英那河河道生态修复方案优选研究

2020-11-05华昆

黑龙江水利科技 2020年10期

华昆

(庄河市水务事务服务中心，辽宁大连 116400)

1 河流概况

英那河发源于岫岩县龙潭乡老北沟，主要径流庄河市黑岛、吴炉、小孤山、大营子、塔岭、仙人洞、三架山等乡镇以及沙岭农场，自北向南径流至黄家村注入黄海。英那河全长94.9km，流域面积1004km2，海拔高程653.1m，平均比降2.31‰，分布有二级支流1条和一级支流5条。河流下游河床为细砂，上游为卵石，年径流量4.41亿m3，平均径流深439.2mm。近年来，英那河诸断面水质无法满足水功能区要求，水质多Ⅴ类或Ⅳ类，英那河主干支流河道符合一维水流水质运动特性。鉴于此，文章利用一维非恒定流水动力方程构建英那河的水生态数学模型，并预测了不同组合方案下生态修复措施的净化效果，可为定量化优选河道生态修复方案提供参考依据。

2 水生态数学模型

2.1 河网的概化

为了更加客观的描述河流的自然水力特征，确保实际河网的输水及调蓄能力与概化后的河网相一致，必须科学合理的概化河网。根据英那河实际情况确定模型概化范围：大营子、仙人洞、吴炉、塔岭、黑岛、蔡家村以及沙岭农场，主要包括英那河、教场河、栗子房河、小峪河、二道河、下冰峪河、头道沟河、沙河、二道沟河、棒槌沟河等河道，概化节点86个，总长度57.10km。

2.2 边界条件

模型的计算边界条件选取2018年棒槌沟河、教场河、支流沙河、干流冰峪沟等4个水文站点的实时水位数据，而模型计算的水质边界条件为不考虑其余外部污染源条件下，各控制断面2018年的水质例行监测数据。

2.3 水动力学模型

2.3.1 模型方程

MIKE11是以一维圣维南方程组为基础的河流水动力模型，可以利用一维明渠非恒定流方程模拟预测河网、河流的水质与水量，现已广泛应用于水利工程规划、流域水资源管理和洪水洪峰洪量预测等领域[1]。一般地，假定水流符合静水压力条件、河道坡降与断面保持不变、水流为均质流态且不可压缩等，这也是应用MIKE11模型的基本前提，通常选用隐式格式离散法求解动量方程和水流连续方程，其表达式为：

(1)

(2)

式中：A、B、Q、R为过水断面面积、宽度、流量和水力半径；x、t为时间坐标和位置坐标；c、q为谢才系数与旁侧入流量；z为水位。

2.3.2 水动力模型率定

设定水动力模型的计算时间步长1min，初始水位3.50，壁面糙率系数初始值0.03，模拟周期半年。将模型参数利用逐时断面水位反复调整，最终确定英那河主干支流的糙率值为0.06-0.10范围。结合实测数据资料，检验模型预测水位的精准度如图1所示。

(a)干流冰峪沟

(b)支流沙河

(c)教场河

(d)棒槌沟河

从图1可以看出，水动力学模型预测的水位误差处于1.5-4.2cm区间，水位实测值与模拟值变化趋势保持较好一致性，该模型具有较准确的水位模拟效果。

2.4 水质模型

2.4.1 对流扩散模型

如表根据MIKE11 HD模块获取的水动力条件模拟水流中物质的扩散与对流过程，可利用下式构造非稳态水质模型，即：

(3)

式中：S、Sc为单位时间单位河长污染源的排放量和模拟物质浓度的衰减项；Ex、C为纵向扩散系数和模拟的物质浓度。

考虑实践经验确定率定系数，即利用下式获取对流扩散系数D：

D=aVb

(4)

式中：V为水动力计算的流速；a、b为经验系数[2]。

2.4.2 水生态模型

为客观反映河流的生态、生物、物理、化学过程以及各状态变量间的相互作用，考虑应用模型的EcoLab模块，通过耦合AD对流扩散模型、HD水动力模型和水生态模型，实现对流扩散的水生态整合模拟、生化反应和传输机理分析[3]。河流的主要产氧过程是大气的复氧作用和植物的光合作用，而主要的耗氧过程有还原性物质及碳氮化合物的氧化、动植物的消耗和底泥的消耗等。对此，建立平衡方程如下：

(5)

硝化反应、有机物的降解产生、水生植物的吸收等为水体中氨氮浓度的主要变化过程[4]，由此构建的平衡方程如下：

(6)

式中：DDO、BBOD、NNH4为溶解氧浓度、生化需氧量浓度和氨氮浓度；K2、K3、K4为大气复氧系数、生化需氧量降解系数和硝化系数；CS、KS为饱和、半饱和状态下的溶解氧浓度；θ2、θ3、θ4为呼吸作用、生化需氧量降解过程和硝化过程的Arrhenius温度系数；B1、P1为微生物及动植物的耗氧速率和光合作用的产氧速率；R为呼吸作用速率；Y1为BBOD降解生成氨氮的转变率。

2.4.3 水质模型率定

为率定模型的主要参数及检验模型的精准度，拟定了3种不同的河道生态修复方案，即自然护坡与生态湿地组合、生态护岸与生态浮床组合、底泥疏浚与生态护岸组合方案，选择不同治理条件下的5条河道率定水质模型参数，如表1所示。河道的主要污染因子有NH3-N、BOD5、COD，并对各项污染因子在不同生态修复措施下的降解系数进行预测模拟[5]。

表1 英那河典型河道概况

根据各污染物降解过程在中小型流速较缓河道中符合一级动力学的特性[6]，建立相应的降解方程为：

∂C/∂t=-kC

(7)

式中：t、C为反应持续时间和某污染物的浓度；k为降解系数。采用微积分的思想对上式两边处理，则有：

InCt=-kt+InC0

(8)

式中：C0、Ct为污染物的初始浓度和第t天的浓度。

采用以上公式对主要污染因子在各生态修复措施下的降解系数求解，如图2。然后以污染因子的降解速率作为英那河水质模型的主要参数，即确定污染因子在各修复措施下的降解速率，并对模型利用流域水动力特征及实测水质数据率定，扩散系数率定后的取值为5-10，率定值如表2所示。

表2 河道生态修复的参数率定值

为更好的检验模型的准确性选择沙河断面的DO、NH3-N、BOD、COD作为对比指标，如图3所示。从图3可以看出，水质实测值与模拟值具有较高的吻合度，模型预测的水质相对误差处于1.8%-6.2%范围，对于水质的模拟分析表现出较强的适用性[7]。

综上分析，各污染因子在不同修复措施下的参数值存在一定差异，其中具有相似降解速率的因子有BOD和COD，关于这两项因子降解速率最快的为生态湿地修复措施，其次为生态浮床或自然护坡与木桩组合措施。考虑有机物降解氮产生量与硝化作用速率对水中氨氮浓度的影响，生态湿度具有最明显的氨氮去除效果，可见生态湿度具有最为明显的污染物去除效果。

3 生态修复效果

对英那河水质变化情况利用模型进行预测分析，从而反映3种生态修复方案净化水质的效果，预测期内的污染负荷取各河道2018年的污染因子平均值，不同情景下的模拟基准设定为2018年的水文条件。将Eco Lab模型中的参数利用各修复措施的率定值(表2)适当调整，通过集成运算MIKE11模型的AD、HD模块，实现各生态修复方案的水质净化效果数值模拟。

3.1 生态护岸与底泥疏浚方案

在Mike11 Eco lab模型中输入生态护岸、底泥疏浚的主要参数，并以生态护岸和底泥疏浚的参数值设定河网东、西片河段，保持其它条件不变的情况下英那河河流水质变化趋势如图4所示。

从图4可知，10个月后采取底泥疏浚与生态护岸方案的COD、BOD5、NH3-N平均值减少了4.36mg/L、1.06mg/L、0.15mg/L，下降幅度依次为14.6%、20.1%、17.8%，而DO值增大了0.96mg/L，增大幅度26.4%。此外，从变化趋势的角度分析，方案初期具有更好的水质净化效果，主要污染物浓度在后期表现出增大的变化趋势，其原因为方案初期有效控制了内源污染及减少了污染物浓度，各污染物浓度随着底泥的再次沉积呈不断上升趋势。

3.2 生态护岸与生态浮床方案

在Mike11 Eco lab模型中输入生态护岸、生态浮床的主要参数，并以生态护岸和生态浮床的参数值设定河网东、西片河段，保持其它条件不变的情况下英那河河流水质变化趋势如图5所示。

从图5可知，10个月后采取生态浮床与生态护岸方案的COD、BOD5平均值减少了5.57mg/L、0.86mg/L，下降幅度依次为18.1%、17.0%，而DO值增大了1.45mg/L，增大幅度37.2%。

3.3 自然护坡+木桩与生态湿地方案

在Mike11 Eco lab模型中输入自然护坡+木桩、生态湿地的主要参数，并以生态湿地和自然护坡+木桩的参数值设定河网南、北片河段，保持其它条件不变的情况下英那河河流水质变化趋势如图6所示。

从图6可知，10个月后采取自然护坡+木桩与生态湿地方案的COD、BOD5、NH3-N平均值减少了7.40mg/L、1.36mg/L、0.18mg/L，下降幅度依次为24.2%、27.5%、21.9%，而DO值增大了1.63mg/L，增大幅度45.1%。

总体而言，在提升水质方案3种生态修复方案均表现出明显的效果，考虑表2的率定值对比生态浮床与生态护岸、底泥疏浚与生态护岸方案。结果发现，两者的主要差异为实施了生态浮床和底泥疏浚措施。针对各污染物底泥疏浚的降解速率明显低于生态浮床，但底泥疏浚有更高的NH3-N、BOD5削减量，其原因为底泥疏浚初期明显减少了污染物浓度，有效控制了内源污染，因此该措施具有更高的污染物削减量。相对于底泥疏浚和生态浮床，自然护坡+木桩与生态湿地具有更加显著的污染物削减量，该措施较其它修复方案具有更快的污染物降解速率，所以具有最为明显的水质改善效果。此外，在改善水环境的同时自然护坡+木桩与生态湿地方案能够形成多层次绿化界面，通过打造水生态景观更好的突出生态环境效应，为水文化及水美乡村建设提供有利条件。因此，综合考虑各方面条件确定最优方案为自然护坡+木桩与生态湿地方案。