闸坝调度对污染河流水环境的影响

2017-03-15 05:46:52 2

  1 引言

  闸坝是辅助人类开发管理水资源的重要工具,其使用历史一直可以追溯至五千年以前.目前,我国的一些河流由于闸坝众多,受人类影响十分强烈,其自然属性已非常微弱,特别是对于人口密度较大、生产生活相对集中、水质污染较严重的流域(如淮河流域),闸坝对河流水环境和生态的影响越来越大.如果闸坝(或水库)调度不当,常常会导致突发性污染事故发生,破坏河流生态环境,影响当地居民的正常生活和生产.因此,研究闸坝调度对污染河流水环境的影响,有利于提高管理者调度闸坝的水平,减少水灾害事故的发生,为人水共处提供和谐的环境.

  国际上,人们对于闸坝影响的认识主要经历了两个阶段:一是20世纪60—90年代,对于闸坝的研究侧重于对物质能量传输、河道结构和指示生物种群影响等方面;二是21世纪以后,许多专家学者对如何通过调度管理使闸坝发挥更多的积极作用,避免其负面影响有了更深刻的认识.随着闸坝对河流水质影响程度的增加,国内外学者对此开展了大量的研究.国外学者从闸坝对河流流量、河道结构、水环境容量、水生物种和生态系统多样性的影响等方面进行了分析研究,同时也研究了利用数值模拟技术分析闸坝对河流水环境的影响.国内学者则在模型研究、闸坝调度影响、实验研究等方面开展了一系列的工作.在模型研究方面,多是在已有闸坝河道水质模型的基础上,考虑不同的影响因素,如蓄水量的变化、水质沿程变化,提出了新的闸坝河道水质模型;也有在研制水闸调度影响模型的基础上,对不同情景进行模拟计算,进而评估水闸调度对河流水质变化的影响;亦有利用较为成熟的水文模型(如SWAT水文模型),结合一定的水量水质模型,分析闸坝开启污水下泄对下游水质的影响.在闸坝调度影响方面,曾有学者根据扬州古运河瓜洲闸的实际运行状况,在此基础上对古运河的水质进行预测,较好地反映了闸坝的不同运行方式对污染物在河道中稀释、扩散和运动的影响.在实验研究方面,国内学者既进行了模型实验研究又开展了现场实验研究.模型实验方面,主要是利用明渠水槽模拟河段,设置上游水闸,模拟分析不同的水流、不同的闸门开启条件下,闸门运行对水流情势和污染物迁移转化的影响;在现场实验方面开展的研究较少,但也有学者曾在沙颍河槐店闸进行了现场实验,研究了槐店闸不同调度方式下的水体和底泥污染物变化规律.

  闸坝调度对于处理现有河道污染问题发挥着重要的作用,但闸坝调度对河道污染的影响仍然存在一些科学问题没有解决,特别是缺乏相应的现场实验研究.例如,闸门调度方式对河道污染物沿程分布的影响?污染物在底泥、水、悬浮物等不同介质之间的转化情况?本文在前期研究及2010年两次现场实验的基础上,设计并开展了一次系统的闸坝调度对污染河流水环境影响综合现场实验,与前两次现场实验相比增设了悬浮物浓度、藻类等监测指标,研究槐店闸闸门不同调度方式下的水体、悬浮物和底泥污染物变化规律,这对进一步开展闸坝调度综合实验,构建闸坝作用下河流水环境模型,分析闸坝作用规律,实施闸坝科学调度都具有重要的指导作用.

  2 实验设计及过程

  2.1 实验目的及实验场地选择

  本次实验目的在于调查分析闸坝调度对闸控河段水流情势的影响作用,收集不同调度方式下的水动力特征参数;监测闸坝在各种运行情况下的水质浓度时空分布过程,研究污染物在水体、悬浮物、底泥等不同载体之间的转化规律;提出闸坝调度对水环境的作用机理,分析在不同调度方式下的污染物转化驱动机制.

  沙颍河作为淮河的典型支流,具有流域内闸坝众多、水污染事故多发、防洪防污矛盾突出等显著特点,同时其也是淮河流域污染最为严重的一条支流,废污水量和COD的排放量分别占淮河干流的40%以上,被称为淮河水质好坏的“晴雨表”.而槐店闸在沙颍河流域处于一个十分重要的位置,对于沙颍河流域的防洪防污联合调度具有重要作用,被形象地称为沙颍河出境水质好坏的“晴雨表”.通过前期研究的实地考察发现,槐店闸的结构、槐店闸上下游河段周围的水力学条件、水环境状况等适宜开展闸坝调控影响实验,同时,在槐店闸已开展过两次闸坝调度影响现场实验,为了保持实验研究工作的延续性,本次实验场地仍选在沈丘县槐店闸.

  沙颍河槐店闸位于河南省周口市沈丘县槐店镇,上距周口市60 km,下距豫皖边界34 km,控制流域面积28150 km2.浅孔闸(18孔,每孔宽6 m)于1959年兴建,深孔闸(5孔,每孔宽10 m)于1969年兴建.深、浅孔两闸设计防洪流量为20年一遇(3200 m3 · s-1),校核防洪流量为200年一遇(3500 m3 · s-1).设计灌溉面积达6.6万hm2,正常灌溉水位38.50~39.50 m,最高灌溉水位40.00 m,正常蓄水量为3000万m3~3700万m3,最大蓄水量为4500万m3.槐店闸主要由浅孔闸、深孔闸、船闸三部分组成,浅孔闸长期保持小流量下泄,深孔闸只在洪水期供泄洪使用,船闸为正常通航使用.水流受到闸门的阻挡,闸前流速小,有利于污染物的沉降;闸后有消能、曝气工程,有利于污染物的混合与降解.

  2.2 实验方案设计

  实验方案设计主要内容:①依据槐店闸的允许调度能力,设定不同的闸坝调度方式;②确定实验范围,布设监测断面和监测点;③设计具体的实验操作方法,包括水体样品、上层覆水样品、底泥样品的采集及保存方法,岸边监测、室内检测等方法,以及水深、流速等测量方法;④监测槐店闸浅孔闸在不同调度方式下的水体、悬浮物和底泥污染物浓度时空分布过程、分析闸坝调度对污染物浓度变化的作用机理.

  实验研究范围包括自槐店闸闸上公路桥至下游槐店水文站控制断面的河道,监测范围达2300 m.实验中沿用前两次实验布设的断面(略有调整),共设置5个监测断面(Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ)、5个监测点(1#、5#、7#、12#、13#),进行7次系统采样,共采集28个水样、3个底泥样和4个上层覆水样.现场对每个水样进行pH值和水温测定,对部分水样进行氨氮(NH3-N)和化学需氧量(CODCr)检测,同时利用HACH水质监测组件和Hydrolab DS5藻类自动监测仪器对闸上下游水质进行了监测.监测的采样断面及采样点布设情况如图 1所示.

  图 1 现场实验中采样断面及采样点布设示意图

  2.3 实验监测取样过程

  2013年4月5—8日,在槐店闸实验现场进行实验.按照实验设计及计划,将实验团队分成了闸上监测组、闸下监测组、岸边监测组和室内检测组4组,每组使用不同的监测设备,承担不同的监测任务.闸上监测组的监测区域主要在槐店闸上游Ⅰ断面(槐店闸闸上公路桥以上数十米、排污口以下数米处)和Ⅳ断面(闸前10~20 m)之间,监测项目包括水体取样(表层水和上层覆水取样)、底泥取样和水动力指标监测.闸下监测组的监测区域为Ⅵ断面(闸后河流汇合前5 m处)和Ⅶ断面(闸下水文站断面处)之间,现场监测过程中,先由闸上监测组依次对Ⅰ断面和Ⅳ断面进行水质监测,再由闸下监测组依次对Ⅵ断面和Ⅶ断面进行水质监测,各断面的水质监测之间有一定的时间间隔;监测项目包括水体取样(表层水取样)、底泥取样和水动力指标监测.岸边监测组分别在闸上左岸水文信息站处和闸下消力池左岸,对pH值、水温、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、电导率和藻类(PCY)等进行监测.室内检测组主要对取回的部分水样进行检测,检测指标主要包括水体pH值、CODCr和NH3-N.具体实验监测过程如表 1所示.

  表 1 实验监测取样过程

  2.4 实验仪器与监测方法

  实验仪器:PHS-25型pH计、LGY-Ⅱ型智能流速仪、HSW-1000DIG型便携式超声波测深仪、温度计、DR2800型CODCr检测仪、PC-Ⅱ型便携式氨氮测定仪、HACH水质监测组件、Hydrolab DS5仪器、自制抓斗式底泥采样器、自制上层覆水采样器、聚乙烯水壶、塑料袋等.

  水样监测:在现场利用流速仪、测深仪和温度计对采样点的流速、水深及水温等参数进行监测,同时用聚乙烯水壶取相应监测点表层水样,取样深度为0~0.2 m.取样后现场测定水样的pH值、NH3-N浓度值和CODCr值,并统一送回实验室进行水质分析,分析项目为高锰酸盐指数(CODMn)、NH3-N、五日生化需氧量(BOD5)、硝酸盐氮、总磷(TP)和总氮(TN),分析方法参照《水和废水监测分析方法》和水环境监测规范.此外,利用HACH水质监测仪器对水体中的DO、ORP、电导率、叶绿素a和藻类等指标进行监测.

  底泥上清液监测:用自制抓斗式底泥采样器采集河底沉积物的表层样品,采样深度为0~0.15 m,置于塑料袋中密封保存.取样后取新鲜底泥100 g平铺于烧杯底部,置于连续搅拌装置上进行搅拌,搅拌的同时缓慢均匀加水500 mL.加水后持续搅拌30 min,搅拌后静置1 h,取上清液,再测定CODMn、NH3-N、硝酸盐氮、TP和TN,分析方法同上.

  悬浮物监测:利用自制的上层覆水采样器,获取距离河底约0.15 m处的悬浮物样品,置于聚乙烯水壶中密封保存.取样完成后将样品送至实验室进行检测,取500 mL水样过滤,获得相应的悬浮物含量,之后将过滤出的悬浮物溶于250 mL纯水,并置于连续搅拌装置上搅拌30 min,取上清液分析,测定悬浮物含量及其中CODMn、NH3-N、硝酸盐氮、TP和TN等指标的含量,分析方法同上.

  3 结果与分析

  3.1 水质变化规律分析

  为了进一步分析不同调度方式下各监测断面污染物浓度的变化趋势,选择闸上干流(Ⅰ断面)、闸上浅孔闸附近(Ⅳ断面)、闸下三级消力坎末端(Ⅵ断面)、闸下干流(Ⅶ断面)4个代表性监测断面,但受到现场条件和时间的限制,部分指标只监测了3个或2个断面,在闸门不同调度方式下将各监测断面监测的污染物浓度点绘在同一个图中,实验结果如图 2所示.

  图 2 锐钛矿TiO2不同调度方式下各污染物浓度变化情况

  从图 2中可以看出,实验中各监测断面的水质情况具有以下特点:①CODMn处于Ⅱ~Ⅲ类水水平,NH3-N浓度处于Ⅳ~劣Ⅴ类水水平,BOD5处于Ⅲ~Ⅳ类水水平,TP浓度处于Ⅲ类水水平,TN浓度处于劣Ⅴ类水水平,总体水质处于Ⅴ类水水平,水质仅能满足河流沿岸的农业灌溉需求;②在多数调度方式下,CODMn在闸前持续上升,到闸门附近升至最高,闸门至三级消力坎末端断面下降,三级消力坎末端至水文站断面又逐渐上升,只有4孔70 cm调度方式的变化情况与之相反;多数调度方式下,NH3-N浓度的变化表现出与CODMn不同的变化趋势,但调度方式8孔30 cm和0孔0 cm的变化情况与之相同;BOD5和TN浓度值受到闸坝调度方式的影响较小,变化率均在10%左右,而硝酸盐氮和TP受到闸坝调度方式的影响较为明显,如8孔30 cm调度方式情况下,硝酸盐氮浓度有个明显的升高过程,浓度值增加了1倍左右.同时,从图 2中还可知,在4孔10 cm的调度方式下,水体中的NH3-N从Ⅰ断面到Ⅶ断面总体上呈下降趋势,而硝酸盐氮呈现逐步升高的趋势.这主要由于水体中DO浓度较高,且pH值在7.7左右,有利于硝化作用的进行,促进了NH3-N向硝酸盐氮的转化,表明了在该调度方式下水体已经趋向自净.因此,在本实验条件下,槐店闸日常调度时可参照其调度方式运行.

  在对河流中各监测断面水体进行监测的同时,利用HACH水质监测仪器在河流岸边对表层水体中的ORP、DO、电导率、叶绿素a和藻类等指标进行了监测,主要研究闸坝的不同调度方式对水体中藻类等指标的影响,各指标监测值随调度方式的变化情况如图 3所示.

  图 3 各监测指标随调度方式的变化情况

  从图 3可知,ORP、电导率及藻类含量等指标在闸上和闸下具有相同的变化趋势,但在数据变化程度及具体数值等方面略有不同.在各调度方式情况下,上下游监测点的ORP值相差不大,只有闸门全关调度方式下两者相差较大,此时闸下水体呈现了还原性,不利于水体中有机物的分解.水体电导率能够反映出水的导电性,水的导电性又能够反映水体溶解性总固体浓度的大小,而溶解性总固体值表示水中溶解物杂质含量,其值越大,说明水中的杂质含量大,反之,杂质含量小.从电导率子图可以看出,闸门小开度或关闭情况下,闸下水体经过闸坝调度的调节,水中杂质含量有个明显减小的趋势.由藻类含量子图可知,在闸门大开度时(6孔50 cm和4孔70 cm)的情况下,闸上的藻类值要大于闸下的值,这可能是由于闸下的水流速度较大,不利于藻类的生存;而在闸门小开度甚至关闭时,闸下藻类监测值要大于闸上的值,造成这种现象的原因可能是闸下流速变小且水深较浅,更利于藻类的生存.

  闸上和闸下DO和叶绿素a监测值的变化情况差别较大.DO的闸下数值要明显大于闸上的数值,闸下DO浓度处于Ⅰ类水水平,而闸上DO浓度则是处于Ⅱ类水水平,这充分表明了闸坝调度对水体中DO浓度产生较大的影响,促进了水体中DO浓度的增加.而叶绿素a的变化过程同样表明了闸坝调度对其也产生了较大影响,根据国内学者对营养状况的划分标准,闸上水体处于中-富营养状态,而闸下水体则处于中-富营养~富营养状态,在调度方式为4孔10 cm和闸门全关的情况下,闸下叶绿素a浓度值要明显大于闸上浓度值,此时水体处于富营养状态,这说明小流量和静水情况下更利于叶绿素a的“生存”.

  3.2 底泥变化规律分析

  为了进一步了解闸坝调度对底泥产生的影响及底泥与水体的交换作用,在4月5日下午(闸坝调度方式为8孔30 cm),对闸坝上下游的Ⅰ、Ⅳ和Ⅶ 3个断面分别进行了底泥取样,作为研究的背景值,各监测指标浓度值随监测断面变化情况如图 4所示.

  图 4 底泥中各污染物浓度随监测断面的变化情况

  由图 4可知,硝酸盐氮、TP和TN在闸坝前后河段经历了先升高后下降的变化过程.造成这种现象的原因主要是:①水流由于受到闸门挡水作用的影响,流速逐渐变缓,水体中的泥沙等固体颗粒物发生沉淀;在来水水质较差时,水体中的污染物会随着固体颗粒物一起沉积,进而造成闸前底泥中污染物含量的增加;②水体流经闸孔泄入闸后消力坎这一过程中,水流冲刷作用强烈,固体颗粒和污染物很难发生沉降,无需考虑底泥污染;③闸后三级消力坎至闸后干流范围内,河流中心的流速最大,这一区域内污染物固体颗粒沉降速度较慢,底泥受污染的程度较闸前小很多.但是,CODMn和NH3-N浓度的变化情况明显与上述过程不符,其在闸前河段有个明显的下降趋势.

  3.3 悬浮物变化规律分析

  本次实验中,对闸上浅孔闸附近采样点进行了悬浮物取样,主要是为了分析不同闸坝调度方式下闸前悬浮物污染物含量的变化情况,分析闸坝对上层覆水的影响.在闸门不同开度的调度方式下将该监测点的各种污染物浓度点绘在同一个图中,各监测指标浓度值随调度方式的变化情况如图 5所示.

  图 5 悬浮物含量及其中各指标浓度值随调度方式的变化情况

  由图 5可知,虽然各监测指标随着调度方式的改变,其变化趋势出现了一定的波动,但整体上都呈现下降的趋势.在8孔30 cm的调度方式下,悬浮物含量和污染物浓度值都比较大,但随着调度方式的改变,闸门前后的流速和流量发生了变化,造成了悬浮物含量及其污染物浓度的变化,但部分污染物浓度最小值不是出现在闸门全关的调度方式下,而是出现在4孔70 cm的调度方式中,但此时悬浮物含量则要明显大于闸门全关调度方式时的值.造成这种现象的原因可能是水流对悬浮物的扰动较大,加快了污染物的释放,造成了悬浮物中的污染物浓度降低.

  3.4 污染物在不同介质间的变化规律分析

  在现场实验监测过程中,为了分析污染物在不同介质之间的变化情况,对闸前受到闸坝调控影响最大的Ⅳ断面分别进行了底泥、悬浮物和水体的取样和监测,其污染物浓度变化情况如图 6所示.在现状调度方式(8孔30 cm)条件下,水体可能对底泥产生了冲刷,加速了底泥的再悬浮和污染物的释放,进而造成了水体污染物含量增加.如图 6所示,在Ⅳ断面7#监测点除了监测指标TN和TP之外,其他指标浓度大小的顺序为:悬浮物<底泥<水体,这就说明了水体的扰动能够促进底泥和悬浮物中污染物的释放,造成水体的二次污染.

  图 6 Ⅳ断面不同样品中污染物浓度变化情况

  3.5 闸坝对污染物运移规律的影响分析

  为了分析闸坝对污染物运移规律的影响,根据实验中布设的监测断面,将槐店闸上下游河段划分为3个典型河段,对比分析了闸坝在不同调度方式下典型河段的水质变化情况.从前文分析结果可以看出,调整闸门开度以后,典型河段的水质变化情况出现了较大的差异,改变了原有污染物浓度的变化趋势.受到闸坝泄水对底泥和悬浮物的扰动作用,能够使吸附在固体颗粒上的污染物与水体发生物质交换,促进固体颗粒上的污染物向水体释放,形成二次污染.根据本次实验的监测过程和监测数据可知,底泥和悬浮物的二次污染主要受到以下两方面因素的影响.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  3.5.1 流量

  根据实验监测结果,当河流流量较小(闸门开度较小或开启的孔数少)时,即河流流速小于泥沙起动流速,河流底泥和悬浮物不易起动,河流底泥或悬浮物释放污染物的速率较小,多以静态释放为主,且在一定流速范围内,污染物的释放速率不随流速变化而改变;当闸坝下泄流量较大(闸门开度大或开启的孔数多)时,即河流流速大于泥沙的起动流速,会造成底泥和悬浮物的剧烈扰动,加速其中污染物的释放.正如图 6中各监测结果所示,大流量条件下(8孔30 cm)能够促进底泥和悬浮物中污染物的释放.因此,槐店闸日常调度时应保持小开度(如实验中的4孔10 cm)下泄水流.

  3.5.2 水深

  水深在一定程度上会影响水流的冲刷强度,在相同流量情况下,水深较大时,水流对河床的冲刷作用较小,底泥和悬浮物中污染物的释放速率也较小;水深较小时,水流就会对河床产生冲刷,促进底泥的再悬浮,加速底泥和悬浮物中污染物的释放,使水体二次污染的程度加重.正如图 2监测结果所示,多数调度方式下,闸上Ⅳ断面处的CODMn和NH3-N浓度值均大于Ⅰ断面处的监测值,造成该现象的原因是由于闸前Ⅳ断面处水深较小(5 m左右),同流量条件下对底泥的冲刷要大于Ⅰ断面(11 m左右),加速了底泥和悬浮物中污染物的释放;闸下Ⅵ断面处的CODMn和NH3-N浓度值要小于Ⅶ断面的浓度值,主要由于Ⅵ断面水深小、流速大,水流对该处冲刷剧烈,底泥固体颗粒很难发生沉降,水体缺少了底泥中污染物的释放,造成了该监测断面浓度值较小.

  4 结论

  本文在淮河支流沙颍河上的槐店闸进行了闸坝调控水环境影响综合实验,监测了槐店闸在现状调度方式和调度方式变化的情况下各监测断面的水质、悬浮物和底泥污染物浓度,分析了不同闸门开度下闸坝调度对污染河流水质的影响,并探讨了污染物在不同介质之间的变化情况.根据实验结果分析可知:从各监测指标的变化趋势来看,闸坝调度使各断面水体中污染物浓度发生变化;随着闸门调度方式的不同,各监测断面污染负荷呈现不同的变化趋势;闸坝调度和水质污染物浓度变化之间呈现了复杂的变化关系,这说明在研究污染负荷变化时,除了要考虑闸坝的调度方式之外,还应考虑上游来水来污情况和内源污染释放等因素;底泥和悬浮物中污染物的释放会受到流量和水深等因素的影响;部分监测点污染物浓度值变化情况与预计情况不太符合,需进一步开展相应的理论和数值模拟实验研究.

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