基于HEC-RAS的鹿溪河流域水质治理效果研究

张世宝, 李胜东,, 冯健, 赵进勇, 丁洋, 于子铖

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046; 2.中国水利水电科学研究院 水生态环境所,北京 100038)

目前,世界各地的河湖生态系统普遍出现了水污染、河湖生态功能退化等问题,严重影响了社会经济的可持续发展[1-2]。河流是城市经济社会系统与自然生态系统相互联系的重要纽带[3]。以往的城市河流治理主要关注防洪、排水功能和资源开发,而忽略了河流生态保护[4]。随着城市化进程的加快,城区河流水质问题越来越严重。推进流域水质综合治理,是落实生态文明建设的重要举措,对我国转型发展和绿色发展具有重要的推动作用[5-6]。基于HEC-RAS软件建立的一维水动力水质模型不仅可在多目标环境下交互使用,而且模拟水质的精度较高[7-8]。董飞等[9]利用HEC-RAS软件建立了辽河干流水动力水质模型,构建了辽河干流水功能区水质响应系数矩阵；陈相威等[10]通过HEC-RAS软件模拟了不同补水方案下观澜河流域长水坑河在城市枯水期时生态景观对水量的需求；马楠[11]利用HEC-RAS软件建立了通惠河水动力水质模型,分析了护岸与河流流速及剪切力的关系；邹丽芬[12]应用HEC-RAS软件建立了滨海平原河网水动力水质模型,模拟了常见污染物浓度值随河网水流运动而发生的输运扩散规律；李国华[13]应用HEC-RAS软件建立了黄河内蒙古托克托段水动力水质模型,模拟了河道畅流期内污染物浓度的纵向沿程分布规律。由此可见,HEC-RAS软件可以很好地模拟河道的水动力与水质。

鹿溪河流域历史悠久,文化底蕴丰厚。但近几年来,由于农村面源污染加重、城区污水汇入等原因,导致流域水质常年处于地表水V类标准。为了合理调配鹿溪河流域水资源,有效改善水体质量和流域生态条件,维护河流健康,采取水环境治理与生态修复措施是非常必要的。针对鹿溪河流域的水环境及生态现状,本文以2030年为规划年,提出5类水环境治理与生态修复措施,并利用HEC-RAS软件建立鹿溪河流域一维水动力水质模型,定量化分析5类措施在不同工况下的实施效果,以期为鹿溪河流域水环境治理与生态修复提供技术支撑。

1 研究区概况

鹿溪河又名泸溪河、黄龙溪,属锦江一级支流,岷江二级支流,发源于成都市龙泉驿区长松山西坡王家湾。鹿溪河全长74.6 km,流域面积为675 km2,平均比降为1.2%。鹿溪河是典型的山溪性河流,洪水主要由龙泉山脉的降水汇集而成,且汇流时间短、水位陡涨陡落，流量极不稳定,最大洪水流量为 1 340 m3/s,枯水流量仅0.02 m3/s,多年平均流量为5.72 m3/s,多年平均年径流总量为0.62亿m3。由于鹿溪河大部分干支流的河流基流量较小,水体自净能力差,并且农村地区污水收集和处理设施建设滞后,存在一定的农村生活面源污染等问题,导致河道水体质量较差、水质恶化严重。本文以鹿溪河干流川心桥—鱼剑滩段为研究区域,针对鹿溪河流域污水处理厂排放标准偏低，农村生活源污染、水污染和水体质量差等主要问题,通过实施点源、面源、内源污染治理工程及外流域生态补水和生态修复等措施,减少污染物入河,提高流域水环境容量,逐步改善鹿溪河水质,恢复鹿溪河良性水资源平衡及流域生态功能。基于此,拟在2030年前实施以下5大类水环境治理与生态修复措施,如图1所示。

图1 水环境治理与生态修复措施图

天府新区8座大型污水处理厂的总规模为48.0万t/d,采用“MBR+臭氧活性炭”工艺,出水水质达到地表水Ⅳ类标准;乡镇污水处理厂规模为1.3万t/d,采用污水管网分流制,出水水质达到《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)中规定的排放标准;农村生活污水人工湿地处理工艺采用“复合生物滤池+人工湿地+紫外线消毒工艺(10～50 m3/d)”及“A3O+MBBR工艺一体化设备+紫外线消毒工艺(50～300 m3/d)”的流程,出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A类标准;截污工程总长94.3 km;生态湿地项目总规模为867.6 hm2;滨河生态缓冲带总规模为360.0 hm2;河流生态修复工程中主河道生态护岸的总长为239.9 km;非防洪支流浅水型生态湿地和生态涵养地的总规模为24.8 hm2。根据污染源分布及污染物排放特点,拟定的鹿溪河水环境与生态治理措施的具体实施位置如图2所示。

图2 鹿溪河流域措施布局和考核断面布局

2 研究方法

2.1 污染源分析与污染负荷计算

根据现场调研,鹿溪河流域面源污染的主要来源为农村生活污水、分散式畜禽养殖与农业种植,本文采用SWAT模型计算面源污染负荷;点源污染主要来源于城镇生活污水和规模化畜禽养殖,其污染负荷分别根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)与《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596—2001)进行计算。根据水环境治理与生态修复措施实施情况,参照《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311—2016)进行入河污染物削减量的计算。

2.2 工况设置

根据实际情况和鹿溪河上游水环境的总体变化趋势,按照川心桥断面的水质状况,结合水环境治理与生态修复措施设置两种工况,具体见表1。

表1 计算工况详情对比

2.3 模型介绍

2.3.1 控制方程

非恒定流控制方程[12-13]采用一维Saint-Venant方程组,其中式(1)为连续方程,式(2)为动量方程，其计算公式如下:

(1)

(2)

式中:Q为流量,m3/s;x为距离,m;Z为水位,m;t为时间,s;q为旁侧单位长度入流流量,m2/s;α为断面不均匀系数;A为过流断面面积,m2;B为水面宽度，m;C为谢才系数;R为水力半径,m；g为重力加速度,m2/s。

水质控制方程[13]采用一维对流扩散方程:

(3)

式中:A为过水断面面积,m2;C为污染物质的断面平均浓度,mg/L;t为时间坐标;Q为断面平均流量,m3/s;x为空间坐标;Ex为紊动扩散系数;dC/dt为生化反应项;S为污染物的排放量,mg。

2.3.2 几何数据

采用2019年4月实测的地形数据作为一维水动力水质模型中的地形资料,模拟范围为川心桥—鱼剑滩断面,河段全长42.46 km。在鹿溪河干流上选取15个关键位置断面,并以其中的廖皇寺、保水沟、河湖交汇、鱼剑滩、兴隆湖共5个断面为重要考核断面,具体位置如图2所示。模型的计算区域及计算河段的示意图如图3所示。

图3 鹿溪河流域计算区域及计算河段示意图

2.3.3 边界条件

鹿溪河有很多沟渠,根据SWAT模型的模拟结果和实地勘测情况,本次模拟中将污染源及子流域的流量、NH3-N和TP浓度作为水动力学及水质模型的输入项[14-17]。将天府新区8座污水处理厂作为补水水源输入鹿溪河,补水流量和NH3-N、TP浓度见表2。以鹿溪河川心桥断面2015年各月的实测流量和水质浓度为鹿溪河一维水动力水质模型的上边界条件(见表3)，根据实际查询到的资料和现场勘测情况,采用鱼剑滩溢流堰水位439.2 m为模型的下边界条件，对鹿溪河干流川心桥—鱼剑滩段进行计算。

表2 污水处理厂的出水流量及NH3-N、TP浓度

表3 川心桥断面2015年各月的实测流量和NH3-N、TP浓度

2.4 模型率定验证

以鹿溪河鱼剑滩断面2015年各月的水质和水量现状资料为基础进行模型率定,结果及误差如图4所示和见表4。

图4 鱼剑滩断面实测值和计算值对比图

表4 鱼剑滩断面实测值与计算值的预测误差

由图4和表4可知:模型模拟出的流量和水质结果与实测值的基本接近;模型实测流量和计算流量的平均相对误差为7.00%,模型NH3-N实测浓度和计算浓度的平均相对误差为13.85%,模型TP实测浓度和计算浓度的平均相对误差为20.50%。这说明:建立的水动力水质模型基本能够准确模拟鹿溪河水量和水质的变化规律,可用于模拟和预测计算。

3 结果分析

3.1 鹿溪河流域污染源预测与评价

根据2.1节中污染源分析与污染负荷计算方法,得到鹿溪河流域的污染负荷量和水环境治理与生态修复措施实施条件下污染物的削减量,最终计算出污染源的实际入河量,结果见表5。由表5分析可知，水环境治理与生态修复措施实施后污染物入河量明显降低。其中,NH3-N的削减量占该流域NH3-N总入河量的95%;TP的削减量占该流域TP总入河量的93%。

表5 措施实施后污染物入河负荷量 t/a

2030年措施实施前后NH3-N和TP的空间分布如图5所示。由图5可知:流域西部和南部区域内的NH3-N削减明显,同时东南部区域内的NH3-N也得到了有效的控制;西部和南部区域内的TP得到了明显的控制,对东南部区域内的TP也有一定的控制效果。这说明5类措施对鹿溪河流域污染源的削减效果显著。

图5 2030年措施实施前后NH3-N和TP的负荷量空间分布图

3.2 目标可达性分析

3.2.1 工况1

将2.3.3节的边界条件及3.1节中的数据输入水质模型中,当川心桥断面的来水水质为Ⅳ类水(工况1)时,各重要考核断面2030年各月的NH3-N和TP的浓度变化情况如图6所示。由图6可知:工况1条件下,各重要考核断面的水质基本可达到地表水Ⅳ类标准,鱼剑滩断面部分月份的水质可达到地表水Ⅲ类标准。

图6 工况1条件下各重要考核断面的NH3-N和TP浓度变化情况

3.2.2 工况2

将2.3.3节的边界条件及3.1节中的数据输入水质模型中,当川心桥断面的来水水质为Ⅲ类水(工况2)时,各重要考核断面2030年各月的NH3-N和TP的浓度变化情况如图7所示。由图7可知，各类措施实施后,各重要考核断面的水质基本可以达到地表水Ⅲ类标准。

图7 工况2条件下各重要考核断面的NH3-N和TP浓度变化情况

3.3 水质达标率分析

对两种工况下各重要考核断面的水质达标率进行计算，结果见表6。由表6可知:①工况1条件下各重要考核断面Ⅳ类水达标率在83%以上,即一年中各断面的水质有300多天达到地表水Ⅳ类标准;保水沟上游断面和兴隆湖断面的水质不达标时段为枯水期。②工况2条件下各重要考核断面Ⅲ类水达标率也在83%以上;保水沟上游断面、河湖交汇断面和兴隆湖断面水质不达标的时段为枯水期。

表6 2030年两种工况下各重要考核断面的水质达标率 %

4 结语

以水污染较为严重的鹿溪河作为研究对象,利用HEC-RAS软件对鹿溪河干流川心桥—鱼剑滩段的水质情况进行模拟,以NH3-N、TP为例,计算了研究区的污染负荷和5类水环境治理与生态修复措施的削减量,重点分析了在两种工况下5类水环境治理与生态修复措施对鹿溪河2030年的水质改善效果,得出如下结论:

1)5类水环境治理与生态修复措施对污染物的削减效果显著,NH3-N和TP的削减率分别达到了95%和93%。

2)上游来水水质对鹿溪河流域的水质提升尤为关键。当上游来水水质为地表水Ⅳ类标准(工况1)时,5类水环境治理与生态修复措施完全实施后,2030年各重要考核断面的水质基本可达地表水Ⅳ类标准;当上游来水水质为地表水Ⅲ类标准(工况2)时,5类水环境治理与生态修复措施完全实施后,2030年各重要考核断面水质可达地表水Ⅲ类标准。

3)两种工况下，各重要考核断面的水质达标率均为83%以上，且水质不达标的时段均为枯水期，因此建议在枯水期实施引水工程。