閔俊杰，蔣立新

(1.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司，南京 210031；2.無(wú)錫市城市防洪工程管理處，江蘇 無(wú)錫 214000)

1 實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)河流的研究多為河流流量、河流能耗、河道空間形狀、河流運(yùn)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(jìn)程中天然河道結(jié)構(gòu)變化對(duì)水體自凈能力的影響。經(jīng)地質(zhì)分析計(jì)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(jìn)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(jìn)程造成的水動(dòng)力學(xué)改變，使水體中泥沙顆粒分布失衡，同時(shí)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(jī)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(duì)平原河網(wǎng)河道結(jié)構(gòu)與水體自凈能力、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、環(huán)境容量之間的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行探討，對(duì)綠色城市生態(tài)建設(shè)和生態(tài)維護(hù)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)探討，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 河道模型構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)河道構(gòu)建選擇6個(gè)長(zhǎng)度一致的PVC槽，長(zhǎng)度均為2m，每個(gè)PVC槽使用相同水泥泥塑成不同河寬的獨(dú)立河流模型單元，6個(gè)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(shí)驗(yàn)取樣(底泥和水源)取自某平原河道，對(duì)實(shí)驗(yàn)取樣進(jìn)行化驗(yàn)分析，各成分含量見(jiàn)表1。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)取樣分析、水分蒸發(fā)等現(xiàn)象導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)河道模型內(nèi)水源減少，所以需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況補(bǔ)充河道模型內(nèi)水源，在水源取樣時(shí)另外在另一平原河網(wǎng)河道備份補(bǔ)充水源量，以彌補(bǔ)模型內(nèi)水源損失，在實(shí)驗(yàn)時(shí)每次水源補(bǔ)充要及時(shí)記錄，另外補(bǔ)充水源時(shí)要提前檢測(cè)其水質(zhì)，避免補(bǔ)充水源水質(zhì)不合格影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)時(shí)間為12周，在實(shí)驗(yàn)期間共補(bǔ)充水源4.8L,占河道模型總水量的8.2%。

模擬河道實(shí)驗(yàn)時(shí)，流量控制方法運(yùn)用轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行記錄，分別在每個(gè)河道模型上設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)每周兩次，分別在2L/h、4L/h、8L/h、12L/h 這4個(gè)流量水平值上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，用監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)和方法

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

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器

分光光度計(jì)選擇型號(hào)為exact-density(美國(guó))，高速離心機(jī)采用型號(hào)為JIDI-6D臺(tái)式低速大容量離心機(jī)(廣州吉迪儀器有限公司)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 各監(jiān)測(cè)面的水力特征

根據(jù)6個(gè)河道模型的幾何特性和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，記錄4個(gè)流量水平下監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)相應(yīng)斷面的實(shí)際流速值，結(jié)果如圖1所示。

圖1 各監(jiān)測(cè)斷面的流速情況

根據(jù)圖1的結(jié)果可以看出，6個(gè)河道模型相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(shí)，隨著水位上升，流速?gòu)纳嫌蔚较掠巫兓黠@，呈波狀變化。

3.2 有機(jī)質(zhì)含量對(duì)流量及補(bǔ)充水COD值的影響

實(shí)驗(yàn)記錄得出的每個(gè)河道模型中COD含量隨流量變化的變化規(guī)律(圖2)。

(0號(hào)斷面代表河道模型循環(huán)水入口位置，補(bǔ)充水源在此位置補(bǔ)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(dòng)(先升后降)。經(jīng)技術(shù)人員分析，當(dāng)河道流速<0.5m/h時(shí)，平原網(wǎng)河道內(nèi)存在的各種有機(jī)物的水動(dòng)力移動(dòng)能力差，各種有機(jī)物的存在主要以沉積狀態(tài)為主；當(dāng)河道流速在0.5-1.5m/h之間時(shí)，平原網(wǎng)河道內(nèi)存在的各種有機(jī)物發(fā)生分異的可能性較大，在河流運(yùn)動(dòng)和外界有機(jī)物沖擊下，會(huì)引起河道內(nèi)存在的各種有機(jī)物波動(dòng)，產(chǎn)生有機(jī)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(jìn)行平原河網(wǎng)河道管理時(shí)，應(yīng)注重外來(lái)水源的管理；當(dāng)河道流速>1.5m/h時(shí)，會(huì)快速使河道中各種有機(jī)物趨于一致，降低局部有機(jī)物含量，避免出現(xiàn)河道局部污染。所以根據(jù)河道中有機(jī)物與流速之間的變化關(guān)系，在進(jìn)行平原河網(wǎng)河道改造治理時(shí)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(cè)斷面下COD含量隨補(bǔ)充水源的變化規(guī)律結(jié)果。

圖3 各監(jiān)測(cè)斷面COD含量對(duì)補(bǔ)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(bǔ)充水的影響非常大；和水源COD含量平均值23.13mg/L相比較，當(dāng)補(bǔ)充水源COD含量和此值接近時(shí)，對(duì)河道有機(jī)物存在影響較小。當(dāng)補(bǔ)充水源COD含量小于此值時(shí)，補(bǔ)充水源會(huì)稀釋河道模型內(nèi)有機(jī)物，但在6個(gè)河道模型中3號(hào)河道模型的稀釋效果最差。當(dāng)補(bǔ)充水源COD含量大于此值時(shí)，會(huì)加大河道模型的有機(jī)質(zhì)含量，加重河道模型的污染程度，但在6個(gè)河道模型中3號(hào)河道模型受補(bǔ)充水源內(nèi)有機(jī)質(zhì)的影響最?。划?dāng)流速<1.5m/h時(shí)，3號(hào)河道模型對(duì)有機(jī)物有較好的抗沖擊能力主要與3號(hào)河床的動(dòng)力學(xué)特性關(guān)系很大。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，補(bǔ)充水源的水質(zhì)對(duì)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(shí)，要重點(diǎn)對(duì)城市污水排放進(jìn)行管控，建立城市污水處理系統(tǒng)，過(guò)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(shí)，需要科學(xué)規(guī)劃，提高城市化進(jìn)程中城市排水系統(tǒng)對(duì)暴雨徑流洪峰流量的集中排水處理能力，避免在暴雨時(shí)大量有機(jī)物質(zhì)污水涌入河道。

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

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

圖4 各監(jiān)測(cè)斷面水中總磷含量變化

圖5 各監(jiān)測(cè)斷面水中游離磷含量變化

從圖4顯示的數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著水流量的不斷增加，總磷在上游和下游的波動(dòng)逐漸減少，這時(shí)補(bǔ)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(lái)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(jìn)底泥中磷元素的釋放，加大了污染源含量，使河道更加富營(yíng)養(yǎng)化。對(duì)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(yíng)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(yíng)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(jī)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(gè)流量水平實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，立即在對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取底泥樣品進(jìn)行化驗(yàn)分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)流速<0.5m/h時(shí)，時(shí)間相同的前提下，有機(jī)物的沉積速度最快，在各河道模型中3號(hào)河道內(nèi)有機(jī)物沉積速度最快，沉積量最多。實(shí)驗(yàn)中游離磷變化，流速較低時(shí)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(kuò)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(yǔ)

平原河網(wǎng)河道的流量及補(bǔ)充水源對(duì)水體中的各種有機(jī)物含量影響較大，在水流流速<0.5m/h時(shí)，各種有機(jī)物主要以沉積狀態(tài)存在；當(dāng)流速>1.5m/h時(shí)，加大了各種有機(jī)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(yíng)養(yǎng)化。因此在平原河網(wǎng)河道生態(tài)建設(shè)和治理時(shí)，要有一定大局觀和整體布局性，治理時(shí)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(gè)河道的治理。