平原河网河道结构与水体自净能力关系实验分析

闵俊杰，蒋立新

(1.国电环境保护研究院有限公司，南京 210031；2.无锡市城市防洪工程管理处，江苏 无锡 214000)

1 实验背景

目前全球的河道随着城市发展，天然结构、河型、河流自然流态发生了很大的变化，对河流的生态功能造成了很大影响，所以很多单位、学者对河流的研究多为河流流量、河流能耗、河道空间形状、河流运砂能力、河道比降、河流调蓄能力等方面，很少涉及河流城市化进程中天然河道结构变化对水体自净能力的影响。经地质分析计算确定，平原河流的坡降和河道宽深比均比较小，所以平原河流的能耗率较小、输砂能力较大。从水质学进行分析，水体内存在的泥沙颗粒是典型的河流污染物，由于城市化进程造成的水动力学改变，使水体中泥沙颗粒分布失衡，同时也改变了泥沙颗粒表面物理性质和电化学性质，容易导致泥沙颗粒和金属污染物、有机污染物发生吸附、络合及化学反应，降低河流的降解速率，加剧河流污染程度。因此对平原河网河道结构与水体自净能力、营养循环、环境容量之间的运行规律进行探讨，对绿色城市生态建设和生态维护有重要意义[1]。文章以平原河网河道结构与水体自净能力关系进行实验探讨，主要实验内容如下。

2 实验方法

2.1 河道模型构建和实验方法

实验河道构建选择6个长度一致的PVC槽，长度均为2m，每个PVC槽使用相同水泥泥塑成不同河宽的独立河流模型单元，6个PVC槽的截面均为规则梯形面积分别为31、42、49、54、58、65cm2。模拟河道的构建需要底泥和水源，本实验取样(底泥和水源)取自某平原河道，对实验取样进行化验分析，各成分含量见表1。在实验过程中会出现取样分析、水分蒸发等现象导致实验河道模型内水源减少，所以需要根据实验实际情况补充河道模型内水源，在水源取样时另外在另一平原河网河道备份补充水源量，以弥补模型内水源损失，在实验时每次水源补充要及时记录，另外补充水源时要提前检测其水质，避免补充水源水质不合格影响实验结果。本实验时间为12周，在实验期间共补充水源4.8L,占河道模型总水量的8.2%。

模拟河道实验时，流量控制方法运用转子流量计进行记录，分别在每个河道模型上设置2个监测点，监测每周两次，分别在2L/h、4L/h、8L/h、12L/h 这4个流量水平值上进行实验分析，用监测点的平均值作为分析的数据之一。

表1 河道模型内底泥和水源各成分含量

2.2 实验测试指标和方法

检测底泥和水源的含磷总量(检测方法采用过硫酸钾氧化-磷钼蓝比色法)、COD含量(检测方法采用重络酸钾法)、PO43--P(游离磷)含量(检测方法采用直接比色法)、有机质含量(检测方法采用硫酸钾氧化-紫外分光光度法)。

2.3 实验设备仪器

分光光度计选择型号为exact-density(美国)，高速离心机采用型号为JIDI-6D台式低速大容量离心机(广州吉迪仪器有限公司)。

3 实验结果及分析

3.1 各监测面的水力特征

根据6个河道模型的几何特性和过水断面面积，记录4个流量水平下监测点监测相应断面的实际流速值，结果如图1所示。

图1 各监测断面的流速情况

根据图1的结果可以看出，6个河道模型相应监测点监测断面的流速随着水流量的增大而不断增加；在流速一致情况下，下游的流速比上流的流速大；随着水流量增加至12L/h时，随着水位上升，流速从上游到下游变化明显，呈波状变化。

3.2 有机质含量对流量及补充水COD值的影响

实验记录得出的每个河道模型中COD含量随流量变化的变化规律(图2)。

(0号断面代表河道模型循环水入口位置，补充水源在此位置补充，以下同)

从图2可以看出水中COD含量随着流量的不断增加呈现出较大波动(先升后降)。经技术人员分析，当河道流速<0.5m/h时，平原网河道内存在的各种有机物的水动力移动能力差，各种有机物的存在主要以沉积状态为主；当河道流速在0.5-1.5m/h之间时，平原网河道内存在的各种有机物发生分异的可能性较大，在河流运动和外界有机物冲击下，会引起河道内存在的各种有机物波动，产生有机物集聚，导致河道水质恶化，这是平原河网河道水质恶化的原因之一，也是河流生态修复反复失败的主要原因，所以在进行平原河网河道管理时，应注重外来水源的管理；当河道流速>1.5m/h时，会快速使河道中各种有机物趋于一致，降低局部有机物含量，避免出现河道局部污染。所以根据河道中有机物与流速之间的变化关系，在进行平原河网河道改造治理时应将河道流速高于1.5m/h以上才能保证河道治理质量[2-4]。

图3为各监测断面下COD含量随补充水源的变化规律结果。

图3 各监测断面COD含量对补充水源的变化规律

从图3结果显示，在流速或流量一致情况下，平原河网河道的COD含量变化值受补充水的影响非常大；和水源COD含量平均值23.13mg/L相比较，当补充水源COD含量和此值接近时，对河道有机物存在影响较小。当补充水源COD含量小于此值时，补充水源会稀释河道模型内有机物，但在6个河道模型中3号河道模型的稀释效果最差。当补充水源COD含量大于此值时，会加大河道模型的有机质含量，加重河道模型的污染程度，但在6个河道模型中3号河道模型受补充水源内有机质的影响最小；当流速<1.5m/h时，3号河道模型对有机物有较好的抗冲击能力主要与3号河床的动力学特性关系很大。

从上述数据可以看出，补充水源的水质对平原河网河道的水质影响非常大，所以在平原河网河道污染治理时，要重点对城市污水排放进行管控，建立城市污水处理系统，过滤净化后的污水才能排入河道水，另外在城市排水系统建立时，需要科学规划，提高城市化进程中城市排水系统对暴雨径流洪峰流量的集中排水处理能力，避免在暴雨时大量有机物质污水涌入河道。

3.3 水中P素对流量及补充水TP(总磷)、PO43--P(游离磷)含量的影响规律

各监测断面下水中总磷变化、水中PO43--P含量变化见图4、图5。

图4 各监测断面水中总磷含量变化

图5 各监测断面水中游离磷含量变化

从图4显示的数据来看，随着水流量的不断增加，总磷在上游和下游的波动逐渐减少，这时补充水源的总磷含量大于河道内总磷含量，可以证明缓流河道可以不断增加总磷含量。从图5显示的数据来看，各河道模型的游离磷随流量的不断增加而增加，流速的增大能够产生一定作用力，可以有效促进底泥中磷元素的释放，加大了污染源含量，使河道更加富营养化。对比上游和下游的游离磷含量不难发现，下游水体的游离磷随着流量的不断增加也随之增加，因此虽然有些平原河网河道的流速较慢，但由于上游和下游之间的水力学关系，水源的富营养化有很大的关联性，这种现象也容易导致缓流河道出现营养物及污染物质的堆积重叠，加剧河道污染程度，加大河道生态治理恢复的技术难度。

3.4 底泥中污染

为了判断各种有机物在缓流河道水源和底泥表面发生的变化规律，分别在4个流量水平实验结束时，立即在对应监测点取底泥样品进行化验分析，监测结果表明，当流速<0.5m/h时，时间相同的前提下，有机物的沉积速度最快，在各河道模型中3号河道内有机物沉积速度最快，沉积量最多。实验中游离磷变化，流速较低时底泥中的游离磷含量较高，随着流量的不断增大游离磷含量逐渐降低，出现这种现象的主要原因是，随着流量的增加底泥的紊流扩散系数也不断增加，加速底泥中磷元素释放，使河道水源中磷元素增加。

4 结 语

平原河网河道的流量及补充水源对水体中的各种有机物含量影响较大，在水流流速<0.5m/h时，各种有机物主要以沉积状态存在；当流速>1.5m/h时，加大了各种有机物的分解和游离磷的释放速度，使水体中磷元素增加，更加富营养化。因此在平原河网河道生态建设和治理时，要有一定大局观和整体布局性，治理时应先从区域河网管理入手，而不是仅仅局限于某一个河道的治理。