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        水庫水質(zhì)評價(jià)與生態(tài)浮床法治理設(shè)計(jì)研究

        2017-08-01 00:21:39郗梓添
        陜西水利 2017年2期
        關(guān)鍵詞:浮床清河水質(zhì)評價(jià)

        郗梓添

        水庫水質(zhì)評價(jià)與生態(tài)浮床法治理設(shè)計(jì)研究

        郗梓添

        (遼寧省阜新水文局,遼寧阜新123000)

        以清河水庫為例,通過模糊評價(jià)方法確定了水庫地表水質(zhì)均為III類,COD含量偏高。鑒于此,提出采用生態(tài)浮床治理的方案,明確浮床設(shè)計(jì)選擇要素與基本斷面形式,并針對結(jié)構(gòu)的錨固繩索、錨固端以及配重等荷載進(jìn)行復(fù)核,結(jié)果滿足規(guī)范要求,以期為類似研究提供借鑒。

        水庫樞紐;水質(zhì)評價(jià);模糊評價(jià);生態(tài)浮床;結(jié)構(gòu)復(fù)核

        水利工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)也要同時(shí)兼顧環(huán)境保護(hù),盡量減少對環(huán)境的改變與破壞。水質(zhì)評價(jià)是水環(huán)境污染治理的第一步,也是關(guān)鍵步驟[1-2]。在確定水質(zhì)污染程度后,還需要采取生物、化學(xué)或設(shè)置攔污柵等工程類方法對其進(jìn)行恢復(fù)治理,凈化水質(zhì),直至其滿足生產(chǎn)生活需要。

        1 工程概況

        清河水庫位于遼寧省鐵嶺市清河區(qū)、遼河中游左岸一級支流清河干流下游,是遼寧省著名七大水庫之一。清河水庫建于1958年~1962年。水庫水面廣闊,東西長30 km,南北寬2.5 km,控制面積2376 km2,最大庫容9.71億m3,大壩長1622 m,高39.6 m。清河水庫為大(II)型水庫,按千年一遇洪水設(shè)計(jì),萬年一遇洪水校核。清河水庫水系見圖1。

        圖1 清河水庫水系圖

        2 水質(zhì)監(jiān)測與水質(zhì)評價(jià)

        2.1 水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目與布設(shè)

        按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)及《水環(huán)境監(jiān)測范》(SL219-98)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。選擇水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)等32項(xiàng)指標(biāo)作為監(jiān)測項(xiàng)目。清河水庫壩前和清河水庫入庫口每月上旬監(jiān)測一次,全年共監(jiān)測12次,清河水庫庫中在5月~10月的每月上旬監(jiān)測一次,全年共監(jiān)測6次。對采樣現(xiàn)場監(jiān)控,對實(shí)驗(yàn)室分析發(fā)放的平行樣、回收、內(nèi)控樣和全程序空白進(jìn)行監(jiān)控,監(jiān)測結(jié)果全部在質(zhì)量控制范圍內(nèi)。

        依據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL219-98)規(guī)定進(jìn)行點(diǎn)位采樣,監(jiān)測點(diǎn)位3個(gè),分別為清河水庫入庫口、清河水庫庫中、清河水庫壩前,采樣深度在水面下0.5 m處。

        2.2 基于模糊評價(jià)法的水庫水質(zhì)評價(jià)

        2.2.1 模糊評價(jià)法原理與步驟

        模糊評價(jià)法是一種通過建立評價(jià)因子集、評價(jià)集、隸屬函數(shù)和權(quán)重集合,從而實(shí)現(xiàn)各水體樣本的質(zhì)量等級綜合評判的方法。模糊評價(jià)法因其實(shí)現(xiàn)簡單,可以反映單因子對水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的影響,被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評價(jià)工作中[3]。其計(jì)算過程如下:

        (1)結(jié)合評價(jià)對象實(shí)際情況,建立評價(jià)因子集:U(u1u1…un),其中ui為對象各個(gè)影響因子,同時(shí)建立與之相應(yīng)的的評級集合V(v1v1…vn),本文中vi為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)給出的各因子等級。

        (2)對每個(gè)因子ui賦予相應(yīng)的權(quán)重ai,其計(jì)算公式為:

        式中:ci為第i種污染物實(shí)測濃度;si為第i種污染各級標(biāo)準(zhǔn)值算數(shù)平均值。并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。

        (3)根據(jù)各指標(biāo)隸屬各水質(zhì)等級,確定不同“降半梯形”的隸屬函數(shù),其形式如下:上式中,rij表示第i個(gè)評價(jià)因子相對于指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)j的相對隸屬度。通過上述計(jì)算得到模糊關(guān)系矩陣Rij。

        2.2.2 水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

        參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002),建立評價(jià)因子權(quán)重系數(shù)表,見表1??梢钥闯鯟OD權(quán)重系數(shù)最大。根據(jù)表1與現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),可以得到模糊評價(jià)法水庫隸屬度系數(shù)結(jié)果表。模糊評價(jià)法水庫隸屬度系數(shù)結(jié)果見表3。

        表3為基于模糊綜合評級數(shù)學(xué)模型的清河水庫水質(zhì)評價(jià)結(jié)果,從表中可以看出,根據(jù)隸屬度最大原則,清河水庫入庫口水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)地表水等級為III,其對應(yīng)的隸屬度最大為0.081176,因此第一個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)清河水庫入庫口水質(zhì)評價(jià)的結(jié)果為III類水。在清河水庫第二個(gè)監(jiān)測點(diǎn),即為清河水庫的庫區(qū)中點(diǎn)處,結(jié)合隸屬度最大原則,其隸屬度最大值為0.167622,其所對應(yīng)的水質(zhì)等級為III類,同樣依據(jù)隸屬度最大原則,清河水庫第三個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)即水庫壩前水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn),其水質(zhì)經(jīng)過模擬綜合評價(jià)數(shù)學(xué)模型評價(jià)后和前面兩個(gè)水庫監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)評價(jià)結(jié)果一致,其地表水水質(zhì)等級也為III類。綜上,結(jié)合清河水庫水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),運(yùn)用模糊綜合評價(jià)數(shù)學(xué)模型評價(jià)后,在清河水庫三個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)即水庫入庫口,水庫中心處以及水庫壩前其地表水質(zhì)均為III類。

        3 生態(tài)浮床設(shè)計(jì)

        根據(jù)以上分析,清河水庫三個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)即水庫入庫口、水庫中心處以及水庫壩前其地表水質(zhì)均為III類,且COD權(quán)重系數(shù)最大,對水質(zhì)影響最大?;诖送ㄟ^設(shè)計(jì)生態(tài)浮床,降低COD(化學(xué)需氧量);同時(shí)人工營造一個(gè)動(dòng)物、微生物良好的生長環(huán)境,提高水體的自凈能力,從而修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng),達(dá)到自然生態(tài)的平衡[4]。

        3.1 生態(tài)浮床控制參數(shù)

        生態(tài)浮床控制性物理特性主要包括水溫、流速、水深、底質(zhì)條件、含氧量、光照等,而生態(tài)浮床設(shè)計(jì)需盡可能模擬水生植物的生境條件。綜合考慮污染區(qū)域的生境特征,以及水生植物選用特點(diǎn),確定生態(tài)浮床的生境控制標(biāo)準(zhǔn)如下:(1)浮床平均淹沒高度約0.3~0.5 m。飄浮式浮床的淹沒高度相對固定,根據(jù)浮子設(shè)計(jì)情況可控制位0.5 m左右,卵石層表面的高程隨水位變動(dòng)而改變。(2)確定生態(tài)浮床的流速范圍為0.5~2.0 m/s。(3)生態(tài)浮床水溫為15~25°C;(4)生態(tài)浮床基質(zhì)材料為卵石、砂礫、水草等混合底質(zhì),其中卵石直徑D50=20 mm[5]。

        3.2 生態(tài)浮床斷面設(shè)計(jì)

        漂浮式生態(tài)浮床的基本原理為通過重力和浮子(擬采用浮筒)浮力形成受力平衡,頂部浮筒提供浮力同時(shí)控制著生態(tài)浮床的淹沒水深,結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性由配重通過鎖鏈提供。生態(tài)浮床由雙層結(jié)構(gòu)組成,上層填充大網(wǎng)眼的海綿,在海綿切孔內(nèi)種植香蒲等挺水水生植物,其葉片、根莖可為魚類產(chǎn)卵提供著床基質(zhì)和餌料來源;下層分別構(gòu)造卵石鋪層區(qū)塊和植被種植區(qū)塊,形成異質(zhì)性的產(chǎn)卵棲息平臺[6]。

        表1 水質(zhì)評價(jià)因子權(quán)重系數(shù)表

        表2 模糊評價(jià)法水庫隸屬度系數(shù)結(jié)果表

        表3 模糊綜合評估法水質(zhì)評價(jià)結(jié)果表

        圖3 生態(tài)浮床斷面設(shè)計(jì)圖

        圖4 生態(tài)浮床單體上下層結(jié)構(gòu)示意圖

        圖5 單體結(jié)構(gòu)受力示意圖

        表4 生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果表

        生態(tài)浮床漂浮單體的主骨架為纏上泡沫聚苯乙烯的鋼制框架,根據(jù)棲息生境要求,初步確定框架尺寸為4.0 m× 4.0 m×0.5 m,框架的長度和寬度可根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,高度需滿足生態(tài)浮床淹沒水深要求。圖3為生態(tài)浮床縱斷面設(shè)計(jì)圖,圖4為生態(tài)浮床單體上下層結(jié)構(gòu)示意圖。

        3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核

        運(yùn)行階段,生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)所經(jīng)受的荷載主要由以下幾個(gè)部分組成,見圖5:自重荷載Wt、浮力Ft、水流力Fw、配重拉力Ts等(忽略風(fēng)浪作用荷載影響)。為確保結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,需對結(jié)構(gòu)的錨固繩索、錨固端以及配重等荷載進(jìn)行復(fù)核。

        參考《港口工程荷載規(guī)范》(JTS144-1-2010),漂浮于水中的結(jié)構(gòu)所受的水流力可簡化為:

        式中:Fw為水流力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);Cw為水流阻力系數(shù);ρ為水密度,取值1.0(t/m3);V為水流設(shè)計(jì)流速,取3.0(m/s);A為結(jié)構(gòu)在與流向垂直平面上的投影面積(m2)。

        假定浮床位置最大流速為2.0 m/s,則浮床所受最大水流力約7.2 kN(浮筒完全淹沒)。不同鎖鏈傾角對應(yīng)的單體結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果見表4,以鎖鏈傾角45°為例,鎖鏈及鎖扣設(shè)計(jì)張拉強(qiáng)度必須大于12.25 kN,配重重量約5.68 t。

        4 結(jié)論

        本文通過模糊評價(jià)方法確定了清河水庫入庫口,水庫中心處以及水庫壩前其地表水質(zhì)均為III類,且COD為主要污染因子。針對水質(zhì)評價(jià)結(jié)果本文提出了生態(tài)浮床治理方法,最后為確保結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,需對結(jié)構(gòu)的錨固繩索、錨固端以及配重等荷載進(jìn)行復(fù)核。計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。本文對水庫水質(zhì)評價(jià)與治理具有一定的參考價(jià)值。

        在水質(zhì)評價(jià)工作中,模糊評價(jià)法無法反應(yīng)綜合反應(yīng)水質(zhì)結(jié)果,同時(shí)當(dāng)COD較大時(shí),還應(yīng)對水體富營養(yǎng)化程度進(jìn)行分析。由于生態(tài)浮床是一種新的結(jié)構(gòu)型式,規(guī)范給出的公式還不完善,還應(yīng)采用數(shù)值模擬計(jì)算方法確定其應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。

        [1]王肖肖,張妙仙,徐兵兵.模糊標(biāo)識指數(shù)與對應(yīng)分析法在水質(zhì)評價(jià)中的聯(lián)合應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,05:1227-1235.

        [2]徐兵兵,張妙仙,王肖肖.改進(jìn)的模糊層次分析法在南苕溪臨安段水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,09:2066-2072.

        [3]楊靜.改進(jìn)的模糊綜合評價(jià)法在水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用[D].重慶大學(xué),2014.

        [4]劉婭琴,鄒國燕,宋祥甫,付子軾,劉福興,潘琦,范潔群.富營養(yǎng)水體浮游植物群落對新型生態(tài)浮床的響應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)研究, 2011,11:1233-1241.

        [5]胥丁文,陳玲娜,馬前.生態(tài)浮床技術(shù)的應(yīng)用及研究新進(jìn)展[J].中國給水排水,2010,14:11-15.

        [6]曹勇,孫從軍.生態(tài)浮床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009,02: 121-124.

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        A

        1673-9000(2017)02-0167-03

        2016-12-18

        郗梓添(1987-),男,遼寧黑山人,助理工程師,主要從事水資源與水質(zhì)評價(jià)工作。

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