基于水動力學下河流水質狀態檢測與補水方案模擬研究

孫 聰，葉方紅

(浙江省麗水市水文管理中心，浙江 麗水 323000)

近年來河流水質污染現象愈發嚴重，一方面威脅著水產生物的安全性，另一方面對水利工程安全有效運營均是較大考驗，為此，設計開展水質改善迫在眉睫[1-3]。華晨等[4]、張彥等[5]、趙震等[6]利用河流內長期設置的監測傳感器分析水質變化特征，為準確設計開展水質改善提供重要參考。但不可忽視，傳感器的長期監測數據成本較高，不易于快速高效開展水質改善，因而一些專家與學者通過建立水質模型，預測水質變化規律，分析水質自凈能力與補水方案相匹配的特性，極大豐富了河流水質改善與管理的研究成果[7-9]。水動力學作為研究水質動態變化的重要理論，結合WASP、ECOLab等模擬計算程序，可獲得研究對象水質動力學變化特征，為對比、優化補水方案提供重要依據[10-12]。本文利用水動力學模擬程序，在分析河流水質現狀基礎上，模擬對比不同補水方案下水質改善效果，為確定最佳補水方案提供重要參考。

1 工程概況

浙北地區水資源豐富，年降雨量較大，境內目前有一河流，其乃是錢塘江一支流，由于該河流流經地區包括城市中心等人流量較大區域，因而在該河流沿線建設有防洪堤壩，全長1 286 m，水域面積超過3萬 m2，在局部區段內建設有蓄水庫，庫容可達18.5萬 m3，極大保障了地區用水安全性。在該河流流域段內修建有多條排污管道，其中共有29處排污口，包括雨水管道7處，排污管道5處，其他均為其他用途管道，各個管道通行流量均較穩定，并不超過0.3 m3/s，管道內監測表明最大斷面流量為0.28 m3/s，乃是流域內一重要箱涵設施。另城市中心流域段內存在有部分工作年限較長的排水設施，排水能力受到管徑以及堵塞等影響，管道分流存在較大問題，目前有近一半排水管內存在有污水漏泄等現象，此亦乃是流域內河流水質污染的主要來源。

分析河流水質狀態不僅要從水源污染源頭分析，亦要從河流供水方面來分析，經調查分析得知，該河流年徑流量為1 892.5萬 m3，設置有多條引水渠道方便水資源調度，其中年均可引水量達1 650萬 m3。河流上游所建設水庫年入庫總流量達2 870萬 m3，設置有多條輸水灌渠，極大提升了區域內生活用水保障度，最大日可供水量超過2.5萬 m3。流域內建設有1各污水處理廠，其供水管道位于河道防洪堤壩下游區域，供水口共有兩個，設計最大供水量分別為0.5萬 m3、1.3萬 m3。根據監測表明，供水方面水源水質中COD含量平均值為20 g/L，氨氮含量為0.2 mg/L，其中氨氮含量受季節變化影響，波動幅度較大，其中監測所獲得氨氮含量最大為1.2 mg/L，由此表明河流水質的補水方案可以此為水源，其中受污染嚴重河段總需水量分為三個方面，蒸發滲漏量日需補水量為1.7萬 m3，防洪溢流需補水量為2.6萬 m3。現為改善河段內水質狀態，設計開展河流補水，水利部門考慮首先開展河流水質現狀分析，為設計開展補水方案提供參考。所采用的檢測設備如圖1所示，分別為水質分析儀、電波流速儀、瑞斯純水儀。

(a)水質分析儀 (b)電波流速儀 (c)瑞斯純水儀

2 河流水質狀態檢測分析

2.1 pH值時空特征

為確保檢測結果準確性與科學性，按照空間分布特征分別在研究河段中按照間隔150m設置取樣點，分別為A、B、C、D、E五個點，結合采用水質檢測儀器獲得研究區段內河流水質pH值隨時間變化特征，如圖2所示。從圖中可看出，在各個取樣點中pH值超過9的時間均有，其中以上游A點中pH值在春季2-3月最高，最高值達10.1，遠超過安全用水標準，且在春季3個月之內河流水質中pH值均處于較高，水質呈堿性污染狀態。從時間變化特征，夏季pH值較低，A取樣點在夏季3個月中的pH最高值相比春季最高值降低了7.4%，分析認為河流中春、秋季pH值變化與地表徑流有關，當地表徑流愈豐富，與可帶動地表較多偏堿性污染物水質進入河流中，浙北地區春季降雨量豐富，導致了水質中堿性污染物的遷移。

圖2 pH值時空特征

從pH值空間變化特征可知，上游水質pH值顯著高于下游河段內，B取樣點在10月份時的pH值為9.3，而D、E取樣點在同一時間中的pH值相比前者分別降低了5.2%、7%，由此表明區段內堿性水質污染物主要來源于上游河段。

2.2 COD含量

圖3為水質監測及分析中所獲得的COD含量變化特征。從圖中可知，全年COD含量變化范圍為56.7～100.7 mg/L，其中以10月份、5月份COD含量為最高，五個取樣點在10月份的COD含量分別為100.7 mg/L、74.9 mg/L、85.4 mg/L、71.2 mg/L、69.5 mg/L，COD含量較低的月份為3月、9月，COD含量最低值為E取樣點3月份，僅為59 mg/L。從COD含量在全年各月中平均值可知，COD含量在各月中波動幅度較大，以A取樣點為例分析，其COD含量最高值為100.7 mg/L，而3月份最低的COD含量值僅為前者的67.8%，從污染物遷移來看，河段內水質蒸發量較大，進一步影響了河段內水質污染物含量的變化。在各個取樣點中，中游河段內COD含量處于長期較穩定狀態，波動幅度相比上游、下游COD含量較小，其中D取樣點COD含量最高、最低值相差幅度為9.3%，而在下游段E取樣點其相差幅度可達34.7%，表明河段內氧含量變化在上、下游更受顯著影響。

圖3 COD含量變化特征

2.3 氨氮含量

根據水質分析獲得各個取樣點在全年中氨氮含量變化特征，如圖4所示。從圖中整體可看出，各取樣點氨氮含量變化范圍均未超過3 mg/L，即水質氨氮含量滿足地表水用水安全性標準[13，14]。從各點氨氮含量變化趨勢可知，從年初1月份氨氮含量最高值開始，逐步降低，直至在年末11、12月份氨氮含量有所上升，B取樣點在1月份的氨氮含量為2.8 mg/L，在6月份時氨氮含量相比前者降低了40.1%，而到了7月份達到了全年最低值，相比年初降低幅度達42.5%，后在10-12月出現氨氮含量上升，但年末12月份氨氮含量值相比年初1月份仍有20.4%幅度差異。從氨氮含量變化空間特征可看出，年初以上游河段A、B點氨氮含量為最高，持續至7月份，均為上游河段氨氮含量高于下游河段，但到了下半年后氨氮含量以下游河段為最高，且上游河段取樣點全年氨氮含量變化幅度相比下游河段要小，E取樣點全年氨氮含量變化幅度最大為123.3%，分析認為上游河段內氨氮含量變化波動較小，與其上游蓄水庫來水變化有關。

圖4 氨氮含量變化特征

2.4 TP含量

TP含量亦是表征水質狀態的一個重要參數，因此在水質分析過程中獲得河段內TP含量時空變化特征曲線，如圖5所示。從圖中可知，安全水質TP含量最大不可超過0.2 mg/L，而在各取樣點中最大TP含量相比安全水質含量增大了4.7倍，達1.15 mg/L。從全年TP含量變化可知，各取樣點TP含量變化趨勢呈“W”型，即以1月份、6月份、12月份為全年中TP含量最高時間，B取樣點在1月份的TP含量為1.1 mg/L，而在4月份時TP含量相比前者降低了25.6%，另在9月份時的TP含量相比1月份又降低了22.8%。從各取樣點TP含量差異性來看，各個取樣點在同一時間節點處的波動變化較小，以11月份為例，A取樣點TP含量為0.95 mg/L，其他四個取樣點相比前者分別僅有1.9%、0.6%、2.4%、4.1%幅度差異，而在其他時間階段均是如此，各取樣點在同一時間中TP含量最大波動幅度不超過20%。

圖5 TP含量變化特征

3 河流補水方案模擬

為提升區域內河流水質狀態，水利部門考慮對污染段河流開展補水，并設計有3種補水方案，每個方案均是在河段上游A點、C點、E點分別設置輸水點，各方案差異性主要為各個輸水點的補水量有所差異，其中1#方案三個點的補水量分別為2.5萬 m3/d、0.5萬 m3/d、0.3萬 m3/d，總補水量為3.3萬 m3/d，2#方案三個點的補水量分別為2.5萬 m3/d、0.3萬 m3/d、1.6萬 m3/d，總補水量為4.4萬 m3/d，3#方案三個點的補水量分別為2.5萬 m3/d、0.7萬 m3/d、2萬 m3/d，總補水量為5.2萬 m3/d，各方案具體補水方案如表1所示[15，16]。

表1 各方案具體補水量

采用水動力學模擬計算，獲得三個補水方案下水質中污染物含量變化特征，本文以COD含量、氨氮含量、TP含量作為補水方案優異性衡量參數，如圖6所示。從圖中可看出，經對污染嚴重河段進行補水后，三個方案中污染物含量水平整體均有較大幅度降低，其中1#方案中COD含量最大值為72.8 mg/L，相比河段初始狀態下COD含量最大值降低了27.7%，而相同補水效果在氨氮含量、TP含量變化曲線中亦是如此，1#補水方案中兩者化學污染物含量最大值相比初始狀態下最大值分別降低了39.2%、67.2%，由此表明本工程所采用的補水方案均是有效。對比三個補水方案可知，1#方案中COD含量最大值相比3#方案中要高于15.5%幅度，而相同條件下3#方案TP含量最大值相比1#、2#方案分別降低了10.6%、3.1%，氨氮含量在三個補水方案中差異幅度是最小，但總體上仍以3#方案氨氮含量水平為最低，該方案中氨氮含量最低值僅為0.11 mg/L，相比1#、2#方案最低值分別降低了31.1%、41.3%，分析表明，3#補水方案在補水效果中均是最優，對河段內水質改善乃是最佳方案，水利部門應著重考慮3#方案在實際工程中應用。

圖6 各補水方案污染物含量變化特征

4 結語

本文結論如下：

(1)河段水質現狀中PH值春、秋季較高，呈堿性污染，上游水質PH值顯著高于下游河段內，D、E取樣點在同一時間中的pH值相比C取樣點分別降低了5.2%、7%；河段內COD含量變化在上、下游更受顯著影響，中游較為穩定。

(2)各取樣點氨氮含量變化范圍均未超過3 mg/L，下游河段內氨氮含量變化波動較大；各取樣點TP含量變化趨勢呈“W”型，且各取樣點在同一時間節點的TP含量波動變化較小，11月份B、C、D、E四個取樣點相比A點分別僅有1.9%、0.6%、2.4%、4.1%差異。

(3)三個補水設計方案下污染物含量水平整體均有較大幅度降低，1#方案中COD含量最大值相比河段初始狀態下COD含量最大值降低了27.7%；3#補水方案總補水量5.2萬m3/d在模擬結果中水質改善最優，相同條件下3#方案氨氮含量最低值相比1#、2#方案分別降低了31.1%、41.3%。