孫 聰，葉方紅

(浙江省麗水市水文管理中心，浙江 麗水 323000)

近年來河流水質(zhì)污染現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，一方面威脅著水產(chǎn)生物的安全性，另一方面對水利工程安全有效運(yùn)營均是較大考驗(yàn)，為此，設(shè)計(jì)開展水質(zhì)改善迫在眉睫[1-3]。華晨等[4]、張彥等[5]、趙震等[6]利用河流內(nèi)長期設(shè)置的監(jiān)測傳感器分析水質(zhì)變化特征，為準(zhǔn)確設(shè)計(jì)開展水質(zhì)改善提供重要參考。但不可忽視，傳感器的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)成本較高，不易于快速高效開展水質(zhì)改善，因而一些專家與學(xué)者通過建立水質(zhì)模型，預(yù)測水質(zhì)變化規(guī)律，分析水質(zhì)自凈能力與補(bǔ)水方案相匹配的特性，極大豐富了河流水質(zhì)改善與管理的研究成果[7-9]。水動(dòng)力學(xué)作為研究水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的重要理論，結(jié)合WASP、ECOLab等模擬計(jì)算程序，可獲得研究對象水質(zhì)動(dòng)力學(xué)變化特征，為對比、優(yōu)化補(bǔ)水方案提供重要依據(jù)[10-12]。本文利用水動(dòng)力學(xué)模擬程序，在分析河流水質(zhì)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，模擬對比不同補(bǔ)水方案下水質(zhì)改善效果，為確定最佳補(bǔ)水方案提供重要參考。

1 工程概況

浙北地區(qū)水資源豐富，年降雨量較大，境內(nèi)目前有一河流，其乃是錢塘江一支流，由于該河流流經(jīng)地區(qū)包括城市中心等人流量較大區(qū)域，因而在該河流沿線建設(shè)有防洪堤壩，全長1 286 m，水域面積超過3萬 m2，在局部區(qū)段內(nèi)建設(shè)有蓄水庫，庫容可達(dá)18.5萬 m3，極大保障了地區(qū)用水安全性。在該河流流域段內(nèi)修建有多條排污管道，其中共有29處排污口，包括雨水管道7處，排污管道5處，其他均為其他用途管道，各個(gè)管道通行流量均較穩(wěn)定，并不超過0.3 m3/s，管道內(nèi)監(jiān)測表明最大斷面流量為0.28 m3/s，乃是流域內(nèi)一重要箱涵設(shè)施。另城市中心流域段內(nèi)存在有部分工作年限較長的排水設(shè)施，排水能力受到管徑以及堵塞等影響，管道分流存在較大問題，目前有近一半排水管內(nèi)存在有污水漏泄等現(xiàn)象，此亦乃是流域內(nèi)河流水質(zhì)污染的主要來源。

分析河流水質(zhì)狀態(tài)不僅要從水源污染源頭分析，亦要從河流供水方面來分析，經(jīng)調(diào)查分析得知，該河流年徑流量為1 892.5萬 m3，設(shè)置有多條引水渠道方便水資源調(diào)度，其中年均可引水量達(dá)1 650萬 m3。河流上游所建設(shè)水庫年入庫總流量達(dá)2 870萬 m3，設(shè)置有多條輸水灌渠，極大提升了區(qū)域內(nèi)生活用水保障度，最大日可供水量超過2.5萬 m3。流域內(nèi)建設(shè)有1各污水處理廠，其供水管道位于河道防洪堤壩下游區(qū)域，供水口共有兩個(gè)，設(shè)計(jì)最大供水量分別為0.5萬 m3、1.3萬 m3。根據(jù)監(jiān)測表明，供水方面水源水質(zhì)中COD含量平均值為20 g/L，氨氮含量為0.2 mg/L，其中氨氮含量受季節(jié)變化影響，波動(dòng)幅度較大，其中監(jiān)測所獲得氨氮含量最大為1.2 mg/L，由此表明河流水質(zhì)的補(bǔ)水方案可以此為水源，其中受污染嚴(yán)重河段總需水量分為三個(gè)方面，蒸發(fā)滲漏量日需補(bǔ)水量為1.7萬 m3，防洪溢流需補(bǔ)水量為2.6萬 m3?，F(xiàn)為改善河段內(nèi)水質(zhì)狀態(tài)，設(shè)計(jì)開展河流補(bǔ)水，水利部門考慮首先開展河流水質(zhì)現(xiàn)狀分析，為設(shè)計(jì)開展補(bǔ)水方案提供參考。所采用的檢測設(shè)備如圖1所示，分別為水質(zhì)分析儀、電波流速儀、瑞斯純水儀。

(a)水質(zhì)分析儀 (b)電波流速儀 (c)瑞斯純水儀

2 河流水質(zhì)狀態(tài)檢測分析

2.1 pH值時(shí)空特征

為確保檢測結(jié)果準(zhǔn)確性與科學(xué)性，按照空間分布特征分別在研究河段中按照間隔150m設(shè)置取樣點(diǎn)，分別為A、B、C、D、E五個(gè)點(diǎn)，結(jié)合采用水質(zhì)檢測儀器獲得研究區(qū)段內(nèi)河流水質(zhì)pH值隨時(shí)間變化特征，如圖2所示。從圖中可看出，在各個(gè)取樣點(diǎn)中pH值超過9的時(shí)間均有，其中以上游A點(diǎn)中pH值在春季2-3月最高，最高值達(dá)10.1，遠(yuǎn)超過安全用水標(biāo)準(zhǔn)，且在春季3個(gè)月之內(nèi)河流水質(zhì)中pH值均處于較高，水質(zhì)呈堿性污染狀態(tài)。從時(shí)間變化特征，夏季pH值較低，A取樣點(diǎn)在夏季3個(gè)月中的pH最高值相比春季最高值降低了7.4%，分析認(rèn)為河流中春、秋季pH值變化與地表徑流有關(guān)，當(dāng)?shù)乇韽搅饔S富，與可帶動(dòng)地表較多偏堿性污染物水質(zhì)進(jìn)入河流中，浙北地區(qū)春季降雨量豐富，導(dǎo)致了水質(zhì)中堿性污染物的遷移。

圖2 pH值時(shí)空特征

從pH值空間變化特征可知，上游水質(zhì)pH值顯著高于下游河段內(nèi)，B取樣點(diǎn)在10月份時(shí)的pH值為9.3，而D、E取樣點(diǎn)在同一時(shí)間中的pH值相比前者分別降低了5.2%、7%，由此表明區(qū)段內(nèi)堿性水質(zhì)污染物主要來源于上游河段。

2.2 COD含量

圖3為水質(zhì)監(jiān)測及分析中所獲得的COD含量變化特征。從圖中可知，全年COD含量變化范圍為56.7～100.7 mg/L，其中以10月份、5月份COD含量為最高，五個(gè)取樣點(diǎn)在10月份的COD含量分別為100.7 mg/L、74.9 mg/L、85.4 mg/L、71.2 mg/L、69.5 mg/L，COD含量較低的月份為3月、9月，COD含量最低值為E取樣點(diǎn)3月份，僅為59 mg/L。從COD含量在全年各月中平均值可知，COD含量在各月中波動(dòng)幅度較大，以A取樣點(diǎn)為例分析，其COD含量最高值為100.7 mg/L，而3月份最低的COD含量值僅為前者的67.8%，從污染物遷移來看，河段內(nèi)水質(zhì)蒸發(fā)量較大，進(jìn)一步影響了河段內(nèi)水質(zhì)污染物含量的變化。在各個(gè)取樣點(diǎn)中，中游河段內(nèi)COD含量處于長期較穩(wěn)定狀態(tài)，波動(dòng)幅度相比上游、下游COD含量較小，其中D取樣點(diǎn)COD含量最高、最低值相差幅度為9.3%，而在下游段E取樣點(diǎn)其相差幅度可達(dá)34.7%，表明河段內(nèi)氧含量變化在上、下游更受顯著影響。

圖3 COD含量變化特征

2.3 氨氮含量

根據(jù)水質(zhì)分析獲得各個(gè)取樣點(diǎn)在全年中氨氮含量變化特征，如圖4所示。從圖中整體可看出，各取樣點(diǎn)氨氮含量變化范圍均未超過3 mg/L，即水質(zhì)氨氮含量滿足地表水用水安全性標(biāo)準(zhǔn)[13，14]。從各點(diǎn)氨氮含量變化趨勢可知，從年初1月份氨氮含量最高值開始，逐步降低，直至在年末11、12月份氨氮含量有所上升，B取樣點(diǎn)在1月份的氨氮含量為2.8 mg/L，在6月份時(shí)氨氮含量相比前者降低了40.1%，而到了7月份達(dá)到了全年最低值，相比年初降低幅度達(dá)42.5%，后在10-12月出現(xiàn)氨氮含量上升，但年末12月份氨氮含量值相比年初1月份仍有20.4%幅度差異。從氨氮含量變化空間特征可看出，年初以上游河段A、B點(diǎn)氨氮含量為最高，持續(xù)至7月份，均為上游河段氨氮含量高于下游河段，但到了下半年后氨氮含量以下游河段為最高，且上游河段取樣點(diǎn)全年氨氮含量變化幅度相比下游河段要小，E取樣點(diǎn)全年氨氮含量變化幅度最大為123.3%，分析認(rèn)為上游河段內(nèi)氨氮含量變化波動(dòng)較小，與其上游蓄水庫來水變化有關(guān)。

圖4 氨氮含量變化特征

2.4 TP含量

TP含量亦是表征水質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，因此在水質(zhì)分析過程中獲得河段內(nèi)TP含量時(shí)空變化特征曲線，如圖5所示。從圖中可知，安全水質(zhì)TP含量最大不可超過0.2 mg/L，而在各取樣點(diǎn)中最大TP含量相比安全水質(zhì)含量增大了4.7倍，達(dá)1.15 mg/L。從全年TP含量變化可知，各取樣點(diǎn)TP含量變化趨勢呈“W”型，即以1月份、6月份、12月份為全年中TP含量最高時(shí)間，B取樣點(diǎn)在1月份的TP含量為1.1 mg/L，而在4月份時(shí)TP含量相比前者降低了25.6%，另在9月份時(shí)的TP含量相比1月份又降低了22.8%。從各取樣點(diǎn)TP含量差異性來看，各個(gè)取樣點(diǎn)在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的波動(dòng)變化較小，以11月份為例，A取樣點(diǎn)TP含量為0.95 mg/L，其他四個(gè)取樣點(diǎn)相比前者分別僅有1.9%、0.6%、2.4%、4.1%幅度差異，而在其他時(shí)間階段均是如此，各取樣點(diǎn)在同一時(shí)間中TP含量最大波動(dòng)幅度不超過20%。

圖5 TP含量變化特征

3 河流補(bǔ)水方案模擬

為提升區(qū)域內(nèi)河流水質(zhì)狀態(tài)，水利部門考慮對污染段河流開展補(bǔ)水，并設(shè)計(jì)有3種補(bǔ)水方案，每個(gè)方案均是在河段上游A點(diǎn)、C點(diǎn)、E點(diǎn)分別設(shè)置輸水點(diǎn)，各方案差異性主要為各個(gè)輸水點(diǎn)的補(bǔ)水量有所差異，其中1#方案三個(gè)點(diǎn)的補(bǔ)水量分別為2.5萬 m3/d、0.5萬 m3/d、0.3萬 m3/d，總補(bǔ)水量為3.3萬 m3/d，2#方案三個(gè)點(diǎn)的補(bǔ)水量分別為2.5萬 m3/d、0.3萬 m3/d、1.6萬 m3/d，總補(bǔ)水量為4.4萬 m3/d，3#方案三個(gè)點(diǎn)的補(bǔ)水量分別為2.5萬 m3/d、0.7萬 m3/d、2萬 m3/d，總補(bǔ)水量為5.2萬 m3/d，各方案具體補(bǔ)水方案如表1所示[15，16]。

表1 各方案具體補(bǔ)水量

采用水動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，獲得三個(gè)補(bǔ)水方案下水質(zhì)中污染物含量變化特征，本文以COD含量、氨氮含量、TP含量作為補(bǔ)水方案優(yōu)異性衡量參數(shù)，如圖6所示。從圖中可看出，經(jīng)對污染嚴(yán)重河段進(jìn)行補(bǔ)水后，三個(gè)方案中污染物含量水平整體均有較大幅度降低，其中1#方案中COD含量最大值為72.8 mg/L，相比河段初始狀態(tài)下COD含量最大值降低了27.7%，而相同補(bǔ)水效果在氨氮含量、TP含量變化曲線中亦是如此，1#補(bǔ)水方案中兩者化學(xué)污染物含量最大值相比初始狀態(tài)下最大值分別降低了39.2%、67.2%，由此表明本工程所采用的補(bǔ)水方案均是有效。對比三個(gè)補(bǔ)水方案可知，1#方案中COD含量最大值相比3#方案中要高于15.5%幅度，而相同條件下3#方案TP含量最大值相比1#、2#方案分別降低了10.6%、3.1%，氨氮含量在三個(gè)補(bǔ)水方案中差異幅度是最小，但總體上仍以3#方案氨氮含量水平為最低，該方案中氨氮含量最低值僅為0.11 mg/L，相比1#、2#方案最低值分別降低了31.1%、41.3%，分析表明，3#補(bǔ)水方案在補(bǔ)水效果中均是最優(yōu)，對河段內(nèi)水質(zhì)改善乃是最佳方案，水利部門應(yīng)著重考慮3#方案在實(shí)際工程中應(yīng)用。

圖6 各補(bǔ)水方案污染物含量變化特征

4 結(jié)語

本文結(jié)論如下：

(1)河段水質(zhì)現(xiàn)狀中PH值春、秋季較高，呈堿性污染，上游水質(zhì)PH值顯著高于下游河段內(nèi)，D、E取樣點(diǎn)在同一時(shí)間中的pH值相比C取樣點(diǎn)分別降低了5.2%、7%；河段內(nèi)COD含量變化在上、下游更受顯著影響，中游較為穩(wěn)定。

(2)各取樣點(diǎn)氨氮含量變化范圍均未超過3 mg/L，下游河段內(nèi)氨氮含量變化波動(dòng)較大；各取樣點(diǎn)TP含量變化趨勢呈“W”型，且各取樣點(diǎn)在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的TP含量波動(dòng)變化較小，11月份B、C、D、E四個(gè)取樣點(diǎn)相比A點(diǎn)分別僅有1.9%、0.6%、2.4%、4.1%差異。

(3)三個(gè)補(bǔ)水設(shè)計(jì)方案下污染物含量水平整體均有較大幅度降低，1#方案中COD含量最大值相比河段初始狀態(tài)下COD含量最大值降低了27.7%；3#補(bǔ)水方案總補(bǔ)水量5.2萬m3/d在模擬結(jié)果中水質(zhì)改善最優(yōu)，相同條件下3#方案氨氮含量最低值相比1#、2#方案分別降低了31.1%、41.3%。