華 昆

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116400)

1 河流概況

英那河發(fā)源于岫巖縣龍?zhí)多l(xiāng)老北溝，主要徑流莊河市黑島、吳爐、小孤山、大營子、塔嶺、仙人洞、三架山等鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及沙嶺農(nóng)場，自北向南徑流至黃家村注入黃海。英那河全長94.9km，流域面積1004km2，海拔高程653.1m，平均比降2.31‰，分布有二級支流1條和一級支流5條。河流下游河床為細(xì)砂，上游為卵石，年徑流量4.41億m3，平均徑流深439.2mm。近年來，英那河諸斷面水質(zhì)無法滿足水功能區(qū)要求，水質(zhì)多Ⅴ類或Ⅳ類，英那河主干支流河道符合一維水流水質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性。鑒于此，文章利用一維非恒定流水動(dòng)力方程構(gòu)建英那河的水生態(tài)數(shù)學(xué)模型，并預(yù)測了不同組合方案下生態(tài)修復(fù)措施的凈化效果，可為定量化優(yōu)選河道生態(tài)修復(fù)方案提供參考依據(jù)。

2 水生態(tài)數(shù)學(xué)模型

2.1 河網(wǎng)的概化

為了更加客觀的描述河流的自然水力特征，確保實(shí)際河網(wǎng)的輸水及調(diào)蓄能力與概化后的河網(wǎng)相一致，必須科學(xué)合理的概化河網(wǎng)。根據(jù)英那河實(shí)際情況確定模型概化范圍：大營子、仙人洞、吳爐、塔嶺、黑島、蔡家村以及沙嶺農(nóng)場，主要包括英那河、教場河、栗子房河、小峪河、二道河、下冰峪河、頭道溝河、沙河、二道溝河、棒槌溝河等河道，概化節(jié)點(diǎn)86個(gè)，總長度57.10km。

2.2 邊界條件

模型的計(jì)算邊界條件選取2018年棒槌溝河、教場河、支流沙河、干流冰峪溝等4個(gè)水文站點(diǎn)的實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)，而模型計(jì)算的水質(zhì)邊界條件為不考慮其余外部污染源條件下，各控制斷面2018年的水質(zhì)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3 水動(dòng)力學(xué)模型

2.3.1 模型方程

MIKE11是以一維圣維南方程組為基礎(chǔ)的河流水動(dòng)力模型，可以利用一維明渠非恒定流方程模擬預(yù)測河網(wǎng)、河流的水質(zhì)與水量，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水利工程規(guī)劃、流域水資源管理和洪水洪峰洪量預(yù)測等領(lǐng)域[1]。一般地，假定水流符合靜水壓力條件、河道坡降與斷面保持不變、水流為均質(zhì)流態(tài)且不可壓縮等，這也是應(yīng)用MIKE11模型的基本前提，通常選用隱式格式離散法求解動(dòng)量方程和水流連續(xù)方程，其表達(dá)式為：

(1)

(2)

式中：A、B、Q、R為過水?dāng)嗝婷娣e、寬度、流量和水力半徑；x、t為時(shí)間坐標(biāo)和位置坐標(biāo)；c、q為謝才系數(shù)與旁側(cè)入流量；z為水位。

2.3.2 水動(dòng)力模型率定

設(shè)定水動(dòng)力模型的計(jì)算時(shí)間步長1min，初始水位3.50，壁面糙率系數(shù)初始值0.03，模擬周期半年。將模型參數(shù)利用逐時(shí)斷面水位反復(fù)調(diào)整，最終確定英那河主干支流的糙率值為0.06-0.10范圍。結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)資料，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測水位的精準(zhǔn)度如圖1所示。

(a)干流冰峪溝

(b)支流沙河

(c)教場河

(d)棒槌溝河

從圖1可以看出，水動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測的水位誤差處于1.5-4.2cm區(qū)間，水位實(shí)測值與模擬值變化趨勢保持較好一致性，該模型具有較準(zhǔn)確的水位模擬效果。

2.4 水質(zhì)模型

2.4.1 對流擴(kuò)散模型

如表根據(jù)MIKE11 HD模塊獲取的水動(dòng)力條件模擬水流中物質(zhì)的擴(kuò)散與對流過程，可利用下式構(gòu)造非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，即：

(3)

式中：S、Sc為單位時(shí)間單位河長污染源的排放量和模擬物質(zhì)濃度的衰減項(xiàng)；Ex、C為縱向擴(kuò)散系數(shù)和模擬的物質(zhì)濃度。

考慮實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定率定系數(shù)，即利用下式獲取對流擴(kuò)散系數(shù)D：

D=aVb

(4)

式中：V為水動(dòng)力計(jì)算的流速；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[2]。

2.4.2 水生態(tài)模型

為客觀反映河流的生態(tài)、生物、物理、化學(xué)過程以及各狀態(tài)變量間的相互作用，考慮應(yīng)用模型的EcoLab模塊，通過耦合AD對流擴(kuò)散模型、HD水動(dòng)力模型和水生態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)對流擴(kuò)散的水生態(tài)整合模擬、生化反應(yīng)和傳輸機(jī)理分析[3]。河流的主要產(chǎn)氧過程是大氣的復(fù)氧作用和植物的光合作用，而主要的耗氧過程有還原性物質(zhì)及碳氮化合物的氧化、動(dòng)植物的消耗和底泥的消耗等。對此，建立平衡方程如下：

(5)

硝化反應(yīng)、有機(jī)物的降解產(chǎn)生、水生植物的吸收等為水體中氨氮濃度的主要變化過程[4]，由此構(gòu)建的平衡方程如下：

(6)

式中：DDO、BBOD、NNH4為溶解氧濃度、生化需氧量濃度和氨氮濃度；K2、K3、K4為大氣復(fù)氧系數(shù)、生化需氧量降解系數(shù)和硝化系數(shù)；CS、KS為飽和、半飽和狀態(tài)下的溶解氧濃度；θ2、θ3、θ4為呼吸作用、生化需氧量降解過程和硝化過程的Arrhenius溫度系數(shù)；B1、P1為微生物及動(dòng)植物的耗氧速率和光合作用的產(chǎn)氧速率；R為呼吸作用速率；Y1為BBOD降解生成氨氮的轉(zhuǎn)變率。

2.4.3 水質(zhì)模型率定

為率定模型的主要參數(shù)及檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木珳?zhǔn)度，擬定了3種不同的河道生態(tài)修復(fù)方案，即自然護(hù)坡與生態(tài)濕地組合、生態(tài)護(hù)岸與生態(tài)浮床組合、底泥疏浚與生態(tài)護(hù)岸組合方案，選擇不同治理?xiàng)l件下的5條河道率定水質(zhì)模型參數(shù)，如表1所示。河道的主要污染因子有NH3-N、BOD5、COD，并對各項(xiàng)污染因子在不同生態(tài)修復(fù)措施下的降解系數(shù)進(jìn)行預(yù)測模擬[5]。

表1 英那河典型河道概況

根據(jù)各污染物降解過程在中小型流速較緩河道中符合一級動(dòng)力學(xué)的特性[6]，建立相應(yīng)的降解方程為：

?C/?t=-kC

(7)

式中：t、C為反應(yīng)持續(xù)時(shí)間和某污染物的濃度；k為降解系數(shù)。采用微積分的思想對上式兩邊處理，則有：

InCt=-kt+InC0

(8)

式中：C0、Ct為污染物的初始濃度和第t天的濃度。

采用以上公式對主要污染因子在各生態(tài)修復(fù)措施下的降解系數(shù)求解，如圖2。然后以污染因子的降解速率作為英那河水質(zhì)模型的主要參數(shù)，即確定污染因子在各修復(fù)措施下的降解速率，并對模型利用流域水動(dòng)力特征及實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)率定，擴(kuò)散系數(shù)率定后的取值為5-10，率定值如表2所示。

表2 河道生態(tài)修復(fù)的參數(shù)率定值

為更好的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性選擇沙河斷面的DO、NH3-N、BOD、COD作為對比指標(biāo)，如圖3所示。從圖3可以看出，水質(zhì)實(shí)測值與模擬值具有較高的吻合度，模型預(yù)測的水質(zhì)相對誤差處于1.8%-6.2%范圍，對于水質(zhì)的模擬分析表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性[7]。

綜上分析，各污染因子在不同修復(fù)措施下的參數(shù)值存在一定差異，其中具有相似降解速率的因子有BOD和COD，關(guān)于這兩項(xiàng)因子降解速率最快的為生態(tài)濕地修復(fù)措施，其次為生態(tài)浮床或自然護(hù)坡與木樁組合措施?？紤]有機(jī)物降解氮產(chǎn)生量與硝化作用速率對水中氨氮濃度的影響，生態(tài)濕度具有最明顯的氨氮去除效果，可見生態(tài)濕度具有最為明顯的污染物去除效果。

3 生態(tài)修復(fù)效果

對英那河水質(zhì)變化情況利用模型進(jìn)行預(yù)測分析，從而反映3種生態(tài)修復(fù)方案凈化水質(zhì)的效果，預(yù)測期內(nèi)的污染負(fù)荷取各河道2018年的污染因子平均值，不同情景下的模擬基準(zhǔn)設(shè)定為2018年的水文條件。將Eco Lab模型中的參數(shù)利用各修復(fù)措施的率定值(表2)適當(dāng)調(diào)整，通過集成運(yùn)算MIKE11模型的AD、HD模塊，實(shí)現(xiàn)各生態(tài)修復(fù)方案的水質(zhì)凈化效果數(shù)值模擬。

3.1 生態(tài)護(hù)岸與底泥疏浚方案

在Mike11 Eco lab模型中輸入生態(tài)護(hù)岸、底泥疏浚的主要參數(shù)，并以生態(tài)護(hù)岸和底泥疏浚的參數(shù)值設(shè)定河網(wǎng)東、西片河段，保持其它條件不變的情況下英那河河流水質(zhì)變化趨勢如圖4所示。

從圖4可知，10個(gè)月后采取底泥疏浚與生態(tài)護(hù)岸方案的COD、BOD5、NH3-N平均值減少了4.36mg/L、1.06mg/L、0.15mg/L，下降幅度依次為14.6%、20.1%、17.8%，而DO值增大了0.96mg/L，增大幅度26.4%。此外，從變化趨勢的角度分析，方案初期具有更好的水質(zhì)凈化效果，主要污染物濃度在后期表現(xiàn)出增大的變化趨勢，其原因?yàn)榉桨赋跗谟行Э刂屏藘?nèi)源污染及減少了污染物濃度，各污染物濃度隨著底泥的再次沉積呈不斷上升趨勢。

3.2 生態(tài)護(hù)岸與生態(tài)浮床方案

在Mike11 Eco lab模型中輸入生態(tài)護(hù)岸、生態(tài)浮床的主要參數(shù)，并以生態(tài)護(hù)岸和生態(tài)浮床的參數(shù)值設(shè)定河網(wǎng)東、西片河段，保持其它條件不變的情況下英那河河流水質(zhì)變化趨勢如圖5所示。

從圖5可知，10個(gè)月后采取生態(tài)浮床與生態(tài)護(hù)岸方案的COD、BOD5平均值減少了5.57mg/L、0.86mg/L，下降幅度依次為18.1%、17.0%，而DO值增大了1.45mg/L，增大幅度37.2%。

3.3 自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地方案

在Mike11 Eco lab模型中輸入自然護(hù)坡+木樁、生態(tài)濕地的主要參數(shù)，并以生態(tài)濕地和自然護(hù)坡+木樁的參數(shù)值設(shè)定河網(wǎng)南、北片河段，保持其它條件不變的情況下英那河河流水質(zhì)變化趨勢如圖6所示。

從圖6可知，10個(gè)月后采取自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地方案的COD、BOD5、NH3-N平均值減少了7.40mg/L、1.36mg/L、0.18mg/L，下降幅度依次為24.2%、27.5%、21.9%，而DO值增大了1.63mg/L，增大幅度45.1%。

總體而言，在提升水質(zhì)方案3種生態(tài)修復(fù)方案均表現(xiàn)出明顯的效果，考慮表2的率定值對比生態(tài)浮床與生態(tài)護(hù)岸、底泥疏浚與生態(tài)護(hù)岸方案。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者的主要差異為實(shí)施了生態(tài)浮床和底泥疏浚措施。針對各污染物底泥疏浚的降解速率明顯低于生態(tài)浮床，但底泥疏浚有更高的NH3-N、BOD5削減量，其原因?yàn)榈啄嗍杩３跗诿黠@減少了污染物濃度，有效控制了內(nèi)源污染，因此該措施具有更高的污染物削減量。相對于底泥疏浚和生態(tài)浮床，自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地具有更加顯著的污染物削減量，該措施較其它修復(fù)方案具有更快的污染物降解速率，所以具有最為明顯的水質(zhì)改善效果。此外，在改善水環(huán)境的同時(shí)自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地方案能夠形成多層次綠化界面，通過打造水生態(tài)景觀更好的突出生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，為水文化及水美鄉(xiāng)村建設(shè)提供有利條件。因此，綜合考慮各方面條件確定最優(yōu)方案為自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地方案。

4 結(jié) 論

1)采用水生態(tài)數(shù)學(xué)模型量化預(yù)測了不同生態(tài)修復(fù)方案改善英那河的水環(huán)境效果，為優(yōu)選河道治理方案提供決策依據(jù)。

2)綜合考慮各方面因素確定最優(yōu)方案為自然護(hù)坡+木樁與生態(tài)濕地方案，該方案具有最為顯著的水質(zhì)改善效果，通過打造水生態(tài)景觀更好的突出生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。對于平原地區(qū)河道的整治，應(yīng)優(yōu)先考慮生態(tài)濕地修復(fù)措施。

3)河道治理實(shí)際工程中應(yīng)考慮景觀效果、管護(hù)難易程度、投資成本等約束條件，利用水生態(tài)數(shù)學(xué)模型確定最佳的整治方案。