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        平原河網(wǎng)河道結(jié)構(gòu)與水體自凈能力關(guān)系實驗分析

        2020-05-07 04:54:02閔俊杰蔣立新
        黑龍江水利科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:河網(wǎng)底泥平原

        閔俊杰,蔣立新

        (1.國電環(huán)境保護研究院有限公司,南京 210031;2.無錫市城市防洪工程管理處,江蘇 無錫 214000)

        1 實驗背景

        目前全球的河道隨著城市發(fā)展,天然結(jié)構(gòu)、河型、河流自然流態(tài)發(fā)生了很大的變化,對河流的生態(tài)功能造成了很大影響,所以很多單位、學(xué)者對河流的研究多為河流流量、河流能耗、河道空間形狀、河流運砂能力、河道比降、河流調(diào)蓄能力等方面,很少涉及河流城市化進程中天然河道結(jié)構(gòu)變化對水體自凈能力的影響。經(jīng)地質(zhì)分析計算確定,平原河流的坡降和河道寬深比均比較小,所以平原河流的能耗率較小、輸砂能力較大。從水質(zhì)學(xué)進行分析,水體內(nèi)存在的泥沙顆粒是典型的河流污染物,由于城市化進程造成的水動力學(xué)改變,使水體中泥沙顆粒分布失衡,同時也改變了泥沙顆粒表面物理性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì),容易導(dǎo)致泥沙顆粒和金屬污染物、有機污染物發(fā)生吸附、絡(luò)合及化學(xué)反應(yīng),降低河流的降解速率,加劇河流污染程度。因此對平原河網(wǎng)河道結(jié)構(gòu)與水體自凈能力、營養(yǎng)循環(huán)、環(huán)境容量之間的運行規(guī)律進行探討,對綠色城市生態(tài)建設(shè)和生態(tài)維護有重要意義[1]。文章以平原河網(wǎng)河道結(jié)構(gòu)與水體自凈能力關(guān)系進行實驗探討,主要實驗內(nèi)容如下。

        2 實驗方法

        2.1 河道模型構(gòu)建和實驗方法

        實驗河道構(gòu)建選擇6個長度一致的PVC槽,長度均為2m,每個PVC槽使用相同水泥泥塑成不同河寬的獨立河流模型單元,6個PVC槽的截面均為規(guī)則梯形面積分別為31、42、49、54、58、65cm2。模擬河道的構(gòu)建需要底泥和水源,本實驗取樣(底泥和水源)取自某平原河道,對實驗取樣進行化驗分析,各成分含量見表1。在實驗過程中會出現(xiàn)取樣分析、水分蒸發(fā)等現(xiàn)象導(dǎo)致實驗河道模型內(nèi)水源減少,所以需要根據(jù)實驗實際情況補充河道模型內(nèi)水源,在水源取樣時另外在另一平原河網(wǎng)河道備份補充水源量,以彌補模型內(nèi)水源損失,在實驗時每次水源補充要及時記錄,另外補充水源時要提前檢測其水質(zhì),避免補充水源水質(zhì)不合格影響實驗結(jié)果。本實驗時間為12周,在實驗期間共補充水源4.8L,占河道模型總水量的8.2%。

        模擬河道實驗時,流量控制方法運用轉(zhuǎn)子流量計進行記錄,分別在每個河道模型上設(shè)置2個監(jiān)測點,監(jiān)測每周兩次,分別在2L/h、4L/h、8L/h、12L/h 這4個流量水平值上進行實驗分析,用監(jiān)測點的平均值作為分析的數(shù)據(jù)之一。

        表1 河道模型內(nèi)底泥和水源各成分含量

        2.2 實驗測試指標和方法

        檢測底泥和水源的含磷總量(檢測方法采用過硫酸鉀氧化-磷鉬藍比色法)、COD含量(檢測方法采用重絡(luò)酸鉀法)、PO43--P(游離磷)含量(檢測方法采用直接比色法)、有機質(zhì)含量(檢測方法采用硫酸鉀氧化-紫外分光光度法)。

        2.3 實驗設(shè)備儀器

        分光光度計選擇型號為exact-density(美國),高速離心機采用型號為JIDI-6D臺式低速大容量離心機(廣州吉迪儀器有限公司)。

        3 實驗結(jié)果及分析

        3.1 各監(jiān)測面的水力特征

        根據(jù)6個河道模型的幾何特性和過水斷面面積,記錄4個流量水平下監(jiān)測點監(jiān)測相應(yīng)斷面的實際流速值,結(jié)果如圖1所示。

        圖1 各監(jiān)測斷面的流速情況

        根據(jù)圖1的結(jié)果可以看出,6個河道模型相應(yīng)監(jiān)測點監(jiān)測斷面的流速隨著水流量的增大而不斷增加;在流速一致情況下,下游的流速比上流的流速大;隨著水流量增加至12L/h時,隨著水位上升,流速從上游到下游變化明顯,呈波狀變化。

        3.2 有機質(zhì)含量對流量及補充水COD值的影響

        實驗記錄得出的每個河道模型中COD含量隨流量變化的變化規(guī)律(圖2)。

        (0號斷面代表河道模型循環(huán)水入口位置,補充水源在此位置補充,以下同)

        從圖2可以看出水中COD含量隨著流量的不斷增加呈現(xiàn)出較大波動(先升后降)。經(jīng)技術(shù)人員分析,當河道流速<0.5m/h時,平原網(wǎng)河道內(nèi)存在的各種有機物的水動力移動能力差,各種有機物的存在主要以沉積狀態(tài)為主;當河道流速在0.5-1.5m/h之間時,平原網(wǎng)河道內(nèi)存在的各種有機物發(fā)生分異的可能性較大,在河流運動和外界有機物沖擊下,會引起河道內(nèi)存在的各種有機物波動,產(chǎn)生有機物集聚,導(dǎo)致河道水質(zhì)惡化,這是平原河網(wǎng)河道水質(zhì)惡化的原因之一,也是河流生態(tài)修復(fù)反復(fù)失敗的主要原因,所以在進行平原河網(wǎng)河道管理時,應(yīng)注重外來水源的管理;當河道流速>1.5m/h時,會快速使河道中各種有機物趨于一致,降低局部有機物含量,避免出現(xiàn)河道局部污染。所以根據(jù)河道中有機物與流速之間的變化關(guān)系,在進行平原河網(wǎng)河道改造治理時應(yīng)將河道流速高于1.5m/h以上才能保證河道治理質(zhì)量[2-4]。

        圖3為各監(jiān)測斷面下COD含量隨補充水源的變化規(guī)律結(jié)果。

        圖3 各監(jiān)測斷面COD含量對補充水源的變化規(guī)律

        從圖3結(jié)果顯示,在流速或流量一致情況下,平原河網(wǎng)河道的COD含量變化值受補充水的影響非常大;和水源COD含量平均值23.13mg/L相比較,當補充水源COD含量和此值接近時,對河道有機物存在影響較小。當補充水源COD含量小于此值時,補充水源會稀釋河道模型內(nèi)有機物,但在6個河道模型中3號河道模型的稀釋效果最差。當補充水源COD含量大于此值時,會加大河道模型的有機質(zhì)含量,加重河道模型的污染程度,但在6個河道模型中3號河道模型受補充水源內(nèi)有機質(zhì)的影響最小;當流速<1.5m/h時,3號河道模型對有機物有較好的抗沖擊能力主要與3號河床的動力學(xué)特性關(guān)系很大。

        從上述數(shù)據(jù)可以看出,補充水源的水質(zhì)對平原河網(wǎng)河道的水質(zhì)影響非常大,所以在平原河網(wǎng)河道污染治理時,要重點對城市污水排放進行管控,建立城市污水處理系統(tǒng),過濾凈化后的污水才能排入河道水,另外在城市排水系統(tǒng)建立時,需要科學(xué)規(guī)劃,提高城市化進程中城市排水系統(tǒng)對暴雨徑流洪峰流量的集中排水處理能力,避免在暴雨時大量有機物質(zhì)污水涌入河道。

        3.3 水中P素對流量及補充水TP(總磷)、PO43--P(游離磷)含量的影響規(guī)律

        各監(jiān)測斷面下水中總磷變化、水中PO43--P含量變化見圖4、圖5。

        圖4 各監(jiān)測斷面水中總磷含量變化

        圖5 各監(jiān)測斷面水中游離磷含量變化

        從圖4顯示的數(shù)據(jù)來看,隨著水流量的不斷增加,總磷在上游和下游的波動逐漸減少,這時補充水源的總磷含量大于河道內(nèi)總磷含量,可以證明緩流河道可以不斷增加總磷含量。從圖5顯示的數(shù)據(jù)來看,各河道模型的游離磷隨流量的不斷增加而增加,流速的增大能夠產(chǎn)生一定作用力,可以有效促進底泥中磷元素的釋放,加大了污染源含量,使河道更加富營養(yǎng)化。對比上游和下游的游離磷含量不難發(fā)現(xiàn),下游水體的游離磷隨著流量的不斷增加也隨之增加,因此雖然有些平原河網(wǎng)河道的流速較慢,但由于上游和下游之間的水力學(xué)關(guān)系,水源的富營養(yǎng)化有很大的關(guān)聯(lián)性,這種現(xiàn)象也容易導(dǎo)致緩流河道出現(xiàn)營養(yǎng)物及污染物質(zhì)的堆積重疊,加劇河道污染程度,加大河道生態(tài)治理恢復(fù)的技術(shù)難度。

        3.4 底泥中污染

        為了判斷各種有機物在緩流河道水源和底泥表面發(fā)生的變化規(guī)律,分別在4個流量水平實驗結(jié)束時,立即在對應(yīng)監(jiān)測點取底泥樣品進行化驗分析,監(jiān)測結(jié)果表明,當流速<0.5m/h時,時間相同的前提下,有機物的沉積速度最快,在各河道模型中3號河道內(nèi)有機物沉積速度最快,沉積量最多。實驗中游離磷變化,流速較低時底泥中的游離磷含量較高,隨著流量的不斷增大游離磷含量逐漸降低,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是,隨著流量的增加底泥的紊流擴散系數(shù)也不斷增加,加速底泥中磷元素釋放,使河道水源中磷元素增加。

        4 結(jié) 語

        平原河網(wǎng)河道的流量及補充水源對水體中的各種有機物含量影響較大,在水流流速<0.5m/h時,各種有機物主要以沉積狀態(tài)存在;當流速>1.5m/h時,加大了各種有機物的分解和游離磷的釋放速度,使水體中磷元素增加,更加富營養(yǎng)化。因此在平原河網(wǎng)河道生態(tài)建設(shè)和治理時,要有一定大局觀和整體布局性,治理時應(yīng)先從區(qū)域河網(wǎng)管理入手,而不是僅僅局限于某一個河道的治理。

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