水位變化對(duì)人工復(fù)式河道水質(zhì)凈化效果的影響

鄧 斌，孫藝峰，王雪松，張 剛

(1.中邦山水規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，吉林長春 130000；2.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林長春 130117；3.中邦匯澤園林環(huán)境建設(shè)有限公司，吉林長春 130000)

我國多數(shù)地區(qū)降水主要集中在夏秋兩季，隨著緯度的增高，降水逐漸向夏季集中。汛期降雨主要以暴雨形式出現(xiàn)，水資源的季節(jié)分布不均使洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)極高，河道的行洪功能顯得尤為重要。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和資源的不合理利用也給生態(tài)環(huán)境帶來了壓力和挑戰(zhàn)，水污染問題仍需進(jìn)一步解決。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，城市河道的防洪能力減弱、水體凈化能力下降、生態(tài)功能不斷喪失的問題越來越凸顯，河道治理問題也愈加受到社會(huì)各界人士的關(guān)注[1]。在城市河道治理過程中，綜合考慮防洪、凈水、景觀等因素而選擇適當(dāng)?shù)臄嗝嫘问?，是一?xiàng)十分重要的工作。

矩形斷面、梯形斷面、“U”形斷面和復(fù)式斷面是河道斷面常見類型，其中復(fù)式斷面河道綜合了枯水期和洪水期的過流和水位要求，可同時(shí)滿足河道生態(tài)和景觀效應(yīng)[2]及洪水期河道行洪功能，復(fù)式斷面的河道即復(fù)式河道成了河道治理中較為理想的形式。

復(fù)式河道，多指在斷面形態(tài)上具有明顯主河槽和灘地的河道，是自然界中較為常見的河道形態(tài)[3]，如黃河艾山河段、長江九江河段等[4]?，F(xiàn)階段我國關(guān)于復(fù)式河道的理論與實(shí)踐研究大多集中在復(fù)式河道的水流結(jié)構(gòu)、水流特性、過流能力、垂線流速分布規(guī)律、邊界剪切應(yīng)力的分布特征、灘槽相互作用的機(jī)理等水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)[5-7]方面，而對(duì)復(fù)式河道的凈水效果關(guān)注較少。復(fù)式河道由灘地和主河槽構(gòu)成，復(fù)式河道灘地基質(zhì)使水流擾動(dòng)可以促進(jìn)河流加強(qiáng)復(fù)氧過程，當(dāng)河水流經(jīng)基質(zhì)時(shí)也會(huì)被相應(yīng)凈化，但凈化效率如何，目前鮮有報(bào)道。本論文結(jié)合平原河流下游自然復(fù)式河道的特點(diǎn)，通過模擬復(fù)式河道的主河槽和灘地，研究不同運(yùn)行水位條件下人工復(fù)式河道對(duì)水體的凈化效果，為河流生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 人工復(fù)式河道模擬裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用PPR板制作成規(guī)格為2 m×0.8 m×0.4 m(長×寬×高)的長方形箱體，實(shí)際有效體積為1.5 m×0.4 m×0.35 m，在其兩端分別設(shè)計(jì)進(jìn)水池和出口集水池，箱體分為兩部分，由灘地和主河道構(gòu)成。灘地由沸石(粒徑1.5～2 cm)、灰渣(粒徑2～3 cm)、火山灰(粒徑0.9～1.1 cm)、沸石(粒徑0.2～0.5 cm)以體積比為2∶1∶1∶2的復(fù)合填料構(gòu)成，鋪設(shè)高度為15 cm，河道設(shè)置2個(gè)彎道，每個(gè)彎道的夾角設(shè)置為60度。

圖1 復(fù)式河道模擬裝置剖面圖

圖2 模擬裝置俯視示意圖

實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，將河水通過水泵(900 L·h-1)泵入復(fù)式河道模擬裝置中，當(dāng)水位達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的水位要求時(shí)，用同樣的水泵將河水泵出，收集到集水池，再用水泵將集水裝置中處理過的河水泵入模擬河道的進(jìn)水端，往復(fù)循環(huán)。進(jìn)水時(shí)，進(jìn)水管需延伸到水面以下，防止接觸空氣而帶來的曝氣，給實(shí)驗(yàn)帶來誤差。

水位分別為灘地面(基質(zhì)面以下5 cm)、基質(zhì)面以上1 cm、基質(zhì)面以上5 cm、基質(zhì)面以上10 cm和基質(zhì)面以上15 cm，每一水位穩(wěn)定運(yùn)行3天后測(cè)定各水質(zhì)指標(biāo)，計(jì)算凈化效率。對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組水位相同。

1.2 水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)用水取自小河沿子河。河水初始值和系統(tǒng)運(yùn)行后采集的水樣測(cè)定指標(biāo)為化學(xué)需氧量(COD)、溶解氧(DO)、氨氮和總磷(TP)。各指標(biāo)分析方法和分析儀器見表1。

表1 各指標(biāo)分析方法及儀器

1.3 凈化效率計(jì)算公式

DO增長率(%)=(出水DO濃度-入水DO濃度)/入水DO濃度×100%.

COD去除率(%)=(入水COD濃度-出水COD濃度)/入水COD濃度×100%.

氨氮去除率(%)=(入水氨氮濃度-出水氨氮濃度)/入水氨氮濃度×100%.

TP去除率(%)=(入水TP濃度-出水TP濃度)/入水TP濃度×100%.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同運(yùn)行水位下DO的變化

由圖3可見，對(duì)照組的DO增長率在8.01%～20.04%之間，而實(shí)驗(yàn)組DO的增長率顯著高于對(duì)照組。當(dāng)漫灘水位在基質(zhì)面以上1 cm時(shí)，實(shí)驗(yàn)組DO增長率最高，可達(dá)98.31%，可能的原因是復(fù)式河道灘地與水體在低水位時(shí)能充分的接觸，水流流過復(fù)式河道的灘地上鋪設(shè)的大小相間的沸石、灰渣等基質(zhì)時(shí)，增加了水體流動(dòng)的擾動(dòng)性，從而有利于復(fù)氧過程，使水中的DO含量增高。隨著水位的上升和下降，DO增長率都會(huì)顯著下降，當(dāng)漫灘水位在基質(zhì)表面以下5 cm、基質(zhì)表面以上5 cm、10 cm和15 cm時(shí)，其DO增長率分別為51.17%、43.15%、26.06%和25.00%。在每種水位下實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組DO增長率均有顯著性差異(P<0.01)。

圖3 不同運(yùn)行水位DO增長率

2.2 不同運(yùn)行水位對(duì)COD處理效果的影響

由圖4可見，對(duì)照組COD的去除率在13.77%～21.89%之間，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組COD去除效率差異顯著；實(shí)驗(yàn)組漫灘水位在基質(zhì)面以上1 cm時(shí)，COD去除率最高，可達(dá)56.72%，可能由于低水位時(shí)，水體與灘地充分接觸，水體流經(jīng)時(shí)，增加了水體的擾動(dòng)性，其DO增長率最高，生物膜上的好氧微生物加速了對(duì)有機(jī)物的分解。隨著水位的上升和下降，COD去除率都會(huì)顯著下降，當(dāng)漫灘水位在基質(zhì)表面以下5 cm、基質(zhì)表面以上5 cm、10 cm和15 cm時(shí)，COD去除率分別為33.84%、35.95%、25.04%和24.82%；在每種水位下，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的COD去除率均有顯著性差異(P<0.01)。

圖4 不同運(yùn)行水位COD去除率

2.3 不同運(yùn)行水位對(duì)氨氮處理效果的影響

由圖5可見，對(duì)照組的氨氮去除率在7.55%～19.77%范圍內(nèi)，而實(shí)驗(yàn)組氨氮去除率顯著高于對(duì)照組。漫灘水位在基質(zhì)面以上1 cm時(shí)，實(shí)驗(yàn)組氨氮去除率可達(dá)48.83%，隨著水位的上升和下降氨氮去除率都會(huì)顯著下降，當(dāng)漫灘水位在基質(zhì)表面以下5 cm、基質(zhì)表面以上5 cm、10 cm和15 cm時(shí)，其去除率分別為35.43%、44.66%、23.28%和23.26%。

圖5 不同運(yùn)行水位氨氮去除率

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，氨氮的去除主要通過基質(zhì)的物理化學(xué)吸附和基質(zhì)表面微生物作用過程實(shí)現(xiàn)。生物膜形成以后，其中的微生物通過硝化作用去除氨氮[8]，該作用一般需要處在有氧環(huán)境中進(jìn)行，氨氮去除效果常隨DO含量的升高而升高。本實(shí)驗(yàn)表明，在基質(zhì)面以上1 cm時(shí)DO增長率最高，因而微生物硝化作用增強(qiáng)，灘地基質(zhì)對(duì)氨氮的去除效果最佳。

2.4 不同運(yùn)行水位對(duì)TP處理效果的影響

由圖6可見，對(duì)照組的TP去除率在5.91%～14.12%之間；實(shí)驗(yàn)組TP去除率在31.77%～44.66%之間。每種水位下實(shí)驗(yàn)組均和對(duì)照組有顯著性差異，漫灘水位在基質(zhì)面以上15 cm時(shí)，TP去除率最大，可達(dá)44.66%，漫灘水位在基質(zhì)面以上5 cm時(shí)，TP去除率最小，為31.77%。磷在填料固體累積物中的沉積和填料對(duì)磷的直接吸附是主要除磷機(jī)制[9]，本實(shí)驗(yàn)中漫灘水位的變化對(duì)TP去除率影響較小，其深入原因，還需要進(jìn)一步探討。

圖6 不同運(yùn)行水位TP去除率

3 結(jié)論

人工復(fù)式河道漫灘水位對(duì)水質(zhì)凈化效果有顯著影響，在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下，復(fù)式河道漫灘水位在基質(zhì)面以上1 cm時(shí)，DO增加量最高，對(duì)COD、氨氮的處理效果最好，隨著水位的升高或降低，溶解氧的增長率和COD、氨氮的去除率都有所下降：漫灘水位在基質(zhì)表面以下5 cm、基質(zhì)表面以上1 cm、5 cm、10 cm和15 cm時(shí)，DO增長率分別為51.17%、98.31%、43.15%、26.06%和25.00%；COD去除率分別為33.84%、56.72%、35.95%、25.04%和24.82%；氨氮去除率分別為35.43%、48.83%、44.66%、23.28%和23.26%。但是水位的改變對(duì)總磷的去除效果影響不大。