基于EFDC 模型的旁侧湿地对河道水质影响研究

何敏旋，徐坤，叶锦青，聂嘉荣

（广州市水之道生态环境修复有限公司，广东 广州 510380）

引言

由于我国建设前期雨污不分流，污水、工业废水直接排入河道，环境保护观念滞后，并且以往的河道治理注重河道防洪排涝功能[1][2]，忽视了河流的生态功能，河道常采取截弯取直，变自然护岸为硬质护岸，工程化明显，致使河道的生态环境破坏严重，自净能力逐渐下降，水体污染问题越来越严重，甚至发黑发臭，城市环境愈来愈差，因此开始了一系列的河道生态治理。

河道生态治理是一项复杂的系统工程，涉及面广，污染因素多，水体水质受水流、水动力、污染源、温度、气候等条件影响，在制定治理方案时较难判断合理性及有效性，而治理往往需要判断措施实施后在多少时间内能达到治理目标，数学模型正是在这样的环境下发展起来的，引发了大多数学者的关注，掀起研究的热潮[3～5]。代表性模型有Dalft3D、WASP、MIKE 和EFDC[6][7]，均可通过水质检测数据和考虑水文、气象等影响因素，构建合理有效的数学模型。通过模型模拟，可以揭示河道在一定空间和时间范围内的某些演变过程及发展趋势，以及通过一系列整治工程措施后的变化及影响程度，为研究河道生态治理措施提供科学依据，对方案制定及工程监测发挥重要作用[8]，在河道治理方案中提供有效的达标论证。

本文以环境流体力学模型（EFDC）为基础，对山东省东营市某河道省控断面的河段建立水动力及水质模型，模拟了河道在30d 内水体通过旁侧湿地循环净化后水质变化情况，论证湿地净化措施是否能够使水体水质稳定达到地表水V 类标准。

1 项目概况

本项目河道是东营市中心城区的骨干防洪河道。河道全长48.8km，流域面积510km2，平均河宽100 m，常水位标高约2.4m，水深1～3m，非雨期流量很小。河道现状水质较差，尤其是省控断面某闸站附近河段水质超标，闸站长期处于关闭状态，水流不畅，水体静止，有污水排入，导致闸前水质较差，COD 和氨氮长期出现劣五类，主要污染源为附近居民的生活污水、工业废水等点源污染，以及农田尾水、林场尾水、农村生产生活垃圾、降雨径流等面源污染。

为解决闸前附近河段水质超标问题，设计采用河道旁侧湿地处理措施进行水质提升净化，在河道边建设生态湿地，将河道水通过泵抽进入生态湿地进行处理，处理后回流河道，使省控断面水质达标。旁侧湿地总设计规模为5 万 m3/d，总水力负荷为0.245 m3/m2·d，湿地占地面积为20.4 万m2，总停留时间4 ～5d，处理后水质能达到V 类水标准。旁侧湿地处理工艺为来水→泵站→生态沉淀系统→阶梯式潜流湿地→表流湿地净化系统→出水（河道），平面布置如图1 所示。现需通过模型模拟了解在旁侧湿地处理措施实施后，河道水体水质变化情况及多少时间内能达到水质要求。

图1 平面布置图

2 模型介绍

EFDC 是美国威廉玛丽大学John Hamrick开发的一个三维地表水模型，模型包括了水动力、水温、示踪剂、泥沙输移、水质等模块，可以对河流、湖泊、水库、湿地、河口、近岸水域等进行水动力学和水质模拟[9]。同时，模型采用Mellor-Yamada2.5 阶紊流闭合方程，可进行干湿交替模拟。EFDC 已在我国得到较为广泛的使用，多用于进行河流或湖泊水库的水动力模拟。

EFDC 适用范围广，具有通用性好、数值计算能力强、数据输出应用范围广等特点，其水动力模块的模拟精度已达到非常高的水平[10]。模型包括三大部分，即输入文件、主控文件和输出文件。首先收集模型所需的信息，进行模型配置和环境数据输入，包括初始化数据（提供湖泊、河道等相对固定的边界条件）、时间序列输入数据（提供预测所需的已知时间变量序列）、模型参数数据（提供程序运行的控制参数和计算所需的模型参数）等；然后主程序读取输入的文件后进行计算，得到水动力学及水质模拟计算结果的输出文件。模型配置和环境数据输入可能需要配置如表1 所列（按字母顺序排列）的输入文件。

表1 输入文件列表

3 模型概化

3.1 网格生成

本次的模型根据河道实际形状，将河道按照直角坐标系进行空间网格划分。模拟范围为闸前500m 长河段，河宽为100～180m，使用25m×25m 的矩形或三角形网格进行平面划分，共119 个网格。河道平均水深3m，水深较浅，因此在垂直方向上不分层。在模型中设置编号为1～10 的10 个采样点输出水动力及水质模拟结果，划分结果如图2 所示。

图2 研究区域空间概化

3.2 初始条件

为保证模型运算的稳定性和输出结果的精确性，并考虑模型的计算效率，确定本次水动力模拟的基本时间单元为1d，基本时间步长为1min，水质模拟的时间步长为水动力模拟的2 倍。模型中各网格初始浓度为河道现状水质，COD 为60mg/L，氨氮为5mg/L。

3.3 边界条件

图2 中3 个编号为0 的点为模型的开放边界。河道水体长期处于静止状态，受河道现状水质影响较大，将其COD 和氨氮浓度值固定为60mg/L 和5mg/L，即与初始浓度值相同。湿地设置1 个进水口和1 个出水口，设置流量均为5 万m³/d，通过湿地净化系统正常运行处理后保证湿地出水口水质达标，即COD 为40mg/L，氨氮为2mg/L。考虑到本模型研究对象为短时间内通过旁侧湿地处理对省控断面闸站附近水质的影响，同时考虑到，虽然湿地系统进水口水质会趋向越来越好，但是由于湿地的特性为对污染物降解至一定程度后会越来越难降解，导致出水水质变化幅度不会太大，因此将出水浓度假定为不变值，简化模型。进出水口位置如图3 所示。

图3 进出水位置

4 模型结果

本次研究模拟旁侧湿地净化系统开始排放出水后30d 内河道水质变化情况。根据输入的条件，模拟得到10 个采样点COD 和氨氮浓度变化曲线，结果如图4、图5 所示。根据模型结果可知，各点的COD 和氨氮浓度在10d 内都显著下降，15d 后均趋于稳定，且距离湿地出水口越近，COD、氨氮浓度下降越快。点10 在1d 后COD 和氨氮浓度即达到地表水V类标准。除点3 外，其余各点在研究时间内基本能稳定在COD 为40mg/L、氨氮为2mg/L 左右，达到了预期的水质目标。而点3 由于距离开放边界0 点较近，且该处水动力条件差，因此COD 和氨氮的浓度较高。模型结果表明，旁侧湿地净化措施的实施具有较好的水质净化效果，采用旁侧湿地工艺可以使水体水质指标在短时间内稳定达到地表水V 类标准，这为黑臭河道整治工作提供了切实可行的治理措施。

图4 COD 浓度变化图

图5 氨氮浓度变化图

在GIS 中根据10 个采样点的水质和3 个开放边界点浓度定值，对整个研究区域进行浓度插值，得到河道水质30d 内的COD 和氨氮模拟结果图，其中，第0d、第5d、第30d 的模拟结果如图6 和图7 所示。通过模拟结果可以直观看出，随着处理天数的增多，COD 及氨氮浓度下降的区域逐渐增多，最后达到稳定，表明在设计方案条件下，河道COD、氨氮浓度均可达到预期结果。

图6 COD 模拟结果图

图7 氨氮模拟结果图

结论

在旁侧湿地正常运行的情况下，通过EFDC 模拟结果可知，研究段内各点COD 和氨氮浓度在10d 内均显著下降，15d 后渐渐趋于稳定，30d 后基本达到地表水V 类标准。研究结果表明，设计旁侧湿地循环处理河道水体能使省控断面闸前河段大部分水体在30d 内快速达到地表水V 类，即COD ≤40mg/L，氨氮≤2mg/L，满足河道断面考核要求，靠近开放边界的部分水体由于受到开放边界固定浓度限值的影响而使COD、氨氮浓度值稍高。研究结果证明，通过旁侧湿地处理河道水体，能够在短时间内提升长期不流动的河道水质，具有处理效果好、处理效率快、处理能力强、低碳环保等优点，可为黑臭河道治理提供生态、高效、节能的处理方式。