河道式滞留塘在河道治理中的应用

2012-06-13徐俊霞

中国水利 2012年20期

姜岷，徐辉，徐俊霞

（山东省淄博市水利勘测设计院，255020，淄博）

从20世纪80年代初改革开放以来，由于人口增加和工农业快速发展，我国河流吸纳了大量的生活污水和工农业废水。此外由于过度和不合理的土地与水资源开发利用，河岸带生态系统遭到了严重破坏。由于这些共同作用，导致我国河流水质逐年下降，某些河流尤其是东部经济发达地区和流经城镇的中小型河流，河流水质污染和生态破坏尤为严重，河流作为饮用水水源的功能完全丧失，其他如渔业养殖、农业灌溉、娱乐景观等功能丧失或者无法正常发挥。另一方面，由于我国经济持续快速发展，城镇化进程不断加快，人民生活水平和质量不断提高，对水资源的数量和质量都提出了越来越高的要求。河流是重要的水源，因此治理我国河流污染迫在眉睫。

一、北方河道水环境特点

与南方地区相比，我国北方地区,特别是华北和东北的人口稠密地区的中小型河流污染更为严重。北方地区的大气降水较少，华北、东北地区年降水量通常在600～800 mm，少于长江以南地区。并且我国属亚热带季风性气候，降水有明显的季节性，总体而言是冬春季少，约占1/3，夏秋季多，约占2/3。在山东、河北、辽宁仅7、8两月的降水量就占全年总降水量的约50%。夏秋季的丰富降水使得中小型河流的流量较大，有时甚至引发洪水。而在冬春季，由于降水较少，通常难以形成地表径流，河流的流量很小。此外由于水库、水闸等水利工程的蓄水拦水作用，某些中小型河流甚至断流或者长期干涸。河流，尤其是中小型河流的流量与其水质有着直接关系。河流水质恶化的主要原因是工农业废水和生活污水的直接排放。在夏秋季由于降水形成的流量较大，河水中废水和污水的比重较小，此时河水的水质相对较好；到了冬春季，河水的自然流量所占比例小，有时某些河道甚至完全成为了排污沟。北方河流的另一个重要特点是河流通常有宽阔的河滩，这也是由北方河流流量的季节性差异造成的。夏季洪水期，河水漫过整个河滩，形成宽阔的河面；冬季枯水期，河水只在狭窄的主河槽中流动。

二、滞留塘技术发展与应用

人工滞留塘最早出现于20世纪60年代的美国、加拿大、英国等国家，其主要目的是控制城市暴雨径流，通过将暴雨期间的一部分地表径流积蓄在滞留塘中，可以减小集中降水对城市防洪设施的压力。

从20世纪80年代开始，滞留塘在地表径流污染控制中的作用逐渐受到重视。目前滞留塘的首要应用目的是调节暴雨径流流量和控制暴雨径流污染，例如可以用于由暴雨引起的农业废水的处理,公路污染径流的处理、城市暴雨径流污染的治理和城市河流污染的治理等。构建滞留塘控制地表径流污染的最大优点在于可以利用闲置的空地发挥水质净化作用，而且管理维护简单。

西方国家较少构建河道滞留塘，较多采用闲置的空地构建非河道滞留塘，以调节暴雨径流流量，同时发挥水质净化作用，侧重从源头污染控制的角度保护河流水质，而非直接净化已污染河水。

我国是发展中国家，在进行河流污染治理时必须考虑具体技术的经济可承受性。滞留塘技术作为一种简单易行的生物（生态）技术，不但可以长期发挥作用，而且所需的管理维护远较其他技术为少，因此在我国污染河流的治理中具有较好的应用前景。将滞留塘技术应用于污染河流水质净化时，应结合河流的水环境特点与河流的物理结构，合理应用，以使滞留塘物尽其用。

三、滞留塘参数设计选择

我国许多中小河流，特别是北方河流，具有宽阔的河滩地，但又缺乏有价值的利用方式，因此可以充分利用这些滩地构建河道滞留塘直接净化污染河水。

颗粒物沉降是滞留塘去除污染物的主要途径，颗粒物在滞留塘的沉降过程中产生絮凝作用，形成粒径更大、有效密度更小的颗粒物絮体，粒径增大可提高颗粒物的沉降速率，而密度的减小则会使颗粒物沉降速率降低，但通常情况下，颗粒物粒径的增加对沉降速率更具有决定作用。

以淄博市孝妇河部分水质数据为例，该河流从上游赵庄起河水水质就常年为劣Ⅴ类水质。暴雨径流与污染河水在污染物构成上也存在较大差异，暴雨径流的悬浮颗粒物（SS）浓度通常很高，浊度可以达到甚至超过1000 Ntu，而有机污染则相对较轻。而河流的浊度通常不超过100 Ntu，但有机污染和NH3-N污染相对较重。

HRT（水力停留时间）是滞留塘设计的一个重要参数，HRT越长沉降时间越多，且在滞留塘容积固定前提下，河水平均流速更为缓慢，紊流程度更小，有利于SS的沉降。HRT过短不利于SS的充分有效沉降，而过长的HRT除了本身实施上的难度外，可能对提高SS的去除也不会有太大的促进作用，对于特定SS浓度的河水应该有一个较适宜的HRT范围。

需要指出的是，与一般的稳定塘不同，受河水流量和河道容积的限制，河水在河道滞留塘中的HRT较短，以孝妇河此类中小型河流为例，若滞留塘容积为6万m3，则年平均HRT为 2.6 h，8 月的平均 HRT 为 2.4 h，12月平均HRT为5.9 h，4月最长，但平均HRT也仅为37 h，远少于稳定塘3天以上的HRT。

表1是不同HRT条件下滞留塘对孝妇河SS平均去除率的统计。由表可见，去除率呈现出随HRT延长而提高的趋势。将HRT从1.5 h提高到3 h后，SS提高并不明显，只有进一步提高至5 h或7 h后，才有较显著的提高，但通常也不超过50%。

针对孝妇河特定的水质，从维持较高的滞留塘单位面积SS平均去除速率的角度，在1.5～7 h范围内，适宜选择较小的HRT。

滞留塘动态净化河水过程中，除了受到HRT、SS浓度、SS沉降性能等因素影响外，滞留塘水流流态也可能对SS沉降产生较为显著的影响。滞留塘水流流态主要决定于滞留塘形状和河水流量，滞留塘形状在一定程度上可以人为决定。此外，SS不断在滞留塘中沉积，不但使滞留塘的容积减小，使相同进水流量下河水的HRT变小，而且还会在一定程度上改变滞留塘的形态，所以如果沉积物过多，有必要进行清理维护。

由于SS在滞留塘中的沉积速率以进口处最大，因此在滞留塘设计时，应使滞留塘进口处有较大的水面宽度和水深，这样不但可以促进SS的沉降，而且可以使滞留塘有较长的连续运行时间而不必频繁清淤。

净化污染河水的河道滞留塘是一个连续动态运行的水质净化系统，沉积物有可能较快地积累。同时由于滞留塘位于河道上，沉积的污染物在洪水期有被冲到下游造成污染的风险。为了减少这种风险，并使滞留塘长期发挥改善水质的作用，需要了解滞留塘中颗粒物的沉积规律，并对滞留塘形状作合理的设计，同时进行一定的管理和维护，及时将有可能再次进入河水的污染物转移出滞留塘，或者清理死亡腐烂的水生植物，以保持滞留塘系统物质能量的输入输出平衡。