基于水动力学下河流水质状态检测与补水方案模拟研究

孙 聪，叶方红

(浙江省丽水市水文管理中心，浙江 丽水 323000)

近年来河流水质污染现象愈发严重，一方面威胁着水产生物的安全性，另一方面对水利工程安全有效运营均是较大考验，为此，设计开展水质改善迫在眉睫[1-3]。华晨等[4]、张彦等[5]、赵震等[6]利用河流内长期设置的监测传感器分析水质变化特征，为准确设计开展水质改善提供重要参考。但不可忽视，传感器的长期监测数据成本较高，不易于快速高效开展水质改善，因而一些专家与学者通过建立水质模型，预测水质变化规律，分析水质自净能力与补水方案相匹配的特性，极大丰富了河流水质改善与管理的研究成果[7-9]。水动力学作为研究水质动态变化的重要理论，结合WASP、ECOLab等模拟计算程序，可获得研究对象水质动力学变化特征，为对比、优化补水方案提供重要依据[10-12]。本文利用水动力学模拟程序，在分析河流水质现状基础上，模拟对比不同补水方案下水质改善效果，为确定最佳补水方案提供重要参考。

1 工程概况

浙北地区水资源丰富，年降雨量较大，境内目前有一河流，其乃是钱塘江一支流，由于该河流流经地区包括城市中心等人流量较大区域，因而在该河流沿线建设有防洪堤坝，全长1 286 m，水域面积超过3万 m2，在局部区段内建设有蓄水库，库容可达18.5万 m3，极大保障了地区用水安全性。在该河流流域段内修建有多条排污管道，其中共有29处排污口，包括雨水管道7处，排污管道5处，其他均为其他用途管道，各个管道通行流量均较稳定，并不超过0.3 m3/s，管道内监测表明最大断面流量为0.28 m3/s，乃是流域内一重要箱涵设施。另城市中心流域段内存在有部分工作年限较长的排水设施，排水能力受到管径以及堵塞等影响，管道分流存在较大问题，目前有近一半排水管内存在有污水漏泄等现象，此亦乃是流域内河流水质污染的主要来源。

分析河流水质状态不仅要从水源污染源头分析，亦要从河流供水方面来分析，经调查分析得知，该河流年径流量为1 892.5万 m3，设置有多条引水渠道方便水资源调度，其中年均可引水量达1 650万 m3。河流上游所建设水库年入库总流量达2 870万 m3，设置有多条输水灌渠，极大提升了区域内生活用水保障度，最大日可供水量超过2.5万 m3。流域内建设有1各污水处理厂，其供水管道位于河道防洪堤坝下游区域，供水口共有两个，设计最大供水量分别为0.5万 m3、1.3万 m3。根据监测表明，供水方面水源水质中COD含量平均值为20 g/L，氨氮含量为0.2 mg/L，其中氨氮含量受季节变化影响，波动幅度较大，其中监测所获得氨氮含量最大为1.2 mg/L，由此表明河流水质的补水方案可以此为水源，其中受污染严重河段总需水量分为三个方面，蒸发渗漏量日需补水量为1.7万 m3，防洪溢流需补水量为2.6万 m3。现为改善河段内水质状态，设计开展河流补水，水利部门考虑首先开展河流水质现状分析，为设计开展补水方案提供参考。所采用的检测设备如图1所示，分别为水质分析仪、电波流速仪、瑞斯纯水仪。

(a)水质分析仪 (b)电波流速仪 (c)瑞斯纯水仪

2 河流水质状态检测分析

2.1 pH值时空特征

为确保检测结果准确性与科学性，按照空间分布特征分别在研究河段中按照间隔150m设置取样点，分别为A、B、C、D、E五个点，结合采用水质检测仪器获得研究区段内河流水质pH值随时间变化特征，如图2所示。从图中可看出，在各个取样点中pH值超过9的时间均有，其中以上游A点中pH值在春季2-3月最高，最高值达10.1，远超过安全用水标准，且在春季3个月之内河流水质中pH值均处于较高，水质呈碱性污染状态。从时间变化特征，夏季pH值较低，A取样点在夏季3个月中的pH最高值相比春季最高值降低了7.4%，分析认为河流中春、秋季pH值变化与地表径流有关，当地表径流愈丰富，与可带动地表较多偏碱性污染物水质进入河流中，浙北地区春季降雨量丰富，导致了水质中碱性污染物的迁移。

图2 pH值时空特征

从pH值空间变化特征可知，上游水质pH值显著高于下游河段内，B取样点在10月份时的pH值为9.3，而D、E取样点在同一时间中的pH值相比前者分别降低了5.2%、7%，由此表明区段内碱性水质污染物主要来源于上游河段。

2.2 COD含量

图3为水质监测及分析中所获得的COD含量变化特征。从图中可知，全年COD含量变化范围为56.7～100.7 mg/L，其中以10月份、5月份COD含量为最高，五个取样点在10月份的COD含量分别为100.7 mg/L、74.9 mg/L、85.4 mg/L、71.2 mg/L、69.5 mg/L，COD含量较低的月份为3月、9月，COD含量最低值为E取样点3月份，仅为59 mg/L。从COD含量在全年各月中平均值可知，COD含量在各月中波动幅度较大，以A取样点为例分析，其COD含量最高值为100.7 mg/L，而3月份最低的COD含量值仅为前者的67.8%，从污染物迁移来看，河段内水质蒸发量较大，进一步影响了河段内水质污染物含量的变化。在各个取样点中，中游河段内COD含量处于长期较稳定状态，波动幅度相比上游、下游COD含量较小，其中D取样点COD含量最高、最低值相差幅度为9.3%，而在下游段E取样点其相差幅度可达34.7%，表明河段内氧含量变化在上、下游更受显著影响。

图3 COD含量变化特征

2.3 氨氮含量

根据水质分析获得各个取样点在全年中氨氮含量变化特征，如图4所示。从图中整体可看出，各取样点氨氮含量变化范围均未超过3 mg/L，即水质氨氮含量满足地表水用水安全性标准[13，14]。从各点氨氮含量变化趋势可知，从年初1月份氨氮含量最高值开始，逐步降低，直至在年末11、12月份氨氮含量有所上升，B取样点在1月份的氨氮含量为2.8 mg/L，在6月份时氨氮含量相比前者降低了40.1%，而到了7月份达到了全年最低值，相比年初降低幅度达42.5%，后在10-12月出现氨氮含量上升，但年末12月份氨氮含量值相比年初1月份仍有20.4%幅度差异。从氨氮含量变化空间特征可看出，年初以上游河段A、B点氨氮含量为最高，持续至7月份，均为上游河段氨氮含量高于下游河段，但到了下半年后氨氮含量以下游河段为最高，且上游河段取样点全年氨氮含量变化幅度相比下游河段要小，E取样点全年氨氮含量变化幅度最大为123.3%，分析认为上游河段内氨氮含量变化波动较小，与其上游蓄水库来水变化有关。

图4 氨氮含量变化特征

2.4 TP含量

TP含量亦是表征水质状态的一个重要参数，因此在水质分析过程中获得河段内TP含量时空变化特征曲线，如图5所示。从图中可知，安全水质TP含量最大不可超过0.2 mg/L，而在各取样点中最大TP含量相比安全水质含量增大了4.7倍，达1.15 mg/L。从全年TP含量变化可知，各取样点TP含量变化趋势呈“W”型，即以1月份、6月份、12月份为全年中TP含量最高时间，B取样点在1月份的TP含量为1.1 mg/L，而在4月份时TP含量相比前者降低了25.6%，另在9月份时的TP含量相比1月份又降低了22.8%。从各取样点TP含量差异性来看，各个取样点在同一时间节点处的波动变化较小，以11月份为例，A取样点TP含量为0.95 mg/L，其他四个取样点相比前者分别仅有1.9%、0.6%、2.4%、4.1%幅度差异，而在其他时间阶段均是如此，各取样点在同一时间中TP含量最大波动幅度不超过20%。

图5 TP含量变化特征

3 河流补水方案模拟

为提升区域内河流水质状态，水利部门考虑对污染段河流开展补水，并设计有3种补水方案，每个方案均是在河段上游A点、C点、E点分别设置输水点，各方案差异性主要为各个输水点的补水量有所差异，其中1#方案三个点的补水量分别为2.5万 m3/d、0.5万 m3/d、0.3万 m3/d，总补水量为3.3万 m3/d，2#方案三个点的补水量分别为2.5万 m3/d、0.3万 m3/d、1.6万 m3/d，总补水量为4.4万 m3/d，3#方案三个点的补水量分别为2.5万 m3/d、0.7万 m3/d、2万 m3/d，总补水量为5.2万 m3/d，各方案具体补水方案如表1所示[15，16]。

表1 各方案具体补水量

采用水动力学模拟计算，获得三个补水方案下水质中污染物含量变化特征，本文以COD含量、氨氮含量、TP含量作为补水方案优异性衡量参数，如图6所示。从图中可看出，经对污染严重河段进行补水后，三个方案中污染物含量水平整体均有较大幅度降低，其中1#方案中COD含量最大值为72.8 mg/L，相比河段初始状态下COD含量最大值降低了27.7%，而相同补水效果在氨氮含量、TP含量变化曲线中亦是如此，1#补水方案中两者化学污染物含量最大值相比初始状态下最大值分别降低了39.2%、67.2%，由此表明本工程所采用的补水方案均是有效。对比三个补水方案可知，1#方案中COD含量最大值相比3#方案中要高于15.5%幅度，而相同条件下3#方案TP含量最大值相比1#、2#方案分别降低了10.6%、3.1%，氨氮含量在三个补水方案中差异幅度是最小，但总体上仍以3#方案氨氮含量水平为最低，该方案中氨氮含量最低值仅为0.11 mg/L，相比1#、2#方案最低值分别降低了31.1%、41.3%，分析表明，3#补水方案在补水效果中均是最优，对河段内水质改善乃是最佳方案，水利部门应着重考虑3#方案在实际工程中应用。

图6 各补水方案污染物含量变化特征

4 结语

本文结论如下：

(1)河段水质现状中PH值春、秋季较高，呈碱性污染，上游水质PH值显著高于下游河段内，D、E取样点在同一时间中的pH值相比C取样点分别降低了5.2%、7%；河段内COD含量变化在上、下游更受显著影响，中游较为稳定。

(2)各取样点氨氮含量变化范围均未超过3 mg/L，下游河段内氨氮含量变化波动较大；各取样点TP含量变化趋势呈“W”型，且各取样点在同一时间节点的TP含量波动变化较小，11月份B、C、D、E四个取样点相比A点分别仅有1.9%、0.6%、2.4%、4.1%差异。

(3)三个补水设计方案下污染物含量水平整体均有较大幅度降低，1#方案中COD含量最大值相比河段初始状态下COD含量最大值降低了27.7%；3#补水方案总补水量5.2万m3/d在模拟结果中水质改善最优，相同条件下3#方案氨氮含量最低值相比1#、2#方案分别降低了31.1%、41.3%。