基于EFDC 模型的旁側(cè)濕地對(duì)河道水質(zhì)影響研究

何敏旋，徐坤，葉錦青，聶嘉榮

（廣州市水之道生態(tài)環(huán)境修復(fù)有限公司，廣東 廣州 510380）

引言

由于我國(guó)建設(shè)前期雨污不分流，污水、工業(yè)廢水直接排入河道，環(huán)境保護(hù)觀念滯后，并且以往的河道治理注重河道防洪排澇功能[1][2]，忽視了河流的生態(tài)功能，河道常采取截彎取直，變自然護(hù)岸為硬質(zhì)護(hù)岸，工程化明顯，致使河道的生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，自凈能力逐漸下降，水體污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，甚至發(fā)黑發(fā)臭，城市環(huán)境愈來(lái)愈差，因此開(kāi)始了一系列的河道生態(tài)治理。

河道生態(tài)治理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及面廣，污染因素多，水體水質(zhì)受水流、水動(dòng)力、污染源、溫度、氣候等條件影響，在制定治理方案時(shí)較難判斷合理性及有效性，而治理往往需要判斷措施實(shí)施后在多少時(shí)間內(nèi)能達(dá)到治理目標(biāo)，數(shù)學(xué)模型正是在這樣的環(huán)境下發(fā)展起來(lái)的，引發(fā)了大多數(shù)學(xué)者的關(guān)注，掀起研究的熱潮[3～5]。代表性模型有Dalft3D、WASP、MIKE 和EFDC[6][7]，均可通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)和考慮水文、氣象等影響因素，構(gòu)建合理有效的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)模型模擬，可以揭示河道在一定空間和時(shí)間范圍內(nèi)的某些演變過(guò)程及發(fā)展趨勢(shì)，以及通過(guò)一系列整治工程措施后的變化及影響程度，為研究河道生態(tài)治理措施提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)方案制定及工程監(jiān)測(cè)發(fā)揮重要作用[8]，在河道治理方案中提供有效的達(dá)標(biāo)論證。

本文以環(huán)境流體力學(xué)模型（EFDC）為基礎(chǔ)，對(duì)山東省東營(yíng)市某河道省控?cái)嗝娴暮佣谓⑺畡?dòng)力及水質(zhì)模型，模擬了河道在30d 內(nèi)水體通過(guò)旁側(cè)濕地循環(huán)凈化后水質(zhì)變化情況，論證濕地凈化措施是否能夠使水體水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到地表水V 類標(biāo)準(zhǔn)。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目河道是東營(yíng)市中心城區(qū)的骨干防洪河道。河道全長(zhǎng)48.8km，流域面積510km2，平均河寬100 m，常水位標(biāo)高約2.4m，水深1～3m，非雨期流量很小。河道現(xiàn)狀水質(zhì)較差，尤其是省控?cái)嗝婺抽l站附近河段水質(zhì)超標(biāo)，閘站長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)，水流不暢，水體靜止，有污水排入，導(dǎo)致閘前水質(zhì)較差，COD 和氨氮長(zhǎng)期出現(xiàn)劣五類，主要污染源為附近居民的生活污水、工業(yè)廢水等點(diǎn)源污染，以及農(nóng)田尾水、林場(chǎng)尾水、農(nóng)村生產(chǎn)生活垃圾、降雨徑流等面源污染。

為解決閘前附近河段水質(zhì)超標(biāo)問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用河道旁側(cè)濕地處理措施進(jìn)行水質(zhì)提升凈化，在河道邊建設(shè)生態(tài)濕地，將河道水通過(guò)泵抽進(jìn)入生態(tài)濕地進(jìn)行處理，處理后回流河道，使省控?cái)嗝嫠|(zhì)達(dá)標(biāo)。旁側(cè)濕地總設(shè)計(jì)規(guī)模為5 萬(wàn) m3/d，總水力負(fù)荷為0.245 m3/m2·d，濕地占地面積為20.4 萬(wàn)m2，總停留時(shí)間4 ～5d，處理后水質(zhì)能達(dá)到V 類水標(biāo)準(zhǔn)。旁側(cè)濕地處理工藝為來(lái)水→泵站→生態(tài)沉淀系統(tǒng)→階梯式潛流濕地→表流濕地凈化系統(tǒng)→出水（河道），平面布置如圖1 所示。現(xiàn)需通過(guò)模型模擬了解在旁側(cè)濕地處理措施實(shí)施后，河道水體水質(zhì)變化情況及多少時(shí)間內(nèi)能達(dá)到水質(zhì)要求。

圖1 平面布置圖

2 模型介紹

EFDC 是美國(guó)威廉瑪麗大學(xué)John Hamrick開(kāi)發(fā)的一個(gè)三維地表水模型，模型包括了水動(dòng)力、水溫、示蹤劑、泥沙輸移、水質(zhì)等模塊，可以對(duì)河流、湖泊、水庫(kù)、濕地、河口、近岸水域等進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)模擬[9]。同時(shí)，模型采用Mellor-Yamada2.5 階紊流閉合方程，可進(jìn)行干濕交替模擬。EFDC 已在我國(guó)得到較為廣泛的使用，多用于進(jìn)行河流或湖泊水庫(kù)的水動(dòng)力模擬。

EFDC 適用范圍廣，具有通用性好、數(shù)值計(jì)算能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)輸出應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，其水動(dòng)力模塊的模擬精度已達(dá)到非常高的水平[10]。模型包括三大部分，即輸入文件、主控文件和輸出文件。首先收集模型所需的信息，進(jìn)行模型配置和環(huán)境數(shù)據(jù)輸入，包括初始化數(shù)據(jù)（提供湖泊、河道等相對(duì)固定的邊界條件）、時(shí)間序列輸入數(shù)據(jù)（提供預(yù)測(cè)所需的已知時(shí)間變量序列）、模型參數(shù)數(shù)據(jù)（提供程序運(yùn)行的控制參數(shù)和計(jì)算所需的模型參數(shù)）等；然后主程序讀取輸入的文件后進(jìn)行計(jì)算，得到水動(dòng)力學(xué)及水質(zhì)模擬計(jì)算結(jié)果的輸出文件。模型配置和環(huán)境數(shù)據(jù)輸入可能需要配置如表1 所列（按字母順序排列）的輸入文件。

表1 輸入文件列表

3 模型概化

3.1 網(wǎng)格生成

本次的模型根據(jù)河道實(shí)際形狀，將河道按照直角坐標(biāo)系進(jìn)行空間網(wǎng)格劃分。模擬范圍為閘前500m 長(zhǎng)河段，河寬為100～180m，使用25m×25m 的矩形或三角形網(wǎng)格進(jìn)行平面劃分，共119 個(gè)網(wǎng)格。河道平均水深3m，水深較淺，因此在垂直方向上不分層。在模型中設(shè)置編號(hào)為1～10 的10 個(gè)采樣點(diǎn)輸出水動(dòng)力及水質(zhì)模擬結(jié)果，劃分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 研究區(qū)域空間概化

3.2 初始條件

為保證模型運(yùn)算的穩(wěn)定性和輸出結(jié)果的精確性，并考慮模型的計(jì)算效率，確定本次水動(dòng)力模擬的基本時(shí)間單元為1d，基本時(shí)間步長(zhǎng)為1min，水質(zhì)模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為水動(dòng)力模擬的2 倍。模型中各網(wǎng)格初始濃度為河道現(xiàn)狀水質(zhì)，COD 為60mg/L，氨氮為5mg/L。

3.3 邊界條件

圖2 中3 個(gè)編號(hào)為0 的點(diǎn)為模型的開(kāi)放邊界。河道水體長(zhǎng)期處于靜止?fàn)顟B(tài)，受河道現(xiàn)狀水質(zhì)影響較大，將其COD 和氨氮濃度值固定為60mg/L 和5mg/L，即與初始濃度值相同。濕地設(shè)置1 個(gè)進(jìn)水口和1 個(gè)出水口，設(shè)置流量均為5 萬(wàn)m3/d，通過(guò)濕地凈化系統(tǒng)正常運(yùn)行處理后保證濕地出水口水質(zhì)達(dá)標(biāo)，即COD 為40mg/L，氨氮為2mg/L。考慮到本模型研究對(duì)象為短時(shí)間內(nèi)通過(guò)旁側(cè)濕地處理對(duì)省控?cái)嗝骈l站附近水質(zhì)的影響，同時(shí)考慮到，雖然濕地系統(tǒng)進(jìn)水口水質(zhì)會(huì)趨向越來(lái)越好，但是由于濕地的特性為對(duì)污染物降解至一定程度后會(huì)越來(lái)越難降解，導(dǎo)致出水水質(zhì)變化幅度不會(huì)太大，因此將出水濃度假定為不變值，簡(jiǎn)化模型。進(jìn)出水口位置如圖3 所示。

圖3 進(jìn)出水位置

4 模型結(jié)果

本次研究模擬旁側(cè)濕地凈化系統(tǒng)開(kāi)始排放出水后30d 內(nèi)河道水質(zhì)變化情況。根據(jù)輸入的條件，模擬得到10 個(gè)采樣點(diǎn)COD 和氨氮濃度變化曲線，結(jié)果如圖4、圖5 所示。根據(jù)模型結(jié)果可知，各點(diǎn)的COD 和氨氮濃度在10d 內(nèi)都顯著下降，15d 后均趨于穩(wěn)定，且距離濕地出水口越近，COD、氨氮濃度下降越快。點(diǎn)10 在1d 后COD 和氨氮濃度即達(dá)到地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。除點(diǎn)3 外，其余各點(diǎn)在研究時(shí)間內(nèi)基本能穩(wěn)定在COD 為40mg/L、氨氮為2mg/L 左右，達(dá)到了預(yù)期的水質(zhì)目標(biāo)。而點(diǎn)3 由于距離開(kāi)放邊界0 點(diǎn)較近，且該處水動(dòng)力條件差，因此COD 和氨氮的濃度較高。模型結(jié)果表明，旁側(cè)濕地凈化措施的實(shí)施具有較好的水質(zhì)凈化效果，采用旁側(cè)濕地工藝可以使水體水質(zhì)指標(biāo)在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定達(dá)到地表水V 類標(biāo)準(zhǔn)，這為黑臭河道整治工作提供了切實(shí)可行的治理措施。

圖4 COD 濃度變化圖

圖5 氨氮濃度變化圖

在GIS 中根據(jù)10 個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)和3 個(gè)開(kāi)放邊界點(diǎn)濃度定值，對(duì)整個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行濃度插值，得到河道水質(zhì)30d 內(nèi)的COD 和氨氮模擬結(jié)果圖，其中，第0d、第5d、第30d 的模擬結(jié)果如圖6 和圖7 所示。通過(guò)模擬結(jié)果可以直觀看出，隨著處理天數(shù)的增多，COD 及氨氮濃度下降的區(qū)域逐漸增多，最后達(dá)到穩(wěn)定，表明在設(shè)計(jì)方案條件下，河道COD、氨氮濃度均可達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

圖6 COD 模擬結(jié)果圖

圖7 氨氮模擬結(jié)果圖

結(jié)論

在旁側(cè)濕地正常運(yùn)行的情況下，通過(guò)EFDC 模擬結(jié)果可知，研究段內(nèi)各點(diǎn)COD 和氨氮濃度在10d 內(nèi)均顯著下降，15d 后漸漸趨于穩(wěn)定，30d 后基本達(dá)到地表水V 類標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)旁側(cè)濕地循環(huán)處理河道水體能使省控?cái)嗝骈l前河段大部分水體在30d 內(nèi)快速達(dá)到地表水V 類，即COD ≤40mg/L，氨氮≤2mg/L，滿足河道斷面考核要求，靠近開(kāi)放邊界的部分水體由于受到開(kāi)放邊界固定濃度限值的影響而使COD、氨氮濃度值稍高。研究結(jié)果證明，通過(guò)旁側(cè)濕地處理河道水體，能夠在短時(shí)間內(nèi)提升長(zhǎng)期不流動(dòng)的河道水質(zhì)，具有處理效果好、處理效率快、處理能力強(qiáng)、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可為黑臭河道治理提供生態(tài)、高效、節(jié)能的處理方式。