecological Environment，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210098;3.Anhui Academy of Environmental Sciences，Hefei，Anhui 230022）

Abstract Based on meteorological data and basic information of the Pai River Basin，frequency analysis method and small watershed empirical formula method were used to calculate the corresponding relationship between rainfall and runoff in the Pai River Basin.Combined with the characteristics of river basin，the relationship between regional precipitation and Pai River runoff was explored by applying the theory of runoff production.According to the optimal retention time of wetland pollutants，the increased hydraulic retention time needed to achieve the optimal pollutant retention effect in each river section was calculated.It was suggested that the protection of the riparian zone wetland should be strengthened to improve the efficiency of pollutant interception.

Key words Pai River;Riparian zone;Rainfall;Runoff;Hydraulic retention time

派河位于合肥市肥西县，是巢湖重要的泄洪河流。在降雨后的产汇流过程会向河流输入大量面源污染，进而带入大量污染物进入巢湖，这一现象在洪水期尤为突出。河流岸边带湿地被证实对降雨带来的面源污染具有重要拦截作用[1]，而这种拦截作用的强度和降雨在湿地的水力停留时间具有密切相关性。水力停留时间指待处理污水在湿地中的平均停留时间，湿地对水体内污染物拦截或净化效果理论上与水力停留时间呈抛物线关系[2]。

近年来，随着社会、经济的发展，巢湖水质有恶化趋势，原因之一就是各入湖支流携带大量营养盐进入湖区，引起湖区水体富营养化[3]。为改善巢湖水环境，降低入湖污染负荷，笔者以派河流域为研究对象，计算派河流域产汇流时间和各河段河岸带湿地实力停留时间，最终获得达到最佳污染物拦截效果各河段所需要增加的水力停留时间，以期为派河流域及巢湖水环境治理提供参考。

1 研究区概况

派河源于肥西县江淮分水岭枣林岗及紫蓬山山脉北麓，东南向注入巢湖，流域面积571 km2，年径流量29.0万m3，多年平均来水量1.88亿m3，其中上游为防虎北麓丘陵岗地，该处河槽深而陡坡，下切甚烈，中游以冲积平原为主，河宽30～70 m，高程5～7 m，整个河道可以分为上派段、中派段和下派段，河道全长60 km，河道平均比降为1.18%[4]。

派河流域总体呈倒锥形，地形地貌及海拔高度变化不大，总的地形为由西北向东南倾斜，河水的流向受地势影响也基本为由西北流向东南，从发源地起接受支流苦驴河、梳头河、王老堰河、滚子河、古埂河等补给[5]，最后于派河大桥附近汇入巢湖。派河各个支流的流域面积基本相当，降雨后地表径流沿这些支流流出，汇入派河主干道。支流有时并无明显的地表径流，只有在夏季或降雨较大时期才能看到明显径流。

2 流域降雨特征分析

降雨数据采用派河流域临近的肥西县气象站点2017年全年监测数据。该气象站位于派河流域中部，对分析派河流域降雨特征具有很好的实用参考价值。分析派河2017年月平均降雨资料发现，除8、11、12月外，派河流域全年降雨较为均匀，在50～100 mm内波动，其中8月降雨量最高接近300 mm，而11、12月降雨量较低，在20 mm左右（图1）。

降雨强度一般分为7个等级，以24 h雨量为例，各降雨强度级别如表1所示。24 h降雨量达到或超过50 mm的降雨都称为暴雨，而暴雨又分为暴雨、大暴雨和特大暴雨[6]。按此分级（表1），派河流域降雨天气约占全年的33%，是因为该地区处于亚热湿润季风气候，降雨充沛。虽派河流域降雨类型大多为小雨，一般达不到暴雨降雨标准，但由于其降雨历时较长，因此容易使得下垫面含水率饱和，进而使流域以蓄满产流机制进行产流。

如图2所示，从单次累计降雨量来看，派河流域中雨降雨累计的降雨量最多，其次为大雨、暴雨、小雨，微雨類型几乎为零。此外，微雨由于雨量太小，不会产生径流，因此在计算派河流域的产汇流时间时，应较多关注小雨、中雨、大雨和暴雨过程，而对于降雨量很少的微雨则可以忽略。

3 流域下垫面条件

为了进一步确定派河原状土的导水性能，确定原状土的渗透系数，进行单环法渗水试验。该研究于2018年11月在派河干流巢湖入湖口上游约3 km处开展单环渗水试验，在试坑上嵌入直径为0.3 m的单环，将单环周围缝隙填土夯实，环内铺反滤粗砂;向铁环内注水至刻度线处，然后迅速注入一杯水，待水面下降至刻度线处，再注入一杯水，这样不断将水注入铁环内，并使铁环内的水层厚度保持在标定的刻度线上;记录每一杯水的注入时间。开始时因渗入速度较快，稍后时间间隔要延长，直到下渗时间基本稳定为止[7]。稳定标准为渗入流量呈随机浮动趋势，且变幅小于5%。根据一定时间内试验坑稳定消耗水量测算土壤渗透系数。

该试验为单环渗水试验，注水量保持常量，计算渗水速率随时间的变化关系。可应用达西渗透定律来进行结果计算，即K=VI=QWI。式中，Q稳定渗透流量，即注入水量，单位m3/s;V为渗透水流速度，单位m/s;w为渗水坑的底面积，单位m2;I为垂向水力坡度，根据经验值选择I=1。

根据以上分析计算方法分析原土层渗水试验数据可知，原土层黏性土土壤渗透速率很小，渗透速率随渗透时间很快减小，并很快趋于稳定。土层渗透速率随时间的变化趋势如图3所示。稳定后的渗透速度为5.519 8×10-4cm/min，即9.199 7×10-8m/s。土层渗透系数计算公式如下：K=VI=9.199 7×10-81=9.199 7×10-8m/s。由此得出派河流域土壤渗透系数K为9.199 7×10-8m/s。这表明原土层土壤持水性强，透水性较差。

值得注意的是，虽然派河流域下垫面整体渗透性较差，但在降雨初期，下垫面仍具有较好的条件，这是由下垫面土壤的含水率决定的。这意味着，对于派河流域中的微雨和小雨，很大程度上在下垫面中保存，通过包气带逐渐入渗至派河。

4 流域降雨与产流时间分析

为观测不同降雨强度下流域下垫面的产汇流特征，分析派河流域产流期降雨量和产流历时的关系，计算流域降雨产汇流时间，为派河清水廊道拦截带的设置提供理论依据，该研究采用频率分析法[8]和小流域经验公式法[9]推算了派河降雨类型与径流量的相应关系。

选择3种不同降雨类型，分别对应派河流域的小雨、中雨、大雨，分析降雨期间的径流流量特征，分析派河流域产汇流时间。此次研究使用数据分别来自派河监测站和肥西县气象局，所选降雨时段是连续无降雨天气后发生降雨天气的状况，以此对派河产汇流过程进行分析。

4.1 大雨条件下派河径流量变化过程

选择2017年2月9日至3月1日派河监测站流量数据和肥西县降雨数据。监测第16天，派河流域发生大雨降雨天气，相应地，第17天派河监测站流量明显升高，因此在大雨条件下派河流量最大值发生时间约24 h。同时，由于降雨监测数据获取时间为每天08：00，流量数据获取为每天00：00，从降雨开始到流量发生变化的时间约为0.5 d（图4）。

4.2 小雨、中雨条件下派河径流量变化过程

选择2018年3月22日至2018年4月15日期间派河监测站流量数据和肥西县降雨数据。如图5所示，监测至第8天时派河流域发生小雨降雨天气，监测第13天派河流域发生中雨降雨天气，相应地，第11天和第16天派河监测站流量达到最大值。第10天和第14天时，派河流域流量即发生变化。因此，在小雨和中雨条件下，派河流量发生变化对应的时间约为2和1 d。

5 各河段扩增水力停留时间估算

派河从发源地起接受支流苦驴河、梳头河、卞小河、光明大堰河、王建沟、孙老堰河、潭冲河、五老堰河、斑鸠堰河等支流的补给[10]（图6）。由于部分支流缺乏河流地形数据，该研究选择资料较为齐全的梳头河、卞小河、光明大堰河、王建沟、五老堰河和斑鸠堰河作为研究对象，对其自然产流时间进行计算。

流域汇流时间t的计算使用经验公式，该方法适用于计算流域面积小于500 km2流域的汇水时间计算：

t=5.467×（nl）0.8p0.5×i0.4（1）

式中，t代表汇流时间，l代表汇流距离，n代表下垫面糙率，p代表下垫面土地利用类型指数，i代表河道平均坡降。

对于小型流域而言，各支流土地利用类型相似，下垫面糙率相似，因此，各支流汇入的平均时长比可表示如下：

t1/t2=l10.8i10.4l20.8i20.4（2）

对于派河流域各支流，基本参数如表2所示。

将指标数据归一化处理，以派河产汇流时间24 h为计算基础，计算各支流产汇流时间与派河干流产汇流时间关系。得到其关系式后，即可计算出该支流的产汇流时间。

例如：光明大堰河产汇流时间（x），则派河产汇流时间可通过下式计算：

t光明大堰河/t派河=l10.8i10.4l20.8i20.4=x/24（3）

由此得出，派河产汇流时间为13.3 h。

相似地，其余支流产汇流时间如表3所示。

水力停留时间是人工湿地系统设计中一个重要参数，利用人工湿地系统净化降雨等水量大、污染物浓度高的污水时，处理效率相对较低，其中一个很重要的原因就是需要水力停留时间较长[11]。研究表明，增加水力停留时间的确可以有效增强人工湿地对污染物的去除能力。多项研究发现，在水力停留时间为48 h左右时对总氮、总磷等污染物的去除率最高[12-14]。派河流域各种类型降雨累计降雨量较为相似，受下垫面渗水作用影响，小雨和微雨产生的大部分降雨量进入包气带经过较长时间才会进入派河，因此，派河流域岸边带阻隔带应重点关注中雨以上降雨。其中暴雨虽然产汇流时间短，但由于其每年发生次数很小，因此派河岸边阻隔带可按照中雨和大雨强度布置，水力停留时间控制在24 h 以上。

根据岸边缓冲带污染物最优处理效率48 h计算，得出光明大堰河需要扩增水力停留时间34.7 h。由于各支流岸边缓冲带将水力停留时间扩增为48 h，需扩增水力停留时间汇总如表4所示。

6 结论

派河各支流产汇流时间基本在35 h以内，产汇流受到地形、地质和植被覆盖等多方面影响。派河流域靠近派河入巢湖口，产汇流时间有变短趋势，而理论上由于上游地形较陡下游平缓，产汇流时间应该有变长趋势，主要原因可能在于下游地面硬化和河岸带湿地的破坏。为提高岸边缓冲带对污染物的拦截作用，将水力停留时间提高为48 h后，除光明大堰河外各支流需扩增12～20 h水力停留时间。因

此，建议在派河流域保护流域植被，尤其是靠近河流的岸边带湿地，这些措施有效提高降雨带来面源污染在缓冲带的水力停留时间，进而有效拦截污染物。

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