基于QUAL2k模型的砾石生物滤床对河道水质净化效果模拟研究

翟敏婷，张 云，张 弛，薛树红，李飘飘

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710000；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，西安 710000）

0 引 言

我国经济社会的快速发展，给河流水环境带来了巨大压力，威胁了生态环境的安全，制定科学有效的水环境治理方案和工程措施成为生态环境发展的迫切需求。目前国内外在河流水质提升领域已形成大量较为成熟的工程治理措施，包括生态湿地工程、复氧曝气工程、生态循环系统构建工程等［1-4］。近年来，利用生物膜净化水质处理技术不断地发展并广泛应用［5］。砾石生物滤床（以下简称“滤床”）技术属于改进的生物膜工艺，通过铺设多层砾石，大幅度提升微生物附着面积，增加生物膜量，实现水质净化提升［6］。与传统生物膜技术相比，砾石生物滤床天然材料成本低、易获得，应用布置简单，运行管理方便，在水环境治理领域得到良好的应用。国内外开展了诸多科学研究和工程实践，其中日本江户川构建生物滤床净化厂治理河水，BOD、NH4+-N 去除率达75.2%、71.1%，净化效果尤其显著［7］。台湾老街溪采用旁路砾石生物滤床处理污染河水，BOD去除率为20%～70%，SS 去除率为77%，采用曝气后，BOD 去除率可上升到50%～80%［8］。葛俊等采用砾石生物滤床对白鹤溪水质进行净化，HRT为2.5 h工况下，COD、NH4+-N、TN去除率均值分别为42.7%、83.6%、31.6%［9］。然而以往研究多注重于滤床运行后对水质的净化效果分析，关于滤床规模参数确定以及不同规模、不同边界条件下滤床对不同区域条件、不同污染程度河道的污染处理效果研究，并能够指导工程规划和应用实践的研究尚待加强。本研究针对汉中某水系特性，通过室内小型砾石滤床水质净化实验模拟成果结合国内外广泛使用的QUAL2k水质模型，模拟研究不同工况下滤床对河道水质净化效果，以期为滤床参数确定提供科学依据，并为其他滤床水质净化处理工程建设提供技术参考。

1 研究区域概况

兴汉新区城市水系位于陕西省汉中市，是由兴汉新区内原有七个小水库整理联通形成的新的水域，本次研究范围为水系源头至下游1 000 m。研究区所在的汉中市属北亚热带湿润季风气候，多年平均气温14.7 ℃。年平均降水量在800～1 000 mm 之间，其中6-9月降雨量占全年降雨量的80%左右，冬季11-2月占全年降雨量的5%～8%。降水空间分布不均，汉江北岸由南向北递增，降水在900～1 000 mm，盆地中部约800 mm左右，汉江以南的米仓山地区由北向南递减，最大可达1 600 mm以上。全年阴天较多，湿度较大，风速小。

2 模型构建及工况分析

2.1 QUAL2k模型简介

QUAL2k 模型是美国环保局推出的综合性、多用途的一维稳态水质模型［10］。模型采用有限差分法模拟计算一维平流-弥散的污染组分的迁移转化规律，适用于充分混合的树枝状河流和宽深比不大的中小型河道的多种水质组分模拟。模型将河道划分为一系列恒定非均匀流河段，同一河段具有相同的水力、水质特征及参数，进一步将河段划分成相同长度的计算单元。点源以某一坐标点的形式按照实际排污口的位置添加到河道和对应单元中；非点源在影响区域内按距离平均分配至各单元进行模拟计算［11-15］。

2.2 水系模型构建

汉中水系模拟主要污染指标为NH4+-N、PO43--P、COD，QUAL2k 水质模型包含氮、磷模块，可自定义设置COD 模块，满足组分模拟要求；干流模拟段全长1 km，河道宽5～10 m，河道水深约0.5 m，宽深比不大，河长远大于河宽和河深，基本可认为各种污染组分在水体中沿横向和垂向能够混合均匀，主要是纵向反应，靠纵向迁移向下游输送污染物和水量，符合模型的适用条件。

模型构建时将研究区弯曲的河段概化为顺直河段，根据控制断面位置分布情况把模拟河道划分为2 个河段、4 个长度为250 m 的计算单元，下游500 m 处作为水质控制断面，滤床作为旁路支流以点源的形式加入模型。下游到上游源头的桩号范围为K0+000～K1+000。见图1。

图1 河流概化与河道划分示意图Fig.1 Schematic diagram of river generalization and channel division

2.3 边界条件与模型参数

2.3.1 边界水质数据

研究区冬季和夏季的河道源头水质差异较大，水质监测数据来源于现场采样后实验室测定结果，见表1。参考《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）基本项目标准限值，采用单因子指数法对研究指标进行水质评价，结果表明受污染河水在冬季污染物浓度高，夏季污染物浓度低，主要污染物为化学需氧量、氮和磷，浓度均超过地表水V 类水质标准。此外本次采样水体中有机磷含量较少可忽略不计，后续在水质评价时用PO43--P 浓度代替TP浓度进行分析。

表1 冬季和夏季进水水质 mg/LTab.1 Influent water quality in winter and summer

2.3.2 边界水量数据

根据历史实测流量数据，结合后期河道运行状况，将夏季河道源头流量设定为1.1 m3/s，冬季流量设定为0.8 m3/s，全段无其他水源补给和引水工程。

2.3.3 气象数据

模型气象数据输入包括气温、露点温度、风速、云量覆盖百分度表示以及河流遮阴率。气象数据来源为汉中市气象站1981-2010年月平均气象监测数据，气温数据为日最高温度和日最低温度的平均值。露点温度根据气温和相对湿度计算得到。由于汉中水系主要干流流经山地和平原地带，河流遮阴率统一采用5%。气象数据取值见表2。

表2 气象数据取值表Tab.2 Value table of meteorological data

2.3.4 模型参数

模型参数主要包括河道的自然特征参数、水力参数、水质参数三类，参考本工程相关设计参数及其他相关工程参数取值范围，结合现场调研，确定研究区自然特征参数河底藻类覆盖度达到20%～30%，河底沉积物的覆盖度可达到75%～90%，复氧参数选择模型内置的复氧模型（O’Connor-Dobbins 公式），根据河流水深、温度及风速等数据进行自动计算。水力参数取值河道纵坡为3%，曼宁系数n为0.05，河岸左右边坡坡度均设置为1∶3。

水质参数包括模型中与氮磷和COD 反应相关的所有参数，根据夏季（2018年7月13日、7月14日、8月11日）和冬季（2018年12月7日）沿河自上游至下游4 个点位（编号1～4）现场采集水体水样的实验室水质分析结果数据对模型水质参数进行率定，利用10月25日实测数据对率定结果进行验证，率定和验证过程见图2，模型模拟值和实际水质监测值相对误差保持在30%以内，满足精度要求。最终参数取值见表3。

表3 水质参数取值表Tab.3 Water quality parameter value table

图2 率定与验证结果Fig.2 Calibration and verification results

2.3.5 工况设计

综合考虑河道周边用地、河流水质情况、滤床反应条件等要求，设计以下几种工况条件。

把滤床作为支流加入汉中水系模型，在距源头100 m 附近处（桩号K0+900）引出一部分水至砾石滤床，引水水量为各工况设计流量，经滤床净化后再在距源头200～300 m 附近处（桩号K0+700～K0+800）引入原河道。以水力停留时间（HRT）为控制指标，夏季HRT 为6 h，冬季为12 h，因此不同规模的滤床对河道水体净化效果主要取决于滤床处理水量的差异。

本次室内滤床净化概化实验在西安建筑科技大学实验室进行，对各滤床反应器成功挂膜后，人工配制反应器进水，分别模拟冬季和夏季水质，试验期间，每3 d 收集一次反应器出水水样，反应稳定时收集沿程水样，所有水样都测定以下常规指标，包括TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、PO43--P 以及COD，同时监测反应器中DO、T 和出水pH。其中pH 采用PHS-3C pH 计测定，T、DO 采用梅特勒S9 溶解氧测定仪测量，COD 采用重铬酸钾法测量，TN、NH4+-N、NO3--N、PO43--P 等采用XINMAO752N 分光光度计测量。冬夏实验历时均为105 d。本文以室内试验数据作为支流输入水质浓度数据，其中滤床进水口的浓度为取水口处原河道的模拟输出浓度，出水口汇入河道处的浓度通过进水浓度和出-进水浓度比计算可得，出-进水浓度比等于出水口浓度/进水口浓度，见表5。

表5 滤床对污染物净化实验模拟结果Tab.5 Experimental simulation results of filter bed purification of pollutants

3 结果与分析

基于本文构建的汉中水系QUAL2k模型模拟不同工况下滤床对研究区水质的净化效果，评估控制断面水质状况，与地表水Ⅲ、Ⅳ类水作比较。夏季、冬季不同尺寸砾石滤床对汉中水系水质净化效果模拟结果见图3、4。

表4 滤床参数设计表Tab.4 Table of design filter bed parameters

图3 夏季不同尺寸砾石滤床对汉中水系水质净化效果模拟结果Fig.3 Simulation results of water purification effect of different size gravel filter bed in Hanzhong river system in summer

由夏季模拟结果可知，对于方案S1，即不加任何措施的原天然河道，在原河道自净及污染迁移转化过程作用下，控制断面处NH4+-N、PO43--P、COD 浓度分别为2.81、0.33、29.02 mg/L，去除率分别为7.8%、6.9%、5.6%，其中COD 可达到Ⅳ类水标准，NH4+-N 和PO43--P 均超标；对于方案S2，即在原天然河道旁路加100 m长度的砾石滤床，在原河道自净、污染迁移转化及砾石滤床净化多重过程作用下，控制断面处NH4+-N、PO43--P、COD浓度分别为2.08、0.23、20.53 mg/L，去除率分别为32.0%、34.0%、33.2%，其中COD 可达到Ⅳ类水标准，接近Ⅲ类水，NH4+-N 和PO43--P 仍超标；对于方案S3，即在原天然河道旁路加200m 长度的砾石滤床，在原河道自净、污染迁移转化及砾石滤床净化多重过程作用下，控制断面处NH4+-N、PO43--P、COD浓度分别为1.48、0.16、14.11 mg/L，去除率分别为51.5%、54.3%、54.1%，其中COD 和PO43--P 达到Ⅲ类水标准，NH4+-N 达到Ⅳ类水标准。经综合比选，200 m 的滤床已经可满足PO43--P、COD 达到Ⅲ类水的水质目标，对于超标少量的NH4+-N 污染物，为避免滤池尺寸不必要的浪费，建议采用其他措施进行单指标处理。

图4 冬季不同尺寸砾石滤床对汉中水系水质净化效果模拟结果Fig.4 Simulation results of water purification effect of different size gravel filter bed in Hanzhong river system in winter

由冬季模拟结果可知，对于方案W1，即不加任何措施的原天然河道，在原河道自净及污染迁移转化过程作用下，控制断面处NH4+-N、PO43--P、COD 浓度分别为8.03、0.707、37.89 mg/L，去除率分别为1.4%、3.1%、6.1%，均超过Ⅳ类水标准，NH4+-N 和PO43--P甚至为劣Ⅴ类水；对于方案W2，即在原天然河道两岸各加150 m 共计300 m 长度的砾石滤床，在原河道自净、污染迁移转化及砾石滤床净化多重过程作用下，控制断面处NH4+-N、PO43--P、COD 浓度分别为4.46、0.44、21.93 mg/L，去除率分别为45.2%、39.7%、46.0%，其中COD 可达到IV 类水标准，接近Ⅲ类水，NH4+-N和PO43--P仍超标；对于方案W3，即在原天然河道旁路左右两岸各加200 m 共计400 m 长度的砾石滤床，在原河道自净、污染迁移转化及砾石滤床净化多重过程作用下，控制断面处NH4+-N、PO43--P、COD 浓度分别为2.56、0.315、19.86 mg/L，其中COD 达到Ⅲ类水标准，NH4+-N 仍超过IV 类水标准，PO43--P 接近Ⅳ类水。经综合比选，方案W2 可满足COD 达到Ⅳ类水的水质目标，方案W3 可满足COD 达到Ⅲ类水、PO43--P 接近Ⅳ类水的水质目标，W3 对NH4+-N、PO43--P、COD 的去除率分别为68.6%、57.5%、51.1%。多种尺寸的滤床作用下NH4+-N 仍始终超标，主要原因为各支沟流经区域主要为农业种植区，水体主要污染为农业面源污染，且汉中地区种植灌溉主要在冬春季节。长期水质监测结果表明该面源污染受季节影响特别是冬季灌溉较大，有机物（COD、BOD5）、氮（TN 和NH4+-N）、磷（TP 和PO43--P）浓度均在冬季最高。此外设计运行工况下冬季河道流量较小，河道自身稀释净化作用相对较弱，仅靠滤床的外部作用无法起到大量削减污染的目的，建议搭配其他措施组合提升水质。

4 结 论

多种工况下模型模拟结果表明：夏季滤床HRT=6 h 水力条件下，100 m 的滤床可将控制断面COD 提升至Ⅳ类水标准，200 m 的滤床可将控制断面PO43--P、COD 提升至Ⅲ类水标准，将NH4+-N 提升至Ⅳ类水标准，200 m 的滤床对NH4+-N、PO43--P、COD 的去除率分别为51.5%、54.3%、54.1%；冬季滤床HRT=12 h水力条件下，300 m 的滤床可满足COD 达到Ⅳ类水，400 m 的滤床可满足COD 达到Ⅲ类水、PO43--P 接近Ⅳ类水的水质目标，400 m 的滤床对NH4+-N、PO43--P、COD 的去除率分别为68.6%、57.5%、51.1%。

根据模型模拟结果，滤床尺寸越大，对污染去除率越高，但在工程应用和方案制定过程中，需综合考虑用地限制、经济成本、净化效果等多因素，因此针对水体污染较严重、河道本身流量较小、稀释净化作用弱或仅个别指标未达标等问题，建议采用模拟优化后的相应规模的滤床搭配组合其他措施进行单指标处理。