河道水質模擬分析及水質保護措施

戴光鑫，朱愛華，朱 剛

（1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心 ,山東 濟南 250100；2. 夏津縣水豐水利工程有限公司,山東 夏津 250102）

1 河道現狀

某河道長23.4 km,河道現狀水質較差,匯入干流河道直接導致干流河水污染。根據現場調查走訪,河道污染源主要來自上游的大專、中學和軸承廠,目前建設占地約22.3萬m2,每天產生的污水約1800 m3。在枯水季節,現狀上游河段徑流量非常小,加上近年來降雨減少,為保證水庫蓄水量,上游水庫實際運行中無法滿足下泄水量要求,另一方面河道河口下游約1800 m處建有一中型閘作為擋水建筑物,以抬高水位滿足灌溉的需求,因此,上游點源污染、河段生態蓄水量不足,水自身水動力較差等問題導致該段河道水質較差。為了了解河道污水排入主干流河段的水質變化情況,需對河口~大閘段河道進行水質模擬分析,根據分析結果提出水質保護措施。

2 水質模擬分析

2.1 二維水質模型

2.1.1基本方程

河道水質模擬采用MIKE21軟件中二維水動力模型,本模型利用溶質運移方程計算在水體流動、擴散等條件下的水質變化情況,基本方程如下：

（1）連續方程：

（2）動量方程：

（3）溶質運移方程：

式中：u、v分別為ζ、η方向流速分量,m/s；h為水位,m；H為水深,m；g為重力加速度；f為柯氏力系數；C為河道中某一位置水體平均濃度。

2.1.2基本方程的數值離散方法

基本方程組采用ADI法離散,其主要技術路線參照劉宏坤《交匯河段橋梁建設對水流影響的數值模擬分析》2.2章節中ADI法進行模型數值離散方法中采用技術路線［1］,計算方法在很多文章文獻中均有所應用,不在贅述。

2.1.3定解條件（1）初始條件：u=0,v=0,ζ=0。

（3）動邊界處理

動邊界問題是指計算區域中有水和無水區域交界線的確定問題［2］,本模型采用“凍結法”處理,通過定義臨界水深Δh來確定干、濕點或干、濕單元,當水深h＞Δh時,糙率取正常值,反之糙率取一大值［3］,對計算區域內灘地干濕過程,采用水位判別法處理,即當某點水深小于一淺水深εdry（如0.1 m） 時,令該處流速為零,灘地干出,當該處水深大于εflood（如0.2 m）時,參與計算,潮水上灘。

2.1.4模型設置

（1）建立模型

本次模擬河段為河道河口上游100 m至大閘處,全長約2000 m,模擬河段位置圖見圖 3,該段河道來水比較單一,沿河段無集水水流特別是污水匯入,根據本項目地形測量數據,利用模型網格生成器制作二維模型有限元網格,見圖4。該有限元網格為三角形不均勻網格,共有點1245 個,有限元2083 個。

圖4 二維模型有限元網格

（2）研究工況

由于降雨時河道徑流量較大,對水質改善影響明顯,因此本次水質模型計算僅考慮枯水工況,根據該河道受上游一水庫影響的特點,分成上游徑流量極小和普通兩個工況：①上游徑流量為860 m3/d（僅有大壩滲流水）；②上游徑流量為42300 m3/d（約 0.5 m3/s）,即為上游水庫對下泄最小生態需水量的要求。工況② 在工況①模擬結果基礎上運行,兩種工況其余邊界條件一致。

（3）邊界條件

1）上邊界流量：工況①,上邊界流量為常數 0.01 m3/s≈860 m3/d；工況②,上邊界流量為常數0.50 m3/s≈42300 m3/d。

2）水質條件

上邊界濃度：假設該河段上游來水水質達到地表水V類標準,主要指標見表 1。

表1 上游來水水質指標表

入河污水污染： 根據估算入河生活污水量為1800 m3/d,按平均流量輸入為0.021 m3/s,輸入的入河污水水質見表 2。

表2 典型生活污水水質指標表

（4）初始條件

工況①,初始水位設為1783 m,初始濃度COD為40 mg/L,NH3-N為5 mg/L；

工況②,初始水位基于工況①計算結果,初始濃度為亦基于工況①計算結果。

（5）模型參數

計算時長：時間步長10 min,模擬總時長為6 天。糙率：根據上段已治理河道治理資料,該段綜合糙率可取0.031。

（6）水質評價指標

綜合城鎮污水處理廠水污染物排放指標一級A及再生利用景觀用水指標,設定本次水質模擬分析控制指標值見表3。

表3 易受污染河段水質主要控制指標

2.2 結果分析

模型計算完成后,選取該河段4個典型斷面位置對COD和 NH3-N指標進行分析, 水質分析斷面見圖 5。

圖5 水質分析斷面

工況①水質情況分析見圖6。

圖6 工況①水質情況

根據圖 6 分析可知,該河段在初始水質良好的情況下,由于河道污水的匯入,斷面#1 處水體在36 小時內COD和NH3-N指標迅速升高,并在約60 小時達到最大值,COD濃度約為143 mg/L,NH3-N濃度約為19 mg/L,并在幾小時后趨于穩定；斷面#2 處水體在約96 小時后污染物指標達到最大值；斷面#3 和#4 處水體由于距離河道河口較遠,因此在本次6天的模擬過程中水質影響較小,但隨著時間的增加,兩處的水體也將被污染。

（2）工況②水質情況分析

（a）工況②COD濃度變化曲線

根據圖 7 分析可知,工況②在河水上段已經被污染的情況下,上游輸入0.50 m3/s 的清潔水體,因此,斷面#1和#2處水體在12 小時內COD和NH3-N指標迅速降低,并最終趨于穩定且小于控制指標；斷面#3和#4處水體受上游來水量增加的影響,上游污染物通過兩處斷面,因此在數小時內濃度經歷了增加又減小的過程,但大部分時間水質良好。

圖7 工況②水質情況

綜合以上分析,該河道河口至大閘河段由于受污水排入及水閘攔水的影響,在枯水天數較長時水質會嚴重超標,水體黑臭。

3 水質改善措施

由于上游來水量不能保證,為保證河道水質,近期新建約 4500 m2的人工濕地對河道污水進行處理后下放河道,處理規模為1800 m3/d,遠期考慮將片區污水納入市政污水管網。

3.1 水質改善措施比選

根據 2.2 水質模擬分析,河道水質污染近期需新建污水處理系統對河道污水進行處理后下放到干流河道,考慮到支流污染來源的復雜性和潛在危害風險性較大的特點, 建議建設分散式污水處理設施或人工濕地進行處理,兩者的優缺點見表 4。

表4 污水處理廠和人工濕地優缺點比較

綜合考慮區域地理位置、污水量,以及管理維護方面的需要,建議采用人工濕地技術進行處理。

3.2 濕地選址

根據現場條件,河道匯入口上游180 m右岸有一塊農田,現狀地面高程為1786 m左右,適合布置人工濕地,濕地面積4500 m2,河道該處河底高程 1783.3 m,故需在河道上新建攔水堰,并新建提水泵站,攔水采用埋石混凝土結構,堰高1 m,頂高程1784 m；提水泵站布置在河道右岸,設潛水泵兩臺,泵站主要參數為Q=100 m3/h,H=6 m,N=4 kW。

3.3 濕地工藝設計

（1）濕地工藝選擇

根據前述選定的處理方案可知,生態濕地為整個工程的核心部分,根據本工程場地條件、水質條件及水質目標,本工程濕地工藝采用以人工建造為主、可控制的和工程化的水平潛流生態濕地,建設濕地總面積4500 m2。

（2）進出水設計

根據《人工濕地污水處理技術規范》（HJ 2005-2010）,水平潛流濕地系統污染物去除效率可參照表6 取值,本工程從保護河流水質出發,水平潛流濕地系統污染物去除率均取低值,則本工程水平潛流濕地進出水設計指標見表5。

表5 水平潛流濕地系統污染物去除效率

3.4 濕地平面布置

由前述設計可知,水平潛流生態濕地所需面積為 4500 m2,則本工程水平潛流濕地所需單元數為 6 個。水平潛流濕地位于河道河口右岸位置,長度為 95 m,寬度約為 48 m,按照單元長 45.9 m、寬15.6 m 計,本水平潛流濕地可分為3 座并聯運行,每座分為2 個單元共2 個梯級串聯運行,每單元設置一處跌水。

濕地縱向設計：根據《人工濕地污水處理技術規范》（HJ 2005-2010）,由于本工程地面坡降較小,為減少挖方,本水平潛流濕地床底坡S取 0.5%,結合地勢高程,水平潛流濕地分為兩個梯級,分別為一級水平潛流區,二級水平潛流區［4］,兩級之間跌水0.64 m。從上游往下游,一級水平潛流區底高程為1785.00 m~1784.97 m,二級水平潛流區底高程為1784.33 m~1784.30 m,出水直接排入該河道。

濕地植物的選配：濕地植物選擇耐污能力強景觀效果好的水生植物。濕地植物可以選擇鳶尾和美人蕉,它們具有白色、紅色、黃色花朵；也可以選擇香蒲、風車草、紙莎草和蘆葦。上述植物在濕地塘栽種時,由邊緣到中心,植株逐漸增高［5］,依次種植鳶尾、風車草、美人蕉、香蒲和蘆葦,形成高低錯落的植物帶,并通過不同植物的搭配,使其四季都能呈現郁郁蔥蔥的景象。

4 結論及建議

通過建立水質模型,對河道河口～六屯大閘段水質進行2 種工況下不同時段的水質模擬分析,了解了水質變化情況和變化規律,并提出河道污水近期處理方案為人工濕地建設,并進行人工濕地選址、平面布置以及工藝設計等,可有效地解決該河道的水質污染問題,提高水質質量,建議在遠期河道污水在上游納入市政污水管網后,待河道水質將得到改善,可拆除人工濕地。