灌河生態(tài)修復(fù)人工濕地的水動(dòng)力水質(zhì)模擬

侯曉輝　周倩　邢寶龍　

摘 要：灌河沿線分布多個(gè)城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，為保證河道水質(zhì)，針對(duì)不同河段污染特征及場(chǎng)地條件，沿線分別布置支流匯入口表流人工濕地、污水處理廠尾水潛流人工濕地、河道灘地溪流濕地 、入河排污口生態(tài)濕地等4種不同工藝類型的人工濕地。為驗(yàn)證人工濕地對(duì)水質(zhì)改善的效果，采用MIKE21模型對(duì)灌河進(jìn)行二維水動(dòng)力水質(zhì)模擬，對(duì)比分析了人工濕地工程實(shí)施前后灌河控制斷面水質(zhì)情況，結(jié)果表明：通過對(duì)沿線生活污水排放口、支流匯入口、面源污染排放區(qū)等設(shè)置人工濕地，能夠有效降低入河污染物量，人工濕地在改善河流水環(huán)境和水生態(tài)方面具有良好的效果。

關(guān)鍵詞：人工濕地;MIKE21;水質(zhì);生態(tài)修復(fù)

中圖分類號(hào)：X522?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.013

Hydrodynamic and Water Quality Model of Constructed Wetland Ecological Restoration in Guanhe River Basin

HOU Xiaohui1， ZHOU Qian2， XING Baolong1， ZHAO Tongyang1， SONG Wenchao1

（1.Henan Water & Power Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China;

2.Zhengzhou City Municipal Engineering Design & Research Institute， Zhengzhou 450046， China）

Abstract：There are many cities along the Guanhe River. In order to ensure the water quality， according to the pollution characteristics and site conditions of different river sections， four different types of constructed wetlands are arranged along the river， namely， surface flow constructed wetland at tributary inlet， tail-water subsurface constructed wetland at sewage treatment plant， stream wetland at river beach and ecological wetland at sewage outlet. In order to verify the effect of constructed wetlands on water quality improvement， MIKE21 numerical simulation software was used for water quality to construct two-dimensional hydrodynamic and water quality model of the Guanhe River. It compared and analyzed the water quality standard of the river before and after the implementation of constructed wetland project. The results show that constructed wetlands can effectively reduce the amount of pollutants entering the river by setting up domestic sewage outfall， tributary inlet and non-point source pollution discharge area along the river and constructed wetlands have good effects on improving river water environment and water ecology.

Key words： constructed wetlands; MIKE21; water quality; ecological restoration

隨著綠色發(fā)展觀的提出，生態(tài)建設(shè)力度逐漸加大，流域生態(tài)建設(shè)處于新的歷史發(fā)展階段和治水興水的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期。為了貫徹落實(shí)四水同治、加速推進(jìn)河南省水利現(xiàn)代化，河南省政府選取灌河等10條河流率先開展流域生態(tài)系統(tǒng)治理規(guī)劃，其中開展的灌河流域綜合治理與生態(tài)修復(fù)，打造綠色生態(tài)河流廊道，對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要引領(lǐng)示范作用。

人工濕地作為生態(tài)修復(fù)常用的技術(shù)方法之一，具有投資節(jié)省、處理效果良好、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在污水處理廠尾水、入河排污口、河湖水質(zhì)提升、農(nóng)村生活污水等污染水體治理實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用[4-7]。但已有研究主要是將人工濕地應(yīng)用于單一點(diǎn)源污染處理，缺乏在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段人工濕地布置方案的可行性分析，因此筆者針對(duì)灌河流域?qū)嶋H污染特點(diǎn)，沿河規(guī)劃布置不同類型的人工濕地，通過構(gòu)建MIKE21水動(dòng)力-水質(zhì)模型，分析并論證人工濕地布置的合理性及對(duì)水環(huán)境改善的效果。

1 流域環(huán)境現(xiàn)狀及分析

1.1 流域概況

灌河是淮河右岸二級(jí)支流、史河左岸一級(jí)支流，發(fā)源于河南省信陽市商城縣黃柏山，流經(jīng)商城、固始兩縣，在固始縣蔣集鎮(zhèn)與史河相匯成為史灌河，于固始縣三河尖匯入淮河。灌河干流全長164 km，流域面積1 650 km2，其中：商城縣境內(nèi)河長108 km，境內(nèi)流域面積1 280 km2;固始縣境內(nèi)河長56 km，境內(nèi)流域面積370 km2。灌河流域區(qū)位優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，山環(huán)水潤，東南西三面由縱向山脊環(huán)繞，有大小山峰300余座，自南向北穿越中低山、低山丘陵、丘陵壟崗、平原四大風(fēng)貌區(qū)。鲇魚山水庫以南兩岸山峰疊嶂，地勢(shì)險(xiǎn)要，海拔千米以上山峰有黃柏山、磨盤山、九峰尖、大牛山等;鲇魚山水庫庫區(qū)周圍是山地環(huán)境，海拔為100～800 m，坡度較大;鲇魚山水庫壩址以北河道兩岸地勢(shì)逐漸平緩，河床比降為1/800～1/1 000。

1.2 流域污染現(xiàn)狀

1.2.1 水質(zhì)污染現(xiàn)狀

隨著灌河流域開發(fā)強(qiáng)度的加大，水質(zhì)呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)。鲇魚山水庫以上河段長竹園鄉(xiāng)、達(dá)權(quán)店鎮(zhèn)等沿線村鎮(zhèn)生活污水直排入河，導(dǎo)致局部河段個(gè)別污染因子超標(biāo);鲇魚山水庫至商城縣界河段，屬于開發(fā)利用區(qū)，沿線分布有商城縣城、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、河鳳橋鄉(xiāng)及上石橋鎮(zhèn)等，污水處理廠尾水及部分生活污水排放導(dǎo)致此段污染較嚴(yán)重;灌河固始段因接納了固始縣城區(qū)污水廠尾水，現(xiàn)狀水質(zhì)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類。

根據(jù)《信陽市水功能區(qū)水資源質(zhì)量狀況通報(bào)》（2017年），灌河除商城排污控制區(qū)只進(jìn)行水質(zhì)類別評(píng)價(jià)不進(jìn)行考核外，其他3個(gè)待考核水功能區(qū)（黃柏山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)、鲇魚山壩下農(nóng)業(yè)用水區(qū)、灌河下游農(nóng)業(yè)用水區(qū)）水質(zhì)均不達(dá)標(biāo)。采用年度均值評(píng)價(jià)法，選用雙指標(biāo)評(píng)價(jià)（氨氮和CODMn）和全指標(biāo)評(píng)價(jià)（共26項(xiàng)）兩種評(píng)價(jià)方法，對(duì)照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）進(jìn)行水功能區(qū)水質(zhì)類別評(píng)價(jià)，灌河流域水功能區(qū)水質(zhì)狀況見表1。

1.2.2 污染因素分析

（1）點(diǎn)源污染直排入河。灌河干流直排污水口共有27處，其中鲇魚山水庫以上有3處，鲇魚山水庫—商城縣界有17處，固始縣境內(nèi)有7處。直排污水多為生活污水或者混合污水，生活污水主要有汪沖村、武畈村、湯泉池、余洼、油坊、閔灣、石牛村、團(tuán)結(jié)村等入河排污口，混合污水有張新灣、河鳳橋老街、河鳳橋村新街、八里灘村等入河排污口，工業(yè)污水有山信糧業(yè)有限公司入河排污口。

（2）城鎮(zhèn)污水處理廠尾水入河。灌河流域范圍內(nèi)有污水處理廠4座，商城縣境內(nèi)3座、固始縣境內(nèi)1座，現(xiàn)狀廢污水處理能力是9萬t/d，見表2。污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A，低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，仍屬于點(diǎn)源污染，直排入河會(huì)給灌河帶來較大污染負(fù)荷，是灌河污染的重要因素。

（3）支流匯入帶來的污染。灌河流域支流眾多，廣泛分布在商城縣、固始縣境內(nèi)城區(qū)、村鎮(zhèn)，由于環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施不完善、農(nóng)業(yè)面源污染治理滯后，部分支流水質(zhì)較差，尤其是陶家河、周小河、河鳳橋河、上石橋河等流經(jīng)城鎮(zhèn)的支流，部分生活污水直排入河，導(dǎo)致這幾條支流污染嚴(yán)重，NH3-N、TP等嚴(yán)重超標(biāo)，匯入灌河后，給灌河帶入較大的污染負(fù)荷，這也是灌河鲇魚山水庫以下河段水質(zhì)惡化的主要因素。

2 工程措施

（1）支流匯入口人工濕地凈化工程。在支流匯入口處建設(shè)人工濕地，減少支流帶入灌河的污染物。在關(guān)門河、毛坪河、陶家河、河鳳橋河、上石橋河、周小河等支流匯入口，結(jié)合河流灘地、河口三角洲等實(shí)際情況，合理規(guī)劃人工濕地，通過濕地植物的吸附、攔截、凈化作用，削減各支流匯入的污染物。人工濕地工藝以表流人工濕地為主，通過設(shè)置溢流堰、小型攔河壩的方式，將水引入人工濕地凈化區(qū)，表流人工濕地可采用“回腸式”，盡可能延長水力停留時(shí)間，增加污水與濕地植物接觸時(shí)間，提高污染物去除率。

（2）污水處理廠尾水人工濕地凈化工程。針對(duì)現(xiàn)有污水處理廠出水水質(zhì)不滿足灌河水功能區(qū)水質(zhì)要求的情況，規(guī)劃建設(shè)商城湯泉池污水處理廠、開源污水處理廠、聚源污水處理廠及固始第二污水處理廠等尾水人工濕地凈化工程，因地制宜，合理確定濕地規(guī)模、濕地類別及濕地工藝等。人工濕地工藝以人工潛流濕地為主，可采用“水平潛流人工濕地+垂直流人工濕地”“生態(tài)基人工濕地+水平潛流人工濕地+垂直流人工濕地”等復(fù)合人工濕地，通過設(shè)置不同粒徑的填料層，提高污染物的去除效率。

（3）河道灘地溪流濕地工程。陶家河入灌河口—上石橋鎮(zhèn)河段，總長約25 km，分別流經(jīng)商城縣城區(qū)、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、河鳳橋鄉(xiāng)和上石橋鎮(zhèn)等，受沿岸點(diǎn)源與面源污染影響較大，且灘地植被單一，自凈能力差。根據(jù)此段灘地寬、岸坡緩的特點(diǎn)，可引水入灘，構(gòu)建灘地溪流濕地，結(jié)合河床灘地地形，構(gòu)建濕地植物塘、沉水植物帶、浮水植物帶、挺水植物帶、沼生植物帶、濕生植物帶等不同類型的植物群落，進(jìn)而創(chuàng)造好氧、缺氧、厭氧環(huán)境，降解與吸收不同有機(jī)、無機(jī)污染物，提升河流自然凈化能力。

（4）入河排污口生態(tài)濕地治理工程。針對(duì)灌河沿岸已設(shè)定的排污口，為進(jìn)一步改善其水質(zhì)、滿足灌河水功能區(qū)水質(zhì)要求，開展商城縣團(tuán)結(jié)、山信糧業(yè)和固始縣柳溝、徐寨、葉臺(tái)、道超等入河排污口污水生態(tài)治理工程，通過在排污口設(shè)置“跌水堰+灘地生態(tài)塘+水生植被帶”的方式，對(duì)排污口污水進(jìn)行深度凈化。利用跌水堰進(jìn)行充氧曝氣;生態(tài)塘可起到沉淀作用，生態(tài)塘內(nèi)沉水植物可進(jìn)一步去除氨氮和總磷;出水進(jìn)入河道水生植物帶，起到進(jìn)一步過濾、吸附、凈化的作用。平地村、新店村、歐樓村、閔灣村、石牛村、新橋村、八里灘村等，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，宜采用分散式方法處理農(nóng)村生活污水，可建設(shè)“化糞池+生物氧化塘+挺水植物人工濕地+水平潛流濕地”的污水凈化系統(tǒng)，對(duì)灌河沿線村莊生活污水進(jìn)行生態(tài)治理。灌河沿線人工濕地布置見表3。

3 水動(dòng)力水質(zhì)模擬及分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

（1）水動(dòng)力模型。采用MIKE21模型中FM模塊建立水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型。二維水動(dòng)力模型是基于Boussinesq和靜壓假定的二維不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程和連續(xù)方程建立的，模型基本控制方程：

式中：t為時(shí)間;η為水面相對(duì)于未擾動(dòng)水面的高度;h為總水深;、分別為垂向平均流速在x、y方向上的分量;Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?g為重力加速度;ρ為水密度;ρ0為參考水密度;f為科氏力系數(shù)（f=2Ωsin φ，Ω為地球自轉(zhuǎn)角速率，Ω=0.729×10-4s-1，φ為地理緯度）;sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量;Txx、Txy、Tyy為水平黏滯應(yīng)力項(xiàng);τsx、τsy為水面風(fēng)應(yīng)力張量;τbx、τby為河床底部應(yīng)力張量;S為源匯項(xiàng);us、vs為源匯項(xiàng)水流流速。

（2）水質(zhì)模型。水質(zhì)模型模塊（TR）與水動(dòng)力模型模塊是動(dòng)態(tài)連接的，可以模擬污染物在河流中的擴(kuò)散情況，進(jìn)而分析模擬區(qū)域污染物的遷移擴(kuò)散規(guī)律，得出不同斷面污染物的濃度。采用的二維對(duì)流擴(kuò)散方程為

Ct+uCx+vCy=Dx2Cx2+Dy2Cy2

式中：C為污染物濃度;u、v分別為x、y方向的流速;Dx、Dy分別為x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù)。

3.2 水質(zhì)因子選擇及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)灌河現(xiàn)狀水質(zhì)分析，沿程點(diǎn)源污染主要是生活污水，面源污染是農(nóng)業(yè)匯流，超標(biāo)因子主要是COD、NH3-N、TP，因此選擇COD、NH3-N、TP作為污染控制因子。模型初始邊界條件設(shè)置：上邊界鲇魚山大壩流量采用近10 a最枯月平均流量0.5 m3/s，現(xiàn)狀水質(zhì)按照地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);面源污染產(chǎn)生量按照枯水期徑流量143.36萬m3估算，面源污染物濃度參考目前國內(nèi)城市雨水地表徑流污染物含量監(jiān)測(cè)成果，COD、NH3-N、TP濃度分別為80、1.14、0.73 mg/L;點(diǎn)源污染主要考慮直排生活污水、污水處理廠尾水、陶家河入河污染物等污染較重的污染源，具體流量、濃度見表4。

3.3 模擬結(jié)果分析

為了對(duì)比工程方案實(shí)施前后的水質(zhì)變化情況，利用MIKE21模型對(duì)現(xiàn)狀水質(zhì)和工程措施實(shí)施后水質(zhì)變化情況進(jìn)行分析，以驗(yàn)證工程措施是否有效。

（1）現(xiàn)狀水質(zhì)變化。根據(jù)灌河沿線排污口資料，利用MIKE21模型對(duì)鲇魚山水庫大壩以下灌河流域進(jìn)行二維水動(dòng)力水質(zhì)模擬。結(jié)合《河南省水環(huán)境功能區(qū)劃》對(duì)灌河進(jìn)行分段考核，商城陶家河入河口上游600 m為考核斷面B—B，商城陶家河入河口下游1 800 m為考核斷面C—C，商城縣界灌河為考核斷面為D—D。工程實(shí)施前灌河現(xiàn)狀水質(zhì)狀況見圖1。

模擬結(jié)果顯示：考核斷面B—B，COD、NH3-N、TP濃度分別為2.89、0.13、0.023 mg/L，符合地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，符合鲇魚山水庫水質(zhì)現(xiàn)狀;考核斷面C—C，COD、NH3-N、TP濃度分別為38.81、4.17、0.870 mg/L，屬地表水劣Ⅴ類水;考核斷面D—D，COD、NH3-N、TP濃度分別為14.00、1.46、0.270 mg/L，屬地表水Ⅳ類水。根據(jù)現(xiàn)有資料分析，斷面B—B和斷面C—C之間為商城縣城，大量污染物排入導(dǎo)致C—C斷面水質(zhì)急劇下降;開源污水處理廠尾水、支流陶家河水質(zhì)污染、沿河村莊生活污水等污染源匯入也是C—C斷面水質(zhì)差的主要原因。

（2）工程措施實(shí)施后水質(zhì)變化情況。在污水處理廠尾水人工濕地凈化工程、入河排污口生態(tài)濕地凈化工程、支流匯入口人工濕地等工程實(shí)施后，通過MIKE21模型模擬灌河水質(zhì)變化情況，上游邊界流量為0.5 m3/s時(shí)，灌河水質(zhì)狀況見圖2。驗(yàn)證結(jié)果顯示，C—C斷面，COD、NH3-N、TP濃度分別為19.75、0.95、0.190 mg/L，滿足地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn);D—D斷面，COD、NH3-N、TP濃度分別為8.22、0.39、0.080 mg/L，滿足地表水Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。模擬水質(zhì)結(jié)果符合水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求，說明灌河沿線人工濕地實(shí)施后，可以實(shí)現(xiàn)灌河水質(zhì)目標(biāo)。

通過對(duì)人工濕地工程布置方案實(shí)施前后兩種情況模擬對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，人工濕地實(shí)施后，COD、NH3-N、TP等污染控制指標(biāo)均顯著下降，其中C—C斷面COD、NH3-N、TP濃度分別下降了49.12%、77.21%、78.16%，D—D斷面COD、NH3-N、TP濃度分別下降了41.29%、73.29%、70.37%，且控制斷面水質(zhì)達(dá)到了水質(zhì)目標(biāo)要求。說明灌河沿線布置的人工濕地能夠顯著降低入河污染物量，提升灌河水體自凈能力，對(duì)改善灌河流域水環(huán)境和水生態(tài)具有良好的效果。模擬結(jié)果證明了工程布置措施可行，水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)。

4 結(jié) 論

（1）在對(duì)灌河水質(zhì)現(xiàn)狀及污染因素分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)入河污染物特征，因地制宜，選擇合適的人工濕地工藝技術(shù)，布置不同類別的人工濕地，去除入河污染物，其中：支流入河口以人工表流濕地為主，形式可采用“回腸式”;污水處理廠尾水水質(zhì)提升可選擇復(fù)合人工潛流濕地;污染嚴(yán)重的河段可設(shè)置灘地溪流人工濕地;一般入河排污口可結(jié)合場(chǎng)地高程，采用“跌水堰+生態(tài)塘+人工濕地”的組合工藝;分散的農(nóng)村生活污水可采用“化糞池+生物氧化塘+挺水植物人工濕地+水平潛流濕地”的組合工藝。

（2）基于MIKE21模型對(duì)灌河鲇魚山以下河段進(jìn)行了二維水動(dòng)力-水質(zhì)模擬，通過對(duì)人工濕地工程措施實(shí)施前后水質(zhì)模擬結(jié)果對(duì)比分析得出，濕地工程實(shí)施后主要污染因子COD、NH3-N、TP濃度均有明顯下降，且控制斷面水質(zhì)達(dá)到了水質(zhì)目標(biāo)要求，說明人工濕地能夠顯著降低入河污染物量，對(duì)改善灌河流域水環(huán)境和水生態(tài)具有良好的效果。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】

收稿日期：2019-08-06

作者簡(jiǎn)介：侯曉輝（1985—），男，河南鄭州人，工程師，碩士，主要從事水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)工作

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