清原满族自治县山区河道生态治理模式模拟研究

2023-12-13范世鹏

黑龙江水利科技 2023年11期

范世鹏

(清原满族自治县清原镇综合事务服务中心,辽宁抚顺 113300)

山区河道具有水流持续时间段、水量水位变化大等特点,山区河流被污染或破坏不仅会导致行洪功能下降引发自然灾害,还会给当地农田、居民和生态环境造成严重影响[1]。因此,结合河道特点实施生态治理,增强河流自洁能力与清洁度,改善流域自然环境具有重要意义。

为全面掌握水质变化情况许多学者利用水质模型开展了深入研究,并取得丰硕的成果,如刘晓等以三峡库区干支流为例,应用EFDC模型在线联机运算预测了总氮、总磷、化学需氧量等污染因子变化情况;杜丹丹等以乌梁素海为例,运用综合营养状态指数(TLI)探讨分析水体营养状态及其关键影响因子;田莘冉等利用风险模型分析河流水环境质量状况,科学评价了12个河流断面2011—2015年的水质风险等级;张秀菊等以通州区新江海站点为例,利用支持向量回归的水质预测模型揭示水体TP、NH3-N含量变化趋势;秦云等结合梁子湖采样数据,采用方差分析法评定其水质等级;刘晖等通过采集湖水重金属和微量元素等数据,采用多元统计法评定了湖库底泥及水质状况;程桂等针对海绵城市水文过程,利用SWMM模型分析了不同方案措施下的水质状况;郭鹏程等以生态湖为例,应用MIKE21模型预测分析了水体交换及流动状况,为优化设计人工生态提供数据支持[2-9]。因此,用于海洋、河湖、河流等水质模拟的方法和模型较多,但主要侧重于大中型湖泊和河流的水量水质分析,对中小型河道的水质模拟特别是山区河道生态治理改善河流水质的研究还鲜有报道,有必要深入探究河流水环境受不同生态治理方案的影响作用。

1 研究方法

1.1 研究区概况

清原满族自治县位于抚顺市北端,地处辽东山地丘陵区,地势西北低,东南高,总面积约4000km2。境内水库、河流众多,柳河、柴河、清河、浑河均发源于本地,水源充沛,水质清澈,共有主、支流103条,总流长183km。清原县担负着供应营口、盘锦、鞍山、辽阳、铁岭、抚顺、沈阳等辽宁中部城市群居民生活和工农业生产用水的重要使命,这是全国九大重点水源地之一,全省重要用材林与水源涵养林基地[10-11]。文章选取清原县山区河道——清河为研究对象,河流全长159km,比降1.58‰,流域面积5150km2。其中,山地面积占整个流域的85%,上游山地海拔400～800m,山坡较陡,一般在30°～45°,岩石多露头,植被较好[12-13]。

1.2 数据来源

由于研究区河道未设水质与水文监测站点,故选用2020年每月实测TP、NH3-N、COD实质量浓度数据以及每10d实测流量、水位数据进行分析。

1.3 水动力模型

水动力模块就是对非连续性运动规律水体利用一维非恒定流方程组模拟分析的方法,其连续和动量控制方程如下:

(1)

(2)

式中:x为沿主河道流向的距离,m;t为时间,s;A、Q、h为过水断面面积,m2、流量,m3和水位,m;q、a、g为旁侧入流流量,m3/s、动量校正系数和重力加速度,m/s2;C、R为谢才系数和水力半径,m。

由于各处的质量浓度不同,水流中的物质存在扩散运动且随平均流量运移,可利用对流扩散方程模拟悬浮或溶解于水体的物质一级线性衰减过程和运输过程,对流扩散方程的数学表达式如下:

(3)

式中:C、C2为污染物及其源汇质量浓度,ml/L;D、K为纵向扩散系数(m2/s)和衰减系数(1/d),其它参数含义同上。

1.4 建模与率定

通过以下方式构建水动力模型:考虑到山区河道断面数据缺乏的情况,在符合模拟精度的情况下降河道断面按照规划资料和实测数据概化成地形断面,上、下游边界为时间-流量和时间-水位序列,全域河道糙率统一取0.033。采用以下方法构建水质模型:内、外部边界条件取概化的底泥面源污染河道或距离河道上边界200m处排污口以及研究河段上下边界污染物实测质量浓度,依据排污口水质现场检测数据确定污染物入河系数0.9。结合定期监测数据,计算TP、NH3-N、COD的入河贡献率为16.2%、18.5%和12.6%[14-16]。

对模型精度利用Nash-Sutcliffe系数评估,具体如下:

(4)

根据相关研究成果初步确定扩散系数,通过比较实测值与模拟值确定最终的扩散系数为8m2/s。采用2020年每月实测水质数据率定模型参数,经多次调试优化确定TP、NH3-N、COD水质指标衰减系数为0.12/d、0.10/d和0.11/d,实测和模拟水质数据如图1所示。结果表明,实测与模拟河道断面水质具有相同的变化趋势,相对误差处于0.8%～1.2%范围,该模型精度较高可以用于不同生态治理模式下的水质模拟。

(a)COD指标

(b)NH3-N指标

(c)TP指标

1.5 拟定生态治理模式

根据数值模拟结果和山区河道特征,将截污控制设定为清河治理的基准模式,采用生态治理技术拟定曝气增氧+生态浮床、自然护坡+仿木桩护坡和水下森林3种模式。针对3种模式建立相应的水动力水质模型,经率定计算确定适用于不同模式的衰减系数,如表2所示。

表2 衰减系数率定值

2 结果与分析

2.1 污染源截污控制下的水质

经实地调查,底泥内源释放和生活污水为清河污染物主要来源,故研究选取水质较差的11月数据模拟分析清淤疏浚和排污口截流实施前、后的水质状况,如图2所示。

(a)COD指标

(b)NH3-N指标

(c)TP指标

从图2可以看出,排污口截流在一定程度上改善了河流水质,但其提升效果不明显,TP、NH3-N、COD质量浓度平均降幅只有0.19%、0.23%和0.11%;清淤疏浚可以有效降低沿程污染物浓度,通过拟合分析浓度分布曲线确定TP、NH3-N、COD质量浓度平均降幅为5.19%、8.63%和3.52%,明显改善了河流水质。因此,清淤疏浚高于排污口截流整治效果,说明底泥内源污染是该河流水质主要影响因素,沿程污染物不断累积至下边界出现最大值,底泥污染源被清除后使得沿程水质明显改善;由于入河污染负荷不大且流量较小,排污口截流实施前、后的污染物含量相差不大。

2.2 不同生态治理模式下的水位

1)天然流量条件。依据清河2020年各月实测来水量分析其流量过程,并对比分析河道断面现状与模拟水位,基准模式和曝气增氧+生态浮床、自然护坡+仿木桩护坡、水下森林生态模式下的水位变化如图3所示。

图3 水位变化模拟值

河道糙率受生态治理模式的影响显著,天然流量过程中河道水位出现较大变化。从图3可以看出,曝气增氧+生态浮床、自然护坡+仿木桩护坡、水下森林模式相较于基准模式河道水位平均提高0.89m、0.43m和1.09m。因此,河道生态治理应考虑天然过流能力,以防因河道治理降低其农田灌溉、防洪排涝等基本功能。

2)排涝标准条件下。由于清河主要发挥人文景观和防洪排涝功能,故仅考虑排涝标准下的水位特征。根据该地区排涝标准合理选择排涝模数M为4.05m3/s,并考虑清河集水面积S计算设计排涝流量为4.28m3/s,计算公式为:Q设=M·S。

清河两岸边坡1∶2,河底与岸顶高程为2.2m、5.0m,底宽6m,安全超高0.5m,计算确定最大过流水深3.12m。采用曼宁公式确定曝气增氧+生态浮床、自然护坡+仿木桩护坡、水下森林模式下的排涝设计水位如表3所示,并校核过流能力,曼宁公式如下:

(5)

表3 河道过流能力计算值

结果表明,在自然护坡+仿木桩护坡和基准模式下排涝设计水位4.82m、4.45m低于允许最高过流水位5.05m,相应的最大水深下的过流量3.84m3/s和5.15m3/s高于设计排涝流量4.28m3/s,这两种模式符合河道排涝要求;曝气增氧+生态浮床和水下森林模式下排涝设计水位5.45m、5.58m高于允许最高过流水位5.05m,相应的最大水深下的过流量2.55m3/s和2.40m3/s低于设计排涝流量4.28m3/s,这两种模型均不符合河道排涝要求。因此,河道生态治理应考虑具体情况,通过现场调查采取增大河道底坡、降低河底高程以及加大河宽等方式增强河道过流能力。

2.3 不同生态治理模式下的水质

采用不同治理模式下的衰减系数率定值,模拟曝气增氧+生态浮床、自然护坡+仿木桩护坡、水下森林模式下清河TP、NH3-N、COD随时间的相对变化率,结果如图4所示。

(a)COD指标

(b)NH3-N指标

(c)TP指标

从图3可以看出,曝气增氧+生态浮床、自然护坡+仿木桩护坡、水下森林治理模式均可以在一定程度上降低清河污染物。从降解效果上,从低到高对COD、NH3-N、TP的降解作用排序均为自然护坡+仿木桩护坡<曝气增氧+生态浮床<水下森林。这是因为水下森林模式可以利用微生物分解和植物吸收等生物、物理化学作用,形成相互促进、互相影响高降解污染物的循环系统。曝气增氧+生态浮床与水下森林的作用原理相近,但该模式构建的浮床范围小,形成的微生物和动植物数量较少,但增设的曝气增氧设施可以提高水生微生物和动植物活性,提高水体含氧量,所以也具有较好的降解效果。

从时间变化上,污染物质量浓度表现为春季、秋季和冬季较高,而夏季较低的变化趋势。受上游来水影响夏季水量充沛,河道内动植物具有较高活性,水质较好;而春季、秋季和冬季河流水量较少,加之春、秋季施用农药化肥量大,在降雨径流作用下污染物进入河流,且秋、冬季植物腐烂衰败沉积于河道底泥内,产生的一定的内源污染,所以该时段水质较差。从变化规律上,不同季节河道污染物浓度具有较大变化,而降解速率变化不大,不同浓度的污染物降解速率不超过5%,说明污染物浓度对齐降解速率的影响较低[17-18]。