河道水质模拟分析及水质保护措施

戴光鑫，朱爱华，朱 刚

（1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心 ,山东 济南 250100；2. 夏津县水丰水利工程有限公司,山东 夏津 250102）

1 河道现状

某河道长23.4 km,河道现状水质较差,汇入干流河道直接导致干流河水污染。根据现场调查走访,河道污染源主要来自上游的大专、中学和轴承厂,目前建设占地约22.3万m2,每天产生的污水约1800 m3。在枯水季节,现状上游河段径流量非常小,加上近年来降雨减少,为保证水库蓄水量,上游水库实际运行中无法满足下泄水量要求,另一方面河道河口下游约1800 m处建有一中型闸作为挡水建筑物,以抬高水位满足灌溉的需求,因此,上游点源污染、河段生态蓄水量不足,水自身水动力较差等问题导致该段河道水质较差。为了了解河道污水排入主干流河段的水质变化情况,需对河口~大闸段河道进行水质模拟分析,根据分析结果提出水质保护措施。

2 水质模拟分析

2.1 二维水质模型

2.1.1基本方程

河道水质模拟采用MIKE21软件中二维水动力模型,本模型利用溶质运移方程计算在水体流动、扩散等条件下的水质变化情况,基本方程如下：

（1）连续方程：

（2）动量方程：

（3）溶质运移方程：

式中：u、v分别为ζ、η方向流速分量,m/s；h为水位,m；H为水深,m；g为重力加速度；f为柯氏力系数；C为河道中某一位置水体平均浓度。

2.1.2基本方程的数值离散方法

基本方程组采用ADI法离散,其主要技术路线参照刘宏坤《交汇河段桥梁建设对水流影响的数值模拟分析》2.2章节中ADI法进行模型数值离散方法中采用技术路线［1］,计算方法在很多文章文献中均有所应用,不在赘述。

2.1.3定解条件（1）初始条件：u=0,v=0,ζ=0。

（3）动边界处理

动边界问题是指计算区域中有水和无水区域交界线的确定问题［2］,本模型采用“冻结法”处理,通过定义临界水深Δh来确定干、湿点或干、湿单元,当水深h＞Δh时,糙率取正常值,反之糙率取一大值［3］,对计算区域内滩地干湿过程,采用水位判别法处理,即当某点水深小于一浅水深εdry（如0.1 m） 时,令该处流速为零,滩地干出,当该处水深大于εflood（如0.2 m）时,参与计算,潮水上滩。

2.1.4模型设置

（1）建立模型

本次模拟河段为河道河口上游100 m至大闸处,全长约2000 m,模拟河段位置图见图 3,该段河道来水比较单一,沿河段无集水水流特别是污水汇入,根据本项目地形测量数据,利用模型网格生成器制作二维模型有限元网格,见图4。该有限元网格为三角形不均匀网格,共有点1245 个,有限元2083 个。

图4 二维模型有限元网格

（2）研究工况

由于降雨时河道径流量较大,对水质改善影响明显,因此本次水质模型计算仅考虑枯水工况,根据该河道受上游一水库影响的特点,分成上游径流量极小和普通两个工况：①上游径流量为860 m3/d（仅有大坝渗流水）；②上游径流量为42300 m3/d（约 0.5 m3/s）,即为上游水库对下泄最小生态需水量的要求。工况② 在工况①模拟结果基础上运行,两种工况其余边界条件一致。

（3）边界条件

1）上边界流量：工况①,上边界流量为常数 0.01 m3/s≈860 m3/d；工况②,上边界流量为常数0.50 m3/s≈42300 m3/d。

2）水质条件

上边界浓度：假设该河段上游来水水质达到地表水V类标准,主要指标见表 1。

表1 上游来水水质指标表

入河污水污染： 根据估算入河生活污水量为1800 m3/d,按平均流量输入为0.021 m3/s,输入的入河污水水质见表 2。

表2 典型生活污水水质指标表

（4）初始条件

工况①,初始水位设为1783 m,初始浓度COD为40 mg/L,NH3-N为5 mg/L；

工况②,初始水位基于工况①计算结果,初始浓度为亦基于工况①计算结果。

（5）模型参数

计算时长：时间步长10 min,模拟总时长为6 天。糙率：根据上段已治理河道治理资料,该段综合糙率可取0.031。

（6）水质评价指标

综合城镇污水处理厂水污染物排放指标一级A及再生利用景观用水指标,设定本次水质模拟分析控制指标值见表3。

表3 易受污染河段水质主要控制指标

2.2 结果分析

模型计算完成后,选取该河段4个典型断面位置对COD和 NH3-N指标进行分析, 水质分析断面见图 5。

图5 水质分析断面

工况①水质情况分析见图6。

图6 工况①水质情况

根据图 6 分析可知,该河段在初始水质良好的情况下,由于河道污水的汇入,断面#1 处水体在36 小时内COD和NH3-N指标迅速升高,并在约60 小时达到最大值,COD浓度约为143 mg/L,NH3-N浓度约为19 mg/L,并在几小时后趋于稳定；断面#2 处水体在约96 小时后污染物指标达到最大值；断面#3 和#4 处水体由于距离河道河口较远,因此在本次6天的模拟过程中水质影响较小,但随着时间的增加,两处的水体也将被污染。

（2）工况②水质情况分析

（a）工况②COD浓度变化曲线

根据图 7 分析可知,工况②在河水上段已经被污染的情况下,上游输入0.50 m3/s 的清洁水体,因此,断面#1和#2处水体在12 小时内COD和NH3-N指标迅速降低,并最终趋于稳定且小于控制指标；断面#3和#4处水体受上游来水量增加的影响,上游污染物通过两处断面,因此在数小时内浓度经历了增加又减小的过程,但大部分时间水质良好。

图7 工况②水质情况

综合以上分析,该河道河口至大闸河段由于受污水排入及水闸拦水的影响,在枯水天数较长时水质会严重超标,水体黑臭。

3 水质改善措施

由于上游来水量不能保证,为保证河道水质,近期新建约 4500 m2的人工湿地对河道污水进行处理后下放河道,处理规模为1800 m3/d,远期考虑将片区污水纳入市政污水管网。

3.1 水质改善措施比选

根据 2.2 水质模拟分析,河道水质污染近期需新建污水处理系统对河道污水进行处理后下放到干流河道,考虑到支流污染来源的复杂性和潜在危害风险性较大的特点, 建议建设分散式污水处理设施或人工湿地进行处理,两者的优缺点见表 4。

表4 污水处理厂和人工湿地优缺点比较

综合考虑区域地理位置、污水量,以及管理维护方面的需要,建议采用人工湿地技术进行处理。

3.2 湿地选址

根据现场条件,河道汇入口上游180 m右岸有一块农田,现状地面高程为1786 m左右,适合布置人工湿地,湿地面积4500 m2,河道该处河底高程 1783.3 m,故需在河道上新建拦水堰,并新建提水泵站,拦水采用埋石混凝土结构,堰高1 m,顶高程1784 m；提水泵站布置在河道右岸,设潜水泵两台,泵站主要参数为Q=100 m3/h,H=6 m,N=4 kW。

3.3 湿地工艺设计

（1）湿地工艺选择

根据前述选定的处理方案可知,生态湿地为整个工程的核心部分,根据本工程场地条件、水质条件及水质目标,本工程湿地工艺采用以人工建造为主、可控制的和工程化的水平潜流生态湿地,建设湿地总面积4500 m2。

（2）进出水设计

根据《人工湿地污水处理技术规范》（HJ 2005-2010）,水平潜流湿地系统污染物去除效率可参照表6 取值,本工程从保护河流水质出发,水平潜流湿地系统污染物去除率均取低值,则本工程水平潜流湿地进出水设计指标见表5。

表5 水平潜流湿地系统污染物去除效率

3.4 湿地平面布置

由前述设计可知,水平潜流生态湿地所需面积为 4500 m2,则本工程水平潜流湿地所需单元数为 6 个。水平潜流湿地位于河道河口右岸位置,长度为 95 m,宽度约为 48 m,按照单元长 45.9 m、宽15.6 m 计,本水平潜流湿地可分为3 座并联运行,每座分为2 个单元共2 个梯级串联运行,每单元设置一处跌水。

湿地纵向设计：根据《人工湿地污水处理技术规范》（HJ 2005-2010）,由于本工程地面坡降较小,为减少挖方,本水平潜流湿地床底坡S取 0.5%,结合地势高程,水平潜流湿地分为两个梯级,分别为一级水平潜流区,二级水平潜流区［4］,两级之间跌水0.64 m。从上游往下游,一级水平潜流区底高程为1785.00 m~1784.97 m,二级水平潜流区底高程为1784.33 m~1784.30 m,出水直接排入该河道。

湿地植物的选配：湿地植物选择耐污能力强景观效果好的水生植物。湿地植物可以选择鸢尾和美人蕉,它们具有白色、红色、黄色花朵；也可以选择香蒲、风车草、纸莎草和芦苇。上述植物在湿地塘栽种时,由边缘到中心,植株逐渐增高［5］,依次种植鸢尾、风车草、美人蕉、香蒲和芦苇,形成高低错落的植物带,并通过不同植物的搭配,使其四季都能呈现郁郁葱葱的景象。

4 结论及建议

通过建立水质模型,对河道河口～六屯大闸段水质进行2 种工况下不同时段的水质模拟分析,了解了水质变化情况和变化规律,并提出河道污水近期处理方案为人工湿地建设,并进行人工湿地选址、平面布置以及工艺设计等,可有效地解决该河道的水质污染问题,提高水质质量,建议在远期河道污水在上游纳入市政污水管网后,待河道水质将得到改善,可拆除人工湿地。