水力因素對河道生態(tài)修復系統(tǒng)凈化效果的影響

劉韶華

(撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006)

隨著科技水平的提高，人們對河流進行了大規(guī)模開發(fā)，實現(xiàn)了河流資源的最大化利用，但是在開發(fā)利用的過程中，人們忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)健康需求，對河流生態(tài)系統(tǒng)造成一些負面影響，對飲用水水質(zhì)安全造成了嚴重威脅。河流生態(tài)修復技術利用微生物、基質(zhì)、植物作用對河道水質(zhì)進行處理，具有工藝簡單、處理水量大、耗能低、投資小、運行費用低等優(yōu)點，應用前景廣闊。由于現(xiàn)階段人們對各種措施的凈化機理認識尚不充分，會導致凈化效果達不到設計標準，尋找去除效果與影響因素之間的定量關系變得尤為重要[2]。王小娟等[3]研究了不同水力負荷下各種植物生態(tài)浮床對水體中氮磷的凈化效果，發(fā)現(xiàn)水力負荷為1.0m/d與1.5m/d時氮磷去除率相當，水力負荷為0.5m/d時對水體中氮磷凈化效果最好；王全金等[4]研究發(fā)現(xiàn)，隨著水力負荷的增加污染物去除率不斷降低，人工濕地與水力負荷呈顯著負相關；王鵬等[5]研究表明，濕地床的復氧過程和耗氧過程能同步進行，當濕地系統(tǒng)的復氧速率小于污染物降解的耗氧速率時，濕地水體DO明顯降低。本文以撫順市社河濕地為依托，構建生態(tài)修復系統(tǒng)，研究了各生態(tài)措施對不同污染物的去除率、去除量、出口濃度與場地水力負荷、污染負荷、植物種類之間的相互關系，以期為河道生態(tài)修復方案的選擇提供理論支持，有著重要的現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域概況及實驗方法

1.1 地理概況

社河位于撫順市東部，屬于大伙房水庫支流，全長59km，流域面積約468.4km2，自東南向西北流經(jīng)后安、上馬兩鎮(zhèn)境內(nèi)，注入渾河干流上的大伙房水庫，多年平均徑流量1.29×108m3，沿線有三塊石國家森林公園、遼寧撫順社河國家濕地公園以及腰堡水庫度假村等著名景區(qū)。社河濕地公園包括社河干流總面積734.54hm2，河流濕地93.78hm2。該濕地公園建設將啟動防治災害、基礎、合理利用、科研監(jiān)測、科普宣教、濕地恢復、濕地保護、七大工程。社河流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L氣候，年平均降水量為600.5mm，年平均氣溫為5℃，年平均徑流量為2.98億m3，年平均徑流深為210.2mm。流域初凍期在11月中旬之前，3月下旬氣溫開始回暖，解凍期開始。6—9月，社河流域進入汛期，期間暴雨集中，從東南部到西北部，降水量逐漸減少，其中東南地區(qū)年平均降水量達750mm以上。

1.2 生態(tài)修復系統(tǒng)設計

社河污染來源復雜，包括農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)污水等，氮磷污染和有機污染嚴重，針對實驗地點地勢形態(tài)及社河污染情況，設計了一套綜合生態(tài)池、人工濕地、生態(tài)河道的水質(zhì)凈化系統(tǒng)[6- 7]。在社河大橋右岸分叉?zhèn)攘鞯娜肟谔幵O置攔污柵，在人工濕地入口前設置泄水渠道；在生態(tài)池中投放生態(tài)浮島，在生態(tài)池、人工濕地和生態(tài)河道的出入口設置水質(zhì)監(jiān)測點，通過水質(zhì)變化情況來評判生態(tài)修復措施對水體的凈化效果。

1.3 水樣采集及監(jiān)測

2 水力因素對系統(tǒng)去除效果的影響作用分析

2.1 水力負荷對去除率的影響

水力負荷表示單位時間單位面積凈化的水量，計算公式如下[8]：

HL=Q/S

(1)

式中，S—實驗場地面積，m2；Q—進水流量，m3/d；HL—水力負荷，m3/(m2·d)。

實驗場地水力負荷變化如圖1所示，在監(jiān)測期間，實驗系統(tǒng)水力負荷呈波浪型下降趨勢，最小值為0.0246m3/(m2·d)，最大為0.3843m3/(m2·d)。

圖1 實驗場地水力負荷變化

圖2 系統(tǒng)污染物去除率與水力負荷的關系

人工濕地水力負荷變化如圖3所示。在監(jiān)測期間，實驗系統(tǒng)水力負荷呈波浪型下降趨勢，最小值為0.1373m3/(m2·d)，最大為1.5541m3/(m2·d)。

圖3 人工濕地水力負荷變化

圖4 人工濕地污染物去除率與水力負荷的關系

生態(tài)池水力負荷變化如圖5所示，生態(tài)池水力負荷為最小值為0.1023m3/(m2·d)，最大值為1.3735m3/(m2·d)。

圖5 生態(tài)池水力負荷變化

圖6 生態(tài)池污染物去除率與水力負荷的關系

2.2 水力負荷對去除量的影響

圖7 系統(tǒng)污染物去除量與水力負荷的關系

圖8 人工濕地污染物去除量與水力負荷的關系

圖9 生態(tài)池污染物去除量與水力負荷的關系

2.3 污染負荷對出水濃度的影響

研究出口水質(zhì)中各污染物指標濃度與污染負荷的關系，能夠為生態(tài)工程設計提供技術參考，污染負荷為單位面積承受的污染量，計算如下式所示[9]：

Mw=Q×C0/S

(2)

式中，S—實驗場地面積，m2；C0—水中污染物濃度；Q—進水流量，m3/d；MW—污染負荷，g/(m2·d)。

圖10 系統(tǒng)出口中污染物濃度與污染負荷的關系曲線

圖11 人工濕地出口中污染物濃度與污染負荷的關系曲線

圖12 生態(tài)池出口中污染物濃度與污染負荷的關系曲線

3 結論

以撫順市社河濕地為依托，研究了各生態(tài)措施對不同污染物的去除率、去除量、出口濃度與場地水力負荷、污染負荷、植物種類之間的相互關系，主要得出以下結論。

(1)隨水力負荷的增大修復系統(tǒng)對TP和COD的去除率不斷減小；而人工濕地和生態(tài)池對各污染物的去除率與水力負荷的線性關系較弱。各出水中TN和NH4+-N的出水濃度與進水污染負荷之間的相關性不明顯，而TP和COD濃度與進水中的污染負荷呈顯著正相關。

(3)不同河流治理項目具有不同的污染情況、水力條件和自然條件，綜合考慮各種因素，應因地制宜選擇最適合的生態(tài)治理措施，為河道生態(tài)修復方案的選擇提供理論指導。