水库水质评价与生态浮床法治理设计研究

郗梓添

水库水质评价与生态浮床法治理设计研究

郗梓添

（辽宁省阜新水文局，辽宁阜新123000）

以清河水库为例，通过模糊评价方法确定了水库地表水质均为III类，COD含量偏高。鉴于此，提出采用生态浮床治理的方案，明确浮床设计选择要素与基本断面形式，并针对结构的锚固绳索、锚固端以及配重等荷载进行复核，结果满足规范要求，以期为类似研究提供借鉴。

水库枢纽；水质评价；模糊评价；生态浮床；结构复核

水利工程的设计与建设也要同时兼顾环境保护，尽量减少对环境的改变与破坏。水质评价是水环境污染治理的第一步，也是关键步骤[1-2]。在确定水质污染程度后，还需要采取生物、化学或设置拦污栅等工程类方法对其进行恢复治理，净化水质，直至其满足生产生活需要。

1 工程概况

清河水库位于辽宁省铁岭市清河区、辽河中游左岸一级支流清河干流下游，是辽宁省著名七大水库之一。清河水库建于1958年～1962年。水库水面广阔，东西长30 km，南北宽2.5 km，控制面积2376 km2，最大库容9.71亿m3，大坝长1622 m，高39.6 m。清河水库为大（II）型水库，按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核。清河水库水系见图1。

图1 清河水库水系图

2 水质监测与水质评价

2.1 水质监测项目与布设

按照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）及《水环境监测范》（SL219-98）进行水质监测。选择水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数等32项指标作为监测项目。清河水库坝前和清河水库入库口每月上旬监测一次，全年共监测12次，清河水库库中在5月～10月的每月上旬监测一次，全年共监测6次。对采样现场监控，对实验室分析发放的平行样、回收、内控样和全程序空白进行监控，监测结果全部在质量控制范围内。

依据《水环境监测规范》（SL219-98）规定进行点位采样，监测点位3个，分别为清河水库入库口、清河水库库中、清河水库坝前，采样深度在水面下0.5 m处。

2.2 基于模糊评价法的水库水质评价

2.2.1 模糊评价法原理与步骤

模糊评价法是一种通过建立评价因子集、评价集、隶属函数和权重集合，从而实现各水体样本的质量等级综合评判的方法。模糊评价法因其实现简单，可以反映单因子对水质评价结果的影响，被广泛应用于水质评价工作中[3]。其计算过程如下：

（1）结合评价对象实际情况，建立评价因子集：U（u1u1…un），其中ui为对象各个影响因子，同时建立与之相应的的评级集合V（v1v1…vn），本文中vi为《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）给出的各因子等级。

（2）对每个因子ui赋予相应的权重ai，其计算公式为：

式中：ci为第i种污染物实测浓度；si为第i种污染各级标准值算数平均值。并对计算结果进行归一化处理。

（3）根据各指标隶属各水质等级，确定不同“降半梯形”的隶属函数，其形式如下：上式中，rij表示第i个评价因子相对于指标标准j的相对隶属度。通过上述计算得到模糊关系矩阵Rij。

2.2.2 水质评价结果

参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，建立评价因子权重系数表，见表1。可以看出COD权重系数最大。根据表1与现场水质监测数据，可以得到模糊评价法水库隶属度系数结果表。模糊评价法水库隶属度系数结果见表3。

表3为基于模糊综合评级数学模型的清河水库水质评价结果，从表中可以看出，根据隶属度最大原则，清河水库入库口水质监测点地表水等级为III，其对应的隶属度最大为0.081176，因此第一个水质监测点清河水库入库口水质评价的结果为III类水。在清河水库第二个监测点，即为清河水库的库区中点处，结合隶属度最大原则，其隶属度最大值为0.167622，其所对应的水质等级为III类，同样依据隶属度最大原则，清河水库第三个水质监测点即水库坝前水质监测点，其水质经过模拟综合评价数学模型评价后和前面两个水库监测点水质评价结果一致，其地表水水质等级也为III类。综上，结合清河水库水质监测数据，运用模糊综合评价数学模型评价后，在清河水库三个水质监测点即水库入库口，水库中心处以及水库坝前其地表水质均为III类。

3 生态浮床设计

根据以上分析，清河水库三个水质监测点即水库入库口、水库中心处以及水库坝前其地表水质均为III类，且COD权重系数最大，对水质影响最大。基于此通过设计生态浮床，降低COD（化学需氧量）；同时人工营造一个动物、微生物良好的生长环境，提高水体的自净能力，从而修复水生态系统，达到自然生态的平衡[4]。

3.1 生态浮床控制参数

生态浮床控制性物理特性主要包括水温、流速、水深、底质条件、含氧量、光照等，而生态浮床设计需尽可能模拟水生植物的生境条件。综合考虑污染区域的生境特征，以及水生植物选用特点，确定生态浮床的生境控制标准如下：（1）浮床平均淹没高度约0.3～0.5 m。飘浮式浮床的淹没高度相对固定，根据浮子设计情况可控制位0.5 m左右，卵石层表面的高程随水位变动而改变。（2）确定生态浮床的流速范围为0.5～2.0 m/s。（3）生态浮床水温为15～25°C；（4）生态浮床基质材料为卵石、砂砾、水草等混合底质，其中卵石直径D50=20 mm[5]。

3.2 生态浮床断面设计

漂浮式生态浮床的基本原理为通过重力和浮子（拟采用浮筒）浮力形成受力平衡，顶部浮筒提供浮力同时控制着生态浮床的淹没水深，结构整体稳定性由配重通过锁链提供。生态浮床由双层结构组成，上层填充大网眼的海绵，在海绵切孔内种植香蒲等挺水水生植物，其叶片、根茎可为鱼类产卵提供着床基质和饵料来源；下层分别构造卵石铺层区块和植被种植区块，形成异质性的产卵栖息平台[6]。

表1 水质评价因子权重系数表

表2 模糊评价法水库隶属度系数结果表

表3 模糊综合评估法水质评价结果表

图3 生态浮床断面设计图

图4 生态浮床单体上下层结构示意图

图5 单体结构受力示意图

表4 生态浮床结构受力计算结果表

生态浮床漂浮单体的主骨架为缠上泡沫聚苯乙烯的钢制框架，根据栖息生境要求，初步确定框架尺寸为4.0 m× 4.0 m×0.5 m，框架的长度和宽度可根据需要进行适当调整，高度需满足生态浮床淹没水深要求。图3为生态浮床纵断面设计图，图4为生态浮床单体上下层结构示意图。

3.3 结构稳定复核

运行阶段，生态浮床结构所经受的荷载主要由以下几个部分组成，见图5：自重荷载Wt、浮力Ft、水流力Fw、配重拉力Ts等（忽略风浪作用荷载影响）。为确保结构相对稳定，需对结构的锚固绳索、锚固端以及配重等荷载进行复核。

参考《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)，漂浮于水中的结构所受的水流力可简化为：

式中：Fw为水流力标准值(kN)；Cw为水流阻力系数；ρ为水密度，取值1.0(t/m3)；V为水流设计流速，取3.0(m/s)；A为结构在与流向垂直平面上的投影面积（m2）。

假定浮床位置最大流速为2.0 m/s，则浮床所受最大水流力约7.2 kN（浮筒完全淹没）。不同锁链倾角对应的单体结构受力计算结果见表4，以锁链倾角45°为例，锁链及锁扣设计张拉强度必须大于12.25 kN，配重重量约5.68 t。

4 结论

本文通过模糊评价方法确定了清河水库入库口，水库中心处以及水库坝前其地表水质均为III类，且COD为主要污染因子。针对水质评价结果本文提出了生态浮床治理方法，最后为确保结构相对稳定，需对结构的锚固绳索、锚固端以及配重等荷载进行复核。计算结果满足规范要求。本文对水库水质评价与治理具有一定的参考价值。

在水质评价工作中，模糊评价法无法反应综合反应水质结果，同时当COD较大时，还应对水体富营养化程度进行分析。由于生态浮床是一种新的结构型式，规范给出的公式还不完善，还应采用数值模拟计算方法确定其应力集中区的应力状态。

[1]王肖肖,张妙仙,徐兵兵.模糊标识指数与对应分析法在水质评价中的联合应用[J].环境科学学报,2012,05:1227-1235.

[2]徐兵兵,张妙仙,王肖肖.改进的模糊层次分析法在南苕溪临安段水质评价中的应用[J].环境科学学报,2011,09:2066-2072.

[3]杨静.改进的模糊综合评价法在水质评价中的应用[D].重庆大学,2014.

[4]刘娅琴,邹国燕,宋祥甫,付子轼,刘福兴,潘琦,范洁群.富营养水体浮游植物群落对新型生态浮床的响应[J].环境科学研究, 2011,11:1233-1241.

[5]胥丁文,陈玲娜,马前.生态浮床技术的应用及研究新进展[J].中国给水排水,2010,14:11-15.

[6]曹勇,孙从军.生态浮床的结构设计[J].环境科学与技术,2009,02: 121-124.

X820.3

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1673-9000（2017）02-0167-03

2016-12-18

郗梓添（1987-），男，辽宁黑山人，助理工程师，主要从事水资源与水质评价工作。