英那河河道生態修復方案優選研究

華 昆

(莊河市水務事務服務中心，遼寧 大連 116400)

1 河流概況

英那河發源于岫巖縣龍潭鄉老北溝，主要徑流莊河市黑島、吳爐、小孤山、大營子、塔嶺、仙人洞、三架山等鄉鎮以及沙嶺農場，自北向南徑流至黃家村注入黃海。英那河全長94.9km，流域面積1004km2，海拔高程653.1m，平均比降2.31‰，分布有二級支流1條和一級支流5條。河流下游河床為細砂，上游為卵石，年徑流量4.41億m3，平均徑流深439.2mm。近年來，英那河諸斷面水質無法滿足水功能區要求，水質多Ⅴ類或Ⅳ類，英那河主干支流河道符合一維水流水質運動特性。鑒于此，文章利用一維非恒定流水動力方程構建英那河的水生態數學模型，并預測了不同組合方案下生態修復措施的凈化效果，可為定量化優選河道生態修復方案提供參考依據。

2 水生態數學模型

2.1 河網的概化

為了更加客觀的描述河流的自然水力特征，確保實際河網的輸水及調蓄能力與概化后的河網相一致，必須科學合理的概化河網。根據英那河實際情況確定模型概化范圍：大營子、仙人洞、吳爐、塔嶺、黑島、蔡家村以及沙嶺農場，主要包括英那河、教場河、栗子房河、小峪河、二道河、下冰峪河、頭道溝河、沙河、二道溝河、棒槌溝河等河道，概化節點86個，總長度57.10km。

2.2 邊界條件

模型的計算邊界條件選取2018年棒槌溝河、教場河、支流沙河、干流冰峪溝等4個水文站點的實時水位數據，而模型計算的水質邊界條件為不考慮其余外部污染源條件下，各控制斷面2018年的水質例行監測數據。

2.3 水動力學模型

2.3.1 模型方程

MIKE11是以一維圣維南方程組為基礎的河流水動力模型，可以利用一維明渠非恒定流方程模擬預測河網、河流的水質與水量，現已廣泛應用于水利工程規劃、流域水資源管理和洪水洪峰洪量預測等領域[1]。一般地，假定水流符合靜水壓力條件、河道坡降與斷面保持不變、水流為均質流態且不可壓縮等，這也是應用MIKE11模型的基本前提，通常選用隱式格式離散法求解動量方程和水流連續方程，其表達式為：

(1)

(2)

式中：A、B、Q、R為過水斷面面積、寬度、流量和水力半徑；x、t為時間坐標和位置坐標；c、q為謝才系數與旁側入流量；z為水位。

2.3.2 水動力模型率定

設定水動力模型的計算時間步長1min，初始水位3.50，壁面糙率系數初始值0.03，模擬周期半年。將模型參數利用逐時斷面水位反復調整，最終確定英那河主干支流的糙率值為0.06-0.10范圍。結合實測數據資料，檢驗模型預測水位的精準度如圖1所示。

(a)干流冰峪溝

(b)支流沙河

(c)教場河

(d)棒槌溝河

從圖1可以看出，水動力學模型預測的水位誤差處于1.5-4.2cm區間，水位實測值與模擬值變化趨勢保持較好一致性，該模型具有較準確的水位模擬效果。

2.4 水質模型

2.4.1 對流擴散模型

如表根據MIKE11 HD模塊獲取的水動力條件模擬水流中物質的擴散與對流過程，可利用下式構造非穩態水質模型，即：

(3)

式中：S、Sc為單位時間單位河長污染源的排放量和模擬物質濃度的衰減項；Ex、C為縱向擴散系數和模擬的物質濃度。

考慮實踐經驗確定率定系數，即利用下式獲取對流擴散系數D：

D=aVb

(4)

式中：V為水動力計算的流速；a、b為經驗系數[2]。

2.4.2 水生態模型

為客觀反映河流的生態、生物、物理、化學過程以及各狀態變量間的相互作用，考慮應用模型的EcoLab模塊，通過耦合AD對流擴散模型、HD水動力模型和水生態模型，實現對流擴散的水生態整合模擬、生化反應和傳輸機理分析[3]。河流的主要產氧過程是大氣的復氧作用和植物的光合作用，而主要的耗氧過程有還原性物質及碳氮化合物的氧化、動植物的消耗和底泥的消耗等。對此，建立平衡方程如下：

(5)

硝化反應、有機物的降解產生、水生植物的吸收等為水體中氨氮濃度的主要變化過程[4]，由此構建的平衡方程如下：

(6)

式中：DDO、BBOD、NNH4為溶解氧濃度、生化需氧量濃度和氨氮濃度；K2、K3、K4為大氣復氧系數、生化需氧量降解系數和硝化系數；CS、KS為飽和、半飽和狀態下的溶解氧濃度；θ2、θ3、θ4為呼吸作用、生化需氧量降解過程和硝化過程的Arrhenius溫度系數；B1、P1為微生物及動植物的耗氧速率和光合作用的產氧速率；R為呼吸作用速率；Y1為BBOD降解生成氨氮的轉變率。

2.4.3 水質模型率定

為率定模型的主要參數及檢驗模型的精準度，擬定了3種不同的河道生態修復方案，即自然護坡與生態濕地組合、生態護岸與生態浮床組合、底泥疏浚與生態護岸組合方案，選擇不同治理條件下的5條河道率定水質模型參數，如表1所示。河道的主要污染因子有NH3-N、BOD5、COD，并對各項污染因子在不同生態修復措施下的降解系數進行預測模擬[5]。

表1 英那河典型河道概況

根據各污染物降解過程在中小型流速較緩河道中符合一級動力學的特性[6]，建立相應的降解方程為：

?C/?t=-kC

(7)

式中：t、C為反應持續時間和某污染物的濃度；k為降解系數。采用微積分的思想對上式兩邊處理，則有：

InCt=-kt+InC0

(8)

式中：C0、Ct為污染物的初始濃度和第t天的濃度。

采用以上公式對主要污染因子在各生態修復措施下的降解系數求解，如圖2。然后以污染因子的降解速率作為英那河水質模型的主要參數，即確定污染因子在各修復措施下的降解速率，并對模型利用流域水動力特征及實測水質數據率定，擴散系數率定后的取值為5-10，率定值如表2所示。

表2 河道生態修復的參數率定值

為更好的檢驗模型的準確性選擇沙河斷面的DO、NH3-N、BOD、COD作為對比指標，如圖3所示。從圖3可以看出，水質實測值與模擬值具有較高的吻合度，模型預測的水質相對誤差處于1.8%-6.2%范圍，對于水質的模擬分析表現出較強的適用性[7]。

綜上分析，各污染因子在不同修復措施下的參數值存在一定差異，其中具有相似降解速率的因子有BOD和COD，關于這兩項因子降解速率最快的為生態濕地修復措施，其次為生態浮床或自然護坡與木樁組合措施。考慮有機物降解氮產生量與硝化作用速率對水中氨氮濃度的影響，生態濕度具有最明顯的氨氮去除效果，可見生態濕度具有最為明顯的污染物去除效果。

3 生態修復效果

對英那河水質變化情況利用模型進行預測分析，從而反映3種生態修復方案凈化水質的效果，預測期內的污染負荷取各河道2018年的污染因子平均值，不同情景下的模擬基準設定為2018年的水文條件。將Eco Lab模型中的參數利用各修復措施的率定值(表2)適當調整，通過集成運算MIKE11模型的AD、HD模塊，實現各生態修復方案的水質凈化效果數值模擬。

3.1 生態護岸與底泥疏浚方案

在Mike11 Eco lab模型中輸入生態護岸、底泥疏浚的主要參數，并以生態護岸和底泥疏浚的參數值設定河網東、西片河段，保持其它條件不變的情況下英那河河流水質變化趨勢如圖4所示。

從圖4可知，10個月后采取底泥疏浚與生態護岸方案的COD、BOD5、NH3-N平均值減少了4.36mg/L、1.06mg/L、0.15mg/L，下降幅度依次為14.6%、20.1%、17.8%，而DO值增大了0.96mg/L，增大幅度26.4%。此外，從變化趨勢的角度分析，方案初期具有更好的水質凈化效果，主要污染物濃度在后期表現出增大的變化趨勢，其原因為方案初期有效控制了內源污染及減少了污染物濃度，各污染物濃度隨著底泥的再次沉積呈不斷上升趨勢。

3.2 生態護岸與生態浮床方案

在Mike11 Eco lab模型中輸入生態護岸、生態浮床的主要參數，并以生態護岸和生態浮床的參數值設定河網東、西片河段，保持其它條件不變的情況下英那河河流水質變化趨勢如圖5所示。

從圖5可知，10個月后采取生態浮床與生態護岸方案的COD、BOD5平均值減少了5.57mg/L、0.86mg/L，下降幅度依次為18.1%、17.0%，而DO值增大了1.45mg/L，增大幅度37.2%。

3.3 自然護坡+木樁與生態濕地方案

在Mike11 Eco lab模型中輸入自然護坡+木樁、生態濕地的主要參數，并以生態濕地和自然護坡+木樁的參數值設定河網南、北片河段，保持其它條件不變的情況下英那河河流水質變化趨勢如圖6所示。

從圖6可知，10個月后采取自然護坡+木樁與生態濕地方案的COD、BOD5、NH3-N平均值減少了7.40mg/L、1.36mg/L、0.18mg/L，下降幅度依次為24.2%、27.5%、21.9%，而DO值增大了1.63mg/L，增大幅度45.1%。

總體而言，在提升水質方案3種生態修復方案均表現出明顯的效果，考慮表2的率定值對比生態浮床與生態護岸、底泥疏浚與生態護岸方案。結果發現，兩者的主要差異為實施了生態浮床和底泥疏浚措施。針對各污染物底泥疏浚的降解速率明顯低于生態浮床，但底泥疏浚有更高的NH3-N、BOD5削減量，其原因為底泥疏浚初期明顯減少了污染物濃度，有效控制了內源污染，因此該措施具有更高的污染物削減量。相對于底泥疏浚和生態浮床，自然護坡+木樁與生態濕地具有更加顯著的污染物削減量，該措施較其它修復方案具有更快的污染物降解速率，所以具有最為明顯的水質改善效果。此外，在改善水環境的同時自然護坡+木樁與生態濕地方案能夠形成多層次綠化界面，通過打造水生態景觀更好的突出生態環境效應，為水文化及水美鄉村建設提供有利條件。因此，綜合考慮各方面條件確定最優方案為自然護坡+木樁與生態濕地方案。

4 結 論

1)采用水生態數學模型量化預測了不同生態修復方案改善英那河的水環境效果，為優選河道治理方案提供決策依據。

2)綜合考慮各方面因素確定最優方案為自然護坡+木樁與生態濕地方案，該方案具有最為顯著的水質改善效果，通過打造水生態景觀更好的突出生態環境效應。對于平原地區河道的整治，應優先考慮生態濕地修復措施。

3)河道治理實際工程中應考慮景觀效果、管護難易程度、投資成本等約束條件，利用水生態數學模型確定最佳的整治方案。