郗梓添

水庫水質(zhì)評價與生態(tài)浮床法治理設(shè)計研究

郗梓添

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

以清河水庫為例，通過模糊評價方法確定了水庫地表水質(zhì)均為III類，COD含量偏高。鑒于此，提出采用生態(tài)浮床治理的方案，明確浮床設(shè)計選擇要素與基本斷面形式，并針對結(jié)構(gòu)的錨固繩索、錨固端以及配重等荷載進行復(fù)核，結(jié)果滿足規(guī)范要求，以期為類似研究提供借鑒。

水庫樞紐；水質(zhì)評價；模糊評價；生態(tài)浮床；結(jié)構(gòu)復(fù)核

水利工程的設(shè)計與建設(shè)也要同時兼顧環(huán)境保護，盡量減少對環(huán)境的改變與破壞。水質(zhì)評價是水環(huán)境污染治理的第一步，也是關(guān)鍵步驟[1-2]。在確定水質(zhì)污染程度后，還需要采取生物、化學或設(shè)置攔污柵等工程類方法對其進行恢復(fù)治理，凈化水質(zhì)，直至其滿足生產(chǎn)生活需要。

1 工程概況

清河水庫位于遼寧省鐵嶺市清河區(qū)、遼河中游左岸一級支流清河干流下游，是遼寧省著名七大水庫之一。清河水庫建于1958年～1962年。水庫水面廣闊，東西長30 km，南北寬2.5 km，控制面積2376 km2，最大庫容9.71億m3，大壩長1622 m，高39.6 m。清河水庫為大（II）型水庫，按千年一遇洪水設(shè)計，萬年一遇洪水校核。清河水庫水系見圖1。

圖1 清河水庫水系圖

2 水質(zhì)監(jiān)測與水質(zhì)評價

2.1 水質(zhì)監(jiān)測項目與布設(shè)

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）及《水環(huán)境監(jiān)測范》（SL219-98）進行水質(zhì)監(jiān)測。選擇水溫、pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)等32項指標作為監(jiān)測項目。清河水庫壩前和清河水庫入庫口每月上旬監(jiān)測一次，全年共監(jiān)測12次，清河水庫庫中在5月～10月的每月上旬監(jiān)測一次，全年共監(jiān)測6次。對采樣現(xiàn)場監(jiān)控，對實驗室分析發(fā)放的平行樣、回收、內(nèi)控樣和全程序空白進行監(jiān)控，監(jiān)測結(jié)果全部在質(zhì)量控制范圍內(nèi)。

依據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL219-98）規(guī)定進行點位采樣，監(jiān)測點位3個，分別為清河水庫入庫口、清河水庫庫中、清河水庫壩前，采樣深度在水面下0.5 m處。

2.2 基于模糊評價法的水庫水質(zhì)評價

2.2.1 模糊評價法原理與步驟

模糊評價法是一種通過建立評價因子集、評價集、隸屬函數(shù)和權(quán)重集合，從而實現(xiàn)各水體樣本的質(zhì)量等級綜合評判的方法。模糊評價法因其實現(xiàn)簡單，可以反映單因子對水質(zhì)評價結(jié)果的影響，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評價工作中[3]。其計算過程如下：

（1）結(jié)合評價對象實際情況，建立評價因子集：U（u1u1…un），其中ui為對象各個影響因子，同時建立與之相應(yīng)的的評級集合V（v1v1…vn），本文中vi為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）給出的各因子等級。

（2）對每個因子ui賦予相應(yīng)的權(quán)重ai，其計算公式為：

式中：ci為第i種污染物實測濃度；si為第i種污染各級標準值算數(shù)平均值。并對計算結(jié)果進行歸一化處理。

（3）根據(jù)各指標隸屬各水質(zhì)等級，確定不同“降半梯形”的隸屬函數(shù)，其形式如下：上式中，rij表示第i個評價因子相對于指標標準j的相對隸屬度。通過上述計算得到模糊關(guān)系矩陣Rij。

2.2.2 水質(zhì)評價結(jié)果

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)，建立評價因子權(quán)重系數(shù)表，見表1。可以看出COD權(quán)重系數(shù)最大。根據(jù)表1與現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得到模糊評價法水庫隸屬度系數(shù)結(jié)果表。模糊評價法水庫隸屬度系數(shù)結(jié)果見表3。

表3為基于模糊綜合評級數(shù)學模型的清河水庫水質(zhì)評價結(jié)果，從表中可以看出，根據(jù)隸屬度最大原則，清河水庫入庫口水質(zhì)監(jiān)測點地表水等級為III，其對應(yīng)的隸屬度最大為0.081176，因此第一個水質(zhì)監(jiān)測點清河水庫入庫口水質(zhì)評價的結(jié)果為III類水。在清河水庫第二個監(jiān)測點，即為清河水庫的庫區(qū)中點處，結(jié)合隸屬度最大原則，其隸屬度最大值為0.167622，其所對應(yīng)的水質(zhì)等級為III類，同樣依據(jù)隸屬度最大原則，清河水庫第三個水質(zhì)監(jiān)測點即水庫壩前水質(zhì)監(jiān)測點，其水質(zhì)經(jīng)過模擬綜合評價數(shù)學模型評價后和前面兩個水庫監(jiān)測點水質(zhì)評價結(jié)果一致，其地表水水質(zhì)等級也為III類。綜上，結(jié)合清河水庫水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用模糊綜合評價數(shù)學模型評價后，在清河水庫三個水質(zhì)監(jiān)測點即水庫入庫口，水庫中心處以及水庫壩前其地表水質(zhì)均為III類。

3 生態(tài)浮床設(shè)計

根據(jù)以上分析，清河水庫三個水質(zhì)監(jiān)測點即水庫入庫口、水庫中心處以及水庫壩前其地表水質(zhì)均為III類，且COD權(quán)重系數(shù)最大，對水質(zhì)影響最大?；诖送ㄟ^設(shè)計生態(tài)浮床，降低COD（化學需氧量）；同時人工營造一個動物、微生物良好的生長環(huán)境，提高水體的自凈能力，從而修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)，達到自然生態(tài)的平衡[4]。

3.1 生態(tài)浮床控制參數(shù)

生態(tài)浮床控制性物理特性主要包括水溫、流速、水深、底質(zhì)條件、含氧量、光照等，而生態(tài)浮床設(shè)計需盡可能模擬水生植物的生境條件。綜合考慮污染區(qū)域的生境特征，以及水生植物選用特點，確定生態(tài)浮床的生境控制標準如下：（1）浮床平均淹沒高度約0.3～0.5 m。飄浮式浮床的淹沒高度相對固定，根據(jù)浮子設(shè)計情況可控制位0.5 m左右，卵石層表面的高程隨水位變動而改變。（2）確定生態(tài)浮床的流速范圍為0.5～2.0 m/s。（3）生態(tài)浮床水溫為15～25°C；（4）生態(tài)浮床基質(zhì)材料為卵石、砂礫、水草等混合底質(zhì)，其中卵石直徑D50=20 mm[5]。

3.2 生態(tài)浮床斷面設(shè)計

漂浮式生態(tài)浮床的基本原理為通過重力和浮子（擬采用浮筒）浮力形成受力平衡，頂部浮筒提供浮力同時控制著生態(tài)浮床的淹沒水深，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性由配重通過鎖鏈提供。生態(tài)浮床由雙層結(jié)構(gòu)組成，上層填充大網(wǎng)眼的海綿，在海綿切孔內(nèi)種植香蒲等挺水水生植物，其葉片、根莖可為魚類產(chǎn)卵提供著床基質(zhì)和餌料來源；下層分別構(gòu)造卵石鋪層區(qū)塊和植被種植區(qū)塊，形成異質(zhì)性的產(chǎn)卵棲息平臺[6]。

表1 水質(zhì)評價因子權(quán)重系數(shù)表

表2 模糊評價法水庫隸屬度系數(shù)結(jié)果表

表3 模糊綜合評估法水質(zhì)評價結(jié)果表

圖3 生態(tài)浮床斷面設(shè)計圖

圖4 生態(tài)浮床單體上下層結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 單體結(jié)構(gòu)受力示意圖

表4 生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果表

生態(tài)浮床漂浮單體的主骨架為纏上泡沫聚苯乙烯的鋼制框架，根據(jù)棲息生境要求，初步確定框架尺寸為4.0 m× 4.0 m×0.5 m，框架的長度和寬度可根據(jù)需要進行適當調(diào)整，高度需滿足生態(tài)浮床淹沒水深要求。圖3為生態(tài)浮床縱斷面設(shè)計圖，圖4為生態(tài)浮床單體上下層結(jié)構(gòu)示意圖。

3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核

運行階段，生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)所經(jīng)受的荷載主要由以下幾個部分組成，見圖5：自重荷載Wt、浮力Ft、水流力Fw、配重拉力Ts等（忽略風浪作用荷載影響）。為確保結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，需對結(jié)構(gòu)的錨固繩索、錨固端以及配重等荷載進行復(fù)核。

參考《港口工程荷載規(guī)范》(JTS144-1-2010)，漂浮于水中的結(jié)構(gòu)所受的水流力可簡化為：

式中：Fw為水流力標準值(kN)；Cw為水流阻力系數(shù)；ρ為水密度，取值1.0(t/m3)；V為水流設(shè)計流速，取3.0(m/s)；A為結(jié)構(gòu)在與流向垂直平面上的投影面積（m2）。

假定浮床位置最大流速為2.0 m/s，則浮床所受最大水流力約7.2 kN（浮筒完全淹沒）。不同鎖鏈傾角對應(yīng)的單體結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果見表4，以鎖鏈傾角45°為例，鎖鏈及鎖扣設(shè)計張拉強度必須大于12.25 kN，配重重量約5.68 t。

4 結(jié)論

本文通過模糊評價方法確定了清河水庫入庫口，水庫中心處以及水庫壩前其地表水質(zhì)均為III類，且COD為主要污染因子。針對水質(zhì)評價結(jié)果本文提出了生態(tài)浮床治理方法，最后為確保結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，需對結(jié)構(gòu)的錨固繩索、錨固端以及配重等荷載進行復(fù)核。計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。本文對水庫水質(zhì)評價與治理具有一定的參考價值。

在水質(zhì)評價工作中，模糊評價法無法反應(yīng)綜合反應(yīng)水質(zhì)結(jié)果，同時當COD較大時，還應(yīng)對水體富營養(yǎng)化程度進行分析。由于生態(tài)浮床是一種新的結(jié)構(gòu)型式，規(guī)范給出的公式還不完善，還應(yīng)采用數(shù)值模擬計算方法確定其應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。

[1]王肖肖,張妙仙,徐兵兵.模糊標識指數(shù)與對應(yīng)分析法在水質(zhì)評價中的聯(lián)合應(yīng)用[J].環(huán)境科學學報,2012,05:1227-1235.

[2]徐兵兵,張妙仙,王肖肖.改進的模糊層次分析法在南苕溪臨安段水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學學報,2011,09:2066-2072.

[3]楊靜.改進的模糊綜合評價法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[D].重慶大學,2014.

[4]劉婭琴,鄒國燕,宋祥甫,付子軾,劉福興,潘琦,范潔群.富營養(yǎng)水體浮游植物群落對新型生態(tài)浮床的響應(yīng)[J].環(huán)境科學研究, 2011,11:1233-1241.

[5]胥丁文,陳玲娜,馬前.生態(tài)浮床技術(shù)的應(yīng)用及研究新進展[J].中國給水排水,2010,14:11-15.

[6]曹勇,孫從軍.生態(tài)浮床的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].環(huán)境科學與技術(shù),2009,02: 121-124.

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1673-9000（2017）02-0167-03

2016-12-18

郗梓添（1987-），男，遼寧黑山人，助理工程師，主要從事水資源與水質(zhì)評價工作。