CN115419006B - 一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，勘测在平水期时，支流入汇口的宽度和交汇口下游各断面干流的宽度，交汇口后各断面干流两岸近岸河底及水面高程线；步骤2，根据步骤1得到的勘测数据，在交汇口后干流两岸布设多个丁坝，各丁坝的位置应满足以下条件：汇口对岸一侧丁坝分别布设在紧靠汇口处的干流对岸和汇口下游远端干流对岸，汇口一侧的丁坝布设在对岸2个最内相邻丁坝之间河段范围内的汇口侧下游。该一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，解决了由于宽浅河流交汇区污染物不易混合，会对交汇区水质和河岸生态环境产生负面影响的问题。

Description

一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法
技术领域
本发明属于河流污染治理与河道整治技术领域，具体涉及一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法。
背景技术
河流交汇区在天然河网水系中十分常见，干流沿岸污染严重的支流汇入是平原地区大型宽浅型河流水质状况恶化的主要影响因素。尤其是支流沿岸分布工厂或遍布农田，工业点源排放和农业灌溉冲洗面源污染排放将会严重恶化支流水质。由于支流河宽较窄，流量较小，水体自净能力有限，支流将输运高浓度污染物最终汇入干流。特别是在平、枯水期，河流低流量导致污染承载能力有限，这种污染支流交汇引起的河流污染现象将会更加严重。
交汇区干支流相互顶托掺混形成了复杂的流场，交汇区流场平面上的回流分离区和截面上的二次环流可以促进干支流水质的混合。在山区河流或小型河流的交汇区中，当污染严重的支流汇入干流，干支流不同的污染物浓度可以在交汇区迅速达到均匀混合，进而开始大范围的自然降解过程，水质在较短时间和河段长度内便可恢复到之前的水平。但是，在平原地区宽浅型断面的河流交汇区中，干流的河宽、流量远大于支流，交汇区水流流速较小、流场平缓，不会出现明显的回流分离区和截面螺旋流运动。在该水流条件的作用下，当受污染较为严重的支流汇入干流后，污染物会在汇口河岸一侧集中分布，通常会在汇口后形成较长的污染物高浓度带，横向均匀混合的过程十分漫长，需要上百倍河宽长度，断面上污染物浓度才能达到相对均匀混合。这种污染物在河流一侧高浓度聚集的现象一方面不利于污染物的高效降解导致水质恶化，另一方面对交汇区支流侧河岸生态环境造成了严重破坏。目前尚无关于平原地区宽浅型干支流交汇区在支流污染条件下的交汇区水质改善措施的报道，若能开发出促进平原地区宽浅干支流交汇区大气复氧、加快污染物混合降解和改善水质的方法，对交汇区及下游河流水安全和生态环境保护将产生积极的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，解决由于宽浅河流交汇区污染物不易混合，会对交汇区水质和河岸生态环境产生负面影响的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，勘测在平水期时，支流入汇口的宽度和交汇口下游各断面干流的宽度，交汇口后干流各断面左右岸近岸河底及水面高程线，并计算河底和水面高程线间距从而得到断面水深；
步骤2，根据步骤1得到的勘测数据，在交汇口后干流两岸布设多个丁坝，各丁坝的位置应满足以下条件：汇口对岸一侧丁坝分别布设在紧靠汇口处的干流对岸和汇口下游远端干流对岸，汇口一侧的丁坝布设在对岸2个最内相邻丁坝之间河段范围内的汇口侧下游。
作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤2中，干流河岸汇口一侧布设4个，汇口对岸一侧布设2个。
作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤2中，第一个丁坝布设在汇口对岸距离汇口中线0.8-0.9倍汇口宽度位置处，丁坝长度为0.25-0.3倍该断面干流宽度，丁坝布设角度为70°-80°。
作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤2中，第二个丁坝布设在汇口一侧下游距离汇口中线2-2.5倍汇口宽度位置处，丁坝长度为0.15-0.2倍该断面干流河宽，丁坝布设角度为85°-95°。
作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤2中，第三、第四和第五个丁坝角度与第二个丁坝相同，长度均为0.15-0.2倍该断面干流河宽，第二、第三、第四和第五个丁坝间距为1.5-1.6倍汇口宽度。
作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤2中，第六个丁坝布设于汇口对岸距离第五个丁坝位置1.5-2倍汇口宽度位置处，丁坝长度为0.25-0.3倍该断面干流宽度，丁坝布设角度为70°-80°。
作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤2中，各丁坝的坝顶高程为该断面平水期干流水面高程加雍水超高，雍水超高为0.05-0.1倍丁坝位置处最大水深。
作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤2中，丁坝为圆头。
作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤1中，勘测在平水期时，支流入汇口的宽度和交汇口下游各断面干流的宽度，以及交汇口后各断面干流左右岸近岸河底及水面高程线，勘测期限至少为平水期3个月，具体数值取多次勘测值的平均值。
本发明的有益效果是：(1)本发明的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，该方法通过在交汇区干流左右岸按照一定原则布设多个丁坝来促进干支流水流掺混，进而改变污染物在汇口一侧高浓度分布的形态，促进水体大气复氧以及污染物降解，解决宽浅河流交汇区污染物不易混合对交汇区水质和河岸生态环境产生的负面影响，改善被污染交汇区的水生态环境，保障交汇区及下游河流水安全；(2)本发明的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，在干流左右岸布设的丁坝，一方面，起到了导流作用，将干流上游水质较好的水流导向交汇口后水质较差的区域，促进水体混合，减小高浓度污染物集中聚集的区域面积。另一方面，在汇口侧岸边布设的多个丁坝，坝间形成了流速较小的回流区，在回流的过程中可以卷入水质较好的水流起到掺混的作用，同时也可以增加水体曝气时间，进而提升水质。实验验证后发现，与未采用本方法对比，应用本方法后下游同位置断面水质指标溶解氧浓度均值和混合均匀程度均有一定程度提高。起到了改善水质的作用；(3)本发明的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，适用于宽浅型河流交汇区，在河岸布设丁坝，在平、枯水期可以改善原来支流汇入顶托干流造成的对岸河岸冲刷，调整水流主流从河道中部流向下游，改善流场。而在丰水期，水位升高可以淹没丁坝，不会对行洪产生较大影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实例中建立的概化模型示意图；
图2是本发明实例中采用的圆头丁坝示意图；
图3是本发明实例中丁坝布设方法具体位置示意图；
图4是本发明实例中布设丁坝前交汇区溶解氧浓度分布图；
图5是本发明实例中布设丁坝后交汇区溶解氧浓度分布图；
图6是本发明实例中布设丁坝前交汇区溶解氧复氧速率分布图；
图7是本发明实例中布设丁坝后交汇区溶解氧复氧速率分布图；。
图8是本发明实例中布设丁坝前交汇区流速场分布图。
图9是本发明实例中布设丁坝后交汇区流速场分布图；
图10是本发明实例应用本发明前后出口断面(x＝50m)溶解氧浓度值分布曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，勘测在平水期时，支流入汇口的宽度和交汇口下游各断面干流的宽度，交汇口后各断面干流左右岸近岸河底及水面高程线；并计算河底和水面高程线间距从而得到断面水深。勘测期限至少为平水期3个月，具体数值取多次勘测值的平均值；
步骤2，根据步骤1得到的勘测数据，在交汇口后干流两岸布设多个丁坝，干流河岸汇口一侧布设4个，汇口对岸一侧布设2个，各丁坝的位置应满足以下条件：汇口对岸一侧丁坝布设在紧靠汇口处的干流对岸和汇口下游远端干流对岸，汇口一侧的丁坝布设在对岸2个丁坝之间河段范围内的汇口侧下游。
丁坝的位置选取原则为：汇口对岸第1个丁坝布设在紧靠汇口处的干流对岸，以使干流上游水质较好的水导向支流入汇口后促进第一次掺混，汇口侧4个丁坝布设在汇口下游一定范围内，以保障河道过流能力的同时加速汇口侧高污染浓度水流在丁坝间回流区域混掺同时促进复氧，汇口对岸第2个丁坝布设在下游远端，以再次将水质较好的水导向经过汇口一岸丁坝混合后的污染水流，再此促进混掺提升水质。
各丁坝布设具体位置为:以水流方向排列，第1个丁坝布设在汇口对岸距离汇口中线0.8-0.9倍汇口宽度位置处，丁坝长度为0.25-0.3倍该断面干流宽度，丁坝布设角度为70°-80°。第2个丁坝布设在汇口一侧下游距离汇口中线2-2.5倍汇口宽度位置处，丁坝长度为0.15-0.2倍该断面干流河宽，丁坝布设角度为85°-95°。第3-5个丁坝角度与第2个丁坝相同，长度均为0.15-0.2倍该断面干流河宽，第2-5个丁坝间距为1.5-1.6倍汇口宽度。第6个丁坝布设于汇口对岸距离第5个丁坝位置1.5-2倍汇口宽度位置处，丁坝长度为0.25-0.3倍该断面干流宽度，丁坝布设角度为70°-80°。
各丁坝的坝顶高程为该断面平水期干流水面高程加雍水超高，雍水超高为0.05-0.1倍该位置处最大水深，以使布设丁坝后水位有轻微壅高的情况下，在河流平、枯水期，丁坝可以充分承担导流和混掺功能；而在丰水期，河流水位可淹没丁坝而不影响行洪。
各丁坝形状以圆头丁坝为优选，其水流阻力相对较小，也可选择长方形、不规则形丁坝。丁坝宽度根据河流实际水流冲刷情况、以及施工修建情况综合确定。
上述交汇口后干流下游各断面是指布设丁坝的干流断面，干流左右岸水深是指丁坝延伸入干流长度范围内干流的水深。丁坝长度为河岸到坝头端的距离，丁坝布设角度为丁坝轴线与下游河岸的夹角。
实施例1
本实例中，以某平原宽浅型河流干支流交汇区的实际河段为原型，构建概化模型展开方法应用。该模型与实际河段的比尺为1：100。该模型中，干流长60m，宽5m，深0.05m；支流长10m，宽2m，深0.05m，干支流交汇角度为90°，支流于干流右岸入汇，入汇口宽度为2m，干支流坡度均为1‰。本实例中以溶解氧浓度作为水质指标，溶解氧浓度越高水质越好。并考虑大气复氧过程，以大气复氧速率表示水体自净能力，大气复氧速率越快水体自净能力越强，大气复氧速率与水体氧亏(水体溶解氧浓度与饱和溶解氧浓度差值)、流速和紊动能有关。本实例模型中，干流进口流量为0.2m3/s，溶解氧浓度为7mg/L；支流进口流量为0.02m3/s，溶解氧浓度为2mg/L。模型示意图如图1，图1是本发明实例中建立的概化模型示意图，图中箭头方向为干支流水流方向。
下面以上述模型为例，说明改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法及其效果，步骤如下：
勘测本案例实际河段平水期3个月以下数据，入汇口的平均宽度、下游各断面平水期平均宽度以及左右岸近岸河底及水面高程线。测得的数据按照比尺缩小为本实例模型尺寸，入汇口宽度为2m，干流下游各断面宽度均为5m，干流下游各断面左右岸近岸水面高程为5m，计算得丁坝长度进深范围内水深最大值为0.05m。
根据上述勘测情况，在入汇口后干流左右岸布设圆头丁坝，如图2所示，图2是本发明实例中采用的圆头丁坝示意图；l为丁坝长度，B为丁坝宽度，a为丁坝布设角度。左岸布设2个丁坝，分别记作L1和L2；右岸布设4个丁坝，分别记作R1、R2、R3、R4。丁坝L1和L2长1.3m，宽0.6m；丁坝R1、R2、R3、R4长0.8m，宽0.6m，布设角度90°。各丁坝的高度为0.055m，坝顶高程为5.005m。
上述圆头丁坝的具体布设位置如图3所示，图3是本实例中丁坝布设方法具体位置示意图；LD1表示左岸第一个丁坝L1距离汇口中轴线的距离，LD2表示左岸第二个丁坝L2距离汇口中轴线的距离，RD1表示右侧第一个丁坝R1距离汇口中轴线的距离，RD2表示右岸第二个丁坝R2距离汇口中轴线的距离，RD3表示右岸第三个丁坝L3距离汇口中轴线的距离，RD4表示右岸第四个丁坝L4距离汇口中轴线的距离。丁坝L1布设在汇口对岸距离汇口中线1.75m位置处，布设角度为77°。丁坝L2布设于汇口对岸距离汇口中线LD2＝16.3m位置处,丁坝布设角度为77°。丁坝R1布设在汇口一侧下游距离汇口中线RD1＝4.3m位置处，布设角度为95°。丁坝R2布设在汇口一侧下游距离汇口中线RD2＝7.3m位置处，布设角度为95°。丁坝R3布设在汇口一侧下游距离汇口中线RD3＝10.3m位置处，布设角度为95°。丁坝R4布设在汇口一侧下游距离汇口中线RD4＝13.3m位置处，布设角度为95°。
上述水流和水质工况下，对比考察丁坝对干支流交汇区溶解氧浓度混合效和水质提升效果：
在上述模型河道(未布设丁坝)，干流以0.2m3/s的流量，7mg/L的溶解氧浓度(Ⅰ类水)引入水流；支流以0.02m3/s的流量，2mg/L的溶解氧浓度(Ⅴ类水)引入水流。两水流交汇并输运溶解氧至下游，待水流流场以及溶解氧浓度场分布完全稳定后，观察交汇区溶解氧浓度分布如图4所示，图4是本发明实例中布设丁坝前交汇区溶解氧浓度分布图，图中等值线及数字表示溶解氧浓度值，单位:mg/L。汇口下游水体溶解氧浓度小于3mg/L(Ⅳ类水)的区域长度为11.25m，溶解氧浓度小于4mg/L的区域长度为18.4m，溶解氧浓度小于5mg/L(Ⅲ类水)的区域长度为34.4m。出口截面有1m宽的区域浓度小于6mg/L(Ⅱ类水)。在上述模型河道按照本发明方法布设丁坝，干支流引入相同流量和水质(溶解氧浓度)的水流。待水流流场以及溶解氧浓度场分布完全稳定后，观察交汇区溶解氧浓度分布如图5所示，图5是本发明实例中布设丁坝后交汇区溶解氧浓度分布图，图中等值线及数字表示溶解氧浓度值，单位:mg/L。汇口下游水体溶解氧浓度小于3mg/L(Ⅳ类水)的区域长度缩短至8.25m，溶解氧浓度小于4mg/L的区域长度缩短至12.5m，溶解氧浓度小于5mg/L(Ⅲ类水)的区域长度缩短至22m。出口截面仅有0.4m宽的区域浓度小于6mg/L(Ⅱ类水)。综上所述，应用本发明方法后，交汇区水质劣于Ⅳ类水的区域长度缩减26.9％，水质劣于Ⅲ类水的区域长度缩减36.0％，下游截面(x＝50m)优于Ⅱ类水水质截面占比提升12％。该交汇区水质较差区域长度在应用本发明方法布设丁坝后有大幅度减小。
水体大气复氧速率直接决定水体自净能力。对比布设丁坝前后水体的复氧速率，未布设丁坝该交汇区水体复氧速率分布如图6所示，图6是本发明实例中布设丁坝前交汇区溶解氧复氧速率分布图，图中等值线及数字表示溶解氧复氧速率值，单位:mg/(L·s)。该交汇区水体复氧最大速率为0.004mg/(L·s)，最大复氧区域分布在干支流交界面上，而其他区域水体复氧速率较小，水体自净能力较弱。按本发明方法布设丁坝后交汇区水体复氧速率分布如图7所示，图7是本发明实例中布设丁坝后交汇区溶解氧复氧速率分布图，图中等值线及数字表示溶解氧复氧速率值，单位:mg/(L·s)。该交汇区水体复氧最大速率为0.008mg/(L·s)，最大复氧区域分布在右岸R1丁坝坝头区域，右岸丁坝坝间区域复氧速率较快。该现象说明按照本发明方法布设丁坝，可以有效促进水体自净，水体自净能力提升1倍。
布设丁坝前，交汇区流速场分布如图8所示，图8是本发明实例中布设丁坝前交汇区流速场分布图，图中等值线及数字表示流速值，单位:m/s。可以看出在交汇口后，支流对干流顶托束窄了过流断面，最大流速区域出现在汇口后左岸，容易对左岸产生冲刷。按照本方法布设丁坝后流场分布如图9所示，图9是本发明实例中布设丁坝后交汇区流速场分布图，图中等值线及数字表示流速值，单位:m/s。可以看出交汇区水流在丁坝的导引作用下主要沿着河道中部向下游流动，由于丁坝布设，交汇区中部流速增大，左右岸流速较小，可以对河道边坡起到一定保护作用。
本发明引入交汇区下游截面(x＝50m)溶解氧浓度分布均值和均匀度来判断交汇区下游截面整体水质情况和截面混合程度。计算公式如下：
溶解氧浓度截面均值：
Figure BDA0003825287710000101
溶解氧浓度截面均匀度：
Figure BDA0003825287710000102
式中，
Figure BDA0003825287710000103
为截面溶解氧浓度均值，单位mg/L；CDOi为各测点溶解氧浓度值，单位mg/L；n为测点个数，本案例取200；UDO为截面溶解氧浓度均匀度，无量纲。
布设丁坝前后出口截面(x＝50m)溶解氧浓度分布曲线见图10，图10是本发明实例应用本发明前后出口断面(x＝50m)溶解氧浓度值分布曲线。按照本发明方法在交汇区布设丁坝后，出口截面左右岸溶解氧浓度差显著降低，均匀度显著提高。布设丁坝前，出口截面溶解氧浓度均值为6.200mg/L，截面溶解氧分布均匀度为0.500。按照本发明方法布设丁坝后，出口截面溶解氧浓度均值增加为6.573mg/L，截面溶解氧分布均匀度为0.693。对比发现，在应用本发明方法后，该交汇区下游相同截面水质溶解氧浓度提升6％，断面水质均匀度提升38.6％。由此可得，本发明方法布设丁坝改善了交汇区下游污染物在支流侧过度集中的分布形态，加强了水质较差的水体与水质较好水体的混合程度，从而可以展开更大范围大气复氧，进一步提升交汇区下游水体水质。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，勘测在平水期时，支流入汇口的宽度和交汇口下游各断面干流的宽度，交汇口后各断面干流两岸近岸河底及水面高程线，并计算河底和水面高程线间距从而得到断面水深；
步骤2，根据步骤1得到的勘测数据，在交汇口后干流两岸布设多个丁坝，各丁坝的位置应满足以下条件：汇口对岸一侧丁坝分别布设在紧靠汇口处的干流对岸和汇口下游远端干流对岸，汇口一侧的丁坝布设在对岸2个最内相邻丁坝之间河段范围内的汇口侧下游。
2.根据权利要求1所述的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，其特征在于，在所述步骤2中，干流河岸汇口一侧布设四个，汇口对岸一侧布设两个。
3.根据权利要求2所述的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，其特征在于，在所述步骤2中，第一个丁坝布设在汇口对岸距离汇口中线0.8-0.9倍汇口宽度位置处，丁坝长度为0.25-0.3倍该断面干流宽度，丁坝布设角度为70°-80°。
4.根据权利要求3所述的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，其特征在于，在所述步骤2中，第二个丁坝布设在汇口一侧下游距离汇口中线2-2.5倍汇口宽度位置处，丁坝长度为0.15-0.2倍该断面干流河宽，丁坝布设角度为85°-95°。
5.根据权利要求4所述的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，其特征在于，在所述步骤2中，第三、第四和第五个丁坝角度与第二个丁坝相同，长度均为0.15-0.2倍该断面干流河宽，第二、第三、第四和第五个丁坝间距为1.5-1.6倍汇口宽度。
6.根据权利要求5所述的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，其特征在于，在所述步骤2中，第六个丁坝布设于汇口对岸距离第五个丁坝位置1.5-2倍汇口宽度位置处，丁坝长度为0.25-0.3倍该断面干流宽度，丁坝布设角度为70°-80°。
7.根据权利要求6所述的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，其特征在于，在所述步骤2中，各丁坝的坝顶高程为该断面平水期干流水面高程加雍水超高，雍水超高为0.05-0.1倍该位置处最大水深。
8.根据权利要求7所述的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，其特征在于，在所述步骤2中，丁坝为圆头。
9.根据权利要求8所述的一种改善污染支流与宽浅河流交汇区水质的方法，其特征在于，在所述步骤1中，勘测在平水期时，支流入汇口的宽度和交汇口下游各断面干流的宽度，以及交汇口后各断面干流左右岸近岸河底及水面高程线，勘测期限至少为平水期3个月，具体数值取多次勘测值的平均值。
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