平原河網河道結構與水體自凈能力關系實驗分析

閔俊杰，蔣立新

(1.國電環境保護研究院有限公司，南京 210031；2.無錫市城市防洪工程管理處，江蘇 無錫 214000)

1 實驗背景

目前全球的河道隨著城市發展，天然結構、河型、河流自然流態發生了很大的變化，對河流的生態功能造成了很大影響，所以很多單位、學者對河流的研究多為河流流量、河流能耗、河道空間形狀、河流運砂能力、河道比降、河流調蓄能力等方面，很少涉及河流城市化進程中天然河道結構變化對水體自凈能力的影響。經地質分析計算確定，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。從水質學進行分析，水體內存在的泥沙顆粒是典型的河流污染物，由于城市化進程造成的水動力學改變，使水體中泥沙顆粒分布失衡，同時也改變了泥沙顆粒表面物理性質和電化學性質，容易導致泥沙顆粒和金屬污染物、有機污染物發生吸附、絡合及化學反應，降低河流的降解速率，加劇河流污染程度。因此對平原河網河道結構與水體自凈能力、營養循環、環境容量之間的運行規律進行探討，對綠色城市生態建設和生態維護有重要意義[1]。文章以平原河網河道結構與水體自凈能力關系進行實驗探討，主要實驗內容如下。

2 實驗方法

2.1 河道模型構建和實驗方法

實驗河道構建選擇6個長度一致的PVC槽，長度均為2m，每個PVC槽使用相同水泥泥塑成不同河寬的獨立河流模型單元，6個PVC槽的截面均為規則梯形面積分別為31、42、49、54、58、65cm2。模擬河道的構建需要底泥和水源，本實驗取樣(底泥和水源)取自某平原河道，對實驗取樣進行化驗分析，各成分含量見表1。在實驗過程中會出現取樣分析、水分蒸發等現象導致實驗河道模型內水源減少，所以需要根據實驗實際情況補充河道模型內水源，在水源取樣時另外在另一平原河網河道備份補充水源量，以彌補模型內水源損失，在實驗時每次水源補充要及時記錄，另外補充水源時要提前檢測其水質，避免補充水源水質不合格影響實驗結果。本實驗時間為12周，在實驗期間共補充水源4.8L,占河道模型總水量的8.2%。

模擬河道實驗時，流量控制方法運用轉子流量計進行記錄，分別在每個河道模型上設置2個監測點，監測每周兩次，分別在2L/h、4L/h、8L/h、12L/h 這4個流量水平值上進行實驗分析，用監測點的平均值作為分析的數據之一。

表1 河道模型內底泥和水源各成分含量

2.2 實驗測試指標和方法

檢測底泥和水源的含磷總量(檢測方法采用過硫酸鉀氧化-磷鉬藍比色法)、COD含量(檢測方法采用重絡酸鉀法)、PO43--P(游離磷)含量(檢測方法采用直接比色法)、有機質含量(檢測方法采用硫酸鉀氧化-紫外分光光度法)。

2.3 實驗設備儀器

分光光度計選擇型號為exact-density(美國)，高速離心機采用型號為JIDI-6D臺式低速大容量離心機(廣州吉迪儀器有限公司)。

3 實驗結果及分析

3.1 各監測面的水力特征

根據6個河道模型的幾何特性和過水斷面面積，記錄4個流量水平下監測點監測相應斷面的實際流速值，結果如圖1所示。

圖1 各監測斷面的流速情況

根據圖1的結果可以看出，6個河道模型相應監測點監測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，隨著水位上升，流速從上游到下游變化明顯，呈波狀變化。

3.2 有機質含量對流量及補充水COD值的影響

實驗記錄得出的每個河道模型中COD含量隨流量變化的變化規律(圖2)。

(0號斷面代表河道模型循環水入口位置，補充水源在此位置補充，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出較大波動(先升后降)。經技術人員分析，當河道流速<0.5m/h時，平原網河道內存在的各種有機物的水動力移動能力差，各種有機物的存在主要以沉積狀態為主；當河道流速在0.5-1.5m/h之間時，平原網河道內存在的各種有機物發生分異的可能性較大，在河流運動和外界有機物沖擊下，會引起河道內存在的各種有機物波動，產生有機物集聚，導致河道水質惡化，這是平原河網河道水質惡化的原因之一，也是河流生態修復反復失敗的主要原因，所以在進行平原河網河道管理時，應注重外來水源的管理；當河道流速>1.5m/h時，會快速使河道中各種有機物趨于一致，降低局部有機物含量，避免出現河道局部污染。所以根據河道中有機物與流速之間的變化關系，在進行平原河網河道改造治理時應將河道流速高于1.5m/h以上才能保證河道治理質量[2-4]。

圖3為各監測斷面下COD含量隨補充水源的變化規律結果。

圖3 各監測斷面COD含量對補充水源的變化規律

從圖3結果顯示，在流速或流量一致情況下，平原河網河道的COD含量變化值受補充水的影響非常大；和水源COD含量平均值23.13mg/L相比較，當補充水源COD含量和此值接近時，對河道有機物存在影響較小。當補充水源COD含量小于此值時，補充水源會稀釋河道模型內有機物，但在6個河道模型中3號河道模型的稀釋效果最差。當補充水源COD含量大于此值時，會加大河道模型的有機質含量，加重河道模型的污染程度，但在6個河道模型中3號河道模型受補充水源內有機質的影響最小；當流速<1.5m/h時，3號河道模型對有機物有較好的抗沖擊能力主要與3號河床的動力學特性關系很大。

從上述數據可以看出，補充水源的水質對平原河網河道的水質影響非常大，所以在平原河網河道污染治理時，要重點對城市污水排放進行管控，建立城市污水處理系統，過濾凈化后的污水才能排入河道水，另外在城市排水系統建立時，需要科學規劃，提高城市化進程中城市排水系統對暴雨徑流洪峰流量的集中排水處理能力，避免在暴雨時大量有機物質污水涌入河道。

3.3 水中P素對流量及補充水TP(總磷)、PO43--P(游離磷)含量的影響規律

各監測斷面下水中總磷變化、水中PO43--P含量變化見圖4、圖5。

圖4 各監測斷面水中總磷含量變化

圖5 各監測斷面水中游離磷含量變化

從圖4顯示的數據來看，隨著水流量的不斷增加，總磷在上游和下游的波動逐漸減少，這時補充水源的總磷含量大于河道內總磷含量，可以證明緩流河道可以不斷增加總磷含量。從圖5顯示的數據來看，各河道模型的游離磷隨流量的不斷增加而增加，流速的增大能夠產生一定作用力，可以有效促進底泥中磷元素的釋放，加大了污染源含量，使河道更加富營養化。對比上游和下游的游離磷含量不難發現，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河道的流速較慢，但由于上游和下游之間的水力學關系，水源的富營養化有很大的關聯性，這種現象也容易導致緩流河道出現營養物及污染物質的堆積重疊，加劇河道污染程度，加大河道生態治理恢復的技術難度。

3.4 底泥中污染

為了判斷各種有機物在緩流河道水源和底泥表面發生的變化規律，分別在4個流量水平實驗結束時，立即在對應監測點取底泥樣品進行化驗分析，監測結果表明，當流速<0.5m/h時，時間相同的前提下，有機物的沉積速度最快，在各河道模型中3號河道內有機物沉積速度最快，沉積量最多。實驗中游離磷變化，流速較低時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，出現這種現象的主要原因是，隨著流量的增加底泥的紊流擴散系數也不斷增加，加速底泥中磷元素釋放，使河道水源中磷元素增加。

4 結 語

平原河網河道的流量及補充水源對水體中的各種有機物含量影響較大，在水流流速<0.5m/h時，各種有機物主要以沉積狀態存在；當流速>1.5m/h時，加大了各種有機物的分解和游離磷的釋放速度，使水體中磷元素增加，更加富營養化。因此在平原河網河道生態建設和治理時，要有一定大局觀和整體布局性，治理時應先從區域河網管理入手，而不是僅僅局限于某一個河道的治理。