基于QUAL2k模型的礫石生物濾床對河道水質凈化效果模擬研究

翟敏婷，張 云，張 弛，薛樹紅，李飄飄

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710000；2.陜西省水利電力勘測設計研究院，西安 710000）

0 引 言

我國經濟社會的快速發展，給河流水環境帶來了巨大壓力，威脅了生態環境的安全，制定科學有效的水環境治理方案和工程措施成為生態環境發展的迫切需求。目前國內外在河流水質提升領域已形成大量較為成熟的工程治理措施，包括生態濕地工程、復氧曝氣工程、生態循環系統構建工程等［1-4］。近年來，利用生物膜凈化水質處理技術不斷地發展并廣泛應用［5］。礫石生物濾床（以下簡稱“濾床”）技術屬于改進的生物膜工藝，通過鋪設多層礫石，大幅度提升微生物附著面積，增加生物膜量，實現水質凈化提升［6］。與傳統生物膜技術相比，礫石生物濾床天然材料成本低、易獲得，應用布置簡單，運行管理方便，在水環境治理領域得到良好的應用。國內外開展了諸多科學研究和工程實踐，其中日本江戶川構建生物濾床凈化廠治理河水，BOD、NH4+-N 去除率達75.2%、71.1%，凈化效果尤其顯著［7］。臺灣老街溪采用旁路礫石生物濾床處理污染河水，BOD去除率為20%～70%，SS 去除率為77%，采用曝氣后，BOD 去除率可上升到50%～80%［8］。葛俊等采用礫石生物濾床對白鶴溪水質進行凈化，HRT為2.5 h工況下，COD、NH4+-N、TN去除率均值分別為42.7%、83.6%、31.6%［9］。然而以往研究多注重于濾床運行后對水質的凈化效果分析，關于濾床規模參數確定以及不同規模、不同邊界條件下濾床對不同區域條件、不同污染程度河道的污染處理效果研究，并能夠指導工程規劃和應用實踐的研究尚待加強。本研究針對漢中某水系特性，通過室內小型礫石濾床水質凈化實驗模擬成果結合國內外廣泛使用的QUAL2k水質模型，模擬研究不同工況下濾床對河道水質凈化效果，以期為濾床參數確定提供科學依據，并為其他濾床水質凈化處理工程建設提供技術參考。

1 研究區域概況

興漢新區城市水系位于陜西省漢中市，是由興漢新區內原有七個小水庫整理聯通形成的新的水域，本次研究范圍為水系源頭至下游1 000 m。研究區所在的漢中市屬北亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均氣溫14.7 ℃。年平均降水量在800～1 000 mm 之間，其中6-9月降雨量占全年降雨量的80%左右，冬季11-2月占全年降雨量的5%～8%。降水空間分布不均，漢江北岸由南向北遞增，降水在900～1 000 mm，盆地中部約800 mm左右，漢江以南的米倉山地區由北向南遞減，最大可達1 600 mm以上。全年陰天較多，濕度較大，風速小。

2 模型構建及工況分析

2.1 QUAL2k模型簡介

QUAL2k 模型是美國環保局推出的綜合性、多用途的一維穩態水質模型［10］。模型采用有限差分法模擬計算一維平流-彌散的污染組分的遷移轉化規律，適用于充分混合的樹枝狀河流和寬深比不大的中小型河道的多種水質組分模擬。模型將河道劃分為一系列恒定非均勻流河段，同一河段具有相同的水力、水質特征及參數，進一步將河段劃分成相同長度的計算單元。點源以某一坐標點的形式按照實際排污口的位置添加到河道和對應單元中；非點源在影響區域內按距離平均分配至各單元進行模擬計算［11-15］。

2.2 水系模型構建

漢中水系模擬主要污染指標為NH4+-N、PO43--P、COD，QUAL2k 水質模型包含氮、磷模塊，可自定義設置COD 模塊，滿足組分模擬要求；干流模擬段全長1 km，河道寬5～10 m，河道水深約0.5 m，寬深比不大，河長遠大于河寬和河深，基本可認為各種污染組分在水體中沿橫向和垂向能夠混合均勻，主要是縱向反應，靠縱向遷移向下游輸送污染物和水量，符合模型的適用條件。

模型構建時將研究區彎曲的河段概化為順直河段，根據控制斷面位置分布情況把模擬河道劃分為2 個河段、4 個長度為250 m 的計算單元，下游500 m 處作為水質控制斷面，濾床作為旁路支流以點源的形式加入模型。下游到上游源頭的樁號范圍為K0+000～K1+000。見圖1。

圖1 河流概化與河道劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of river generalization and channel division

2.3 邊界條件與模型參數

2.3.1 邊界水質數據

研究區冬季和夏季的河道源頭水質差異較大，水質監測數據來源于現場采樣后實驗室測定結果，見表1。參考《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）基本項目標準限值，采用單因子指數法對研究指標進行水質評價，結果表明受污染河水在冬季污染物濃度高，夏季污染物濃度低，主要污染物為化學需氧量、氮和磷，濃度均超過地表水V 類水質標準。此外本次采樣水體中有機磷含量較少可忽略不計，后續在水質評價時用PO43--P 濃度代替TP濃度進行分析。

表1 冬季和夏季進水水質 mg/LTab.1 Influent water quality in winter and summer

2.3.2 邊界水量數據

根據歷史實測流量數據，結合后期河道運行狀況，將夏季河道源頭流量設定為1.1 m3/s，冬季流量設定為0.8 m3/s，全段無其他水源補給和引水工程。

2.3.3 氣象數據

模型氣象數據輸入包括氣溫、露點溫度、風速、云量覆蓋百分度表示以及河流遮陰率。氣象數據來源為漢中市氣象站1981-2010年月平均氣象監測數據，氣溫數據為日最高溫度和日最低溫度的平均值。露點溫度根據氣溫和相對濕度計算得到。由于漢中水系主要干流流經山地和平原地帶，河流遮陰率統一采用5%。氣象數據取值見表2。

表2 氣象數據取值表Tab.2 Value table of meteorological data

2.3.4 模型參數

模型參數主要包括河道的自然特征參數、水力參數、水質參數三類，參考本工程相關設計參數及其他相關工程參數取值范圍，結合現場調研，確定研究區自然特征參數河底藻類覆蓋度達到20%～30%，河底沉積物的覆蓋度可達到75%～90%，復氧參數選擇模型內置的復氧模型（O’Connor-Dobbins 公式），根據河流水深、溫度及風速等數據進行自動計算。水力參數取值河道縱坡為3%，曼寧系數n為0.05，河岸左右邊坡坡度均設置為1∶3。

水質參數包括模型中與氮磷和COD 反應相關的所有參數，根據夏季（2018年7月13日、7月14日、8月11日）和冬季（2018年12月7日）沿河自上游至下游4 個點位（編號1～4）現場采集水體水樣的實驗室水質分析結果數據對模型水質參數進行率定，利用10月25日實測數據對率定結果進行驗證，率定和驗證過程見圖2，模型模擬值和實際水質監測值相對誤差保持在30%以內，滿足精度要求。最終參數取值見表3。

表3 水質參數取值表Tab.3 Water quality parameter value table

圖2 率定與驗證結果Fig.2 Calibration and verification results

2.3.5 工況設計

綜合考慮河道周邊用地、河流水質情況、濾床反應條件等要求，設計以下幾種工況條件。

把濾床作為支流加入漢中水系模型，在距源頭100 m 附近處（樁號K0+900）引出一部分水至礫石濾床，引水水量為各工況設計流量，經濾床凈化后再在距源頭200～300 m 附近處（樁號K0+700～K0+800）引入原河道。以水力停留時間（HRT）為控制指標，夏季HRT 為6 h，冬季為12 h，因此不同規模的濾床對河道水體凈化效果主要取決于濾床處理水量的差異。

本次室內濾床凈化概化實驗在西安建筑科技大學實驗室進行，對各濾床反應器成功掛膜后，人工配制反應器進水，分別模擬冬季和夏季水質，試驗期間，每3 d 收集一次反應器出水水樣，反應穩定時收集沿程水樣，所有水樣都測定以下常規指標，包括TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P 以及COD，同時監測反應器中DO、T 和出水pH。其中pH 采用PHS-3C pH 計測定，T、DO 采用梅特勒S9 溶解氧測定儀測量，COD 采用重鉻酸鉀法測量，TN、NH4+-N、NO3--N、PO43--P 等采用XINMAO752N 分光光度計測量。冬夏實驗歷時均為105 d。本文以室內試驗數據作為支流輸入水質濃度數據，其中濾床進水口的濃度為取水口處原河道的模擬輸出濃度，出水口匯入河道處的濃度通過進水濃度和出-進水濃度比計算可得，出-進水濃度比等于出水口濃度/進水口濃度，見表5。

表5 濾床對污染物凈化實驗模擬結果Tab.5 Experimental simulation results of filter bed purification of pollutants

3 結果與分析

基于本文構建的漢中水系QUAL2k模型模擬不同工況下濾床對研究區水質的凈化效果，評估控制斷面水質狀況，與地表水Ⅲ、Ⅳ類水作比較。夏季、冬季不同尺寸礫石濾床對漢中水系水質凈化效果模擬結果見圖3、4。

表4 濾床參數設計表Tab.4 Table of design filter bed parameters

圖3 夏季不同尺寸礫石濾床對漢中水系水質凈化效果模擬結果Fig.3 Simulation results of water purification effect of different size gravel filter bed in Hanzhong river system in summer

由夏季模擬結果可知，對于方案S1，即不加任何措施的原天然河道，在原河道自凈及污染遷移轉化過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD 濃度分別為2.81、0.33、29.02 mg/L，去除率分別為7.8%、6.9%、5.6%，其中COD 可達到Ⅳ類水標準，NH4+-N 和PO43--P 均超標；對于方案S2，即在原天然河道旁路加100 m長度的礫石濾床，在原河道自凈、污染遷移轉化及礫石濾床凈化多重過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD濃度分別為2.08、0.23、20.53 mg/L，去除率分別為32.0%、34.0%、33.2%，其中COD 可達到Ⅳ類水標準，接近Ⅲ類水，NH4+-N 和PO43--P 仍超標；對于方案S3，即在原天然河道旁路加200m 長度的礫石濾床，在原河道自凈、污染遷移轉化及礫石濾床凈化多重過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD濃度分別為1.48、0.16、14.11 mg/L，去除率分別為51.5%、54.3%、54.1%，其中COD 和PO43--P 達到Ⅲ類水標準，NH4+-N 達到Ⅳ類水標準。經綜合比選，200 m 的濾床已經可滿足PO43--P、COD 達到Ⅲ類水的水質目標，對于超標少量的NH4+-N 污染物，為避免濾池尺寸不必要的浪費，建議采用其他措施進行單指標處理。

圖4 冬季不同尺寸礫石濾床對漢中水系水質凈化效果模擬結果Fig.4 Simulation results of water purification effect of different size gravel filter bed in Hanzhong river system in winter

由冬季模擬結果可知，對于方案W1，即不加任何措施的原天然河道，在原河道自凈及污染遷移轉化過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD 濃度分別為8.03、0.707、37.89 mg/L，去除率分別為1.4%、3.1%、6.1%，均超過Ⅳ類水標準，NH4+-N 和PO43--P甚至為劣Ⅴ類水；對于方案W2，即在原天然河道兩岸各加150 m 共計300 m 長度的礫石濾床，在原河道自凈、污染遷移轉化及礫石濾床凈化多重過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD 濃度分別為4.46、0.44、21.93 mg/L，去除率分別為45.2%、39.7%、46.0%，其中COD 可達到IV 類水標準，接近Ⅲ類水，NH4+-N和PO43--P仍超標；對于方案W3，即在原天然河道旁路左右兩岸各加200 m 共計400 m 長度的礫石濾床，在原河道自凈、污染遷移轉化及礫石濾床凈化多重過程作用下，控制斷面處NH4+-N、PO43--P、COD 濃度分別為2.56、0.315、19.86 mg/L，其中COD 達到Ⅲ類水標準，NH4+-N 仍超過IV 類水標準，PO43--P 接近Ⅳ類水。經綜合比選，方案W2 可滿足COD 達到Ⅳ類水的水質目標，方案W3 可滿足COD 達到Ⅲ類水、PO43--P 接近Ⅳ類水的水質目標，W3 對NH4+-N、PO43--P、COD 的去除率分別為68.6%、57.5%、51.1%。多種尺寸的濾床作用下NH4+-N 仍始終超標，主要原因為各支溝流經區域主要為農業種植區，水體主要污染為農業面源污染，且漢中地區種植灌溉主要在冬春季節。長期水質監測結果表明該面源污染受季節影響特別是冬季灌溉較大，有機物（COD、BOD5）、氮（TN 和NH4+-N）、磷（TP 和PO43--P）濃度均在冬季最高。此外設計運行工況下冬季河道流量較小，河道自身稀釋凈化作用相對較弱，僅靠濾床的外部作用無法起到大量削減污染的目的，建議搭配其他措施組合提升水質。

4 結 論

多種工況下模型模擬結果表明：夏季濾床HRT=6 h 水力條件下，100 m 的濾床可將控制斷面COD 提升至Ⅳ類水標準，200 m 的濾床可將控制斷面PO43--P、COD 提升至Ⅲ類水標準，將NH4+-N 提升至Ⅳ類水標準，200 m 的濾床對NH4+-N、PO43--P、COD 的去除率分別為51.5%、54.3%、54.1%；冬季濾床HRT=12 h水力條件下，300 m 的濾床可滿足COD 達到Ⅳ類水，400 m 的濾床可滿足COD 達到Ⅲ類水、PO43--P 接近Ⅳ類水的水質目標，400 m 的濾床對NH4+-N、PO43--P、COD 的去除率分別為68.6%、57.5%、51.1%。

根據模型模擬結果，濾床尺寸越大，對污染去除率越高，但在工程應用和方案制定過程中，需綜合考慮用地限制、經濟成本、凈化效果等多因素，因此針對水體污染較嚴重、河道本身流量較小、稀釋凈化作用弱或僅個別指標未達標等問題，建議采用模擬優化后的相應規模的濾床搭配組合其他措施進行單指標處理。