平原河網(wǎng)地區(qū)生態(tài)調(diào)水實(shí)例研究——以溫瑞塘河瑞安段為例

王龍華,徐海波,吳劍峰,李東祥

(1.瑞安市水利局,浙江 瑞安 325200；2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020；3.瑞安市溫瑞塘河工程建設(shè)指揮部,浙江 瑞安 325200)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,污水的排放量日益增加,河流、湖泊等水環(huán)境急劇惡化,為此,我國(guó)大力開展了水體修復(fù)研究。目前,水體修復(fù)方法主要有：化學(xué)方法,如加入鐵鹽促進(jìn)磷沉淀,加入石灰石脫氮等；物理方法,如生態(tài)調(diào)水、底泥疏浚、機(jī)械除藻等；生物修復(fù),利用人工培育的植物、動(dòng)物、微生物等吸收、降解水體中的有機(jī)物,從而使水體凈化3類方法[1]。各類方法都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn),如化學(xué)方法見效快,但易產(chǎn)生二次污染；物理方法簡(jiǎn)單實(shí)用,但易反復(fù)；生物方法無二次污染,但受環(huán)境影響大。在選擇治理方法時(shí),應(yīng)盡量發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),盡可能地減少其負(fù)面效應(yīng)。在控污、截污未徹底的情況下,在有條件的地區(qū),適時(shí)進(jìn)行生態(tài)調(diào)水來改善水質(zhì),不失為一個(gè)短期內(nèi)見效快、投資少的一個(gè)好方法。但畢竟水資源有限,因此,科學(xué)調(diào)水、合理用水,提高調(diào)水效率就顯得尤為重要。本文結(jié)合溫瑞塘河瑞安段的生態(tài)調(diào)水實(shí)際情況,探討合適的生態(tài)調(diào)水控制方案。

1 生態(tài)調(diào)水的原理

生態(tài)調(diào)水是通過水資源的合理調(diào)配,通過增加水體流動(dòng)性、利用水質(zhì)較好的水體提高較差水體的水質(zhì),同時(shí)增加水體流動(dòng)性,進(jìn)而改善調(diào)水區(qū)域水環(huán)境的一種措施。生態(tài)調(diào)水不僅能夠增加水體的稀釋容量,也能通過增加水體的溶解氧來提升自凈能力,從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[2-3]。

(1)稀釋作用。將水質(zhì)較好的水引入受污水體并充分混合,能快速降低污染物質(zhì)在水體中的相對(duì)濃度,增大水體的凈污比,從而減輕了污染物質(zhì)在水體中的危害。例如杭州西湖就是通過生態(tài)調(diào)水,把清潔的錢塘江水引入西湖,從而降低了湖中的氮、磷以及有機(jī)物等的含量,從而改善了西湖的水質(zhì)。自2003年實(shí)施規(guī)模引水后,西湖就徹底擺脫了富營(yíng)養(yǎng)化的狀態(tài),近10多年來從未爆發(fā)大規(guī)模的藍(lán)藻[4]。

(2)富氧作用?！傲魉桓?戶樞不蠹”,指的就是流動(dòng)的水體富氧能力強(qiáng),溶解氧含量高,水質(zhì)好。溶解氧對(duì)水體至關(guān)重要,當(dāng)溶解氧含量不足時(shí),水生動(dòng)物因缺氧而死亡,好氧微生物被厭氧微生物所取代,水體中的有機(jī)物在厭氧微生物的作用下分解,從而導(dǎo)致水體發(fā)黑發(fā)臭。一般而言,靜態(tài)水體的富氧過程主要通過與大氣的氧分子交換,富氧系數(shù)為0.10～0.23,而紊流水體由于水體的紊動(dòng)效果,增加了水體與大氣的接觸面積,其富氧系數(shù)遠(yuǎn)高于靜態(tài)水體,最高可以達(dá)到0.35[5]。

2 生態(tài)調(diào)水的優(yōu)勢(shì)與局限性

2.1 生態(tài)調(diào)水的優(yōu)勢(shì)

目前我國(guó)在許多地方都采用生態(tài)調(diào)水來改善當(dāng)?shù)氐暮雍|(zhì),如南京玄武湖的引水工程,太湖的“引江濟(jì)太”工程以及滇池“活水工程”[6-8]等,與其它治理措施相比,生態(tài)調(diào)水具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)純粹依賴水體自凈作用,無負(fù)面影響。利用生態(tài)調(diào)水引入潔凈的水,降低了原受污水體中污染物質(zhì)如氮、磷等的含量,同時(shí)也增加了水體的溶解氧含量,有利于好氧微生物對(duì)污染物的降解。與化學(xué)方法相比,它不依賴于任何外來的物質(zhì),從而避免了二次污染；與生物法相比,它受外界環(huán)境干擾較小,可操作性更強(qiáng)。

(2)見效快,投資少。利用生態(tài)調(diào)水對(duì)原水進(jìn)行稀釋,能在較短時(shí)間內(nèi)改善水質(zhì),效果非常明顯。如果當(dāng)?shù)氐乃O(shè)施比較完善,則能大大降低引水成本。與化學(xué)方法相比,它不需要采取后續(xù)的打撈措施；與生物法相比,它不需要考慮溫度、陽光等外在條件。

(3)增加原水中的生物種類與數(shù)量。原受污水體污染物濃度高,溶解氧含量低,生物種類少。通過生態(tài)調(diào)水,不僅能彌補(bǔ)原水中的生物量,而且能增加水體中的溶解氧,從而大大加快微生物對(duì)污染物質(zhì)的降解。

2.2 生態(tài)調(diào)水的局限性

生態(tài)調(diào)水只是一種污染治理的輔助措施,難以從根本上治理污染,經(jīng)過多年的實(shí)踐檢驗(yàn)表明,主要存在以下不足之處：

(1)引水效果受水源水質(zhì)及引水量影響較大。生態(tài)調(diào)水的治理效果,關(guān)鍵取決于引水量及引水水質(zhì)。若引水水質(zhì)及水量不能達(dá)到要求,則引水效果會(huì)大打折扣。此外,引水渠在引流時(shí)是否會(huì)帶入一些新的污染物質(zhì),也必須在引水時(shí)考慮到,否則舊的污染物質(zhì)未除,又會(huì)引進(jìn)新的污染物質(zhì)。

(2)只能緩解污染效果,不能根治。生態(tài)調(diào)水只能增大凈污比,降低污染物質(zhì)的濃度,從而減輕污染效果。與化學(xué)、生物法相比,其根治效果并不理想。一般而言,生態(tài)調(diào)水適合于富營(yíng)養(yǎng)化水體,通過引水稀釋氮、磷含量,從而減輕水體的富營(yíng)養(yǎng)化,降低藍(lán)綠藻爆發(fā)的次數(shù)。

綜上所述,生態(tài)調(diào)水要求引用水源水質(zhì)較好、水量充裕,能夠在短期內(nèi)緩解水體水質(zhì)。浙江省部分沿海地區(qū)水庫蓄量較大,水質(zhì)較好,因此,這些地區(qū)在污染源未能較好控制的情況下,實(shí)施生態(tài)調(diào)水來改善水環(huán)境是較為合適的。

3 生態(tài)調(diào)水在溫瑞塘河瑞安段中的應(yīng)用研究

3.1 溫瑞塘河現(xiàn)狀

溫瑞塘河是溫州市境內(nèi)重要的水系之一,地處甌江以南、飛云江以北,跨越鹿城、甌海、龍灣、瑞安3區(qū)1市。溫瑞塘河主河道全長(zhǎng)33.82km,整個(gè)流域面積740km2,水面面積22km2,多年平均降雨量1694.8mm,年徑流量9.13億m3[9]。由于近年來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展很快,截污治污工程總體進(jìn)展相對(duì)滯后,未經(jīng)處理的污水入河現(xiàn)象仍然比較嚴(yán)重,因此,目前溫瑞塘河綜合整治工作面臨的形勢(shì)還是非常嚴(yán)峻。2003—2008年常規(guī)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)分析表明,溫瑞塘河大部分區(qū)域現(xiàn)狀水質(zhì)為劣Ⅴ類,主要超標(biāo)因子依次為氨氮、DO和BOD5。據(jù)相關(guān)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明,溫瑞塘河流域最大的污染源是生活污水,其中生活污水中的COD約占總量的80%,氨氮約占總量的57%。溫瑞塘河水環(huán)境功能區(qū)為多功能區(qū),水質(zhì)類別要求為Ⅳ類。

為此,浙江省各級(jí)政府均對(duì)溫瑞塘河綜合整治給予了高度關(guān)注,但溫瑞塘河綜合整治工作任重道遠(yuǎn),在截污治污工程沒有取得突破性進(jìn)展的情況下,生態(tài)調(diào)水促進(jìn)了水體的流動(dòng)、改善了塘河水質(zhì),是一項(xiàng)較行之有效的水污染治理措施。隨著珊溪水庫及趙山渡引水工程的建設(shè)完成,為瑞安市溫瑞塘河生態(tài)調(diào)水提供了較好的水源,增加了生態(tài)調(diào)水的可行性。

3.2 生態(tài)調(diào)水方案研究

河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型是研究水體隨時(shí)間和空間運(yùn)動(dòng)及水質(zhì)變化的重要手段之一,可以較好地模擬生態(tài)調(diào)水過程中河網(wǎng)內(nèi)水質(zhì)的變化過程,可以有效評(píng)定不同生態(tài)調(diào)水方案實(shí)施后的效果,從而為生態(tài)調(diào)水保障工程的布置以及調(diào)度提供依據(jù)。考慮到氨氮為溫瑞塘河河網(wǎng)內(nèi)最嚴(yán)重的污染因子,因此,此次選用氨氮作為模擬因子。

3.2.1 模型原理

目前一維河網(wǎng)水流水質(zhì)模型的計(jì)算軟件較多,有荷蘭水力學(xué)所的SOBEK、丹麥水力學(xué)所的MIKE11、美國(guó)陸軍兵團(tuán)HECRAS等?？紤]到MIKE11計(jì)算軟件具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、界面友好及前后處理方便等突出優(yōu)點(diǎn),此次選用MIKE11軟件。

3.2.1.1 水流模型

非定常水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程為一維非恒定流動(dòng)方程組：

式中：Z(x,t)為斷面平均水位,m；Q(x,t)為斷面流量,m3/s；A(x,t)為斷面面積,m2；u(x,t)為斷面平均流速,m/s；C為謝才系數(shù),qi為單位河長(zhǎng)上的支流流量,m3/s。

河網(wǎng)其內(nèi)邊界條件比較復(fù)雜,主要有支汊節(jié)點(diǎn)的處理,河網(wǎng)的支汊點(diǎn)有三汊、四汊 ……等多種方式,其處理辦法是利用交汊點(diǎn)上應(yīng)滿足：Z1=Z2=……=Zn

可以建立相應(yīng)的方程數(shù)及同等未知數(shù)求解。

求解上述方程時(shí),將河道離散成水位、流量相間的計(jì)算點(diǎn),采用6點(diǎn)Abbott差分格式求解。

3.2.1.2 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型以對(duì)流擴(kuò)散模型為基礎(chǔ),該模型考慮污染物的對(duì)流擴(kuò)散與線性降解,對(duì)流擴(kuò)散的基本工作方程為：

式中：C為污染物濃度,mg/L；D為污染物彌散系數(shù),m2/s；A為斷面過水面積,m2；Q為流量,m3/s；K為降解系數(shù),s-1；C2為污染物的點(diǎn)源濃度,mg/L；q為污染物的點(diǎn)源流量,m3/s；x為空間步長(zhǎng),m；t為時(shí)間步長(zhǎng),s。

定解條件為濃度的初值與邊界值。濃度初始條件：t=0,C(x,t)=C(x,0),邊界條件：當(dāng)x=0時(shí),C(x,t)=C(0,t),當(dāng)x=L時(shí),C(x,t)=C(L,t)。

對(duì)流擴(kuò)散方程求解采用隱式有限差分格式。

3.2.1.3 模型驗(yàn)證

學(xué)習(xí)以學(xué)生為主體，自主建構(gòu)知識(shí)意義，并不是說所有知識(shí)都能在某種仿真情境中建構(gòu)，仍有知識(shí)需要教師的課堂傳授和講解。就是相對(duì)適合情境教學(xué)的語言學(xué)習(xí)，也需要教師傳授詞匯語法等知識(shí)，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都讓學(xué)生在情境中構(gòu)建的想法既不實(shí)際，也不科學(xué)，例如第三單元是關(guān)于飛機(jī)遭遇雷擊的故事，讓學(xué)生親身經(jīng)歷這種情境簡(jiǎn)直是匪夷所思。多媒體可以是一個(gè)很好的教學(xué)工具，能夠幫助建立更多情境，但是教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)多媒體的依賴將大大增加。

(1)河網(wǎng)概化。經(jīng)統(tǒng)計(jì),正常高水位計(jì)算范圍內(nèi)河網(wǎng)的河道容積約為1444.3萬m3,概化后的河道容積為1410.9萬m3,兩者誤差為2.3%,可滿足精度的要求 (見圖1)。

圖1 河網(wǎng)概化圖

(2)模擬驗(yàn)證。此次對(duì)某時(shí)段溫瑞塘河瑞安段的水位及水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)位見圖1,經(jīng)模型模擬,水位誤差在0.02m以內(nèi),氨氮大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)誤差在20%以內(nèi),驗(yàn)證結(jié)果較合理可靠。率定的參數(shù)：糙率值n為0.03,彌散系數(shù)D=15m2/s,降解系數(shù)為0.05～0.07d-1。

3.2.2 不同方案條件生態(tài)調(diào)水效果影響研究

3.2.2.1 水閘開啟方式對(duì)生態(tài)調(diào)水效果影響研究

在調(diào)水期間,河網(wǎng)水可通過肖宅水閘、上埠水閘和下埠水閘流入飛云江。開啟不同的水閘會(huì)影響河網(wǎng)水質(zhì)的分布,此次對(duì)這3個(gè)水閘的不同開啟方案進(jìn)行了分析,水閘的開啟方案見表1。水閘開啟方案的效果比較時(shí),生態(tài)調(diào)水流量均取用5.7m3/s。根據(jù)水閘開啟方案的計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 水閘開啟方案表

表2 水閘開啟方案氨氮計(jì)算表 mg/L

由表2可知,方案5開啟上埠水閘和肖宅水閘相對(duì)其它方案而言,河網(wǎng)水質(zhì)的改善程度相對(duì)較高,各觀測(cè)點(diǎn)水質(zhì)濃度也相對(duì)較為均勻。

3.2.2.2 生態(tài)調(diào)水與削污組合措施對(duì)水質(zhì)影響研究

根據(jù)溫瑞塘河相關(guān)整治要求,對(duì)不同階段的污染負(fù)荷的削減提出較為明確的目標(biāo)(見表3),在不同的削污目標(biāo)下,所需要的生態(tài)調(diào)水量會(huì)有所不同,此次研究分析了不同生態(tài)調(diào)水量與削污相結(jié)合方案下的河道水質(zhì)改善情況,進(jìn)而為削污與生態(tài)調(diào)水的成效評(píng)估提供依據(jù)。此次模擬生態(tài)調(diào)水氨氮濃度為0.5mg/L。污染負(fù)荷水平與調(diào)水流量不同組合方案見表3。

表3 污染負(fù)荷水平與調(diào)水流量組合方案表

根據(jù)上述2種措施組合成各種計(jì)算方案的計(jì)算成果見表4。

表4 各方案下河網(wǎng)的氨氮濃度預(yù)測(cè)對(duì)比表 mg/L

由表4可知,污染負(fù)荷削減與生態(tài)調(diào)水均能有效改善水質(zhì),削減程度越高、調(diào)水量越大,水質(zhì)改善程度越高；從水質(zhì)目標(biāo)來看,如不調(diào)水,污染負(fù)荷削減需要達(dá)到表3中污染負(fù)荷削減的Ⅱ項(xiàng)要求,這也說明污染負(fù)荷的削減任重道遠(yuǎn),適當(dāng)進(jìn)行生態(tài)調(diào)水是較有效也較可行的方法。

3.2.2.3 生態(tài)調(diào)水停止后水質(zhì)變化研究

此次研究還對(duì)生態(tài)調(diào)水一定時(shí)間后,然后停止調(diào)水,水質(zhì)的變化趨勢(shì)情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,結(jié)果見圖3。

圖3 調(diào)水停止后各監(jiān)測(cè)日零時(shí)水質(zhì)變化趨勢(shì)圖

由圖3可知,停止調(diào)水后,河網(wǎng)水質(zhì)很快就趨于惡化,變化趨勢(shì)表現(xiàn)為前期變化幅度較快,一定時(shí)期后水質(zhì)變化趨于平緩,并穩(wěn)定下來。

3.2.3 生態(tài)調(diào)水保障及方式

結(jié)合前面分析,為保障生態(tài)調(diào)水的效果,可以：

(1)工程措施上,修建溫瑞塘河主塘河控制閘工程。一是可以提高溫瑞塘河溫州市區(qū)片的水位,二是可以將溫州市區(qū)片與瑞安片分開進(jìn)行調(diào)度,進(jìn)而提高調(diào)水效果。

(2)排江閘控制上,在生態(tài)調(diào)水期間采用上埠水閘和肖宅水閘組合控制,在調(diào)水前可適當(dāng)降低河網(wǎng)水位。

(3)調(diào)水方式可以采用引水2d,停1d的方式,保持水體的相對(duì)流動(dòng)性,同時(shí)可防止水質(zhì)反彈。

4 結(jié) 語

生態(tài)調(diào)水作為水環(huán)境治理的一種措施,在調(diào)水水質(zhì)及水量得以保障的前提下,不失為一種見效快且簡(jiǎn)單實(shí)用的方法,目前在引江濟(jì)太、西湖引水等工程都獲得了一定的成功。根據(jù)溫瑞塘河瑞安段的實(shí)踐可以看出：①污染負(fù)荷削減與生態(tài)調(diào)水均能有效改善水質(zhì),削減程度越高、調(diào)水量越大,水質(zhì)改善程度越高；②單純利用生態(tài)調(diào)水來達(dá)到水功能水質(zhì)要求,所需的生態(tài)調(diào)水量巨大,無法實(shí)現(xiàn),必須配合削污,且削污是根本；③根據(jù)當(dāng)?shù)匚廴炯昂泳W(wǎng)特點(diǎn),可采用間斷調(diào)水,不可長(zhǎng)時(shí)間停引,否則水質(zhì)將很快趨于惡化?？偟膩碚f,生態(tài)調(diào)水僅僅只是一種輔助方法,并不能從根本上消除水體污染,必須要從污染源控制、水體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等方面進(jìn)行根本性的治理。因此,各地在選擇生態(tài)調(diào)水時(shí),應(yīng)從當(dāng)?shù)貙?shí)際出發(fā),慎重選擇。

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