生态补水对城市河道水质的改善规律研究

周荏波

(东莞市南畲塱排站管理处，广东 东莞 523325)

在枯水期，常由于水量过小，导致城市河道水动力不足，进而影响流域的水质及河道的自洁能力，甚至会造成水域生态的失衡[1]。为了保持水域的生态平衡，常采用生态补水的方式改善枯水期水域的水质[2-3]。

目前，已有许多学者开展了关于生态补水对水域水质改善的研究。胡广早等[4]探讨了补水量对徐州区段的水质改善情况，但缺乏河道水动力与补水量的关系讨论。逄敏等[5]针对秦淮河水质，研究了南京防洪控源截污和生态补水的改善效率，但是对补水点设置和水源的选择思考不够深入。王雪等[6]探究了检测断面的水质参数，但未考虑河道干流与支流的关系。

针对上述问题，本文选取Mikell模型耦合模拟分析某河水域的水质情况，探究不同补水量和生态补水对河流水质水量改善效果，并结合水文地质特点，设置合适的补水点，选取合适的补水水源。

本文所研究的河流圈定范围为81.6 km2。由于城市排水系统规划问题，导致居民的生活污水和周边的生产污水排入河道，污染河水，造成研究区域水体的生态系统失衡，生态结构遭到破坏。在枯水期，由于水位下降，河道的自洁能力未能发挥作用，加剧了河水水质的恶化。

结合研究水域的水质特点，在研究生态补水对城市水质的影响规律时，取Mikell[7]模型进行建模分析。本文的水质研究模型主要利用Mikell模型的Ecolab、HD和AD三大模块耦合构建而成，并采用该模型探究生态补水措施对河流水质改善效果。Ecolab水质模块可以模拟降解有机物、硝化反应、磷反应、反硝化反应、大气富氧等相互作用过程，其原理基于降解反应方程，降解反应方程可以体现污染物之间的相互作用过程。

对研究水域进行河网概化后，骨干河道有8条，分别为A河、B河、C河、D河、E河、F河、G河、H河。其中，A河为干流，其余7条河道为支流。在进行流域概化时，调蓄作用小的河道被视为调蓄水面。在概化模型中，仅有橡胶坝一个建筑物，位于A河中游。

在进行污染源概化时，点源和排污口的位置一一对应，分布在河网中。在已建有处理规模为8×104m3/d的污水处理厂，据悉近日规模将再增加4×104m3/d，扩建为12×104m3/d，而该区的日均排污量可达25.71×104m3/d。因此，超出污水处理厂规模的污水将使用点源的方式排放，排入就近的支流河道中。采用Load calculator模块可以实现污染源面源的概化。据该区《人口年报汇总表》统计，将未接入城市污水管理系统的污染源如农村生活污水、生产污水、畜禽污水、城市生活污水等，污染河段的排污负荷量将根据就近原则，利用Mikell模型按照混合模型计算面源边界。

以河道枯水期的水位为模型计算的初始条件，选择2011年河道枯水期的水位流量为边界流量，其中C河与D河的边界流量为1 m3/s；
B河、C河、D河、E河、F河的边界水位为4.8 m。2011年A河下游枯水期的潮位变化趋势见图1。

图1 A河枯水期下游潮位

河床糙率是主要的水动力参数，采用HD模块模拟。n为曼宁系数，本文取n为0.03。Ecolab水质模块可以率定枯水期的水质参数，需要率定的参数主要有硝化程度、污染物降解速率、富氧率等。在《Ecolab水质模块参考手册》中可以查阅其他需要的定值参数。表1为研究流域的水质率定结果，检测面污染物的相对误差在表1中也有体现。由表1数据可知，C河与E河的TP浓度相对误差分别为40%和350%，远大于规范要求的12.5%；
其他河流的TP浓度误差均在12.5%以内。但H河与F河的TP浓度的绝对误差为0.02和0.07，均小于0.1，从绝对误差的角度考虑符合要求。因此，率定结果合理。

表1 各断面污染物计算值与实测值对比

4.1 补水水源选取

生态补水的水源多为雨水、江湖水库原水以及再生水[8]。但再生水的水质较差；
雨水的补给量不稳定；
江湖水库原水存在着运输距离远、输水效率低的问题。

选择该区某水厂原水作为补水水源。水厂原水以长江水为主，在控源截污后，接入研究水域系统进行补水。河流的干流中游建有橡胶坝，由于坝体的存在会影响补水效果，因此考虑在橡胶坝下游设置补水站来研究生态补水对河道水质水量改善效果。

4.2 补水方案设定

设置补水周期为7天，采用水厂原水的补水方案，详情见表2。由表2可知，根据补水类型可将补水方案分为两大类：间断补水和持续补水。其中，持续补水为全天候补水，补水量为10×104m3/d；
间断补水根据每天的补水量多少又分为3种类型，共设置4种补水方案。水厂的原供水规模为15×104m3/d，改造后供水规模可达25×104m3/d。

表2 水厂原水补水方案

污染物浓度削减率和流速分布是评价生态补水对研究水域改善效果的两个重要参数[9]。污染物浓度削减率评价又包含3个指标，即COD、NH3-N以及TP，可通过研究流域的断面污染物浓度实测值与理论值对比得到。而流速分布是体现水质状况的重要参数[10]，表征水的流动性，流速越大，水体的自洁能力越强。

5.1 方案效果比较

各方案处理后的河道断面污染物浓度与削减率的拟合计算理论值与实测值见表3。

表3 处理后的河道断面污染物的计算值与实测值

由表3数据可知，采用不同方式进行生态补水处理后，对研究水域的水质改善效果并不显著。方案3中污染物削减率最大，说明污染物的削减率与每天的补水量成正比。

为了评价不同的间断补水方案对河道水质水量改善效果，将方案1-方案3的污染物浓度削减率指标(COD、NH3-N以及TP)绘制成柱状图，并拟合出补水量增长与浓度削减率的关系曲线，以便更加清晰地比选措施方案，所得关系见图2 。

图2(a)为不同补水方案对A河与D河COD浓度削减率的影响趋势。由图2(a)可知，随着补水量的增大，COD的削减率呈现增大后减小的趋势，在补水量为10×104m3/d时，COD的削减率达到最大值。在方案1(5×104m3/d)中，有3条河道出现COD的削减率为负值的现象，这可能是由于补水量过小，支流的水动力不足，导致支流水体的稀释能力下降，COD削减率因此表现为下降趋势。

图2(b)为不同补水方案对干流A河与支流D河NH3-N浓度削减率的影响趋势。由图2(b)可知，随着补水量的增大，D河的NH3-N削减率呈现增大后减小的趋势，在补水量为10×104m3/d时，NH3-N的削减率达到最大值；
而A河的NH3-N削减率随补水量的增大而增大，在补水量达到10×104m3/d后，H3-N削减率的增大趋势有所减缓。在方案1(5×104m3/d)中，有部分河道出现NH3-N的削减率为负值的现象，与COD为负值的原因相同。

图2(c)为不同补水方案对干流A河与支流C河TP浓度削减率的影响趋势。由图2(c)可知，随着补水量的增大，C河的TP削减率呈现增大后减小的趋势，在补水量为10×104m3/d时，TP的削减率达到最大值。而A河的TP削减率随补水量的增大而增大，在补水量达到10×104m3/d后，基本保持不变。

由图2的分析可知，方案二的生态补水措施对A河的水质水量改善效果最好。虽然由表3数据可知，污染物浓度削减率最高的为方案3，但从长远的经济和生态的原则考虑，方案2要优于方案3。

根据表3数据，分析间断补水方案2与持续补水方案4的优劣。方案2的COD削减率与NH3-N削减率均大于方案4，TP的削减率略低于方案4，说明COD与NH3-N的削减采用间断补水更有利，而TP的削减则采用持续补水更有利。由于枯水期的A河超标污染物主要为COD与NH3-N，因此A河的生态补水方案选择间断补水每天8 h、补水量为10×104m3/d的方案2。

图2 间断补水方案COD、NH3-N、TP削减率的提高情况

5.2 最终方案效果分析

比较表3中方案2与对照组的污染物削减率可知，采用间断式的生态补水方案，改善前后其他河道的COD削减率均增大4%以上，仅有B河为2.04%。NH3-N与TP的削减率改善效果与COD削减率相当，其他河道的NH3-N与TP的削减率分别增大1%和3%以上，而B河的仅分别增大0.31%和0.52%。通过分析可以发现，B河的污染物削减率改善效果明显要弱于其他支流。这是因为B河相较于其他支流河道更曲折，并且长度更长，曲折的河道减小了支流水动力，导致水体的稀释能力降低，表现为生态补水后污染物削减率提升幅度要小于其他支流和干流。

方案2与对照组的研究水域流速分布见图3。由图3(a)可知，在对照组中，A河的橡胶坝上游河段水流流速均大于0.05 m/s，但H河的水流流速由于河道的多弯导致分布不均。A河的中游水流流速在0～0.02 m/s之间，这是由于水流被上游的橡胶坝阻截导致，造成支流的水流流速下降。由此可见，水厂的原水补水点应设置在橡胶坝下游。

图3(b)为采用方案2生态补水后的研究流域流速分布图。由图3(b)可知，生态补水后A河的中下游水流流速显著上升，增大为0.05～0.1 m/s，增大50%以上。相比于对照组，位于A河下游的支流在水厂原水补水后流速增大显著，但位于上游的支流流速变化不大。就流速的改善效果来看，下游支流末端改善不显著。

图3 对照组和方案2流速分布

本文选取Mikell模型耦合模拟分析某河水域的水质情况，模拟分析不同补水方案下污染物COD、NH3-N、TP削减率及流速分布变化，探究不同补水量和生态补水方案对河道水质改善效果。结论如下：

1) 考虑间断补水和持续补水，并且设置不同的补水量。经拟合和分析发现，随着补水量的增大，污染物浓度削减率呈现先增大后减小的趋势，在补水量为10×104m3/d时，污染物浓度削减率提升效果最为显著。当补水量相同时，采用间断补水对于流域的水质改善效果要优于持续补水。

2) 河道水体的流动性在生态补水后显著增加，水体流速提高，污染物浓度的削减率在生态补水后有所上升，水质得到改善。