海河干流汛期動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算研究

孫冬梅，程雅芳，馮 平

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

1 研究背景

為保證水質(zhì)滿足水功能區(qū)的要求，相關(guān)部門提出污染物排放總量控制制度[1]。在制定區(qū)域污染物總量控制政策時(shí)，水環(huán)境容量起著至關(guān)重要的作用[2]。水環(huán)境容量一般是指在給定水域范圍和水文條件、規(guī)定排污方式和水質(zhì)目標(biāo)的前提下，單位時(shí)間內(nèi)該水域最大允許納污量[3-5]。歐美國(guó)家所使用的“Environmental capacity”、“Assimilative capacity”、“Total maximum daily loads（TMDL）”等與國(guó)內(nèi)所使用的水環(huán)境容量具有類似的含義[6]。

海河干流水體污染較為嚴(yán)重[7]，汛期大量污染物隨降雨徑流排入河道，加重水體污染[8-10]，且在汛期，受降雨徑流和閘門控制等多重因素影響，其水位、流量、水質(zhì)等隨時(shí)間變化十分復(fù)雜。水環(huán)境容量作為水環(huán)境的重要度量指標(biāo)之一，對(duì)水文要素的變化十分敏感，其中受流量變化影響最大，存在明顯的動(dòng)態(tài)特性[2]。Kim 等[11]提出了基于歷時(shí)曲線法實(shí)現(xiàn)不同流量及水質(zhì)條件下最大日負(fù)荷總量的實(shí)時(shí)計(jì)算，以反映水環(huán)境容量的動(dòng)態(tài)變化。Cardwell 等[12]通過研究水環(huán)境容量計(jì)算模型和計(jì)算因子的不確定性，提出了污染負(fù)荷動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型。陳丁江等[13]基于不確定分析從分期尺度上分別計(jì)算河流豐、平、枯三個(gè)時(shí)段在不同保證率下的水環(huán)境容量；Xie 等[2]分別采用一維和零維公式計(jì)算太湖流域水環(huán)境容量，并基于各月水量對(duì)水環(huán)境容量進(jìn)行月尺度下的分配。此外，水動(dòng)力水質(zhì)模型能夠模擬水動(dòng)力及水質(zhì)條件隨時(shí)間的變化過程，熊鴻斌等[14]以引江濟(jì)淮工程渦河段為例，提出MIKE11模型結(jié)合稀釋流量比法計(jì)算動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量。海河干流這類以非點(diǎn)源污染為主且受到閘門控制影響的平原緩滯型河流，也亟待開展基于水動(dòng)力水質(zhì)模型的逐日動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量研究。

目前天津市點(diǎn)源污染基本得到控制，但非點(diǎn)源污染的控制則相對(duì)困難。為緩解非點(diǎn)源污染，國(guó)外學(xué)者提出多種控制管理措施，如可持續(xù)排水系統(tǒng)[15]、最佳管理措施[16]，低影響開發(fā)技術(shù)（LID）[17]等。其中，LID技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，各種措施對(duì)不同特性降雨產(chǎn)生的徑流及污染物均具有一定的控制效果，且中、低降雨強(qiáng)度條件下對(duì)緩解城市面源污染具有較好效果[18-20]。本文應(yīng)用一維水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬研究區(qū)域的水動(dòng)力水質(zhì)情況，以化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）三個(gè)主要水質(zhì)指標(biāo)為研究對(duì)象，根據(jù)水質(zhì)目標(biāo)要求計(jì)算各控制單元的汛期動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，為流域水環(huán)境管理提供依據(jù)，并提出一種基于現(xiàn)狀條件的LID方案，為緩解天津市降雨徑流污染、改善水環(huán)境質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)域概況

天津市地處海河流域下梢，南運(yùn)河在三岔口處與子牙河和北運(yùn)河交匯而成海河干流，其中三岔口以上為匯流段，三岔口以下總體上分成上、中、下游三段，三岔口到外環(huán)橋?yàn)樯嫌味?，即中心城區(qū)段；外環(huán)橋到二道閘為中游段，仍保留田野、村莊等自然空間；二道閘到入海口為下游段，已形成一個(gè)現(xiàn)代化的貿(mào)易港口和加工經(jīng)濟(jì)區(qū)。本文研究范圍包括北運(yùn)河、子牙河及海河干流，其中北運(yùn)河段是從屈家店閘至三岔口處，長(zhǎng)15.7 km，子牙河段是從西河閘至三岔口處，長(zhǎng)16.7 km，海河干流是從三岔口至海河閘處，長(zhǎng)71.5 km。海河干流2008—2015年各監(jiān)測(cè)斷面污染物指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，COD、TN、TP的平均濃度普遍超過地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)狀況不容樂觀。目前天津市點(diǎn)源污染得到有效控制，海河干流上沒有固定的點(diǎn)源排放口，但仍承擔(dān)汛期排澇功能，污染物隨降雨徑流排入海河?？刂茊卧橇饔蛩廴痉乐蔚目臻g范圍的基本單位。研究區(qū)域內(nèi)共有三岔口、外環(huán)橋、二道閘與海河閘4個(gè)重要的控制斷面，結(jié)合海河干流二級(jí)水功能區(qū)劃、天津市行政區(qū)劃及河道收水范圍等，研究區(qū)域劃分為4個(gè)控制單元：匯流控制單元、上游控制單元、中游控制單元、下游控制單元，相應(yīng)的控制斷面分別是：三岔口、外環(huán)橋、二道閘、海河閘，具體位置見圖1。根據(jù)《天津市水污染防治工作方案》，2020年各控制斷面目標(biāo)水質(zhì)見表1。

圖1 研究區(qū)域

表1 海河干流各控制斷面水質(zhì)現(xiàn)狀及目標(biāo)水質(zhì) （單位：mg/L）

3 海河干流汛期動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算

汛期研究區(qū)域的主要污染物來源為天津市中心城區(qū)及環(huán)城四區(qū)的降雨徑流污染。本文利用SWMM模型模擬研究區(qū)域汛期的降雨徑流及污染物入河過程，并以旁側(cè)入流的形式耦合到一維水動(dòng)力水質(zhì)模型中，從而模擬研究區(qū)域的水動(dòng)力水質(zhì)情況，并基于模型模擬結(jié)果對(duì)海河干流汛期不同控制單元的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算。

3.1 SWMM模型建立SWMM模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)的降雨徑流模擬模型，主要用于模擬城市某單一或長(zhǎng)期降水事件的水量水質(zhì)模擬[21]。

3.1.1 子匯水區(qū)劃分 根據(jù)天津市實(shí)際河道分布、管網(wǎng)泵站排布等概化其雨水徑流系統(tǒng)，天津市中心城區(qū)與環(huán)城四區(qū)共劃分為415個(gè)子匯水區(qū)。根據(jù)每個(gè)子匯水區(qū)的特性分別計(jì)算其降雨徑流及污染物的出流過程，概化情況及各子匯水區(qū)不透水率情況見圖2。

圖2 SWMM模型研究區(qū)域

3.1.2 河道與管網(wǎng)概化 根據(jù)子匯水區(qū)的劃分對(duì)研究區(qū)進(jìn)行離散化處理，分別布設(shè)排放口、管渠、節(jié)點(diǎn)等。排放口等根據(jù)天津市實(shí)際雨水泵站布設(shè)情況，結(jié)合子區(qū)域的分布進(jìn)行布設(shè)，共344個(gè)。

3.1.3 模型參數(shù)設(shè)置模型中需設(shè)置的參數(shù)主要包括：子區(qū)域面積、特征寬度、平均坡度、不透水面積所占比例、透水與不透水部分地表水流的曼寧系數(shù)與洼地蓄水深度等。各子區(qū)域面積及匯流長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際排水區(qū)劃分情況提??；子區(qū)域特征寬度采用的計(jì)算方法為[22]：W=面積/匯流長(zhǎng)度；中心城區(qū)及環(huán)城四區(qū)地勢(shì)平坦，坡降在1/5000～1/20000；不透水率根據(jù)下墊面情況進(jìn)行計(jì)算；曼寧系數(shù)根據(jù)不同的地面性質(zhì)取值；洼地蓄水深度按照洼地性質(zhì)取值；下滲模型選擇Horton模型。模型水力參數(shù)取值見表2。土地利用類型設(shè)置為3類，分別是交通道路、綠地、屋面。污染物的累積過程和沖刷過程分別選擇飽和函數(shù)和指數(shù)函數(shù)進(jìn)行模擬，參數(shù)取值見表3。

表2 SWMM模型水文水力參數(shù)取值

表3 SWMM模型水質(zhì)參數(shù)取值

3.1.4 模型參數(shù)驗(yàn)證 采用2012年7月22日至8月1日各子區(qū)域排放口模擬徑流總量與實(shí)際徑流總量相比較，對(duì)模型水文水力參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，各排放口模擬徑流量和實(shí)際徑流量的相對(duì)誤差介于0.03%到6.46%之間，平均值為2.6%，誤差在可接受范圍之內(nèi)，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果總體偏差不大。經(jīng)驗(yàn)證的水文水力模型可以模擬計(jì)算天津市中心城區(qū)及環(huán)城四區(qū)的降雨徑流，結(jié)果具有一定的可靠性。

選擇2015年5月10日降雨后的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)驗(yàn)證，以虎丘路泵站為例，模擬的COD、TN、TP濃度過程和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，模擬值和實(shí)測(cè)值擬合效果較好。因此，文中建立的SWMM模型可以模擬研究區(qū)域汛期降雨徑流及污染物排放過程，為一維水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬河道水動(dòng)力水質(zhì)情況提供較為可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 虎丘路泵站水質(zhì)擬合效果

3.2 一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型本文利用MIKE11 水動(dòng)力模塊與對(duì)流擴(kuò)散模塊，構(gòu)建海河干流一維水動(dòng)力水質(zhì)模型。其中，水動(dòng)力模塊是采用一維非恒定流圣維南方程組模擬河流水流狀態(tài)；對(duì)流擴(kuò)散模塊是基于一維對(duì)流擴(kuò)散方程模擬水中可溶性物質(zhì)和懸浮物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散過程。

3.2.1 一維水動(dòng)力模型的建立 構(gòu)建水動(dòng)力模型的數(shù)據(jù)包括研究區(qū)域的地形數(shù)據(jù)、河網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)、閘門構(gòu)筑物參數(shù)、實(shí)測(cè)流量、水位的時(shí)間序列等。計(jì)算區(qū)域包括北運(yùn)河、子牙河和海河，在模型中北運(yùn)河里程設(shè)置為55 000～70 700 m，子牙河里程設(shè)置為11 000～27 740 m，海河干流里程為設(shè)置為0～71 500 m。支流匯入海河干流節(jié)點(diǎn)處均有閘門控制，在汛期為保證海河干流水環(huán)境質(zhì)量不受到進(jìn)一步破壞，一般會(huì)使閘門關(guān)閉，禁止支流排入海河。因此，模型設(shè)置中未考慮支流匯入。研究區(qū)域概化見圖4。斷面資料為以1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的斷面數(shù)據(jù)。

圖4 河網(wǎng)概化

上游邊界分別采用屈家店閘的入流過程、西河閘的出流過程，下游邊界采用海河閘閘下潮位過程。模型的內(nèi)部邊界為二道閘和海河閘。其中，二道閘根據(jù)實(shí)際過閘流量來控制；海河閘為防潮閘，其控制規(guī)則為：比較閘上水位和閘下水位，當(dāng)閘上水位大于閘下水位時(shí)開閘放水；當(dāng)閘上水位小于閘下水位時(shí)關(guān)閘以防止海水倒灌。通過SWMM模型模擬得到研究區(qū)域降雨產(chǎn)生的各個(gè)泵站的徑流過程，水動(dòng)力水質(zhì)模型構(gòu)建時(shí)，根據(jù)泵站等所處地理位置概化至河流相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處，以旁側(cè)入流的形式耦合水動(dòng)力模型中。采用實(shí)測(cè)流量、水位資料進(jìn)行模型率定與驗(yàn)證，取2015年汛期（7月1日—10月1日）和2014年汛期（7月1日—10月1日）分別為率定期與驗(yàn)證期。

引入研究區(qū)域底圖，構(gòu)建河網(wǎng)文件；最大空間計(jì)算步長(zhǎng)為1000 m，輸入實(shí)測(cè)斷面的起始距與河床高程數(shù)據(jù)，生成河段的斷面文件；輸入邊界條件，構(gòu)建邊界文件；設(shè)置水動(dòng)力模型的參數(shù)文件，定義模型初始條件、河床糙率等參數(shù)條件；設(shè)置模擬文件，模擬時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為30 s，每4 h輸出一個(gè)模擬數(shù)據(jù)。

水動(dòng)力模塊需率定河床糙率。率定期以2015年7月1日主要斷面的實(shí)測(cè)水位和污染物濃度作為初始條件，初始流量設(shè)置為0。以實(shí)測(cè)水位率定水動(dòng)力模塊，水位擬合結(jié)果見圖5。采用均方根誤差（RMSE）和相關(guān)系數(shù)（R）驗(yàn)證模型的可靠性。其中，屈家店閘RMSE為0.038 m，R為0.973；西河閘RMSE為0.036 m，R為0.982；二道閘RMSE為0.036 m，R為0.980；海河閘RMSE為0.027 m，R為0.988。各斷面水位的實(shí)測(cè)值與模擬值的均方根誤差在0.027～0.038 m 之間，相關(guān)系數(shù)通過95%的顯著性檢驗(yàn)。因此，該模型能夠較好地反映研究區(qū)域的水動(dòng)力條件，水動(dòng)力模型率定結(jié)果見表4。

采用驗(yàn)證期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)糙率值進(jìn)行驗(yàn)證。各斷面水位模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果見圖6，模擬水位與實(shí)測(cè)水位擬合效果較好，糙率取值合理。經(jīng)驗(yàn)證的水動(dòng)力模型可以用于水質(zhì)模擬。

3.2.2 一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型的建立 水質(zhì)模型與水動(dòng)力模型耦合，計(jì)算區(qū)域與地形條件等均與水動(dòng)力模型一致。2015年7月1日—10月1日與2014年7月1日—10月1日分別為水質(zhì)參數(shù)的率定期與驗(yàn)證期。水質(zhì)邊界條件采用實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)。降雨徑流污染的匯入過程仍通過SWMM模型模擬得到，以旁側(cè)入流的形式加入到模型中。

對(duì)流擴(kuò)散模塊主要率定參數(shù)為縱向擴(kuò)散系數(shù)和污染物衰減系數(shù)。海河干流地勢(shì)平坦、流速較低，擴(kuò)散系數(shù)的大小對(duì)模型結(jié)果影響較小，因此擴(kuò)散系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值20 m2/s。采用2015年7月1日—10月1日的實(shí)測(cè)水文和水質(zhì)資料對(duì)一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型進(jìn)行調(diào)參計(jì)算，通過模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，率定不同污染物的綜合衰減系數(shù)。以三岔口和二道閘斷面為例，水質(zhì)擬合結(jié)果見圖7，可以看出，該模型基本可以反映研究區(qū)域汛期的水質(zhì)變化狀況。其中，三岔口處COD、TN、TP模擬值與實(shí)測(cè)值之間的平均相對(duì)誤差分別為5.71%、16.02%、20.91%；二道閘處COD、TN、TP的平均相對(duì)誤差分別為10.50%、11.15%、7.73%，誤差在可接受范圍內(nèi)。調(diào)參計(jì)算后，得到衰減系數(shù)見表5。

圖5 率定期水位模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

表4 水動(dòng)力模型率定參數(shù)

采用驗(yàn)證期的水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)污染物衰減系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見圖8，驗(yàn)證期內(nèi)污染物濃度模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致。其中，三岔口處COD、TN、TP模擬值與實(shí)測(cè)值之間的平均相對(duì)誤差分別為0.58%、0.99%、0；二道閘處COD、TN、TP的平均相對(duì)誤差分別為7.43%、5.29%、12.49%，污染物綜合衰減系數(shù)取值合理。率定及驗(yàn)證結(jié)果表明，所建立的一維水動(dòng)力水質(zhì)模型能夠較好地模擬研究區(qū)域汛期的水動(dòng)力及水質(zhì)變化，其模擬結(jié)果可以應(yīng)用于水環(huán)境容量的計(jì)算。

3.3 動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算方法一般河段水環(huán)境容量的計(jì)算采用傳統(tǒng)一維水環(huán)境容量計(jì)算模型，公式如下：

式中：Cx為流經(jīng)距離后污染物濃度，mg/L；C0為河段初始斷面污染物濃度，mg/L；Cs為控制斷面的目標(biāo)水質(zhì)，mg/L；x為沿河段的縱向距離，m；u為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，m/s；K為污染物綜合衰減系數(shù)，s-1；Q為初始斷面入流流量，m3/s；q為廢污水排放流量，m3/s；M為河段水環(huán)境容量，g/s。初始斷面流量Q一般取90%保證率的最枯月平均流量，C0一般取上游河段水質(zhì)目標(biāo)值，該方法計(jì)算簡(jiǎn)便，但無法考慮不同來水、排污變化以及內(nèi)源污染等多種情況下水環(huán)境容量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。

圖6 驗(yàn)證期水位模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

表5 綜合衰減系數(shù)

目前海河干流天然徑流來水較少，主要通過外調(diào)水源進(jìn)行用水保障，設(shè)計(jì)保證率下的流量不符合實(shí)際水文條件。汛期降雨徑流污染匯入，造成海河干流污染嚴(yán)重，非點(diǎn)源污染的影響不可忽略，且具有明顯的時(shí)間變化特征。此外，由于閘門控制的影響，水位、流量、水質(zhì)等隨時(shí)間變化十分復(fù)雜，傳統(tǒng)一維水環(huán)境容量計(jì)算模型不適用于汛期研究區(qū)域各控制單元水環(huán)境容量的計(jì)算。

因此，在傳統(tǒng)一維水環(huán)境容量計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，本文提出基于水動(dòng)力水質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算方法。對(duì)于任一控制單元，均是以汛期上游實(shí)際來水水量及初始斷面的實(shí)測(cè)水質(zhì)作為邊界條件，控制單元內(nèi)的降雨徑流及其污染物隨時(shí)間的變化過程以旁側(cè)入流的形式耦合到模型中，進(jìn)而模擬各控制單元在實(shí)際狀態(tài)下的水動(dòng)力及水質(zhì)狀況，該模型能夠更加真實(shí)地反映實(shí)際水體水質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及多種因素影響下的流量變化情況。以2015年7月1日至10月1日為計(jì)算基本時(shí)段，在模型模擬河流水質(zhì)的過程中，充分考慮了污染物的衰減和稀釋作用，任一控制單元水環(huán)境容量的計(jì)算公式表示為：

圖7 率定期水質(zhì)模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖8 驗(yàn)證期水質(zhì)模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

式中：T為計(jì)算時(shí)段天數(shù)，文中取T=92 d；Cs為該控制單元控制斷面的目標(biāo)水質(zhì)，mg/L，具體見表1；0i為模型計(jì)算的控制斷面處污染物日平均濃度，mg/L；為模型計(jì)算的控制斷面處日平均流量，m3/s；Wi為第i天的控制單元水環(huán)境容量，kg/d；W為逐日水環(huán)境容量基礎(chǔ)上計(jì)算得到的汛期水環(huán)境容量值，kg。

基于水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬可以得到污染物濃度及流量的逐日變化過程，進(jìn)而計(jì)算得到的水環(huán)境容量也是一個(gè)逐日變化的過程，能夠充分反映各控制單元在降雨徑流污染以及現(xiàn)狀水質(zhì)、污染物的衰減、稀釋等多種因素影響下水環(huán)境容量的動(dòng)態(tài)變化特性，且以實(shí)際來水過程與現(xiàn)狀水質(zhì)等作為邊界條件，不僅考慮了上游輸入的污染負(fù)荷對(duì)水環(huán)境容量的影響，也更加符合實(shí)際水文條件。

3.4 汛期動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果結(jié)合研究區(qū)域控制單元的劃分以及控制斷面的水質(zhì)目標(biāo)，利用汛期水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬結(jié)果，根據(jù)式（3）及式（4）計(jì)算海河干流各個(gè)控制單元汛期的水環(huán)境容量，計(jì)算結(jié)果見表6，汛期水環(huán)境容量的逐日動(dòng)態(tài)變化見圖9。其中正值表示水環(huán)境容量有剩余，仍然能承受更多的污染負(fù)荷，負(fù)值則表示當(dāng)前水體所承受的污染負(fù)荷量過大，已經(jīng)沒有剩余環(huán)境容量。

表6 7—9月控制單元汛期水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果 （單位：t）

在空間尺度上，由表6計(jì)算結(jié)果可以看出，水環(huán)境容量在不同控制單元呈現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)變化。其中，COD的水環(huán)境容量值在下游控制單元較大，二道閘以上3個(gè)控制單元相對(duì)較小，這主要是因?yàn)樘旖蚴薪涤陱搅魑廴镜膮R入主要集中在二道閘以上，下游段污染源匯入相對(duì)較少且河段較長(zhǎng)，符合污染物的凈化規(guī)律；TN 在任一控制單元都已經(jīng)沒有剩余環(huán)境容量，說明海河干流TN 污染現(xiàn)象十分嚴(yán)重，降雨徑流攜帶的TN負(fù)荷量較大；TP僅在匯流控制單元和上游控制單元還存在部分環(huán)境容量，中游以及下游控制單元已經(jīng)沒有剩余環(huán)境容量。

在時(shí)間尺度上，從圖9可以看出，各控制單元逐日水環(huán)境容量呈現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)變化。其主要原因是：由于降雨徑流及其攜帶的污染物的匯入、調(diào)水水量的變化以及閘門控制等因素的影響，各控制單元流量及水質(zhì)變化具有較大的不規(guī)律性?？紤]到河流水文和上游來水水質(zhì)的實(shí)際動(dòng)態(tài)變化，其水環(huán)境容量具有明顯的動(dòng)態(tài)變化特性?；谥鹑談?dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果得到的汛期水環(huán)境容量值能夠反映河段的實(shí)際剩余水環(huán)境容量，更加符合海河干流的實(shí)際情況。從汛期水環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果來看，海河干流水體污染嚴(yán)重，現(xiàn)狀條件下幾乎沒有可以利用的水環(huán)境容量，需采取科學(xué)合理的治理措施，降低河道中污染物的濃度，改善水環(huán)境質(zhì)量。

圖9 現(xiàn)狀條件下各控制單元汛期逐日水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

4 低影響開發(fā)措施構(gòu)建

SWMM模型中提供生物滯留池、滲透溝、透水鋪裝、雨水花園、綠色屋頂?shù)然镜陀绊戦_發(fā)設(shè)置，通過更改LID控制器中的地表、路面、土壤、存儲(chǔ)和地下排水等5類參數(shù)，以模擬不同LID措施的效果。其LID控制采用兩種處理方式：（1）在該子區(qū)域內(nèi)設(shè)置一種或幾種措施，取代等量的非LID面積；（2）創(chuàng)建新的子區(qū)域，布設(shè)單一的LID控制。文中LID開發(fā)設(shè)計(jì)采用第一種方式，結(jié)合《天津市海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》[23]，在原有的各子區(qū)域面積內(nèi)進(jìn)行改造。

各種低影響開發(fā)技術(shù)的組合應(yīng)用可有效實(shí)現(xiàn)洪峰流量-徑流總量-污染控制、雨水資源化利用等目標(biāo)[21]。文中為研究區(qū)內(nèi)不透水率超過40%的子匯水區(qū)添加透水鋪裝、下凹綠地、綠色屋頂、生物滯留設(shè)施等4種LID措施。對(duì)于交通道路，參照《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范（CJJ37-2012）》[24]，將兩側(cè)人行道路改造為透水鋪裝，取交通道路面積的22%；兩側(cè)分車帶改造為下凹綠地，取交通道路面積的11%。綠色屋頂需布置在低層且坡度小于15%的屋面，同時(shí)要滿足屋頂?shù)暮奢d、防水、空間利用等要求，文中取屋頂面積的15%。生物滯留設(shè)施主要設(shè)置于公共綠地，考慮到其自身功能需求，規(guī)模不宜過大，文中取綠地所占比例的20%。LID措施相關(guān)參數(shù)參考SWMM用戶手冊(cè)[22]、《天津市海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》[23]以及相關(guān)參考文獻(xiàn)[21]等進(jìn)行設(shè)置，主要參數(shù)見表7。

表7 LID措施參數(shù)取值

LID改造后，污染物入河量及削減率計(jì)算結(jié)果見表8。COD、TN、TP等3種污染物入河量的削減率分別達(dá)到39.5%，35.7%，35.9%，說明在經(jīng)過低影響開發(fā)設(shè)計(jì)后，研究區(qū)域不透水面積比例降低，能夠較大程度上削減降雨徑流所產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷。其中海河干流中游段以及下游段污染負(fù)荷削減比例較低或?yàn)?，主要是因?yàn)槲闹袃H對(duì)不透水面積比例超過40%的子匯水區(qū)進(jìn)行改造，海河干流流域建設(shè)用地的比例自上游向下游逐漸遞減，因此改造范圍主要集中在外環(huán)橋以上，中游及下游子匯水區(qū)原不透水比例相對(duì)較低，未進(jìn)行過多改造。

其他邊界條件及初始條件不變，通過SWMM模型模擬得到LID 改造后汛期的水量及水質(zhì)過程，并以旁側(cè)入流的形式耦合到MIKE11模型。LID改造后，海河干流各控制單元水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果見表9，相比現(xiàn)狀條件下的實(shí)際水環(huán)境容量有明顯的提高。

表8 控制單元汛期污染負(fù)荷入河量及削減效果

表9 7—9月LID措施下汛期水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果 （單位：t）

5 結(jié)論

本文基于一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型模擬海河干流汛期實(shí)際狀態(tài)下流量及污染物濃度的逐日動(dòng)態(tài)變化，在此基礎(chǔ)上計(jì)算了海河干流4個(gè)控制單元汛期COD、TN、TP的水環(huán)境容量?；谒畡?dòng)力水質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算綜合考慮了引調(diào)水特點(diǎn)、降雨徑流污染的匯入以及現(xiàn)狀水質(zhì)、污染物的衰減、稀釋等多種因素，更加符合海河干流的實(shí)際情況，能夠客觀反映實(shí)際狀態(tài)下的河流水環(huán)境容量及其動(dòng)態(tài)變化特性，尤其適用于于海河干流這類非點(diǎn)源污染為主且受到閘壩控制的緩滯型河流。

以SWMM模型為工具，為研究區(qū)域內(nèi)不透水面積比例超過40%的子匯水區(qū)添加透水鋪裝、下凹綠地、綠色屋頂、生物滯留設(shè)施等4 種LID 措施。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：布設(shè)LID 措施后，研究區(qū)域內(nèi)COD、TN、TP等3種污染物入河量的削減率分別達(dá)到39.5%，35.7%，35.9%。各個(gè)控制單元相比現(xiàn)狀條件下污染物入河量明顯減少，水環(huán)境容量明顯增大。通過對(duì)LID措施進(jìn)行合理的布置，能夠使降雨徑流產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷得到有效地控制，從而使河流水質(zhì)得到改善，水體獲得更大的環(huán)境容量，提高水體自凈能力，從而更好地應(yīng)對(duì)不可預(yù)期的污染事件。