徐國(guó)杰

(錦州市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 錦州 121000)

1 河流概況

女兒河是小凌河的最大支流,從西南向東北流經(jīng)興城、連山、南票等地后于錦州市注入小凌河,全長(zhǎng)134km,總面積1490 km2。女兒河在葫蘆島內(nèi)段長(zhǎng)98.6km2,葫蘆島與太和區(qū)共同邊界段長(zhǎng)約9km,境內(nèi)流域面積1271km2,最大洪峰為5000m3/s,最小流量為0.2m3/s,年輸水量1.9045億m3。近年來(lái),受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水直排等因素影響女兒河諸斷面水質(zhì)較差,一維水流水質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與該河道型河流水質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性相符。鑒于此,文章利用MIKE11系統(tǒng)創(chuàng)建的水生態(tài)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)不同修復(fù)方案凈化效果,為加快修復(fù)女兒河水生態(tài)提供一定技術(shù)支持。

2 建模流程

2.1 水動(dòng)力學(xué)模型

MIKE11是采用動(dòng)量方程和水流連續(xù)方程組成的河流水動(dòng)力模型,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(1)

(2)

式中:z、t為水位和時(shí)間坐標(biāo);A、B、Q、R為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、寬度、流量和水力半徑;q、c、x為旁側(cè)入流量、謝才系數(shù)和位置坐標(biāo)[1]。

2.2 水質(zhì)模型

1)非穩(wěn)態(tài)一維水質(zhì)模型。采用MIKE11 HD模塊可以確定MIKE11 AD的水動(dòng)力條件,模擬水體中物質(zhì)的擴(kuò)散及對(duì)流過(guò)程,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(3)

式中:C、Sc為模擬物質(zhì)濃度及其衰減項(xiàng);Ex、S為縱向擴(kuò)散系數(shù)和單位時(shí)間單位河長(zhǎng)的污染源排放量[2-4]。結(jié)合河流特點(diǎn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)D,即:

D=aVb

(4)

式中:V為流速;a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2)水生態(tài)模型。MIKE11中的Eco Lab模塊既能夠體現(xiàn)各狀態(tài)變量的相互關(guān)系,也可用于描述生態(tài)、化學(xué)即物理過(guò)程,將水生態(tài)、水動(dòng)力與對(duì)流擴(kuò)散模型相耦合探究其傳輸機(jī)理及生化反應(yīng)。河流產(chǎn)氧來(lái)源于大氣復(fù)氧和植物的光合作用,耗氧來(lái)源于動(dòng)植物與底泥消耗、碳氮化合物和其它物質(zhì)氧,其平衡方程可以表示成[5-8]:

(5)

水中的氨氮濃度與有機(jī)植物降解、消化反應(yīng)及水生植物吸收等因素密切相關(guān),平衡方程可以表示成:

(6)

式中:DDO、CS為溶解氧及飽和條件下的濃度;K2、θ2為大氣復(fù)氧系數(shù)和呼吸作用溫度系數(shù);K3、θ3為生化需氧量的降解系數(shù)和溫度系數(shù);K4、θ4為消化系數(shù)和消化過(guò)程中的溫度系數(shù);Y1、P1、B1為降解BBOD生成氨氮的轉(zhuǎn)化率、光合作用生產(chǎn)氧氣的速率和微生物及動(dòng)植物消耗氧氣速率;BBOD、NNH4為生化需氧量的濃度和氨氮濃度;KS、R為半飽和系數(shù)與呼吸作用的速率。

2.3 河網(wǎng)概化

通過(guò)河網(wǎng)概化更加客觀真實(shí)地反映自然河流的水力特性,概化過(guò)程中應(yīng)最大程度地維持河網(wǎng)的調(diào)蓄和蓄水功能不變。結(jié)合實(shí)際情況將錦州市女兒河概化成10條河道,總節(jié)點(diǎn)數(shù)60個(gè),總長(zhǎng)257km。

2.4 邊界條件

模型的計(jì)算邊界條件為2021年各站點(diǎn)水位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在不考慮外部污染源的情況下用水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為水質(zhì)邊界條件。

2.5 模型率定

1)率定水動(dòng)力模型。設(shè)定計(jì)算步長(zhǎng)60s,模擬周期6個(gè)月,壁面糙率0.03,起始水位3.0m。通過(guò)對(duì)各個(gè)斷面逐時(shí)水位反復(fù)調(diào)整模型參數(shù),從而確定河道糙率處于0.06～0.10范圍。經(jīng)檢驗(yàn),各斷面水位偏差≤1.5～4.0cm,實(shí)測(cè)與模擬水位變化規(guī)律基本一直,具有較高的模擬精度,這表明可以利用該模型模擬河流水質(zhì)。

2)率定水質(zhì)模型。為確定模型率定的主要參數(shù)及其計(jì)算準(zhǔn)確度,結(jié)合擬定3種修復(fù)方案,全面分析各治理?xiàng)l件下的河流水質(zhì)狀況,治理狀況如表1所示。采用率定后的模型計(jì)算分析不同生態(tài)修復(fù)方案下NH3-N、BOD5和COD因子的降解系數(shù)。

表1 河道治理方案

考慮到女兒河水流較緩的實(shí)際情況,可以利用下式表征污染物的降解過(guò)程:

?C/?t=-kC

(7)

式中:C為污染物濃度;t、k為反應(yīng)持續(xù)時(shí)間和污染物降解系數(shù)。將上式進(jìn)行積分,則有:

InCt=-kt+InC0

(8)

式中:C0、Ct為污染物初始和第t天的濃度值;k為降解系數(shù)。采用主要污染因子降解速率和實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù),并充分考慮河流水動(dòng)力特性系統(tǒng)率定模型,不同修復(fù)措施下的率定結(jié)果如表2所示,擴(kuò)散系數(shù)率定后處于5～10之間。以2#采樣點(diǎn)的DO、NH3-N、BOD、COD作為對(duì)比指標(biāo)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確度,結(jié)果顯示實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算值相差很小,兩者的相對(duì)誤差處于2.0%～5.8%之間,對(duì)河流水質(zhì)模擬具有較強(qiáng)適用性與準(zhǔn)確度。

表2 模型參數(shù)率定結(jié)果

綜上分析,不同生態(tài)修復(fù)措施的模型參數(shù)率定結(jié)果存在一定差異,其中生態(tài)濕地的BOD和COD降解速率最快,其次是生態(tài)浮床或自然護(hù)坡+木樁,各修復(fù)措施的BOD與COD降解速率相差不大。研究表明,對(duì)去除氨氮生態(tài)濕地作用效果最好。所以,對(duì)于去除各種污染物生態(tài)濕地的作用效果最優(yōu)。

3 實(shí)用效果預(yù)測(cè)

為了定量分析不同生態(tài)修復(fù)方案下的錦州市女兒河水質(zhì)凈化效果,對(duì)3種治理方案下的河流水質(zhì)變化情況(1～10月)利用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算,預(yù)測(cè)期內(nèi)的污染負(fù)荷取2021年各污染指標(biāo)平均值,基準(zhǔn)模擬情景選取2021年水文條件。采用表2中的率定值優(yōu)化調(diào)整Eco Lab模型中的主要參數(shù),并將其與MIKE11中的AD、HD集成進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

3.1 底泥疏浚與生態(tài)護(hù)岸方案

向Mike11 Eco Lab系統(tǒng)輸入底泥疏浚與生態(tài)護(hù)岸的有關(guān)參數(shù),東、西片河段參數(shù)按照底泥疏浚與生態(tài)護(hù)岸方案設(shè)定,其它因素相同條件下錦州市女兒河水質(zhì)變化特征如圖1所示。

(a)COD

從圖1可以看出,錦州市女兒河采用底泥疏浚與生態(tài)護(hù)岸方案時(shí),經(jīng)過(guò)10個(gè)月的治理修復(fù)COD、DOD5、NH3-N平均值依次下降3.63mg/L、0.69mg/L、0.17mg/L,降幅依次為11.87%、14.87%和17.74%;DO平均值相較于初始值增加1.08mg/L,增幅為28.20%。通過(guò)分析變化趨勢(shì)可知,初始底泥疏浚與生態(tài)護(hù)岸的水質(zhì)凈化效果顯著,后期COD、DOD5、NH3-N濃度呈波動(dòng)上升趨勢(shì),究其原因是初期內(nèi)源和污染物控制效果顯著,但隨著底泥再次沉淀生態(tài)修復(fù)效果開(kāi)始減弱,各因子濃度值逐漸增大。

3.2 生態(tài)護(hù)岸與生態(tài)浮床方案

向Mike11 Eco Lab系統(tǒng)輸入生態(tài)護(hù)岸與生態(tài)浮床的有關(guān)參數(shù),東、西片河段參數(shù)按照生態(tài)護(hù)岸與生態(tài)浮床方案設(shè)定,其它因素相同條件下錦州市女兒河水質(zhì)變化特征如圖2所示。

(a)COD

從圖2可以看出,錦州市女兒河采用生態(tài)護(hù)岸與底泥疏浚方案時(shí),經(jīng)過(guò)10個(gè)月的治理修復(fù)COD、DOD5、NH3-N平均值分別減小5.34mg/L、0.96mg/L、0.078mg/L,降幅達(dá)到為17.40%、18.86%和8.60%;DO平均值相較于初始值增加1.11mg/L,增幅為28.53%。

3.3 自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地方案

向Mike11 Eco Lab系統(tǒng)輸入自然護(hù)坡+木樁和生態(tài)濕地的有關(guān)參數(shù),南、北片河段參數(shù)按照生態(tài)濕地和自然護(hù)坡+木樁方案設(shè)定,其它因素相同條件下錦州市女兒河水質(zhì)變化特征如圖3所示。

(a)COD

從圖3可以看出,錦州市女兒河采用自然護(hù)岸+木樁與生態(tài)濕地方案時(shí),經(jīng)過(guò)10個(gè)月的治理修復(fù)COD、DOD5、NH3-N平均值分別減小7.65mg/L、1.49mg/L、0.172mg/L,降幅達(dá)到24.89%、28.93%和19.05%;DO平均值相較于初始值增加1.50mg/L,增幅為38.07%。

綜上分析,本研究所設(shè)定的3種修復(fù)方案均能明顯改善河流水質(zhì)。對(duì)比生態(tài)浮床與生態(tài)護(hù)岸、底泥疏浚與生態(tài)護(hù)岸這兩種方案,兩者的主要區(qū)別在于是聯(lián)合生態(tài)浮床還是底泥疏浚。結(jié)合表2率定結(jié)果,生態(tài)浮床明顯高于底泥疏浚的降解速率,后者對(duì)BOD5、NH3-N的削減作用更加顯著,這是由于該方案初期明顯控制了內(nèi)源污染,使得污染物濃度大幅下降,削減量較多。自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地方案相較于其它方案,其削減作用更加顯著,所以該方案具有更快的各污染物削減速率,其改善河流水質(zhì)的效果最顯著,并且該方案有利于改善水環(huán)境和形成多層次綠化界面,實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有顯著的生態(tài)效能,可以促進(jìn)“水美鄉(xiāng)村”建設(shè)和創(chuàng)造水生態(tài)景觀[9-11]。所以,最終確定自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地為最優(yōu)方案。

4 結(jié) 論

1)文章結(jié)合錦州市女兒河實(shí)際情況構(gòu)建了3種典型的生態(tài)修復(fù)方案,利用水生態(tài)模型預(yù)測(cè)了各方案下的凈化效果,可為河流水生態(tài)治理及其方案設(shè)計(jì)提供一定參考。

2)研究表明,自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地方案既有利于改善水環(huán)境和形成多層次綠化界面,實(shí)際應(yīng)用時(shí)還具有顯著的生態(tài)效能,為“水美鄉(xiāng)村”建設(shè)和創(chuàng)造水生態(tài)景觀提供條件。其中,生態(tài)濕地比較適用于平原河網(wǎng),其生態(tài)修復(fù)效果最為突出可以優(yōu)先考慮該措施。

3)可以將水生態(tài)數(shù)學(xué)模型作為合理選擇生態(tài)修復(fù)方案的有效手段,為確定適用于不同河道的最佳方案還要考慮景觀效果、后期管護(hù)難易程度、工程投資以及水質(zhì)凈化效果等因素。