西安皂河治理水源补给设计方案对河道水质演变影响研究

2023-02-10林志远

陕西水利 2023年1期

林志远

（中国水利水电第三工程局有限公司,陕西西安 710000）

1 引言

目前,我国大部分城市河道水质受到人类活动影响[1,2],造成河床淤泥积压、堤身水土流失及水质富营养化等问题[3,4],对河流水生态环境带来较大负面影响。针对河道水质受污染状况,开展河道水源补给设计显得尤为重要,其有利于改善河流水质[5],对泥沙淤积等具有排泥降淤作用。因而,开展河道水源补给方案设计研究对推动水质治理水平具有重要意义。杨媛媛等[6]、王正冉等[7]、陈秀洪等[8]基于河道水质现状,划分出不同监测断面,通过布设传感器等监测手段,研究河道各特征断面上水质的时空演化特征,为评价河道水质净化处理或水源补给设计提供了依据。张月婷等[9]、季洪涛[10]、罗志洁[11]基于MIKE 水动力学模拟平台,探讨了动水作用下水质污染物迁移特征,分析了水质特征参数受水力特性影响变化,有助于丰富河流水质处理及评价水质状态成果。利用构建水质模型手段,可以建立水质与污染物的演变,杨芬等[12]、裴羽佳等[13]采用WASP 模型、SWMM 模型等可以较好模拟水质在动水作用下水质主要特征参数的演变,对研究水质治理或净化具有参考价值。本文基于西安皂河水源补给设计方案问题,建立了皂河水质SWMM 模型,研究了水源补给点与补给量对水质改善的影响,为皂河水源补给设计提供依据与参考。

2 水源补给方案

2.1 工程概况

西安长安区地表水资源分布不均,集中在该秦岭北麓,而地表集水面积较大的峪道受水利工程限制影响,无法较大规模开发地表水资源,此对长安区供水带来较大困难。当前长安区地下水开发利用率远超安全标准值,达107.1%,部分区域甚至形成沉降漏斗,对区内生产生活安全带来潜在危险。皂河在长安区境内总长8.9 km,从流域内河道断面可划分出上、中、下三个流段,其中皂河长安区上游段全长3.1 km,其地表供水主要面向泄洪排涝,特别针对北杜曲、申店两乡镇部分村庄农业退水,该区段内两侧堤防已得到加固,监测表明岸坡渗透坡降及堤身稳定性均较佳。中游段涉及到河道暗涵,全长共有4.4 km,暗涵截面尺寸为3.1 m×2.2 m,设置有明渠盖板,确保水资源不受其他污染源影响,该段河道地表水资源主要面向区域内生活用水及工业用水,部分作为城市泄洪排涝使用,河道堤身采用混凝土与四季春植物生态护坡形式,见图1,且该段河道宽度乃是皂河在全域内最宽段,最宽之处可达4.5 m。皂河下游段全长1.2 km,采用明渠盖板的河道断面形式,底宽6 m,深4.02 m～4.22 m,河底为0.4 m 厚浆砌块石底板,两侧为浆砌块石重力挡土墙；下游段河道采用梯形断面形式,两侧岸坡设置有底板为0.4 m 厚的浆砌块石砌筑,堤顶有预制盖板,并覆盖厚度在0.15 m～0.2 m 的碎石填土,根据对皂河水生态体系监测表明,河道两侧淤泥厚度较大,且泥质成分较高,颗粒细度较低,而在皂河河道断面发生弯曲时,其迎水侧淤积厚度高于背水侧,现场测试得知淤泥中含有铜元素高达115 mg/kg,而汞、砷、锰等元素含量分别可达1.28 mg/kg、7.78 mg/kg、395 mg/kg,表明皂河水质受污染严重较高。且本文将皂河城区段排水系统进行概化,从城区管网划分,获得4381 个汇水区,见图2,而概化排水系统后分析得知,皂河受排污系统影响,雨污合流,溢流污染频次较高。为此,河道管理部门考虑皂河开展生态补水治理,其水源补给管道布设见图3,管径为600 mm,全段管线长5.1 km,最大引水量可达0.6 m3/s,以压力泵式输水,最大输水耗散率不超过20%。由于输水管线全覆盖皂河上、中、下游三个区段,且补给量受上游补水水源控制影响,故工程设计部门应确定最优于皂河水质净化的补给点与最佳补给量。

图1 堤身生态护坡设计

图2 皂河汇水区概化图

图3 水源补给管道布设

2.2 方案设计分析

针对皂河水质净化问题,一方面进行水生态治理与河道水下清淤,另一方面开展水源补给,重点针对皂河水质问题设计最优补给点与补给量。从皂河汇水区内点、面源污染现状调查,并结合引水管道分布,设计三个对比方案的补给点,分别对应皂河上、中、下游三个断面,三个补给点断面上设定为单一补给方案,补给量分别统一设定为3000 万m3,研究分别在此三个断面上补给量达到设定值后区段内水质演化特征。而从补给量设定来看,考虑上游水源最大供水量不超过5500 万m3,故本文设定补给量对比方案为1500 万m3,2500 万m3、3500 万m3、4500 万m3、5500 万m3。由于皂河各河道水质污染物以化学元素居高,故笔者以水质pH 值、COD 含量、氨氮含量及磷含量特征参数开展对比分析,并假定补给年限均为1年。从上述各对比方案中开展模拟计算分析,探讨补给点、补给量对水质参数影响,进而确定最优补给方案。

本文采用SWMM 水质模型开展河道补给方案影响下水质演化分析[12,14],该模型计算模块单元见图4,初始水质参数在各方案中均保持一致,初始COD 与氨氮含量分别为75 mg/L、9 mg/L,并与现状皂河水质相吻合。并将河流水质及污染质成分进行网格化,河道补水、增水状态乃是网格化扩展的进程,而降雨及排污等水文、水力特征采用曲线冲刷模型进行叠加,其水文参数的增加与迭代采用SWMM 输入、输出模块,见图5。

图4 SWMM 模型模块

图5 SWMM 模型计算流程图

3 补给点对河道水质演变影响

3.1 pH 值变化

针对皂河上、中、下游不同补给点设计,以河道SWMM水质模型计算为抓手,获得断面上水质pH值演变特征,见图6。

图6 pH 值受补给点影响变化特征

分析图中pH 值变化可知,皂河水质pH 值分布具有时间效应,不同补给点上pH 值差异性较大,在三个不同补给点中pH值最高均为1月,在上游补给点方案中该月pH值可达8.16,而同方案中的5月、8月pH 值较前者分别减少了32%、46.9%,同时该方案中11月、12月pH 值较1月的差幅均为25.2%,表明每年11月～12月、1月～2月皂河水质pH 值均较稳定,且分布水平较高,水质中具有较大量的碱性污染物。从水质pH 波幅来看,三个补给点方案中均在5月～9月分布递减,整体为偏酸性水质；而在2月～5月中三个方案中pH 值具有跳跃性变化,特别是在中、下游补给点方案中,3月～5月中pH 值最大波幅分别达24.6%、62.4%。笔者认为,皂河水质pH 值变化波幅与季节降雨密切相关,当降雨较频繁且地下径流活动较活跃,则皂河水质pH 值受稀释较大,由此可见皂河水质污染物以碱类为主；当进入冬季受降雨较少、径流量较少的影响,导致水质中和效果较弱,反映在pH 值水平较高[15]。

对比三个补给点方案pH 值变化可知,上游补给点方案中pH 值最大为8.16,全年pH 平均值为6,而中、下游河道全年平均pH 值较之分别增大了34.7%与减少了16.3%,表明上游补给点方案中对皂河水质净化稀释效果较佳。中、下游补给方案中水质pH 值最大水平均接近10,即补给点供应水源无法有效稀释碱类污染物,故选择合理补给点对提升水质具有重要意义。而在皂河流域内雨季5月～9月,上游补给方案中平均pH 值为5.6,而中、下游补给方案中在该时序内最大pH值超过7。因而,河道水质净化水源补给点应靠近上游区段。

3.2 化学污染物含量变化

对皂河水质模型分析,可获得河道断面上化学污染物含量在全年各月分布变化,见图7。从COD 含量、氨氮含量变化可知,两者具有相似性,但又具有各自变化特点；在全年各月时序上,不论是COD 含量亦或是氨氮含量,均从1月～2月份高含量水平开始递减,直至7月～9月份达到最低水平,最终在11月～12月份达到另一峰值水平；有所不同的是,COD含量在11月～12月份内分布稳定,而氨氮含量在该时序段内受波幅影响较大,如在下游补给点方案中11月、12月份氨氮含量差幅可达18.6%。

图7 水质污染物含量受补给点影响变化特征

对比补给点方案下污染物含量差异性可知,COD 含量水平最低为上游补给点方案,其全年COD 含量平均值为25.1 mg/L,峰值位于1月～2月,达43 mg/L,而中、下游补给方案中COD 含量的平均值较之分别增长了72.5%、129.5%。在冬季10月～12月稳定段内,上游补给点COD 含量稳定在25.3 mg/L,而下游补给方案中该时段内COD 含量受补水路径影响,仍然具有较高水平,达62.1 mg/L。分析认为,上游补给方案中补水路径更短、对下游水力势能影响更大,更有助于排污、冲淤,对水质污染物的迁移能力更大,故表现在污染物含量水平更低。氨氮含量中不同方案间差异更显著,上游补给方案中河道平均氨氮含量为0.79 mg/L,而中、下游方案含量较之具有88.6%、146.8%增幅,且中、下游氨氮含量在全年各月中波幅性较大,特别是在降雨与地表活动径流影响下,在7月或9月中仍有氨氮含量增长,此与区段内地表径流造成的地表污染物回流、汇水等原因,引起氨氮含量水平增高。综合pH 值与化学污染物含量变化特征,认为上游补给点方案更利于水质净化。

4 补给量对河道水质演变影响

4.1 pH 值变化

为研究水源补给量对河道水质演变特征影响,本文给出不同补给量方案下全年河道水质pH 值变化,见图8。从图中可知,并不是补给量愈大,河道水质pH 值更趋中和,当水源补给量过多时,河道水质并未发生较明显中和,而是维持在与低补给量方案相当的pH 水平,表明高补给量方案下净化“技术”优势并未呈现。在补给量为1500 万m3方案中,河道水质pH 值最大为10.38,平均值为8.7,而在高补给量5500 万m3方案中全年河道水质pH 值较前者差幅不超过10%；在各补给量方案中,以补给量3500 万m3方案下水质pH 维持在中和状态,而其他方案中或由于净化量不够,或因为净化量超过河道水质承载量,其水质pH 值均未处于较理想状态[16]。笔者认为,当水源补给量过多时,且超过河道水质最大承载量后,此时河道内水质主体已不再是原有皂河,而补给水源成为皂河内主水体,原皂河水体中污染物演变成新主水体的污染源,进而表现出水质pH 值偏碱性或酸性。

图8 水质pH 值受补给量影响变化特征

4.2 化学污染物含量变化

同理,从水质模型中提取获得化学污染物含量变化特征,见图9。基于COD 含量与氨氮含量的变化可知,当补给量愈多,COD 含量先减后增变化,而氨氮含量的变化具有一致性,呈递减态势；在补给量为1500 万m3时,河道全年各月COD平均含量为46.4mg/L,而以补给量3500 万m3为变化节点,在该节点前COD 平均含量随补给量方案变化具有降幅26.3%,当补给量超过3500 万m3时,COD 平均含量增长46.6%。氨氮含量在各补给量方案对比中,平均含量降幅为17.4%。从两个参数的表现结果来看,COD 含量受补给量影响出现逆转性变化特征,为避免河道净化后水质COD 含量出现“反哺”现象,应控制水源补给量在3500 万m3以下[17]。另一方面,氨氮含量受补给量影响,在各方案中的变幅有所差异,尤以补给量方案3500 万m3后,该方案后的氨氮含量平均降幅较小,特别是在冬季11月～12月及1月～2月。综合分析认为,确定水源补给量在3500 万m3时不论是COD 含量亦或是氨氮含量,均处于较佳净化状态。