水力因素对河道生态修复系统净化效果的影响

刘韶华

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113006)

随着科技水平的提高，人们对河流进行了大规模开发，实现了河流资源的最大化利用，但是在开发利用的过程中，人们忽视了河流生态系统健康需求，对河流生态系统造成一些负面影响，对饮用水水质安全造成了严重威胁。河流生态修复技术利用微生物、基质、植物作用对河道水质进行处理，具有工艺简单、处理水量大、耗能低、投资小、运行费用低等优点，应用前景广阔。由于现阶段人们对各种措施的净化机理认识尚不充分，会导致净化效果达不到设计标准，寻找去除效果与影响因素之间的定量关系变得尤为重要[2]。王小娟等[3]研究了不同水力负荷下各种植物生态浮床对水体中氮磷的净化效果，发现水力负荷为1.0m/d与1.5m/d时氮磷去除率相当，水力负荷为0.5m/d时对水体中氮磷净化效果最好；王全金等[4]研究发现，随着水力负荷的增加污染物去除率不断降低，人工湿地与水力负荷呈显著负相关；王鹏等[5]研究表明，湿地床的复氧过程和耗氧过程能同步进行，当湿地系统的复氧速率小于污染物降解的耗氧速率时，湿地水体DO明显降低。本文以抚顺市社河湿地为依托，构建生态修复系统，研究了各生态措施对不同污染物的去除率、去除量、出口浓度与场地水力负荷、污染负荷、植物种类之间的相互关系，以期为河道生态修复方案的选择提供理论支持，有着重要的现实意义。

1 区域概况及实验方法

1.1 地理概况

社河位于抚顺市东部，属于大伙房水库支流，全长59km，流域面积约468.4km2，自东南向西北流经后安、上马两镇境内，注入浑河干流上的大伙房水库，多年平均径流量1.29×108m3，沿线有三块石国家森林公园、辽宁抚顺社河国家湿地公园以及腰堡水库度假村等著名景区。社河湿地公园包括社河干流总面积734.54hm2，河流湿地93.78hm2。该湿地公园建设将启动防治灾害、基础、合理利用、科研监测、科普宣教、湿地恢复、湿地保护、七大工程。社河流域属暖温带大陆性季风气候，年平均降水量为600.5mm，年平均气温为5℃，年平均径流量为2.98亿m3，年平均径流深为210.2mm。流域初冻期在11月中旬之前，3月下旬气温开始回暖，解冻期开始。6—9月，社河流域进入汛期，期间暴雨集中，从东南部到西北部，降水量逐渐减少，其中东南地区年平均降水量达750mm以上。

1.2 生态修复系统设计

社河污染来源复杂，包括农业面源污染、城镇生活污水和工业污水等，氮磷污染和有机污染严重，针对实验地点地势形态及社河污染情况，设计了一套综合生态池、人工湿地、生态河道的水质净化系统[6- 7]。在社河大桥右岸分叉侧流的入口处设置拦污栅，在人工湿地入口前设置泄水渠道；在生态池中投放生态浮岛，在生态池、人工湿地和生态河道的出入口设置水质监测点，通过水质变化情况来评判生态修复措施对水体的净化效果。

1.3 水样采集及监测

2 水力因素对系统去除效果的影响作用分析

2.1 水力负荷对去除率的影响

水力负荷表示单位时间单位面积净化的水量，计算公式如下[8]：

HL=Q/S

(1)

式中，S—实验场地面积，m2；Q—进水流量，m3/d；HL—水力负荷，m3/(m2·d)。

实验场地水力负荷变化如图1所示，在监测期间，实验系统水力负荷呈波浪型下降趋势，最小值为0.0246m3/(m2·d)，最大为0.3843m3/(m2·d)。

图1 实验场地水力负荷变化

图2 系统污染物去除率与水力负荷的关系

人工湿地水力负荷变化如图3所示。在监测期间，实验系统水力负荷呈波浪型下降趋势，最小值为0.1373m3/(m2·d)，最大为1.5541m3/(m2·d)。

图3 人工湿地水力负荷变化

图4 人工湿地污染物去除率与水力负荷的关系

生态池水力负荷变化如图5所示，生态池水力负荷为最小值为0.1023m3/(m2·d)，最大值为1.3735m3/(m2·d)。

图5 生态池水力负荷变化

图6 生态池污染物去除率与水力负荷的关系

2.2 水力负荷对去除量的影响

图7 系统污染物去除量与水力负荷的关系

图8 人工湿地污染物去除量与水力负荷的关系

图9 生态池污染物去除量与水力负荷的关系

2.3 污染负荷对出水浓度的影响

研究出口水质中各污染物指标浓度与污染负荷的关系，能够为生态工程设计提供技术参考，污染负荷为单位面积承受的污染量，计算如下式所示[9]：

Mw=Q×C0/S

(2)

式中，S—实验场地面积，m2；C0—水中污染物浓度；Q—进水流量，m3/d；MW—污染负荷，g/(m2·d)。

图10 系统出口中污染物浓度与污染负荷的关系曲线

图11 人工湿地出口中污染物浓度与污染负荷的关系曲线

图12 生态池出口中污染物浓度与污染负荷的关系曲线

3 结论

以抚顺市社河湿地为依托，研究了各生态措施对不同污染物的去除率、去除量、出口浓度与场地水力负荷、污染负荷、植物种类之间的相互关系，主要得出以下结论。

(1)随水力负荷的增大修复系统对TP和COD的去除率不断减小；而人工湿地和生态池对各污染物的去除率与水力负荷的线性关系较弱。各出水中TN和NH4+-N的出水浓度与进水污染负荷之间的相关性不明显，而TP和COD浓度与进水中的污染负荷呈显著正相关。

(3)不同河流治理项目具有不同的污染情况、水力条件和自然条件，综合考虑各种因素，应因地制宜选择最适合的生态治理措施，为河道生态修复方案的选择提供理论指导。