農(nóng)村河道不同生態(tài)治理模式數(shù)值模擬

胡 樂，謝夢(mèng)瑤，劉曉璇，吳 迪，高玉琴

（1.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇南京 210029；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098）

農(nóng)村河道承擔(dān)著防洪、排澇、灌溉、引水、景觀娛樂等功能，與人們的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，但由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、養(yǎng)殖業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)制造業(yè)的快速發(fā)展以及農(nóng)村居民環(huán)保意識(shí)的薄弱，農(nóng)村河道普遍出現(xiàn)泥沙淤積、水體污染、河岸坍塌等問題。

國內(nèi)學(xué)者運(yùn)用水質(zhì)模型模擬河湖及水庫的水質(zhì)變化情況，取得了大量研究成果。郭鵬程等［1］利用MIKE21 模擬了生態(tài)湖的流動(dòng)及水體交換情況，對(duì)人工生態(tài)湖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；程桂［2］運(yùn)用SWMM 模型結(jié)合海綿城市水文過程模擬不同組合措施下區(qū)域的水質(zhì)變化；楊坤等［3］采用EFDC 模型定量預(yù)測烏東德水庫蓄水后的水質(zhì)演變過程；程揚(yáng)等［4］基于二維對(duì)流擴(kuò)散模型模擬生態(tài)清淤工程下的水庫水質(zhì)變化情況；翟敏婷等［5］基于QUAL2k 模型模擬了夏季和冬季的六種工況下礫石濾床對(duì)水質(zhì)的凈化效果；陳軍等［6］運(yùn)用MIKE21 中HD 模塊耦合Ecolab模塊，構(gòu)建了灞河流域水環(huán)境模型，分析灞河口的水質(zhì)特征。

國外學(xué)者對(duì)水質(zhì)模型也進(jìn)行多方面研究，Panda等［7］采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與MIKEI1相結(jié)合來預(yù)測水位和水質(zhì)的變化；Allam A［8］通過整合QUAL2K模型和遺傳算法模擬埃及尼羅河三角洲的Gharbia 河夏季和冬季的污染負(fù)荷減排量；Guangyi Deng等［9］采用MIKE11一維水動(dòng)力水質(zhì)模型和物理生境模型模擬了水庫運(yùn)行方案實(shí)施后的河流水質(zhì)和物理生境。

目前水質(zhì)模擬模型和模擬方法具有多樣性，在河流、湖泊和海洋等水質(zhì)模擬研究中取得了大量研究成果，但總體研究偏向于大中型河流和湖泊的水質(zhì)水量研究，對(duì)中小型河道的水質(zhì)模擬研究較少，尤其在針對(duì)中小河流生態(tài)治理措施對(duì)河道水質(zhì)的改善效果方面的研究少之又少，不同河道生態(tài)治理措施對(duì)河道水環(huán)境的影響還有待深入研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省無錫市錫山區(qū)位于長江三角洲腹地，地貌類型為長江三角洲沖洪積平原。境內(nèi)總體上構(gòu)成了“四縱四橫”骨干水系主框架，這些河道均是本區(qū)防洪、排澇、引水灌溉、通航的主要通道。本研究選取錫山區(qū)境內(nèi)一條未治理的農(nóng)村河道A 作為研究對(duì)象，其地理位置圖如圖1 所示。該河道河口寬19.6 m，橫斷面為概化為梯形，平均流速為0.1 m/s，河道為南北走向，規(guī)劃整治長度約為889 m，排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 研究數(shù)據(jù)

由于研究區(qū)河道規(guī)模小，流速緩，水位變幅小，未設(shè)有水文與水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)，因此采用2021 年每10 d一次的實(shí)測水位、流量數(shù)據(jù)以及2021年每月一次的COD、NH3-N、TP實(shí)測質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

1.3 模型原理

水動(dòng)力模塊（HD）采用一維非恒定流方程組（圣維南方程組）對(duì)水體非連續(xù)性運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬分析，該方程組反映了質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律。模型的控制方程為

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：Q為流量；x為沿水流方向的距離；A為過水?dāng)嗝婷娣e；t為時(shí)間坐標(biāo)；q為旁側(cè)入流量；g為重力加速度；h為水位；R為水力半徑；C為謝才系數(shù)；α為動(dòng)量修正系數(shù)。

水流中物質(zhì)在各處因質(zhì)量濃度差存在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，且隨河道平均流量運(yùn)移，對(duì)流擴(kuò)散方程模擬水體中溶解或懸浮的保守和非保守物質(zhì)的運(yùn)輸過程和一級(jí)線型衰減過程。

對(duì)流擴(kuò)散方程：

式中：x為距離坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；C為物質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；D為縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Q為流量，m3/s；K為衰減系數(shù)，1/d；C2為污染物源匯質(zhì)量濃度，mg/L。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建

水動(dòng)力模型構(gòu)建：農(nóng)村河道缺少斷面數(shù)據(jù)，在滿足模擬精度的前提下，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)及規(guī)劃資料，將河道斷面概化為梯形斷面。上游邊界為時(shí)間——流量序列，下游邊界為時(shí)間——水位序列。河長較短，河道形態(tài)變化小，因此河道糙率取全域值。

水質(zhì)模型構(gòu)建：外部邊界為研究河段上下邊界實(shí)測污染物質(zhì)量濃度，內(nèi)部邊界條件為距河道上邊界200 m 處的排污口和河道概化的底泥面源污染，參考《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中排污系數(shù)取值，結(jié)合現(xiàn)場對(duì)排污口的水質(zhì)檢測結(jié)果，確定污染物入河系數(shù)取為0.9。定期取樣測定并計(jì)算出底泥污染物中COD、NH3-N、TP 的入河貢獻(xiàn)量分別為14.4%、20.6%和18.3%。

2.2 參數(shù)率定與驗(yàn)證

河長較短，河道形態(tài)變化小，因此河道糙率取全域值0.032，水位模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

采用Nash-Sutcliffe 系數(shù)對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)估，公式為

通過參考國內(nèi)部分河流擴(kuò)散系數(shù)取值，初步確定河道擴(kuò)散系數(shù)，通過模擬值與實(shí)測值的比較不斷調(diào)整擴(kuò)散系數(shù)，最終確定研究河道的擴(kuò)散系數(shù)為8 m2/s。利用2021年1—12月的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，反復(fù)調(diào)試參數(shù)值優(yōu)化模型，最終確定所有的參數(shù)取值見表1。

表1 衰減系數(shù)參數(shù)取值

相應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

根據(jù)圖3，河道斷面水質(zhì)模擬值與實(shí)測值變化趨勢基本吻合，相對(duì)誤差在0.9%~1.33%之間，在合理誤差范圍內(nèi)，模型可用于河道的水質(zhì)模擬。

圖3 各水質(zhì)指標(biāo)模擬值與實(shí)測值對(duì)比

3 生態(tài)治理模式擬定

根據(jù)研究區(qū)河道生態(tài)治理前數(shù)值模擬結(jié)果分析，將對(duì)A 河進(jìn)行截污控制方案模擬作為基礎(chǔ)模式，運(yùn)用河道生態(tài)治理技術(shù)針對(duì)性地?cái)M定3 種生態(tài)治理模式：模式1（生態(tài)浮床+曝氣增氧）；模式2（仿木樁護(hù)坡+自然護(hù)坡）；模式3（水下森林）。選取錫山區(qū)采用以上生態(tài)治理模式的3 條農(nóng)村河道B 河、C 河和D 河，分別建立這3 條河道的水動(dòng)力水質(zhì)模型，通過率定得到3 種生態(tài)治理模式的衰減系數(shù)如表2所示。

表2 三種生態(tài)治理模式下的衰減系數(shù)率定值

4 模擬結(jié)果分析

4.1 污染源截污控制方案對(duì)河道水質(zhì)的影響

A河的主要污染物來源為生活污水和底泥內(nèi)源釋放，本文選取水質(zhì)較差的10 月份水質(zhì)數(shù)據(jù)，分別模擬實(shí)施排污口截流和清淤疏浚后的水質(zhì)情況，與河道治理前水質(zhì)狀況進(jìn)行比較，如圖4所示。

由圖4可知，對(duì)生活污水進(jìn)行截流處理后，河道水質(zhì)有所提升，但效果不顯著，COD 平均降低0.05%，NH3-N 降低0.12%，TP 降低0.06%。進(jìn)行河道清淤后，河道沿程污染物質(zhì)量濃度降低，對(duì)污染物質(zhì)量濃度分布曲線進(jìn)行擬合，計(jì)算平均每百米

圖4 污染物截污控制方案治理效果

污染物質(zhì)量濃度降低率，COD 降低0.48%，NH3-N降低1.42%，TP 降低0.15%，河道水質(zhì)得到有效改善。清淤疏浚的治理效果優(yōu)于排污口截流，說明該河道水質(zhì)主要受底泥內(nèi)源污染的影響，河道沿程污染物逐漸累積，至河道下邊界達(dá)到最大值，清除底泥污染源后河道水質(zhì)沿程逐漸改善；而排污口由于流量較小，且入河污染負(fù)荷不大，因此排污口截流后河段的污染物質(zhì)量濃度較治理前變化較小。

4.2 不同生態(tài)治理模式下的水位變化情況

4.2.1 天然流量下的水位變化情況

流量過程采用2021 年1—12 月的實(shí)測天然來水流量，通過水位模擬與現(xiàn)狀河道斷面對(duì)比分析，為河道的斷面設(shè)計(jì)提供參考。A-400斷面在3種河道生態(tài)治理模式下的水位變化情況如圖5所示。

圖5 河道水位變化情況

不同的河道生態(tài)治理模式對(duì)河道糙率的影響較大，在河道天然流量過程下，河道水位變化較大。根據(jù)水位計(jì)算結(jié)果，3 種模式下的河道水位相比于河道治理基礎(chǔ)模式分別升高0.3 m、0.78 m、0.92 m。因此在進(jìn)行河道生態(tài)治理時(shí)，應(yīng)充分考慮河道的過流能力，避免因河道治理導(dǎo)致河道漫堤，無法承擔(dān)防洪和灌溉等河道功能。

4.2.2 排澇標(biāo)準(zhǔn)下的水位變化情況

A 河為錫北鎮(zhèn)圩內(nèi)小型農(nóng)村河道，河道功能為排澇及景觀作用，因此僅計(jì)算河道在排澇標(biāo)準(zhǔn)下的水位變化情況。該地區(qū)的內(nèi)河排澇標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，A河集水面積為0.8 km2，來水流量按排澇模數(shù)M按每平方千米4.01 m3/s計(jì)算。

設(shè)計(jì)流量的計(jì)算公式為

計(jì)算得出A河的設(shè)計(jì)排澇流量為3.21 m3/s。

A河橫斷面為梯形，底坡較緩，可作為明渠均勻流進(jìn)行計(jì)算。A河河底高程為2.1 m，底寬6 m，兩岸邊坡1∶2，岸頂高程為5.53 m，設(shè)計(jì)安全超高為0.5 m，則最大過流水深為2.93 m。據(jù)曼寧公式（式（6））計(jì)算河道在不同生態(tài)治理模式下的排澇設(shè)計(jì)水位值，并復(fù)核河道過流能力，如表3所示。

表3 不同生態(tài)治理模式下河道過流能力計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，河道在基礎(chǔ)模式和模式2 兩種生態(tài)治理模式下，排澇設(shè)計(jì)水位為4.42 m和4.79 m，低于河道允許最高過流水位5.03 m，河道最大過流量為5.12 m3/s 和3.81 m3/s，大于河道設(shè)計(jì)排澇流量3.21 m3/s，河道斷面滿足排澇要求；河道在模式1 和模式3兩種生態(tài)治理模式下，排澇設(shè)計(jì)水位為5.4 m和5.56 m，高于河道允許最高過流水位5.03 m，河道最大過流量為2.52 m3/s 和2.27 m3/s，小于河道設(shè)計(jì)排澇流量3.21 m3/s，河道斷面不滿足排澇要求。因此在進(jìn)行河道整治時(shí)，需要結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的河道具體情況，適當(dāng)采取增大河寬、降低河底高程、增大河道底坡等方法增大河道斷面面積，提高河道過流能力。

4.3 不同生態(tài)治理模式對(duì)河道水質(zhì)的影響

將B、C、D 三條河道的衰減系數(shù)率定值代入A河，模擬A 河A-400 斷面在4 種不同治理模式下的COD、NH3-N、TP 的變化情況，模擬時(shí)間為2021 年1—12月，模擬結(jié)果見圖6。

由圖6分析可得，3種治理模式均對(duì)A河污染物有一定的降解作用。從3種模式對(duì)污染物的年平均降解效果來看，對(duì)于COD 指標(biāo)，模式3（0.55%）＞模式1（0.41%）＞模式2（0.19%）；對(duì)于NH3-N指標(biāo)，模式3（0.80%）＞模式1（0.56%）＞模式2（0.39%）；對(duì)于TP指標(biāo)，模式3（0.68%）＞模式1（0.57%）＞模式2（0.26%）。從總體降解效果上看，模式3＞模式1＞模式2，這是由于模式3水下森林系統(tǒng)構(gòu)建出的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，通過物理吸附、植物吸收和微生物分解等物理、生物和化學(xué)反應(yīng)共同作用，各反應(yīng)之間相互影響，相互促進(jìn)，形成了降解污染物的高效循環(huán)系統(tǒng)。模式1 生態(tài)浮床+曝氣增氧系統(tǒng)作用原理與模式3水下森林類似，模式1浮床面積較小，構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)中動(dòng)植物和微生物數(shù)量遠(yuǎn)小于模式3，但增設(shè)的曝氣增氧設(shè)施增大了水體中的含氧量，提高了水生動(dòng)植物和微生物的活性，因此對(duì)河道污染物的降解效果僅次于模式1。

圖6 不同治理模式下河道污染物濃度隨時(shí)間的相對(duì)變化率

從時(shí)間上看，基礎(chǔ)模式下A 河河道污染物質(zhì)量濃度總體表現(xiàn)為夏季污染物質(zhì)量濃度較低，春秋冬三季污染物質(zhì)量濃度較高。A河水質(zhì)主要受上游來水影響，夏季水量相對(duì)充沛，動(dòng)植物活性較高，水質(zhì)相對(duì)較好；而春秋冬三季水量相對(duì)較小，春秋季節(jié)化肥農(nóng)藥使用量較大，殘留的污染物通過渠道排入河中，加上秋冬季節(jié)植物衰敗腐爛，混合在河道底泥中形成內(nèi)源污染，因此河道水質(zhì)較差。從3 種模式對(duì)污染物降解效果的時(shí)間變化規(guī)律上看，不同時(shí)期的污染物質(zhì)量濃度變化較大，而污染物降解速率變化較小，不同污染物質(zhì)量濃度下，降解速率相差在3%以內(nèi)，說明當(dāng)污染物質(zhì)量濃度在一定范圍內(nèi)時(shí)，污染物的降解速率不受污染物質(zhì)量濃度影響。

5 結(jié) 論

本文模擬了錫山區(qū)未治理的農(nóng)村河道A 河在排污口截流與清淤疏浚2 種措施下的水質(zhì)改善效果，并在此基礎(chǔ)上，分別模擬在3種不同生態(tài)治理模式下的水位、水質(zhì)變化情況。主要結(jié)論如下：

（1）該河道水質(zhì)主要受底泥內(nèi)源污染的影響，入河污染負(fù)荷不大，清除底泥污染源后河道水質(zhì)沿程逐漸改善。

（2）在河道排澇標(biāo)準(zhǔn)下，基礎(chǔ)模式和模式2兩種生態(tài)治理模式下的排澇設(shè)計(jì)水位低于河道允許最高過流水位，模式1 和模式3 兩種生態(tài)治理模式下的排澇設(shè)計(jì)水位高于河道允許最高過流水位，需要對(duì)河道斷面進(jìn)行擴(kuò)建。

（3）3 種治理模式均對(duì)A 河污染物有一定的降解作用，從總體降解效果上看，模式3＞模式1＞模式2。對(duì)于同一污染指標(biāo)，模式3 的降解速率最大，對(duì)于同一模式，NH3-N的降解速率最大。