基于PCSWMM的漳州某地區(qū)水環(huán)境模擬研究

劉蒙泰，劉 力，荀繼萍，胡文力，陳 楠

(1. 中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381；2.天津市西青區(qū)西營門街道辦事處，天津 300380)

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，居民生活、生產(chǎn)及工業(yè)廢水的產(chǎn)生也逐漸增加，對水環(huán)境承載力的要求也越來越高，需各種工程措施以改善水環(huán)境現(xiàn)狀。城市內(nèi)河沿河排口類型較多，且涉及河道水位頂托，可以運(yùn)用先進(jìn)的模型技術(shù)分析管網(wǎng)[1]、河道的水動力水質(zhì)情況。模型技術(shù)在河湖水系水動力水質(zhì)模擬中已有廣泛應(yīng)用，黃國如[2]利用PCSWMM模型評估了LID對污染物的削減效果，江濤[3]利用模型模擬分析了閘泵站聯(lián)合調(diào)度引水情景下佛山水道的水質(zhì)改善效果，趙爾官[4]利用模型進(jìn)行了平原河網(wǎng)排澇模擬研究。本研究以PCSWMM 模型為基礎(chǔ)， 建立漳州某地區(qū)的數(shù)值模型， 進(jìn)行內(nèi)河水環(huán)境容量、水量削減、以及水環(huán)境目標(biāo)可達(dá)性分析等工作。

1 模型原理

PCSWMM雨洪管理模型是加拿大計算水力研究所(CHI)基于EPA SWMM開發(fā)的商業(yè)軟件，該模型已廣泛應(yīng)用于城區(qū)排水管道暴雨管理、河道排澇模擬[5]，以及城市水文預(yù)報研究[6]等方面，具有強(qiáng)大的水文、水力、水質(zhì)模擬模塊[7]，可以計算降雨地表產(chǎn)流、地表匯流、管網(wǎng)水動力傳輸和水質(zhì)變化，支持一、二維模型耦合，可以模擬LID設(shè)施對暴雨的延緩影響及對污染物的削減[8]。

1.1 水文模塊

PCSWMM的水文模塊主要模擬降雨到地表的產(chǎn)匯流過程[9]，產(chǎn)匯流模型[10]是假設(shè)各匯水區(qū)表面為非線性水庫，每個匯水區(qū)的來水源自降雨或其他匯水區(qū)，去向有蒸發(fā)、下滲和徑流。

1.2 水動力模塊

PCSWMM模型的水動力模塊主要模擬水體在河道、管渠、蓄水設(shè)施等中的流動，原理是通過求解圣維南方程得到水力要素，求解方法有恒定流求解、運(yùn)動波求解和動力波求解。

恒定流求解假設(shè)模型中的水體一直處于恒定流狀態(tài)；運(yùn)動波求解采用連續(xù)方程和動量方程來模擬各個管渠道的水流運(yùn)動，但不能計算管渠的滯、回水和有壓流；動力波求解采取完整的一維圣維南流量方程，可以描述有壓流、回水及頂托情況。

1.3 水質(zhì)模塊

PCSWMM 根據(jù)不同的土地利用類型將地塊劃分為匯水分區(qū)， 并據(jù)此定義不同土地利用類型下各種污染物的堆積模型和沖刷模型。堆積模型中污染物會以所選函數(shù)的方式進(jìn)行堆積計算，直至堆積至極限時停止；沖刷過程可通過冪函數(shù)沖刷方程(EXP)、流量特性曲線沖刷方程(RC)和平均濃度方程(EMC)模擬，各方程所需參數(shù)不盡相同。

2 模型搭建

2.1 研究區(qū)概況

漳州是福建省下轄的地級市行政區(qū)，為東南部沿海城市，是海峽西岸中心城市之一。該地區(qū)氣候溫和，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫為21℃左右，平均降雨量為1 500 mm左右。研究區(qū)匯水面積約1.63 km2，含匯水區(qū)116個，管網(wǎng)總長為9.25 km，河渠長為1.62 km。

2.2 參數(shù)及邊界條件

2.2.1基本參數(shù)選取

1) 匯水子區(qū)域特征寬度

特征寬度是一個無法實測的模型參數(shù)。計算特征寬度的方法有很多種，建模者可以選用適宜的計算方法。常以匯水子區(qū)域上最遠(yuǎn)點水流流至集水點(檢查井)的距離作為水流長度，匯水子區(qū)域面積除以水流長度獲得匯水子區(qū)域的特征寬度。

2) 不透水率

不透水率可根據(jù)匯水區(qū)的衛(wèi)星影像圖或用地類型圖進(jìn)行識別與估算，再利用GIS加權(quán)獲得。其中園林綠地占比為18%，不透水率取5%；城市道路占比為8%，不透水率取90%；建筑住宅占比為37%，不透水率取85%；村鎮(zhèn)用地占比為25%，不透水率取70%；待開發(fā)用地地占比為12%，不透水率取15%。

3) 曼寧粗糙系數(shù)值

模型中包括多個粗糙系數(shù)，如透水區(qū)、不透水區(qū)的粗糙系數(shù)，取值可根據(jù)規(guī)范、相關(guān)文獻(xiàn)等確定。其中不透水區(qū)曼寧系數(shù)取0.014，透水區(qū)曼寧系數(shù)取0.13，管道曼寧系數(shù)取0.013～0.014。

4) 排水管網(wǎng)特征數(shù)據(jù)

排水管網(wǎng)特征數(shù)據(jù)，如管道長度、上下游節(jié)點、管徑等，根據(jù)溯源數(shù)據(jù)等資料確定。管網(wǎng)特征參數(shù)見表1所示。

表1 管網(wǎng)特征參數(shù)

2.2.2點面源污染輸入

1) 點源輸入

根據(jù)匯水區(qū)面積，人口及人均污水產(chǎn)生量，計算得到污水量。并按照排放位置及溢流井堰高等尺寸，在模型中設(shè)置。其中人口密集取80～150人/hm2，人均綜合用水量指標(biāo)取400 L/(人·d)，污水產(chǎn)生系數(shù)取0.85，污水中氨氮平均濃度取15～35 mg/L。

2) 面源污染

根據(jù)項目區(qū)范圍內(nèi)下墊面數(shù)據(jù)，運(yùn)用影像分析軟件對現(xiàn)狀用地屬性進(jìn)行識別并分類，得到土地利用類型圖，針對不同用地類型賦值相應(yīng)的污染物堆積和沖刷參數(shù)，以計算各地塊面源污染貢獻(xiàn)情況。表2為不同下墊面類型面源污染堆積函數(shù)、沖刷函數(shù)的參數(shù)取值。

表2 氨氮面源污染參數(shù)取值

2.3 工況設(shè)定

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，選取河道下游控制斷面處進(jìn)行率定，已知該斷面實測常水位為3.01 m，經(jīng)模型計算該斷面平均水位為2.99 m，絕對誤差僅為0.02 m，模擬結(jié)果合理可行。運(yùn)用率定好的模型，根據(jù)漳州市氣象站1954—2017年共64 a的降水?dāng)?shù)據(jù)，將逐年降水總量建立降水序列，采用皮爾遜III型曲線進(jìn)行擬合，其中Cv=0.21，Cs/Cv=3.5，選取不同頻率的年降雨(每5 min)過程，按年降水量得P=25%-1 752.0 mm，P=50%-1 518.5 mm，P=75%-1 321.4 mm。實際工程中截污措施主要是設(shè)置截流堰，模型中概化為實施處30 cm高的截流堰。表3為按不同典型年降雨及工程階段而設(shè)定的多種工況。

表3 工況設(shè)定

對P=50%典型年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為降雨間隔大于2 h以上即為2場降雨，然后刪除小于2 mm的降雨場次，最終得到全年78場降雨。P=50%典型年降雨過程線如圖1所示。

圖1 P=50%典型年降雨過程示意

3 結(jié)果分析

3.1 水環(huán)境容量計算

根據(jù)全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南，并結(jié)合流域整體特征，選用一維模式計算各計算單元水環(huán)境容量。一維模型水環(huán)境容量的計算公式為：

Wi=31.54(Cekx/86.4*u-Ci)(Qi+Qj)

(1)

式中Wi為個排污口允許排放量，t/a；Ci為第i個節(jié)點處的水質(zhì)本底濃度，mg/L；C為沿程濃度，mg/L；Qi為河道節(jié)點后流量，m3/s；Qj為第i節(jié)點處廢水入河量，m3/s；u為第i個河段的設(shè)計流速，m/s；x為計算點到第i節(jié)點的距離，m。

以消除黑臭水體指標(biāo)中易量化的氨氮為污染物研究對象，結(jié)合流域?qū)嶋H河流特點，氨氮降解系數(shù)取值為0.1。經(jīng)計算，以消除黑臭為環(huán)境目標(biāo)，研究區(qū)氨氮水環(huán)境容量為6.71 t/a。

3.2 水量削減分析

經(jīng)過對研究區(qū)典型年全年的模擬，以沿河4個典型排口為例，表4為工況1和工況3的排口水量削減對比情況，可知截污前、后各個排口在雨季均有溢流至河道，但截污工程實施后無論排口溢流水量還是溢流次數(shù)均有降低，水量削減率大多在50%～70%之間，溢流次數(shù)削減率大多在50%～60%之間，溢流頻次控制率大多在50%～70%之間，可見截污工程對排口雨季溢流有顯著的削減效果，溢流頻次也能控制在合理的范圍內(nèi)，工程措施能有效減少雨季溢流入河污染對河道水體的影響，從而保障河道水體水環(huán)境情況達(dá)標(biāo)。

表4 排口水量削減

3.3 目標(biāo)可達(dá)性分析

本研究以消除黑臭水體為水環(huán)境目標(biāo)，對沿河排口溢流入河污染總量的統(tǒng)計如表5所示。

表5 可達(dá)性分析

工況1中的現(xiàn)狀模型入河污染量顯著大于該河道水環(huán)境容量，說明現(xiàn)狀污染較嚴(yán)重，亟需截污工程措施進(jìn)行環(huán)境改善；工程實施后的各工況的入河污染都有顯著降低，說明工程對入河污染的削減起到可觀的效果；工況2至工況4并不是所有典型年都能達(dá)到水環(huán)境目標(biāo)，其中豐水年的入河污染較多，但平水年和枯水年水環(huán)境均能達(dá)標(biāo)，且3個典型年的平均入河污染在可控范圍內(nèi)，可認(rèn)為目前工程實施后能滿足水環(huán)境目標(biāo)要求；如果要求豐水年水環(huán)境也達(dá)標(biāo)，應(yīng)加大工程實施力度，但同時也應(yīng)考慮投資、用地等多種因素，不能一味增加截污工程；河道水環(huán)境目標(biāo)達(dá)標(biāo)后，仍要加強(qiáng)管控，減少點、面源污染的不合規(guī)排放，保證河道水質(zhì)長效良好。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

① PCSWMM模型可應(yīng)用于我國城區(qū)內(nèi)河的水環(huán)境模擬研究，但需要較詳盡的管網(wǎng)數(shù)據(jù)、模型基本參數(shù)、降雨邊界條件，以及點、面源污染輸入?yún)?shù)等；

② 基于PCSWMM 的水環(huán)境模型，能科學(xué)的模擬分析入河水量情況及河道水環(huán)境達(dá)標(biāo)情況，可為城區(qū)水環(huán)境評估分析工作提供一定的依據(jù)；

③ 當(dāng)?shù)湫湍曛写蟛糠帜攴莼蚨嗄昶骄的軡M足水環(huán)境目標(biāo)要求，可認(rèn)為當(dāng)前工程已經(jīng)達(dá)標(biāo)，若要求所有典型年均達(dá)標(biāo)，建議考慮工程投資、允許用地等因素，最終選擇適度的工程措施。

4.2 建議

本研究主要存在以下不足之處：

① 對輸入數(shù)據(jù)的要求較高，當(dāng)難以獲取滿足精度要求的降雨或管網(wǎng)等數(shù)據(jù)時，很難進(jìn)行科學(xué)模擬；

② 分析目標(biāo)可達(dá)性時未考慮工程投資等因素的影響。

針對以上不足，建議改進(jìn)方向：

① 研究在無資料或少資料情況下城市內(nèi)河水環(huán)境污染模擬的途徑和方法，同時加強(qiáng)當(dāng)?shù)毓芫W(wǎng)普查工作，確保管網(wǎng)數(shù)據(jù)能真實反映地下管網(wǎng)情況；

② 進(jìn)行工程投資計算，分析不同工況的投資大小，作為加權(quán)分析因素。