南淝河生态补水水质改善效应试验研究.pdf

贾安1,2，王伟1,2，单开进2，刘佩贵*1（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽合肥230009；2.合肥市水务局，安徽合肥230071）摘要：为改善南淝河水体水质，利用南淝河流域水污染治理和水生态修复成果，通过南淝河生态补水试验率定和验证MIKE11 水动力水质模型合理性，分析南淝河在不同生态补水量下水质变化。MIKE11 水动力水质模型能够较好地模拟南淝河在生态补水条件下水动力和水环境质量改善的情况。通过条件优化和试算得出，与入河污染物总量相比，生态补水后河道自净能力的贡献占比约 14.6%19.0%，其中河道自净能力增量占比约 6.2%9.4%。研究结果表明，生态补水对南淝河水体水质情况有所改善，但仍以稀释作用为主，河道自净能力发挥的作用有限。关键词：南淝河；水质情况；生态补水；MIKE11 水动力水质模型中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：1673-4688（2023）04-0013-06作者简介：贾安（1989），男，工程师，主要从事防汛抗旱和水资源调度工作。E-mail:收稿日期：2023-01-18*通信作者（E-mail:）南淝河生态补水水质改善效应试验研究Experimental?study?on?ecological?water?replenishment?and?water?quality?improvement?effects?of?Nanfeihe?RiverJIA An1,2,WANG Wei1,2,SHAN Kaijin2，LIU Peigui1（1.College of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Hefei Water Bureau,Hefei 230071,China）Abstract:?In order to improve the water quality situation of Nanfeihe River,the achievements of waterpollution control and water ecological restoration of Nanfeihe River was used to rate and verify therationality of MIKE11 hydrodynamic force and water quality model by the ecological water supplementexperiment of Nanfeihe River.And the changes of water quality of Nanfeihe River under different eco-logical water supplement amounts were analyzed.MIKE11 hydrodynamic and water quality model can bettersimulate the improvement of hydrodynamic force and water environment quality of the Nanfeihe River un-der the condition of ecological water supplement.Through condition optimization and trial calcula-tion,compared with the total amount of pollutants entering the river,the contribution of river selfpurification capacity after ecological water supplement accounts for about 14.6%19%,of which theincrease of river self purification capacity accounts for about 6.2%9.4%.Ecological water supple-ment has improved the water quality situation of Nanfeihe River,but it is still mainly dilution,andthe self purification ability of the river itself plays a limited role.Key?words:?Nanfeihe River;water quality situation;ecological water replenishment;MIKE11 hydrodynamicand water quality modelsTotal No.106Aug.2023/No.4总第 106 期2023 年 8 月/第 4 期江淮水利科技Jianghuai Water Resources Science and TechnologyDOI:10.20011/ki.JHWR.202304003表 1三次补水试验观测点Table?1?Three?recharge?test?observation?points序号观测点1戈民桥路2东方大道桥3沿河东路桥4阜阳路桥5当涂路桥6繁华大道桥7施口8马家渡大桥9物流大道桥10二十埠河入南淝河口11老 105 国道桥12张桥水库坝前13三十头水库坝前14南淝河入湖区15三十头水库支渠16梅冲湖路17入巢湖口第一次补水试验第二次补水试验第三次补水试验0引言南淝河是合肥市的母亲河，全长 70 km，流域面积 1464 km2，流域面积在 100 km2以上的支流分别为四里河、板桥河、二十埠河、店埠河。南淝河除了承担城市防洪任务外，还兼具城市景观、市民休闲等功能，水质的好坏直接影响其功能的正常发挥，作为仅次于杭埠河的巢湖水系第二大支流1。根据南淝河流域实际情况和 合肥市南淝河“一河一策”实施方案2，针对南淝河污染控制尽管已开展了水污染防治、水环境治理、水生态修复等多项工作，但是随着合肥市城市建设范围的不断扩大，南淝河流域城市地面硬化程度逐年提高改变了流域的下垫面条件，流域本身固有的滞、渗、蓄、净等自然功能削弱，上游河道生态流量匮乏3。同时，南淝河目前主要超标因子是氨氮和总氮4，如何实现生态补水同时改善水体水质和水环境质量是当前关注的重点问题之一。以现状南淝河无引水条件为基础工况，基于补水试验观测成果和河道地形资料等，结合天然径流和入河污染量，选择 MIKE 模拟软件5构建、率定和验证南淝河生态补水的水动力水质模型；通过优化补水条件和试算分析南淝河生态补水对河道水体水质改善的效果和原因。1研究范围和补水时段1.1研究范围南淝河生态补水线路主要有板桥河补水线路（从滁河干渠张桥泄洪闸补水，依次进入板桥河、南淝河干流）、二十埠河补水线路（从滁河干渠五星支渠进水闸补水，依次进入二十埠河、南淝河干流）、店埠河补水线路（从滁河干渠小朱户放水口补水，依次进入店埠河、南淝河干流）三条，如图 1所示。板桥河、二十埠河、店埠河、南淝河董铺水库下游段补水线路长度分别为 23.50，30.80，42.10，41.07 km。1.2补水时段第一次生态补水试验：2019 年 10 月 16 日至 10月 22 日通过张桥泄洪闸泄入南淝河水量约 250 万m3，沿程布设观测断面 14 个。第二次生态补水试验：2020 年 11 月 10 日至 11月 16 日通过五星支渠进水闸泄入南淝河水量约95.3 万 m3，2020 年 11 月 10 日至 11 月 13 日通过张桥泄洪闸泄入南淝河水量约 349.3 万 m3，沿程共布设观测断面 11 个。第三次生态补水试验：2021 年 1 月 12 日至 1 月14 日通过张桥泄洪闸泄入南淝河水量约 230.9 万m3，沿程布设观测断面 8 个。三次补水试验观测点统计和位置信息如表 1 和图 2 所示，其中图 2 中数字对应表 1 序号。生态补水期间沿程监测的项目和数据量如表 2 所示。图 1南淝河补水线路示意图Fig.?1?Schematic?diagram?of?the?recharge?line?ofNanfei?River江淮水利科技2023 年14图 2三次生态补水监测断面图Fig.?2?Three?ecological?water?recharge?monitoringcross?section?map表 4糙率率定结果Table?4?Results?of?roughness?rate?determination河道里程/m糙率河道里程/m糙率板桥河00.032店埠河421000.031板桥河235090.032南淝河00.027小板桥河00.032南淝河72300.027小板桥河87280.032南淝河72310.032二十埠河00.035南淝河178480.032二十埠河308870.035南淝河178490.030店埠河00.031南淝河410700.030表 3模型外部边界条件设置Table?3?Model?external?boundary?condition?settings河段水动力边界水质边界备注南淝河上游闭边界/董铺水库无下泄板桥河上游流量开边界COD、氨氮、总磷、总氮率定期流量采用实测流量过程；生态补水水质边界采用江水补水实测水质浓度二十埠河上游 流量开边界店埠河上游流量开边界南淝河下游水位开边界采用生态补水试验实测水位表 2补水试验中监测项目及数量统计Table?2?Monitoring?items?and?quantity?statistics?in?water?replenishment?experiments监测项目水位流量COD总氮氨氮总磷pH水温位置数量总数据量第一次补水第二次补水第三次补水第一次补水第二次补水第三次补水281062612641411811253331411811253331411811253331411811253331411811253331411811253332数值模型构建、率定和验证基于三次生态补水试验监测结果，结合天然径流和入河污染量，选择 MIKE 模拟软件构建南淝河生态补水的水动力水质模型，利用第一次补水试验数据对构建的水动力水质模型进行率定、验证。2.1边界条件以现状南淝河无引水条件为基础工况，研究对比南淝河生态补水（线路及水量）对河道水质改善效果。工况计算时间重点考虑实际生态补水期。模型内部边界条件主要包括沿岸主要排口入流、沿岸主要污水处理厂尾水排放口入流及补水点入流等11 个，外部边界条件为南淝河上游端入流、南淝河下游端巢湖入流、板桥河上游入流、二十埠河上游入流以及店埠河上游入流 5 个，外部边界条件设置见表 3。2.2MIKE?11 水动力模型MIKE 11 水动力模块是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流 Saint-Venant 方程组6，适用于复杂情况下河道水动力学的研究。水动力模型计算方程为1BQx+Ht=qL，（1）ut+ux+gHx+gu uC2R=0。（2）式中：H为断面水位，m；Q为流量，m3/s；u为平均流速，m/s；g为重力加速度 m/s2；B为不同高程下的过水宽度，m；qL为旁侧入流流量，m3/s；R为水力半径，m；C为谢才系数；x、t分别为位置和时间坐标。模型率定和验证是保证模型可靠性的重要过程，通过模型参数的率定和验证，使模型模拟值和实测值有较好的吻合。水动力模型率定参数为糙率，通过设定不同河段不同糙率值，使河段模拟水位与实测水位值拟合较好，经率定分析，河段糙率率定结果如表 4。1）水位验证。验证统计模型的计算精度，水位率定结果见表 5。从表 5 可以看出，三个水文评价站点（见图 1）模拟时段内的平均误差在-0.050.07 m 之间，实测值和模拟值的相关性系数均在 0.98 以上，说明水位贾安，王伟，单开进，等南淝河生态补水水质改善效应试验研究第 4 期15表 7COD 率定结果评价表Table?7?Evaluation?table?of?COD?determination?results站点东方大道桥沿河东路桥当涂路桥繁华大道物流大道桥二十埠河入南淝河口桥绝对误差/（mg L-1）相对误差/%18.218.10.10.516.218.7-2.5-15.415.117.1-2.0-13.216.517.2-0.7-4.227.418.29.233.616.417.4-1.0-6.1COD/（mg L-1）实测均值模拟均值表 8氨氮率定结果评价表Table?8?Evaluation?table?of?ammonia?nitrogen?determination?results站点东方大道桥沿河东路桥当涂路桥繁华大道物流大道桥二十埠河入南淝河口桥绝对误差/（mg L-1）相对误差/%0.330.270.0618.20.490.52-0.03-6.11.071.34-0.27-25.22.482.390.093.60.530.65-0.12-22.62.282.250.031.3氨氮/（mg L-1）实测均值模拟均值表 5水位率定结果评价表Table?5?Evaluation?table?of?water?level?ratedetermination?results站点绝对误差/m相关性系数合肥站10.3010.35-0.050.99龙岗站12.8712.850.020.98店埠站11.8211.750.070.98水位/m实测均值模拟均值模拟结果较为理想。2）流量验证。补水前后的流量率定结果评价见表 6。补水前主要率定枯季流量，河道内仅有污水厂尾水和城市排口流量，最大流量为 13.5 m3/s，位于繁华大道，其次为当涂路桥，流量为 6.2 m3/s，其余流量皆小于 1.0 m3/s。补水期间，各站点流量最大绝对误差为 1.5 m3/s，位于繁华大道断面，如果考虑到总流量 23.5 m3/s，相对误差仅为 6.4%。其他对比断面误差结果都在 1.1 m3/s 以内。造成二十埠河入南淝河口桥偏差较大的原因主要是河道流量较小，较小的随机扰动就能造成流量的波动，比如污水厂排放的日内不均匀性、排口随机排放等。从模拟与实测对比看，由于总流量不大，个别点位计算结果绝对误差偏大，但模型计算结果总体合理。2.3MIKE?11 水质模型MIKE 11 水质模块是以水动力模块生成的水动力条件为基础，模拟物质在水体中的对流和扩散过程7。设定一个恒定的衰减常数模拟非保守物质，可以把 MIKE 11 水质模块作为简单的水质模型使用。水质模型计算方程为Ct+uCx=x（ExCx）-KC。（3）式中：C为模拟物质的浓度，mg/L；Ex为扩散系数；K为模拟物质的一级衰减系数；其他参数含义同前。根据实测水质浓度对模型入河污染负荷浓度、扩散系数以及衰减系数进行率定，使模拟值和实测值趋势一致。COD、氨氮、总磷和总氮的率定结果评价见表 7-表 10，计算时间为 2019 年 10 月 16 日22日，即第一次补水试验数据。1）COD 验证。从表 7 可以看出，模拟 COD 与实测COD 误差最大处位于二十埠河上游的物流大道桥，绝对误差 9.2 mg/L，相对误差 33.6%，主要原因是流量小且上游存在排口等因素造成水质波动大。其他 5个点绝对误差都在 2.5 mg/L 以内。总体而言，模拟COD 与实测值误差较小，能够满足后续工程模拟计算要求。2）氨氮验证。从表 8 可以看出，模拟期间模拟值与实测值绝对误差在-0.270.09 mg/L 之间。最大相对误差-25.2%，出现在当涂路桥，主要原因是上游存在排口等因素造成水质波动大。3）总磷验证。从表 9 可以看出，最大相对误差为25.0%，出现在当涂路桥，对应的绝对误差仅有 0.030mg/L。总体而言，总磷模拟值与实测值误差较小。表 6补水前后河道流量率定结果评价表Table?6?Evaluation?table?of?river?flow?rate?determination?results?before?and?after?water?transferm3 s-1站点东方大道桥沿河东路桥当涂路桥繁华大道物流大道桥二十埠河入南淝河口桥补水前补水期实测均值模拟均值绝对误差实测均值模拟均值绝对误差0.60.40.27.57.8-0.30.41.5-1.17.99.0-1.16.24.02.211.410.50.913.58.05.523.522.01.50.40.7-0.30.61.3-0.7-0.72.2-1.5注：补水前为 2019 年 10 月 14 日，补水期为 2019 年 10 月 16日至 22 日。江淮水利科技2023 年16表 10总氮率定结果评价表Table?10?Evaluation?table?of?total?nitrogendetermination?results站点东方大道桥沿河东路桥当涂路桥繁华大道物流大道桥二十埠河入南淝河口桥绝对误差/（mg L-1）相对误差/%2.13.2-1.1-52.44.03.50.512.54.94.20.714.37.25.41.825.07.26.80.45.67.16.11.014.1总氮/（mg L-1）实测均值模拟均值表 9总磷率定结果评价表Table?9?Evaluation?table?of?total?phosphorus?determination?results站点东方大道桥沿河东路桥当涂路桥繁华大道物流大道桥二十埠河入南淝河口桥绝对误差/（mg L-1）相对误差/%0.0780.088-0.010-12.80.0900.100-0.010-11.10.1200.0900.03025.00.1300.1200.0107.70.1900.1900.0000.00.1300.150-0.020-15.4总磷/（mg L-1）实测均值模拟均值4）总氮验证。从表 10 可以看出，除东方大道桥位于板桥河上游，总氮浓度稍低以外，其他断面总氮都介于 4.07.2 mg/L 之间。模拟值与实测值最大绝对误差出现在东方大道桥，相对误差为-52.4%，对应绝对误差为-1.1 mg/L，原因是在东方大道桥上游约 50 m 处有一城市排口不稳定排放。3生态补水后河道水体水质改善情况分析利用验证后模型优化板桥河不同的补水流量工况（试算方案 1-4 补水流量依次为 10.0，15.0，20.0，25.0 m3/s）以满足南淝河目标水质为 III 类的要求。二十埠河和店埠河补水流量均为 2.0 m3/s（受水利工程条件限制）。补水采用长江水（II 类，其中 COD 为15 mg/L，氨氮为 0.5 mg/L，总磷为 0.1 mg/L）。不同生态补水工况下各断面 COD、氨氮、总磷、总氮浓度如图 3 所示。经过试算，当板桥河流量为 20.0 m3/s，可以保证施口及其以上断面 COD 达到 III 类水标准（COD20 mg/L）；当板桥河流量为 15.0 m3/s，可以保证施口及其以上断面氨氮和总磷达到 III 类水标准（氨氮1 mg/L，总磷0.2 mg/L）。根据 水域纳污能力图 3各断面补水后 COD、氨氮、总磷和总氮浓度Fig.?3?COD,?ammonia?nitrogen,?total?phosphorus?andtotal?nitrogen?concentration?at?each?sectionafter?water?transfer（a）COD（b）氨氮0510152025301234COD浓度/(m g L-1)试算方案东方大道桥沿河东路桥当涂路桥繁华大道桥施口0.0 0.5 1.0 1.5 1234氨氮浓度/(m g L-1)试算方案东方大道桥沿河东路桥当涂路桥繁华大道桥施口（c）总磷（d）总氮0.000.100.200.301234总磷浓度/(m g L-1)试算方案东方大道桥沿河东路桥当涂路桥繁华大道桥施口0 1 2 3 4 5 1234总氮浓度/(m g L-1)试算方案东方大道桥沿河东路桥当涂路桥繁华大道桥施口贾安，王伟，单开进，等南淝河生态补水水质改善效应试验研究第 4 期17计算规程（GB/T 251732010），在南淝河水质为 V类水条件下，河道水体自净能力 COD、氨氮、总磷和总氮分别为 3.3，0.16，0.03，0.35 t/d。当板桥河流量为 20.0 m3/s，达到 III 类水之后，河道水体自净能力 COD、氨氮、总磷和总氮分别为 5.7，0.28，0.06，0.69 t/d。显然，生态补水对南淝河水体自净能力是有所提高的。目前，在南淝河流域已实施污染物控制工程的基础上，对现状流域内点、面、线源污染进行调查和分析计算，流域污水入河量为 132.44 万 t/d，化学需氧量、氨氮、总磷、总氮入河量分别为 38.8，1.48，0.3，6.88 t/d。与入河污染物总量相比，河道水体自净能力的贡献占比约 14.6%19.0%，其中生态补水后河道自净能力的提升量仅占 6.2%9.4%。因此，生态补水后的南淝河水质改善主要以长江水的稀释作用（水量稀释比约 61%）为主，河道本身的自净能力所占的比重不大。究其原因，一方面是污水厂出水中有机物的可生化降解性较差，能被河道微生物降解的污染物量较低；另一方面，南淝河河道长度短、坡度较大且为董铺 大房郢水库主要泄洪通道，河道内生态动植物和微生物滞留数量偏少，对氮磷等污染物去除能力有限。4结论根据河道生态补水前后水体净化能力和水质变化结果可以得出，生态补水对南淝河水环境质量有较为明显的改善，但是仍以稀释作用为主，河道自净能力发挥的作用有限。建议未来在南淝河流域内改善周边河道水动力条件，在不影响泄洪排涝条件下增加南淝河相关支流的生态动植物和微生物滞留量，全面提升河道的水体自净能力。参考文献：1 谢三桃，朱青.巢湖“一湖一策”技术思路及实施途径J.中国水利，2017（20）：9-12.2 合肥市水务局.合肥市南淝河“一河一策”实施方案R.2021.3 邢勇志.浅析合肥市南淝河生态流量匮乏的缘由J.工程与建设，2021，35（6）：1279-1280，1298.4 聂菊，黄小杰，曹慧颍.20152020 年南淝河水质变化趋势分析J.科技风，2022（15）：81-84.5 MIKE 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