田樂琪

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海）

概述

城市河流水環(huán)境治理是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。受歷史粗放式經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響，城市河流發(fā)黑發(fā)臭、富營(yíng)養(yǎng)化等問題頻發(fā)，近年來我國(guó)城市河流治理工程投入大量資金，但仍存在治理效果差、問題復(fù)發(fā)率高等問題。河流水質(zhì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)河流水環(huán)境問題治理方案的科學(xué)制定具有重要意義[1-3]。

選取某城市30 km2的范圍為研究區(qū)域，現(xiàn)狀存在管網(wǎng)破損、雨污混接、污水溢流污染現(xiàn)象。旱天污水混入雨水系統(tǒng)，造成大量污水從雨水管流入河道，造成河道水質(zhì)超標(biāo)。

通過采用EPA-SWMM軟件，構(gòu)建某城市流域水動(dòng)力、水質(zhì)仿真模型，對(duì)現(xiàn)狀及規(guī)劃工況的模擬，評(píng)估城市雨污分流、活水調(diào)度、生態(tài)護(hù)坡、海綿城市等工程措施建設(shè)效果，為流域水環(huán)境治理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

1 一維水動(dòng)力、水質(zhì)模型構(gòu)建

1.1 區(qū)域選擇

選取某城市30 km2的范圍為研究區(qū)域，污水管網(wǎng)130 km，雨水管網(wǎng)115 km，雨污水混接點(diǎn)200 處，10 處為內(nèi)部混接，含有合流制溢流口21 個(gè)。區(qū)域內(nèi)含有現(xiàn)狀污水廠1 個(gè)，主要污水泵站6 個(gè)。

1.2 一維水動(dòng)力、水質(zhì)現(xiàn)狀模型構(gòu)建

5 782 個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)：其中2 500 個(gè)污水井，3 182 個(gè)雨水井，8 個(gè)泵站，8 個(gè)蓄水池節(jié)點(diǎn)。84 個(gè)河道節(jié)點(diǎn)，2 個(gè)排水口節(jié)點(diǎn)。

5 764 個(gè)管段數(shù)據(jù)：其中5 552 個(gè)雨污管段，212 個(gè)連接管段，83 個(gè)河流連接管段。

（1） 管網(wǎng)。搭建流域內(nèi)的排水管網(wǎng)現(xiàn)狀模型，包括雨水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)。排水管道管徑、埋深、長(zhǎng)度、材質(zhì)等管網(wǎng)數(shù)據(jù)從城市排水資料中獲取，利用GIS 提取相關(guān)信息。

（2） 河道。城區(qū)河道結(jié)合一維水流模型，對(duì)SWMM進(jìn)行改進(jìn)，將管道流改成明渠流。共計(jì)4 條河道，根據(jù)遙感圖繪制河道中心線，設(shè)置河道長(zhǎng)度為14 024 m；按約每200 m間隔設(shè)置一個(gè)河道斷面，共設(shè)置86 個(gè)斷面數(shù)據(jù)；根據(jù)遙感圖繪制河岸線，確定河道斷面寬度；設(shè)置矩形、梯形斷面。上游段水量少，水深0.1～0.3 m，下游段水面較為寬闊，水深不低于0.5 m。

（3） 子匯水區(qū)特征參數(shù)。根據(jù)管網(wǎng)走向、建筑物和主要街道分布繪制建城區(qū)匯水分區(qū)，結(jié)合地形、河道和相關(guān)街道繪制山區(qū)匯水分區(qū)，共劃分100 個(gè)匯水分區(qū)，形成shp 文件。每個(gè)子流域面積、坡度、寬度、不可滲地面百分比、可滲地面百分比等模型參數(shù)通過對(duì)衛(wèi)星地圖統(tǒng)計(jì)分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定，見圖1。

圖1 土地利用占比圖

（4） 地表徑流模型、地表污染物累積與沖刷模型相關(guān)參數(shù)，以參考SWMM 用戶手冊(cè)[4]及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道為主并經(jīng)多次試算調(diào)整確定。

（5） 根據(jù)收集到的水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，整理A1、A2、A3（上、中、下游）三個(gè)點(diǎn)位2021 年5 月28 日-2021 年12月31 日的水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

（6） 污染量計(jì)算：根據(jù)2021 年8 月公安部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究區(qū)域常住人口251 941 人，按照每人日產(chǎn)污染量400 L 計(jì)，總計(jì)1.17 m3/s，將污染量按面積比例分?jǐn)偟矫總€(gè)匯水分區(qū)。

（7） 污染指標(biāo)濃度確定：《全國(guó)第二次污染普查生活源系數(shù)手冊(cè)》查詢城市產(chǎn)污系數(shù)。

（8） 晴天污染負(fù)荷計(jì)算。污染負(fù)荷亦稱“污染總量”，指排放到環(huán)境中的污染物質(zhì)的數(shù)量，用排放量和污染物濃度的積來計(jì)算。

根據(jù)面源污染負(fù)荷和流量守恒，所研究片區(qū)內(nèi)的河道水來自泄露到雨水管的污水和污水廠的尾水。即

污染負(fù)荷：河道c=污水a(chǎn)+污水廠尾水b

流量：河道c=污水a(chǎn)+污水廠尾水b

泄露到雨水管的污水與河道的流量、污染負(fù)荷為未知數(shù)，根據(jù)二元一次方程求解，可得到相應(yīng)數(shù)值，結(jié)果見表1。

表1

污水a(chǎn):生活污水的指標(biāo)濃度參考《全國(guó)第二次污染普查生活源系數(shù)手冊(cè)》產(chǎn)污系數(shù)。

污水廠尾水b：現(xiàn)狀污水廠尾水流量1.5 萬噸/天，污水廠出水指標(biāo)濃度參照四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

河道c:河道的污染物指標(biāo)濃度取自河道（上、中、下游）三個(gè)點(diǎn)位2021 年5 月28 日至2021 年12 月31 日的水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。

（9） 降雨資料。根據(jù)收集到的降雨數(shù)據(jù)，采用2021年1 月1 日-2021 年12 月31 日的降雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中6-8 月為雨季，11-4 月為旱季。

模型選取典型降雨節(jié)點(diǎn)：雨季8 月及旱季12 月，其中8 月降雨總量為144 mm，12 月降雨總量為26.1 mm，導(dǎo)入模型，運(yùn)行模擬，見圖2。

圖2

1.3 一維水動(dòng)力、水質(zhì)規(guī)劃工況模型構(gòu)建

為了評(píng)估城市雨污分流、活水調(diào)度、生態(tài)護(hù)坡、海綿城市等工程措施建設(shè)效果，建立規(guī)劃工況模型，見表2。

表2 設(shè)計(jì)工程措施和模型方案

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 雨天污染負(fù)荷計(jì)算

通過模型計(jì)算結(jié)果，將各匯水分區(qū)的徑流量與不同指標(biāo)污染物濃度相乘后相加，得到所研究片區(qū)的年總污染負(fù)荷，見表3。

表3 污染負(fù)荷

研究片區(qū)的8 月份污染負(fù)荷，如圖3 所示晴天污水廠尾水和雨污混接對(duì)雨季污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)較大，雨污混接對(duì)總磷和總氮的污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大，污水廠尾水對(duì)COD和氨氮的污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大，雨天底泥和地表徑流對(duì)COD污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大。

圖3 設(shè)計(jì)工況下污染負(fù)荷變化

12 月份污染負(fù)荷如圖4 所示，污水廠尾水和雨污混接對(duì)雨季污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)較大，雨污混接對(duì)COD和總氮的污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大，污水廠尾水對(duì)氨氮和總磷的污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大，雨天底泥和地表徑流對(duì)COD 污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)最大。

圖4 設(shè)計(jì)工況下污染負(fù)荷變化

從污染負(fù)荷曲線可知，單場(chǎng)降雨過程中底泥和地表徑流對(duì)污染負(fù)荷的影響僅出現(xiàn)在降雨峰值附近區(qū)域，河水水質(zhì)主要受底泥和地表徑流影響；降雨影響開始初期與降雨影響結(jié)束期，河水水質(zhì)主要受雨污混接和污水廠尾水排放影響。因此可通過對(duì)排水設(shè)施進(jìn)行適當(dāng)調(diào)度、增加海綿城市和生態(tài)河道改造、改善雨污混接情況等規(guī)劃工程，降低研究區(qū)域污染負(fù)荷。

2.2 工況分析

選取8 月和12 月的整月降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行不同工況模型對(duì)比分析，模型結(jié)果顯示：

上游A1 處8 月現(xiàn)狀COD 最大值234.76 mg/L，規(guī)劃72.71 mg/L；現(xiàn)狀COD均值23.37 mg/L，規(guī)劃12.07 mg/L；現(xiàn)狀超標(biāo)時(shí)長(zhǎng)7 375 min，規(guī)劃715 min。

晴天：8 月份晴天規(guī)劃工況模型水質(zhì)濃度比現(xiàn)狀降低0～15 mg/L。

雨天：8 月份現(xiàn)狀模擬結(jié)果顯示，雨天的COD 濃度超標(biāo)，超過五類水標(biāo)準(zhǔn)。雨天規(guī)劃工況的模擬河道水質(zhì)濃度比同時(shí)間現(xiàn)狀模型低，COD峰值降低10～50 mg/L，規(guī)劃工況后的模擬結(jié)果降到正常水平，見圖5。

圖5 設(shè)計(jì)工況下污染物濃度變化

上游A1 處12 月現(xiàn)狀COD 最大值183.52 mg/L，規(guī)劃54.03 mg/L；現(xiàn)狀COD 均值25.17 mg/L，規(guī)劃8.96 mg/L；現(xiàn)狀超標(biāo)時(shí)長(zhǎng)4 380 min，規(guī)劃440 min。

晴天：現(xiàn)狀12 月份旱天，上游A1 處COD 濃度在15～25 mg/L。規(guī)劃工況后，12月份的模擬情況顯示，河道水質(zhì)濃度降低至7.6 mg/L。

雨天：在12 月20 日-12月23 日有降雨情況，模型模擬水質(zhì)濃度出現(xiàn)波動(dòng)，現(xiàn)狀雨天的COD 濃度超標(biāo)，超過五類水標(biāo)準(zhǔn)。雨天規(guī)劃工況的水質(zhì)濃度低于現(xiàn)狀模擬工況的情況，COD 濃度峰值降低50～100 mg/L，規(guī)劃工況后的模擬結(jié)果降到正常水平，見圖6。

圖6 設(shè)計(jì)工況下污染物濃度變化

綜上，改造工程實(shí)施后，模型模擬8 月和12 月河道COD濃度明顯降低。

3 結(jié)論

本文構(gòu)建城市現(xiàn)狀和規(guī)劃工況下排水系統(tǒng)的水動(dòng)力和水質(zhì)污染的SWMM 模型，通過模擬雨季旱季正月的現(xiàn)狀和規(guī)劃工程實(shí)施后的情況，對(duì)比分析排水系統(tǒng)的污染負(fù)荷和水質(zhì)情況，研究結(jié)果表明：

（1） 在8 月份、12 月份，模擬結(jié)果顯示污水廠尾水和雨污混接對(duì)研究區(qū)域雨季污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)較大。確認(rèn)雨污混接是影響河道水質(zhì)污染的重要因素。

（2） 模型模擬改造工程實(shí)施后，8 月（雨季）和12月（旱季）河道上中下游COD濃度明顯降低。

（3） 確認(rèn)了雨污分流、活水調(diào)度、生態(tài)護(hù)坡、海綿城市等污水工程建設(shè)規(guī)劃措施的必要性和有效性，為地下排水管線系統(tǒng)改造方案提供科學(xué)直觀和量化的績(jī)效評(píng)估。通過對(duì)城市排水系統(tǒng)科學(xué)評(píng)價(jià)，有助于提高城市排水系統(tǒng)的數(shù)字化和智慧化應(yīng)用水平。