水庫(kù)河口消落區(qū)水文條件改造及環(huán)境效應(yīng)

蘇廣宇 許士國(guó) 李懿健 謝楚依

(1.大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院, 大連 116024; 2.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 沈陽(yáng) 110006;3.廣西壯族自治區(qū)梧州水利電力設(shè)計(jì)院, 梧州 543002)

水庫(kù)河口消落區(qū)是支流與水庫(kù)的過(guò)渡地帶,具有陸地和水域的雙重屬性, 是一種特殊形式的濕地。作為支流入庫(kù)前最后的流經(jīng)區(qū), 河口消落區(qū)是支流入庫(kù)污染物削減的關(guān)鍵區(qū)域。受徑流沖刷影響, 河口消落區(qū)普遍存在河道下切問(wèn)題, 落干期支流徑流在河口消落區(qū)以主河道過(guò)流為主[1], 河流流速快、水力停留時(shí)間短。對(duì)于北方水庫(kù)而言,支流徑流量主要集中在洪水期, 大部分河道和灘地多數(shù)時(shí)間處于落干閑置狀態(tài), 河道對(duì)徑流較低的凈化效率限制了河口消落區(qū)對(duì)入庫(kù)徑流污染物的削減作用。通過(guò)有效手段充分利用河道和灘地空間, 強(qiáng)化河口消落區(qū)對(duì)徑流的凈化能力, 對(duì)削減流域污染物輸入, 改善水庫(kù)水質(zhì)具有至關(guān)重要的意義。

人工濕地因其較高的處理效率、良好的生態(tài)效應(yīng)和較低的處理成本[2], 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于河流進(jìn)入湖庫(kù)污染物的削減中。翟玥[3]、陳佳秋等[4]和修春海等[5]分別對(duì)洱海、白洋淀和玉清湖水庫(kù)支流河口濕地的研究表明, 人工濕地對(duì)河流進(jìn)入湖庫(kù)徑流中的污染物具有良好的削減作用, 但在現(xiàn)有研究中, 濕地多建在河口旁側(cè)并通過(guò)引水實(shí)現(xiàn)對(duì)徑流的凈化, 從而降低洪水對(duì)濕地運(yùn)行的影響, 這需要較大的額外空間, 而直接利用河口原有河道和灘地的人工濕地研究較少。

本文以碧流河水庫(kù)八家河河口消落區(qū)為研究對(duì)象, 開(kāi)展通過(guò)設(shè)置多級(jí)潛壩而改變水文條件, 構(gòu)建表面流人工濕地, 提升水庫(kù)河口消落區(qū)凈化效能的技術(shù)體系研究, 分析工程前后區(qū)域植被的變化和對(duì)徑流的凈化效果, 以期為類(lèi)似工程提供工程示范和理論支持。

1 材料與方法

1.1 河口消落區(qū)的水文條件改造技術(shù)

水庫(kù)河口消落區(qū)水文條件改造技術(shù)是在河口消落區(qū)內(nèi)設(shè)置阻水建筑攔蓄徑流, 通過(guò)抬高水位擴(kuò)大水面面積, 減緩水流流速, 提高水力停留時(shí)間改變主河道的集中過(guò)流造成的不利水文條件。隨著水文條件的改變, 在不進(jìn)行人工干預(yù)的前提下, 濕地內(nèi)的水生生物群落也將逐漸形成, 發(fā)揮其水質(zhì)凈化功能和生態(tài)效應(yīng)[6], 從而形成表面流人工濕地。表面流人工濕地不存在填料堵塞的問(wèn)題, 生態(tài)效益更高、適應(yīng)性更強(qiáng)[7]、洪水后維護(hù)成本也更低, 將其應(yīng)用于河口消落區(qū)具有更好的適用性。隨著河道水位提高, 灘地的地下潛水也會(huì)隨之上漲, 灘地植被條件也會(huì)隨之改善。

采用稍高出灘地的潛壩攔蓄地表徑流能夠減少洪水對(duì)建筑穩(wěn)定性的影響。潛壩也需要對(duì)地下滲流進(jìn)行一定程度的攔截, 一方面防止過(guò)多來(lái)水經(jīng)由滲流流失, 另一方面能夠避免過(guò)度的地下滲流對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性造成影響。為了適應(yīng)地形較大的高程變化范圍, 采用多級(jí)潛壩分級(jí)攔蓄徑流, 最終在河口消落區(qū)形成串聯(lián)的多級(jí)表面流人工濕地(圖1)。濕地中水深的差異會(huì)促使水生植物自然形成挺水植物和沉水植物的組合, 這也有利于提高濕地對(duì)污染物的去除效率[8]。根據(jù)水深和植物種類(lèi)不同, 濕地可以劃分為兩個(gè)區(qū)域, 水深較大的區(qū)域即各級(jí)濕地下游段主河道和靠近壩前的部分灘地為沉水植物區(qū), 其他水深較小的區(qū)域即大部分灘地和各級(jí)濕地上游主河道為挺水植物區(qū)。

圖1 水文條件改造斷面示意圖Fig.1 Section diagram of hydrological elements transformation

1.2 研究區(qū)域概況

碧流河水庫(kù)位于大連市北部, 總庫(kù)容9.3×108km3,日供水量超過(guò)1×106m3/d, 是大連市最主要的水源地。水庫(kù)水質(zhì)總體達(dá)到Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn), 但也存在總氮常年超標(biāo), 鐵、錳等部分指標(biāo)區(qū)域性、季節(jié)性超標(biāo)等問(wèn)題[9]。碧流河水庫(kù)流域年降水量變化幅度大[10],豐水年和枯水年相差3倍以上, 這使得水庫(kù)水位年際波動(dòng)大, 消落區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)多年落干的情況。

八家河位于碧流河水庫(kù)右岸, 是水庫(kù)的第三大支流, 流域面積113.7 km2, 多年平均徑流量約43500 m3/d。八家河流域內(nèi)污染源主要是農(nóng)田退水、農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染, 水質(zhì)總體達(dá)到地表Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 但總氮超標(biāo)嚴(yán)重[11]。八家河河口消落區(qū)平坦開(kāi)闊, 兩側(cè)為山地, 上游段左岸分布有村莊, 上游和中游部分灘地在落干期被居民侵占用于種植玉米、大豆等農(nóng)作物。研究區(qū)域內(nèi)土壤以礫砂為主, 部分區(qū)域存在卵石夾層, 徑流在落干期的沖刷在河口區(qū)內(nèi)形成了較為穩(wěn)定的主河道,經(jīng)過(guò)多年的沖刷, 尤其是在2013—2019年經(jīng)歷了連續(xù)多年的落干期, 河道下切問(wèn)題嚴(yán)重, 主河道與兩岸灘地地面高差普遍在1 m以上, 主河道內(nèi)日常水深普遍在0.5 m以下, 水面最大寬度16.2 m。2019年冬季對(duì)潛水位的調(diào)查顯示, 灘地潛水深度在地面以下2.5 m以內(nèi), 潛水位在河道兩側(cè)與河道水面高程基本一致, 隨著與河道距離的增加, 部分?jǐn)嗝鏉撍恢饾u降低, 部分?jǐn)嗝婵赡苁軆蓚?cè)山谷地下水補(bǔ)給影響潛水位有所升高, 變化幅度0.5—1 m。在中游段的左岸和下游段的左右兩岸分別有一條支流匯入, 三條支流除洪水期外流量極小, 部分時(shí)間處于斷流狀態(tài)。

1.3 八家河河口濕地關(guān)鍵參數(shù)

流量及水質(zhì)受流域降水規(guī)律影響, 八家河流量在年內(nèi)和年際波動(dòng)較大, 設(shè)計(jì)流量采用八家河多年平均徑流量43500 m3/d。設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)采用上游斷面2018年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)四舍五入至十分位后數(shù)值,八家河徑流總磷(TP)和氨氮(NH3-N)能夠達(dá)到地表Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 但總氮(TN)超過(guò)地表Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1.5倍, 改造后的濕地對(duì)污染物具有一定的削減效果, 但由于原有TN濃度較高, 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)的TN仍達(dá)不到地表Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 濕地設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 The design influent and effluent water quality of the wetland

潛壩參數(shù)水文條件的改造主要依靠潛壩實(shí)現(xiàn), 潛壩的布置需要綜合考慮濕地效果、洪水影響和水庫(kù)水位漲落的影響[12]。在八家河河口消落區(qū)共設(shè)置四級(jí)潛壩(圖2), 壩頂高程依次為68.1、67.0、65.5和64.5 m。潛壩地面以上部分采用疊砌的格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu), 內(nèi)置豎向土工膜進(jìn)行防滲, 根據(jù)高滲透性的礫砂層和卵石層的分布深度確定土工膜截潛深度4 m。濕地內(nèi)植物由其自然生長(zhǎng), 不進(jìn)行人工干預(yù)。

圖2 八家河河口消落區(qū)濕地平面圖Fig.2 Plan of wetland in Bajia River Estuary Riparian Zone

濕地參數(shù)變化八家河河口消落區(qū)改造后,水位最大提高2 m, 濕地總水面面積增加15.8倍, 水力停留時(shí)間增加38倍, 表面水力負(fù)荷降低93.9%(表2)。

表2 改造前后主要參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of main parameters before and after transformation

1.4 分析方法

地表分析方法本研究選用歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)作為反映區(qū)域植被和水面變化的參數(shù)。研究使用由歐洲航天局提供的Sentinel-2多光譜成像衛(wèi)星影像數(shù)據(jù), 覆蓋13個(gè)光譜段, 地面最高分辨率10 m, 單顆衛(wèi)星重訪周期10d, 兩顆衛(wèi)星互補(bǔ)周期5d[13]。將2019年和2020年的5至7月作為研究時(shí)段, 選擇每月最接近15日的有效影像用于分析。采用SNAP軟件對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理, 將研究區(qū)域各波段的分辨率統(tǒng)一為10 m, 使用ENVI 5.1軟件將近紅外波段、紅光波段和綠光波段合成為標(biāo)準(zhǔn)假彩色遙感影像, 計(jì)算各象元NDVI, 計(jì)算公式如下[14]:

式中,NDVI為各象元?dú)w一化植被指數(shù);INIR、IR分別為各象元近紅外波段和紅光波段的反射率。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)在工程建設(shè)前的2019年9月和10月, 以及工程建設(shè)后的2020年1月、3月、5月和7月對(duì)濕地入口和各級(jí)潛壩壩址處進(jìn)行水體樣本的采集, 共取樣6次。通過(guò)室內(nèi)化驗(yàn)分析水樣總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)和硝態(tài)氮(-N)濃度。TN分析采用堿性過(guò)硫酸鉀消解法, TP分析采用分光光度法,-N采用酚二磺酸法, NH3-N采用納氏試劑法。

2 結(jié)果

2.1 河口消落區(qū)NDVI變化

2019年和2020年的5—7月研究區(qū)域衛(wèi)星影像圖如圖3所示,NDVI如圖4所示。由衛(wèi)星影像可以看出, 2020年研究區(qū)域各月植被覆蓋條件好于2019年同期。2019年5—7月, 研究區(qū)域象元最低NDVI分別為0.01、0.08和0.10, 均大于0且呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì), 而被水覆蓋區(qū)域的NDVI一般小于0, 這表明改造前研究區(qū)域內(nèi)沒(méi)有地表全部為明水面的象元存在, 而2019年河道內(nèi)基本沒(méi)有水生植物, 由此可見(jiàn), 改造前研究區(qū)內(nèi)河道寬度窄, 水面面積小, 研究區(qū)域內(nèi)沒(méi)有被水面完全覆蓋的象元。2020年5—7月, 研究區(qū)域均存在較多數(shù)量的象元NDVI低于0, 隨著時(shí)間的推移, 挺水植物區(qū)內(nèi)NDVI低于0的象元數(shù)量逐漸減小。這表明改造工程顯著增加了水面面積, 隨著水文條件的改變, 在沒(méi)有人工種植的情況下, 挺水植物區(qū)內(nèi)的挺水植物長(zhǎng)勢(shì)良好并覆蓋了水面。

圖3 2019年和2020年的5月至7月研究區(qū)域衛(wèi)星影像圖Fig.3 Monthly distribution of satellite image in the study area from May to July in 2019 and 2020

圖4 2019年和2020年的5—7月研究區(qū)域逐月NDVI分布Fig.4 Monthly distribution of NDVI in the study area from May to July 2019 and 2020

在改造工程后, 研究區(qū)域陸地整體的NDVI較改造前有了較為明顯的提升, 左岸灘地植被研究區(qū)2020年5月、6月和7月的NDVI平均值較2019年同期分別增長(zhǎng)10.1%、23.7%和21.8%, 這表明改造工程抬高潛水位對(duì)灘地植被也具有較好的改善效果。

2.2 改造前后水質(zhì)變化

水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi), 進(jìn)水的TN濃度均高于設(shè)計(jì)進(jìn)水濃度, 其中, 冬季TN高于其他季節(jié)。八家河河口消落區(qū)在改造前對(duì)徑流TN也具有一定的凈化作用, 2019年10月濕地具有最高去除率為22.1%。在改造工程后, 2020年3月濕地對(duì)TN去除率為22.5%, 與2019年10月相當(dāng)。2020年5月至7月濕地對(duì)TN的去除率逐步增加, 7月去除率最高為72.6%。

圖5 濕地中各污染物延程濃度變化Fig.5 Concentration changes of the pollutants along the water flow direction in the wetland

進(jìn)水TP濃度在各月均能達(dá)到地表Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 冬季TP濃度高于其他季節(jié), TP去除率也更高。在改造工程前, TP濃度延程降低, 2019年11月的去除率最高, 達(dá)到74.4%; 在改造工程后, 濕地對(duì)于TP的去除率較低, 去除率除5月出水濃度低于檢測(cè)限去除率記為100%外, 其他兩個(gè)月份去除率均在30%左右。在前三級(jí)濕地, TP在不同時(shí)段均出現(xiàn)了某一級(jí)濕地出水濃度高于進(jìn)水現(xiàn)象。

河流NH3-N濃度總體較低, 能夠達(dá)到地表Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 但區(qū)域?qū)ζ淙コ实汀?019年10月和11月, 出水NH3-N濃度高于進(jìn)水, 12月去除率為14.8%。在改造工程后, 河口區(qū)對(duì)NH3-N的去除效果有所提高, 但總體去除率仍較低。在2020年3月出水濃度稍高于進(jìn)水濃度, 2020年5月和7月去除率分別為54.8%和4.1%。在前三級(jí)濕地, NH3-N在部分時(shí)段出現(xiàn)了某一級(jí)濕地出水濃度高于進(jìn)水的現(xiàn)象。

3 討論

3.1 河口消落區(qū)本底污染物對(duì)濕地運(yùn)行初期去除率的影響

改造工程對(duì)于研究區(qū)TP和NH3-N去除效率改善效果并不顯著。監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)濕地延程的TP和NH3-N濃度出現(xiàn)了某一級(jí)濕地出水濃度高于進(jìn)水的現(xiàn)象, 其中, NH3-N濃度波動(dòng)尤為明顯。水體中的TP和NH3-N在沒(méi)有外來(lái)輸入的條件下很難大量增加[15], 由此推斷, 這很可能是受外源污染物輸入的影響。采樣期間, 支流流量均較小且TP和NH3-N濃度也不高, 支流的匯入不會(huì)對(duì)水體TP和NH3-N濃度產(chǎn)生較大影響, TP和NH3-N濃度增長(zhǎng)很可能受河口消落區(qū)本底污染物影響。NH3-N濃度在改造工程前后均出現(xiàn)了某一級(jí)濕地出水濃度高于進(jìn)水的現(xiàn)象, 改造工程前監(jiān)測(cè)時(shí)段為秋冬季, 植物枯萎和腐爛分解的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量NH3-N[16], 其升高很可能受此影響。在改造工程后, 水體淹沒(méi)促使地表植物殘?bào)w、土壤和地表家畜糞便中的NH3-N析出進(jìn)入水體。其中, 增長(zhǎng)幅度最大的二級(jí)濕地也是兩岸灘地植物和農(nóng)田最為集中的河段。相比于NH3-N, 磷更多附著在顆粒物上, 這可能是改造前日常析出對(duì)徑流影響較小的原因。在改造工程后, 地表植物殘?bào)w、土壤和地表家畜糞便中的磷在水淹條件下進(jìn)入水體造成了部分濕地出水濃度高于進(jìn)水濃度, 但總體波動(dòng)較小。

由此可以推斷, 在運(yùn)行初期, 淹沒(méi)區(qū)域本底污染物析出會(huì)對(duì)濕地水質(zhì)產(chǎn)生明顯影響, 濕地對(duì)污染物的實(shí)際去除效果需要進(jìn)一步長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)才能最終確定。這也表明, 河口消落區(qū)水淹和秋冬季植物腐爛的過(guò)程中會(huì)向水庫(kù)水體中釋放大量污染物, 在庫(kù)區(qū)的水質(zhì)管理中應(yīng)及時(shí)收割消落區(qū)植物,加強(qiáng)消落區(qū)管理。

3.2 改造工程對(duì)污染物去除率的影響

受水庫(kù)水位上漲影響, 八家河消落區(qū)濕地的監(jiān)測(cè)時(shí)段較短, 缺少了改造工程前后同期數(shù)據(jù)的對(duì)比。在濕地建成后, 隨著由春季向夏季的轉(zhuǎn)變和溫度的升高, TN和-N的去除率大幅提高, 這也與已有研究成果一致[17,18], 因此, 改造前后非同期數(shù)據(jù)的對(duì)比應(yīng)加入對(duì)季節(jié)影響的考慮。表面流人工濕地在夏秋季去除率好于冬春季[19], 氣溫更低的2020年3月濕地對(duì)TN和-N的去除率與2019年10月相當(dāng), 高于氣溫接近的2019年11月, 這表明研究區(qū)在2020年3月對(duì)TN和-N的去除率相比于2019年11月得到了一定提高。濕地2020年7月對(duì)TN和-N去除率相對(duì)于2020年3月增長(zhǎng)了50.1%, 參照周林飛等[20]對(duì)氣候條件相似的石佛寺水庫(kù)人工濕地的監(jiān)測(cè), 穩(wěn)定運(yùn)行的表面流人工濕地汛期與非汛期的對(duì)TN和-N去除率差距一般在30%—40% , 考慮到2020年8月濕地對(duì)TN和-N去除率極有可能進(jìn)一步提高, 可以推斷, 2020年3月—2020年7月間, 隨著時(shí)間的推移, 改造工程對(duì)研究區(qū)TN和-N去除效率的改善效果在進(jìn)一步提高。改造后濕地表面水力負(fù)荷降低至0.22 m3/(m2·d),但是在表面流人工濕地中仍處于較高水平, 由于徑流污染物濃度相對(duì)一般污水污染物濃度低, 濕地污染負(fù)荷則處于中等偏低水平, 而最終72.6%的TN去除率和75.9%的-N去除率與常規(guī)的表面流人工濕地相比處于中上等水平[17,18,21—23]。與其他處理微污染河水的表面流人工濕地相比[24—26], 表面水力負(fù)荷則處于中等水平。與其他處理微污染河水的表面流人工濕地NH3-N的去除率均優(yōu)于-N,這與改造后的濕地相反, 一方面可能由于本底污染物析出的影響, 另一方面也可能由于其他濕地進(jìn)水NH3-N濃度更高, 在濕地內(nèi)的富氧條件下大量NH3-N通過(guò)硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為了-N。改造后濕地的-N的最高去除率好于其他研究成果, 而TN去除率也僅低于配備有曝氣裝置的兩級(jí)折流表面流人工濕地[25], 這可能與改造后濕地大面積深水區(qū)形成了更好的厭氧條件促進(jìn)了反硝化反應(yīng)和NH3-N在濕地內(nèi)轉(zhuǎn)化為-N的量較少有關(guān)。改造濕地TP的去除率低于其他處理微污染河水的表面流人工濕地TP 30%—78%的最高去除率, 除了主要受本底污染物析出影響外, 徑流中較低的TP濃度也可能是原因之一。改造前消落區(qū)主河道基本為自然河道, 對(duì)徑流的凈化主要依靠河道的自凈能力, 夏季與秋季相比, 河道對(duì)污染物去除率的提高幅度遠(yuǎn)小于人工濕地。綜上可以推斷, 即使在受到區(qū)域本底污染物析出影響的前提下, 改造工程仍有效提高了八家河消落區(qū)對(duì)入庫(kù)徑流中TN和-N的去除效率, 使其與常規(guī)表面流人工濕地的去除率相近。濕地中最后一級(jí)濕地對(duì)TN和-N仍有較高的去除率, 去除率甚至高于前三級(jí)濕地, 這可能由于其具有更高的水力停留時(shí)間和更低的水力負(fù)荷。這也表明出水中TN和-N仍有去除潛力, 建造更多級(jí)濕地可能進(jìn)一步提高TN和-N的去除率。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)八家河河口消落區(qū)人工濕地在改造前后區(qū)域水質(zhì)和植被變化的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn): (1)改造工程有效增加了河口消落區(qū)水面面積, 淺水區(qū)能夠快速形成挺水植物群落, 潛水位的提高也能夠有效改善灘地植被條件; (2)水淹區(qū)域本底污染物析出對(duì)濕地水質(zhì)產(chǎn)生了較大影響, 使得濕地延程的TP和NH3-N濃度出現(xiàn)了某一級(jí)濕地出水濃度高于進(jìn)水的現(xiàn)象;(3)改造工程顯著提高了河口消落區(qū)對(duì)徑流中TN和-N的去除效率, 受區(qū)域污染物輸出影響, 監(jiān)測(cè)結(jié)果中TP和NH3-N去除效率提升不明顯。由此可見(jiàn), 通過(guò)設(shè)置多級(jí)垂直于水流方向的潛壩對(duì)河口消落區(qū)的水文條件進(jìn)行人工改造, 形成多級(jí)表面流人工濕地, 能夠提高河口消落區(qū)濕地對(duì)徑流的凈化效能, 充分發(fā)揮河口區(qū)對(duì)流域輸出污染物的削減作用,也能夠促進(jìn)灘地植被的生長(zhǎng), 是提高河口消落區(qū)對(duì)徑流的凈化能力的有效措施。