生态护坡河道的流态特征分析及水质模拟

蒋 彬，吴义锋,黄富民，朱建国，仲兆平

(1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074； 2.东南大学 能源与环境学院，江苏 南京 210096；3.江苏省城市规划设计研究院，江苏 南京 210036)

生态护坡河道的流态特征分析及水质模拟

蒋 彬1,2,3，吴义锋2,黄富民3，朱建国3，仲兆平2

(1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074； 2.东南大学 能源与环境学院，江苏 南京 210096；3.江苏省城市规划设计研究院，江苏 南京 210036)

采用“三面光”河道和生态混凝土护坡河道进行了对照试验。结果表明：生态混凝土护坡河道的坡面粗糙系数更大。在采用生态混凝土进行河流生态修复工程设计时，宜采用0.088以上的粗糙系数进行设计。生态护坡河道的生物生态型水质综合模型可对污染物特征因子NH3-N和TP进行较好地模拟。采用不同的模拟参数，可对不同污染物的去除效果进行有效识别。

环境工程；生态混凝土；护坡；水质模拟

生态混凝土是改善河、湖硬质化护坡的新型材料。本试验通过相关试验研究，证明了生态混凝土护坡河道的水质改善效果及生态效应。但生态混凝土护坡面较为粗糙，降低了河道的过水能力。因此，有必要研究生态混凝土护坡河道壁面的粗糙系数和水流流态特征，为生态混凝土的推广和应用提供技术资料。

国外对天然河道水流水动力特性的模型研究较多[1-2]，而国内的研究主要侧重于河流生态修复效果的评价[3]，或者由于所得出的水质模型均基于尺度较小的小试研究数据，其适用性较差[4-5]。对涉及生态混凝土护坡河道的水质模型研究，更是鲜见报道。欲探讨生态混凝土护坡河道中水质变化规律，可建立水质数学模型，通过数值模拟来率定和识别模型参数，研究水质变化过程和污染物去除机理。污染物在水体中的迁移转化过程中涉及物理、化学和生物等过程的协同作用，因此，在建立水质模型时，必须考虑诸多过程的影响因素[6]，以建立较为实用的生态混凝土护坡河道水质改善和生态效应的评价体系。

1 材料与方法

1.1 试验装置

建立2条相同几何尺寸的环形模拟试验河道，河道外侧岸周长54.7 m，内侧岸周长29.5 m。河道断面为梯形断面，底宽1 m，上宽4 m，深1 m，岸坡坡度1∶1.5。河道水源经水泵提升，在入口及出口处均安装流量计及阀门控制流量。河道中安装水下推进器以模拟河水流动。河道Ⅰ采用标号为C15的混凝土进行“三面光”护坡，作为本试验的空白对照；河道Ⅱ采用生态混凝土护坡。

1.2 试验方法

1.2.1 流态特征及坡面粗糙系数

河水流速、坡面粗糙系数均会对水体水力停留时间(HRT)及水体与护坡的接触情况产生影响，从而影响生态混凝土护坡的水质改善效应。因此，必须对模拟河道的流速分布及坡面粗糙系数进行分析。

测试流速时，在环形河道上设置两个测试断面，分别位于环形河道直线段的两端，两断面相距21.0 m，断面A位于水下推进器前方3.5 m处，断面B位于水下推进器前方24.5 m处。在各断面上确定5条流速测试垂线及9个测试点，如图1。测试时，河道Ⅰ、河道Ⅱ中的流量相同，且使河道Ⅱ中平均流速接近于天然河道流速。

图1 流速测试垂线和测试点分布(单位：m)

模拟河道为梯形断面，采用谢才公式和曼宁公式进行水力计算[7]。断面平均流速为5个测速垂线的9个测试点的平均值。已知参数为：水深h(实测)、流速v(实测)、边坡系数m1=1.5、河床宽度b=1.0 m等；中间参数：水力坡降i；待求参数：坡面粗糙系数n1。

计算时，假设河床坡降i等于水力坡度J，即单位河段长度总水头的减小值。经过推导，得到坡面粗糙率n1的计算公式如下(推导过程略)：

(1)

式中：v1，v2为两断面的平均流速；D为两断面之间的距离。

1.2.2 水质模型

基于生态动力学反应原理，在一级反应时，综合Monod方程等相关模型，可把生态动力学模型的水质方程归纳为[8-10]

(2)

式中：n2为“箱子”数目；ki为速率常数；K为半饱和常数；C为污染物浓度。

模拟河道中河水在水下推进器的推动和混合下，可视为完全混合型水体。而对于完全混合型水体，污染物浓度变化方程为

(3)

式中：K为污染物综合降解系数；VβC0为试验周期内周围环境(如降雨等因素)输入的污染物负荷总量；C为污染物浓度。

生态混凝土具有孔隙结构，以其为基础构建的护坡河道属于结构较完整的微型生态系统，污染物在模拟河道中降解过程包括一系列物理、化学和生物等协同作用。因此，为详细研究系数K，将污染物降解过程分为3个模块：①生物模块(包括微生物、绿色植物等)；②化学模块(水解、化学沉降、氧化还原反应等)；③物理模块(吸附、离子交换、离散等)。

1)生物模块

(4)

2)化学模块

根据环境化学反应表征模型，污染物的化学降解过程为

(5)

3)物理模块

污染物的物理行为主要包括坡面基质对污染物的吸附、离子交换和离散等作用，其物理去除过程为

(6)

式(4)～式(6)中：k1，k2，k3为速率常数；n，p，q为相应指数。

忽略试验期内周围环境排入模拟河道的污染物负荷总量，即VβC0=0，则河道水质模型可表示为

(7)

令k=k1×k2×k3，m=n+p+q，则式(7)简化为

(8)

式中：k为模型的综合系数；K为半饱和常数；m，n定义为模型的功能参数，其中m为综合效应系数，n为生物效应系数。

采用4阶Rugge-Kutta方法对水质模型数值求解[13]，水质模拟指标选择试验水体中的2个特征污染因子：NH3-N和TP。针对不同的水力停留时间，分析河道Ⅰ、河道Ⅱ中特征污染因子浓度的变化。水力停留时间的调整通过控制每条模拟河道的进水流量及出水流量得以实现。

1.3 分析方法

流速测试采用LS78型旋杯式流速仪测试流速。各水质指标分析方法见《水和废水监测分析方法》[14]。

2 结果与分析

2.1 流速分布特征

模拟河道流态受环形河道和水下推进器的影响，断面流速分布不均。“三面光”护坡河道Ⅰ的流速变化幅度不大，断面A平均流速为0.441 m/s，断面B的平均流速为0.406 m/s。而生态混凝土护坡河道Ⅱ在同样的水力条件下，因护坡面粗糙率和河流弯曲度的影响，流速衰减较快，断面A平均流速为0.341 m/s，断面B的平均流速仅为0.106 m/s。

图2为两条模拟河道在断面B处的流速等值线。由图2可知，河道Ⅰ、河道Ⅱ断面流速等值线分布差异较大。河道Ⅰ因护坡面较为光滑，水流流态受到水流推进器和河道弯曲的共同影响，流速从内侧向外侧逐渐增加；水面下0.2 m的水平线上内侧流速为0.267 m/s，中泓线流速为0.40 m/s，外侧流速高达0.58 m/s，即断面流速横向差别较大，断面流速垂向差别较小。河道Ⅱ因生态混凝土护坡面粗糙率高，断面B的流态基本接近河渠中天然水流状态；水面下0.4 m中泓线处流速最大，为0.161 m/s，接近底部处流速较低，仅为0.053 m/s，受河道弯曲度的影响，外侧流速略高于内侧。

图2 断面B处的流速等值线Fig.2 Velocity contour of section B of tested rivers

2.2 坡面粗糙系数的确定

将实验所测流速及断面几何尺寸数据代入式(1)，即可得坡面粗糙系数n1。河道Ⅰ护坡材料为标号C15的传统混凝土，且坡面进行了抹灰处理，故表面比较光滑，n1=0.012 2。河道Ⅱ护坡材料为生态混凝土，坡面较为粗糙，且坡面空隙填充土壤覆土以利于植物的生长，故粗糙系数较大，n1=0.087 9，为前者的7.2倍，过水能力较小。虽然生态混凝土护坡河道Ⅱ具有良好的水质改善和生态效应，但却损失了部分过水能力。因此，在采用生态混凝土进行河流生态修复工程设计时，应二者兼顾，宜采用0.088以上的粗糙系数进行设计。

2.3 水质模型参数的率定

2.3.1 NH3-N浓度的数值模拟

图3为河道Ⅰ、河道Ⅱ在HRT分别为1，2 d的NH3-N浓度的实测和模拟情况。

图3 模型NH3-N计算值与实测值关系Fig.3 Relationship between calculation values and measured values of NH3-N

HRT=1，2d时，河道Ⅰ中NH3-N模型计算值和实测值的标准误差分别为0.047和0.032，相关系数R2分别为0.99，0.96；河道Ⅱ中模型计算值和实测值的标准误差分别为0.082，0.052，相关系数R2分别为0.88，0.75。水质模型模拟河道Ⅰ的NH3-N浓度变化时精度较高。河道Ⅱ模拟效果稍差，当初始NH3-N浓度较高时，模型计算值偏大。

表1为模型模拟NH3-N浓度时率定的水质参数。由表1可知，河道Ⅱ综合系数k值是河道Ⅰ的6.9倍，因此河道Ⅱ中NH3-N的去除速率明显高于河道Ⅰ。另外，在率定河道Ⅱ中水质指标NH3-N的相关参数时，模型对综合效应系数m比较敏感，仅在m=1.0时能较好的计算数值，此时n=0.81，水质模型趋近于Monod方程，说明河道Ⅱ中NH3-N浓度降低主要通过微生物的作用，河水中溶解氧较高，生态护坡面氨化细菌、硝化细菌数量大，因此硝化强度大，同时绿色植物也对NH3-N具有一定的吸收作用，NH3-N能在较短的时间内被去除。河道Ⅰ中n/m为0.53，NH3-N除通过水中浮游细菌的作用被去除外，水解、挥发等非生物作用也有一定的去除效果，但去除速率较慢。

表1 模拟NH3-N计算参数

2.3.2 TP指标数值模拟

图4为两条模拟河道在HRT分别为1，2 d的TP浓度模拟情况。HRT为1，2 d时，河道Ⅰ中TP浓度模型计算值和实测值标准误差分别为0.004，0.003，相关系数R2分别为0.98，0.99；河道Ⅱ中TP浓度模型计算值与实测值标准误差分别为0.004，0.012，相关系数R2分别为0.75，0.95。可见模型对TP的模拟精度较高。但河道Ⅱ在HRT=1 d时模拟效果不如河道Ⅰ；河道ⅠTP浓度模拟效果较好，实测值和计算值的相关系数达0.98以上。

图4 模型TP计算值与实测值关系Fig.4 Relation between calculation values and measured values of TP

表2为水质模型模拟TP浓度的计算参数。表中数据显示河道Ⅱ的综合系数k是河道Ⅰ的1.77倍，河道Ⅱ中TP浓度去除较快。从模型的功能参数m，n数值来看，两条河道的差别不大；n/m数值均较小，表明在TP的去除过程中，通过生物作用的去除效果并不占优，而是通过物理、化学作用予以去除。模拟河道为环形的封闭河道，由于受到混凝土护坡面释放碱性物质的影响，河水的pH值在8.0—9.0之间，碱性条件下磷酸盐易发生化学反应生成沉淀而被去除[15]。河道Ⅱ的n/m相对较大，从一个侧面反映了生态混凝土护坡的生态效应。因此，上述所建立的水质数学模型能识别水中污染物的去除途径和效果。

表2 模拟TP计算参数

3 结 论

1)河道Ⅰ的坡面粗糙系数为0.012 2，河道Ⅱ的坡面粗糙系数为0.087 9。因此，在采用生态混凝土进行河流生态修复工程设计时，应将二者有机结合，宜采用0.088以上的粗糙系数进行设计。

2)在将水中污染物的生物、化学、物理作用过程进行耦合的基础上，建立了生态护坡河道的生物生态型水质综合模型，并针对污染物特征因子NH3-N，TP，对模型进行率定，模型计算值和实测值的相关性较好，模型模拟精度较高。相比于“三面光”河道，生态混凝土护坡河道n/m数值大，污染物去除过程中的生物效应更明显，河流生态系统水平更高，水质改善效果更好。

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Flow Pattern Characteristics Analysis and Water Quality Simulation of River with Ecological Concrete Revetment

JIANG Bin1,2,3, WU Yifeng2, HUANG Fumin3, ZHU Jianguo3, ZHONG Zhaoping2

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Hydraulic and Water Transport Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, P.R.China;3. Jiangsu Institute of Urban Planning and Design, Nanjing 210036, Jiangsu, P.R.China)

A contrasted experiment was conducted in two river models, which were respectively built by common concrete and ecological concrete. The experiment results indicate that roughness coefficient of ecological concrete revetment is greater than that of hard revetment. When ecological concrete is adopted in the design of river ecological restoration project, the appropriate roughness coefficients for the design should be more than 0.088. The pollutant characteristic factors, such as NH3-N and TP, can be well simulated in the biological and ecological water quality comprehensive model of the river with ecological concrete revetment. Removal efficiencies for different pollutants can be effectively identified by using different simulation parameters.

environment engineering; ecological concrete; revetment; water quality simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.15

2015-09-25；

2015-12-13

国家科技支撑计划课题(2013BAJ10B13);重庆交通大学省部共建水利水运工程教育部重点实验室开放基金项目(SLK2011B03)

蒋 彬(1972—)，男，重庆人，博士，主要从事水处理术、生态修复技术方面的研究。E-mail：jb340@163.com。

X522

A

1674-0696(2016)03-066-05