胡 樂，謝夢瑤，劉曉璇，吳 迪，高玉琴

（1.江蘇省農村水利科技發(fā)展中心，江蘇南京 210029；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098）

農村河道承擔著防洪、排澇、灌溉、引水、景觀娛樂等功能，與人們的生產和生活息息相關，但由于農業(yè)生產、養(yǎng)殖業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)制造業(yè)的快速發(fā)展以及農村居民環(huán)保意識的薄弱，農村河道普遍出現泥沙淤積、水體污染、河岸坍塌等問題。

國內學者運用水質模型模擬河湖及水庫的水質變化情況，取得了大量研究成果。郭鵬程等［1］利用MIKE21 模擬了生態(tài)湖的流動及水體交換情況，對人工生態(tài)湖進行優(yōu)化設計；程桂［2］運用SWMM 模型結合海綿城市水文過程模擬不同組合措施下區(qū)域的水質變化；楊坤等［3］采用EFDC 模型定量預測烏東德水庫蓄水后的水質演變過程；程揚等［4］基于二維對流擴散模型模擬生態(tài)清淤工程下的水庫水質變化情況；翟敏婷等［5］基于QUAL2k 模型模擬了夏季和冬季的六種工況下礫石濾床對水質的凈化效果；陳軍等［6］運用MIKE21 中HD 模塊耦合Ecolab模塊，構建了灞河流域水環(huán)境模型，分析灞河口的水質特征。

國外學者對水質模型也進行多方面研究，Panda等［7］采用人工神經網絡技術與MIKEI1相結合來預測水位和水質的變化；Allam A［8］通過整合QUAL2K模型和遺傳算法模擬埃及尼羅河三角洲的Gharbia 河夏季和冬季的污染負荷減排量；Guangyi Deng等［9］采用MIKE11一維水動力水質模型和物理生境模型模擬了水庫運行方案實施后的河流水質和物理生境。

目前水質模擬模型和模擬方法具有多樣性，在河流、湖泊和海洋等水質模擬研究中取得了大量研究成果，但總體研究偏向于大中型河流和湖泊的水質水量研究，對中小型河道的水質模擬研究較少，尤其在針對中小河流生態(tài)治理措施對河道水質的改善效果方面的研究少之又少，不同河道生態(tài)治理措施對河道水環(huán)境的影響還有待深入研究。

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省無錫市錫山區(qū)位于長江三角洲腹地，地貌類型為長江三角洲沖洪積平原。境內總體上構成了“四縱四橫”骨干水系主框架，這些河道均是本區(qū)防洪、排澇、引水灌溉、通航的主要通道。本研究選取錫山區(qū)境內一條未治理的農村河道A 作為研究對象，其地理位置圖如圖1 所示。該河道河口寬19.6 m，橫斷面為概化為梯形，平均流速為0.1 m/s，河道為南北走向，規(guī)劃整治長度約為889 m，排澇標準為20年一遇。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 研究數據

由于研究區(qū)河道規(guī)模小，流速緩，水位變幅小，未設有水文與水質監(jiān)測站點，因此采用2021 年每10 d一次的實測水位、流量數據以及2021年每月一次的COD、NH3-N、TP實測質量濃度數據進行研究。

1.3 模型原理

水動力模塊（HD）采用一維非恒定流方程組（圣維南方程組）對水體非連續(xù)性運動規(guī)律進行模擬分析，該方程組反映了質量守恒和動量守恒定律。模型的控制方程為

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：Q為流量；x為沿水流方向的距離；A為過水斷面面積；t為時間坐標；q為旁側入流量；g為重力加速度；h為水位；R為水力半徑；C為謝才系數；α為動量修正系數。

水流中物質在各處因質量濃度差存在擴散運動，且隨河道平均流量運移，對流擴散方程模擬水體中溶解或懸浮的保守和非保守物質的運輸過程和一級線型衰減過程。

對流擴散方程：

式中：x為距離坐標，m；t為時間坐標，s；C為物質質量濃度，mg/L；A為過水斷面面積，m2；D為縱向擴散系數，m2/s；Q為流量，m3/s；K為衰減系數，1/d；C2為污染物源匯質量濃度，mg/L。

2 模型構建

2.1 模型構建

水動力模型構建：農村河道缺少斷面數據，在滿足模擬精度的前提下，根據實測數據及規(guī)劃資料，將河道斷面概化為梯形斷面。上游邊界為時間——流量序列，下游邊界為時間——水位序列。河長較短，河道形態(tài)變化小，因此河道糙率取全域值。

水質模型構建：外部邊界為研究河段上下邊界實測污染物質量濃度，內部邊界條件為距河道上邊界200 m 處的排污口和河道概化的底泥面源污染，參考《全國水環(huán)境容量核定技術指南》中排污系數取值，結合現場對排污口的水質檢測結果，確定污染物入河系數取為0.9。定期取樣測定并計算出底泥污染物中COD、NH3-N、TP 的入河貢獻量分別為14.4%、20.6%和18.3%。

2.2 參數率定與驗證

河長較短，河道形態(tài)變化小，因此河道糙率取全域值0.032，水位模擬結果與實測數據如圖2所示。

采用Nash-Sutcliffe 系數對模型精度進行評估，公式為

通過參考國內部分河流擴散系數取值，初步確定河道擴散系數，通過模擬值與實測值的比較不斷調整擴散系數，最終確定研究河道的擴散系數為8 m2/s。利用2021年1—12月的水質數據進行率定，反復調試參數值優(yōu)化模型，最終確定所有的參數取值見表1。

表1 衰減系數參數取值

相應的水質指標模擬結果與實測數據如圖3所示。

根據圖3，河道斷面水質模擬值與實測值變化趨勢基本吻合，相對誤差在0.9%~1.33%之間，在合理誤差范圍內，模型可用于河道的水質模擬。

圖3 各水質指標模擬值與實測值對比

3 生態(tài)治理模式擬定

根據研究區(qū)河道生態(tài)治理前數值模擬結果分析，將對A 河進行截污控制方案模擬作為基礎模式，運用河道生態(tài)治理技術針對性地擬定3 種生態(tài)治理模式：模式1（生態(tài)浮床+曝氣增氧）；模式2（仿木樁護坡+自然護坡）；模式3（水下森林）。選取錫山區(qū)采用以上生態(tài)治理模式的3 條農村河道B 河、C 河和D 河，分別建立這3 條河道的水動力水質模型，通過率定得到3 種生態(tài)治理模式的衰減系數如表2所示。

表2 三種生態(tài)治理模式下的衰減系數率定值

4 模擬結果分析

4.1 污染源截污控制方案對河道水質的影響

A河的主要污染物來源為生活污水和底泥內源釋放，本文選取水質較差的10 月份水質數據，分別模擬實施排污口截流和清淤疏浚后的水質情況，與河道治理前水質狀況進行比較，如圖4所示。

由圖4可知，對生活污水進行截流處理后，河道水質有所提升，但效果不顯著，COD 平均降低0.05%，NH3-N 降低0.12%，TP 降低0.06%。進行河道清淤后，河道沿程污染物質量濃度降低，對污染物質量濃度分布曲線進行擬合，計算平均每百米

圖4 污染物截污控制方案治理效果

污染物質量濃度降低率，COD 降低0.48%，NH3-N降低1.42%，TP 降低0.15%，河道水質得到有效改善。清淤疏浚的治理效果優(yōu)于排污口截流，說明該河道水質主要受底泥內源污染的影響，河道沿程污染物逐漸累積，至河道下邊界達到最大值，清除底泥污染源后河道水質沿程逐漸改善；而排污口由于流量較小，且入河污染負荷不大，因此排污口截流后河段的污染物質量濃度較治理前變化較小。

4.2 不同生態(tài)治理模式下的水位變化情況

4.2.1 天然流量下的水位變化情況

流量過程采用2021 年1—12 月的實測天然來水流量，通過水位模擬與現狀河道斷面對比分析，為河道的斷面設計提供參考。A-400斷面在3種河道生態(tài)治理模式下的水位變化情況如圖5所示。

圖5 河道水位變化情況

不同的河道生態(tài)治理模式對河道糙率的影響較大，在河道天然流量過程下，河道水位變化較大。根據水位計算結果，3 種模式下的河道水位相比于河道治理基礎模式分別升高0.3 m、0.78 m、0.92 m。因此在進行河道生態(tài)治理時，應充分考慮河道的過流能力，避免因河道治理導致河道漫堤，無法承擔防洪和灌溉等河道功能。

4.2.2 排澇標準下的水位變化情況

A 河為錫北鎮(zhèn)圩內小型農村河道，河道功能為排澇及景觀作用，因此僅計算河道在排澇標準下的水位變化情況。該地區(qū)的內河排澇標準為20 年一遇，A河集水面積為0.8 km2，來水流量按排澇模數M按每平方千米4.01 m3/s計算。

設計流量的計算公式為

計算得出A河的設計排澇流量為3.21 m3/s。

A河橫斷面為梯形，底坡較緩，可作為明渠均勻流進行計算。A河河底高程為2.1 m，底寬6 m，兩岸邊坡1∶2，岸頂高程為5.53 m，設計安全超高為0.5 m，則最大過流水深為2.93 m。據曼寧公式（式（6））計算河道在不同生態(tài)治理模式下的排澇設計水位值，并復核河道過流能力，如表3所示。

表3 不同生態(tài)治理模式下河道過流能力計算

根據計算結果，河道在基礎模式和模式2 兩種生態(tài)治理模式下，排澇設計水位為4.42 m和4.79 m，低于河道允許最高過流水位5.03 m，河道最大過流量為5.12 m3/s 和3.81 m3/s，大于河道設計排澇流量3.21 m3/s，河道斷面滿足排澇要求；河道在模式1 和模式3兩種生態(tài)治理模式下，排澇設計水位為5.4 m和5.56 m，高于河道允許最高過流水位5.03 m，河道最大過流量為2.52 m3/s 和2.27 m3/s，小于河道設計排澇流量3.21 m3/s，河道斷面不滿足排澇要求。因此在進行河道整治時，需要結合現場調查的河道具體情況，適當采取增大河寬、降低河底高程、增大河道底坡等方法增大河道斷面面積，提高河道過流能力。

4.3 不同生態(tài)治理模式對河道水質的影響

將B、C、D 三條河道的衰減系數率定值代入A河，模擬A 河A-400 斷面在4 種不同治理模式下的COD、NH3-N、TP 的變化情況，模擬時間為2021 年1—12月，模擬結果見圖6。

由圖6分析可得，3種治理模式均對A河污染物有一定的降解作用。從3種模式對污染物的年平均降解效果來看，對于COD 指標，模式3（0.55%）＞模式1（0.41%）＞模式2（0.19%）；對于NH3-N指標，模式3（0.80%）＞模式1（0.56%）＞模式2（0.39%）；對于TP指標，模式3（0.68%）＞模式1（0.57%）＞模式2（0.26%）。從總體降解效果上看，模式3＞模式1＞模式2，這是由于模式3水下森林系統(tǒng)構建出的復合生態(tài)系統(tǒng)，通過物理吸附、植物吸收和微生物分解等物理、生物和化學反應共同作用，各反應之間相互影響，相互促進，形成了降解污染物的高效循環(huán)系統(tǒng)。模式1 生態(tài)浮床+曝氣增氧系統(tǒng)作用原理與模式3水下森林類似，模式1浮床面積較小，構建的生態(tài)系統(tǒng)中動植物和微生物數量遠小于模式3，但增設的曝氣增氧設施增大了水體中的含氧量，提高了水生動植物和微生物的活性，因此對河道污染物的降解效果僅次于模式1。

圖6 不同治理模式下河道污染物濃度隨時間的相對變化率

從時間上看，基礎模式下A 河河道污染物質量濃度總體表現為夏季污染物質量濃度較低，春秋冬三季污染物質量濃度較高。A河水質主要受上游來水影響，夏季水量相對充沛，動植物活性較高，水質相對較好；而春秋冬三季水量相對較小，春秋季節(jié)化肥農藥使用量較大，殘留的污染物通過渠道排入河中，加上秋冬季節(jié)植物衰敗腐爛，混合在河道底泥中形成內源污染，因此河道水質較差。從3 種模式對污染物降解效果的時間變化規(guī)律上看，不同時期的污染物質量濃度變化較大，而污染物降解速率變化較小，不同污染物質量濃度下，降解速率相差在3%以內，說明當污染物質量濃度在一定范圍內時，污染物的降解速率不受污染物質量濃度影響。

5 結 論

本文模擬了錫山區(qū)未治理的農村河道A 河在排污口截流與清淤疏浚2 種措施下的水質改善效果，并在此基礎上，分別模擬在3種不同生態(tài)治理模式下的水位、水質變化情況。主要結論如下：

（1）該河道水質主要受底泥內源污染的影響，入河污染負荷不大，清除底泥污染源后河道水質沿程逐漸改善。

（2）在河道排澇標準下，基礎模式和模式2兩種生態(tài)治理模式下的排澇設計水位低于河道允許最高過流水位，模式1 和模式3 兩種生態(tài)治理模式下的排澇設計水位高于河道允許最高過流水位，需要對河道斷面進行擴建。

（3）3 種治理模式均對A 河污染物有一定的降解作用，從總體降解效果上看，模式3＞模式1＞模式2。對于同一污染指標，模式3 的降解速率最大，對于同一模式，NH3-N的降解速率最大。