SWMM及MIKE模型在河道水質(zhì)模擬的工程的應(yīng)用實例

謝智華

摘 要：為更真實對水環(huán)境整治效果進(jìn)行合理預(yù)測，首先采用SWMM模型獲得年均降雨情況和特定重現(xiàn)期短歷時降雨情況下南城河的流量變化情況、合流制排口溢流情況和排口水質(zhì)情況，再采用MIKE 11 AD對流擴(kuò)散模塊，結(jié)合上游城北水庫的補(bǔ)水方案開展南城河的水質(zhì)及水體改善措施方案模擬評估，科學(xué)指導(dǎo)治理措施的制定。

關(guān)鍵詞：SWMM;MIKE11;河道模型;水動力;水環(huán)境;水質(zhì)模擬

前言

城市黑臭水體不僅給群眾帶來了極差的感官體驗，也是直接影響群眾生產(chǎn)生活的突出水環(huán)境問題。如何針對項目目標(biāo)的實際情況，以水污染防治為中心，堅持點源、面源、內(nèi)源綜合防治的原則，在全面展開水質(zhì)、水生態(tài)、水文及污染源調(diào)查于分析的基礎(chǔ)上，確定項目的綜合治理方案是黑臭水體治理的難點。

1工程概況

定遠(yuǎn)縣南城河嚴(yán)重污染，河內(nèi)淤積嚴(yán)重，急需進(jìn)行綜合整治。工程范圍為南城河全長2600m。主要建設(shè)內(nèi)容有截污納管、排水口凈化處理、清淤疏浚、外水引入凈化達(dá)標(biāo)處理、曝氣增氧、種植水生動植物、生態(tài)護(hù)坡、生態(tài)浮島、景觀打造、景觀照明、智能在線自動監(jiān)測、運(yùn)營維護(hù)等。項目完成后南城河需達(dá)到的水質(zhì)目標(biāo)為消除黑臭現(xiàn)狀，主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。

2模型的建立

數(shù)學(xué)模擬范圍為定遠(yuǎn)縣南城河上游待治理河段（約2.6 km）。工程河段上游接花園湖出水口，下游末端為一翻板壩，花園湖上游進(jìn)水口來水為城北水庫下泄水，工程河段沿程兩岸側(cè)還分布著大小不等約50個左右的雨水污水排口，經(jīng)截污整治后合流制溢流排口9個。

3南城河的水動力水質(zhì)模擬

3.1模擬思路

本項目直接基于整治后的南城河進(jìn)行模擬評價。首先采用SWMM[1-3]模型獲得年均降雨情況和特定重現(xiàn)期短歷時降雨情況下南城河的流量變化情況、合流制排口溢流情況和排口水質(zhì)情況，再采用MIKE[4-6]11 AD對流擴(kuò)散模塊，結(jié)合上游城北水庫的補(bǔ)水方案開展南城河的水質(zhì)及水體改善措施方案模擬評估。

3.2模擬工況設(shè)定

（1）城北水庫無泄流，僅污水截污后的河道水質(zhì)情況;

（2）城北水庫無泄流，污水截污+兩大排口初期雨水處理、污水截污+河道生態(tài)修復(fù)、污水截污+兩大排口初期雨水處理+河道生態(tài)修復(fù)后的河道水質(zhì)情況;

（3）不同處理措施下，城北水庫補(bǔ)水方案。

3.3模型的建立

建立城北水庫-南城河SWMM模型和MIKE 11南城河一維河道模型如下圖所示。

3.4模型的邊界及參數(shù)

（1）SWMM模型邊界及參數(shù)

降雨邊界：采用降雨歷時為3h，降雨量分別為15mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm共5個降雨邊界，人工假定合成Huff降雨過程線（見下圖）。天然雨水水質(zhì)[7]，選用下表數(shù)據(jù)COD40mg/L，TP0.4 mg/L，TN2.0 mg/L，DO2.5 mg/L。

（2）一維河道模型邊界及參數(shù)

初始條件：計算開始時刻河道內(nèi)各斷面水位相等，初始水深取2m，初始水位為河底高程加2m，水質(zhì)設(shè)定為Ⅴ類水。

邊界條件：上邊界為河道集中入流，入流流量分別設(shè)置為僅花園湖降雨來水、花園湖降雨來水+城北水庫設(shè)定補(bǔ)水流量，入流水質(zhì)城北水庫補(bǔ)水設(shè)定為Ⅳ類水，花園湖來水設(shè)定為Ⅴ類水;下邊界為翻板壩下游50m，設(shè)定恒定水位53.0m（壩后足夠遠(yuǎn)的位置，對壩前水位和流量不產(chǎn)生影響）。南城河側(cè)入流的流量與污染物濃度則由SWMM模擬求得，但SWMM無法模擬DO，因此在南城河水質(zhì)模擬階段，假設(shè)側(cè)入流DO濃度為五類水標(biāo)準(zhǔn)的中間值，DO為2.5mg/L。

水工建筑物：將翻板壩按照溢流堰考慮設(shè)置于模型內(nèi)。

計算參數(shù)：計算時間步長ΔS取10s，河道糙率取0.025，堰計算參數(shù)依推薦經(jīng)驗參數(shù)并參考具體工程情況確定。

3.5模擬結(jié)果分析

（1）城北水庫無泄流，僅污水截污

在城北水庫不補(bǔ)水，僅花園水庫降雨來水，僅考慮污水截污后不同降雨情況下河道2100m處污染物濃度。

結(jié)果顯示：在設(shè)計降雨下，因雨水的沖刷，合流制管渠系統(tǒng)發(fā)生溢流，污染物濃度隨著累積雨量的增加而增加，河道2100m處COD濃度在2h（60mm）～6h（15mm）左右達(dá)到峰值，峰值濃度為130（15mm）～280（60mm）mg/L不等;TN在2.5h（60mm）～6h（15mm）達(dá)到峰值，峰值為3.2（15mm）～5.5（60mm）mg/L不等;TP在2.5h（60mm）～10h（15mm）達(dá)到峰值，峰值約為0.45（15mm）～0.5（60mm）mg/L;在15mm～60mm降雨下峰值指標(biāo)均超過Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且隨著降雨量的增加，污染物峰值濃度有上升趨勢。

后續(xù)隨著降雨的稀釋和淋洗，合流制管渠系統(tǒng)溢流水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定，接近天然雨水水質(zhì)，河道污染物濃度因雨水的稀釋，隨著累積雨量的增加而降低，且隨著降雨量的增加，污染物濃度下降速度隨之變快。隨著降雨量的減少，當(dāng)污染物濃度下降到某一數(shù)值后，逐漸趨于穩(wěn)定。

降雨量為15mm時，COD濃度在20h左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定濃度在51mg/L左右;TN在17h左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定濃度在2.35mg/L左右;TP在14h左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定濃度在0.42mg/L左右，穩(wěn)定后，河道COD、TN、TP均低于Ⅴ類水。

降雨量為20～30mm時，污染物濃度的穩(wěn)定時間與15mm相比稍有延后，穩(wěn)定后COD濃度在52mg/L左右;TN穩(wěn)定濃度在2.38mg/L左右;TP穩(wěn)定濃度在0.41mg/L左右，穩(wěn)定后，河道COD、TN、TP均低于Ⅴ類水。

降雨量為40～50mmmm時，COD濃度在30h左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定濃度在48mg/L左右;TN在36h左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定濃度在2.32mg/L左右;TP在40h左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定濃度在0.41mg/L左右，穩(wěn)定后，河道COD、TN、TP接近Ⅴ類水。

降雨量為60mm時，COD濃度在48h左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定濃度在39.8mg/L左右;TN在58h左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定濃度在2.09mg/L左右;TP在50h左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定濃度在0.39mg/L左右，穩(wěn)定后，河道水質(zhì)接近Ⅴ類水。

在降雨量<60mm時，污染物未能得到后段清潔雨水的有效稀釋，穩(wěn)定后，河道水質(zhì)低于Ⅴ類水質(zhì);

在降雨量≥60mm時，在降雨的后段清潔雨水可將污染物稀釋，從而使河道水質(zhì)在穩(wěn)定后基本達(dá)到或優(yōu)于Ⅴ類水質(zhì)。

工況1結(jié)論：根據(jù)定遠(yuǎn)全年降雨情況，在產(chǎn)生徑流的年均47場降雨下（≥5mm降雨），僅有4場降雨≥50mm，大部分降雨雨量在5～25mm，因此若無城北水庫泄水，年均約43場產(chǎn)生徑流的降雨，在2d左右河道水質(zhì)穩(wěn)定后，難以滿足Ⅴ類水質(zhì)要求。

（2）城北水庫無泄流下，污水截污+兩大排口初期雨水處理、污水截污+河道生態(tài)修復(fù)、污水截污+兩大排口初期雨水處理+河道生態(tài)修復(fù)

考慮在本項目2個最大的排口設(shè)置初期雨水處理設(shè)施，在河道內(nèi)設(shè)施生態(tài)修復(fù)設(shè)施，評估河道綜合整治后，南城河水質(zhì)情況。模擬發(fā)現(xiàn)因TN限制，水體達(dá)所對應(yīng)的降雨標(biāo)界限與僅截污時一致。

按最不利條件降雨為30mm下，模擬排口進(jìn)行初期雨水處理后污染物濃度，結(jié)果如上圖。排口初期雨水處理后可在一定程度上削減入河污染物總量，計算降雨為30mm下單排口的COD總量削減率約25%，TN削減率約10%，TP削減率約10%。

對比不同處理措施（僅截污，截污+兩大排口初雨處理，截污+兩大排口初雨處理+生態(tài)修復(fù)）模擬河道2100m處污染物濃度，結(jié)果如下圖。僅截污或截污+兩大排口初雨處理后，河道2100m處污染物濃度均不滿足Ⅴ類水質(zhì)要求;截污+兩大排口初雨處理+生態(tài)修復(fù)后，2d左右河道水質(zhì)穩(wěn)定后，2100m處COD和TP濃度低于40mg/L，滿足Ⅴ類水質(zhì)要求，但TN處理效果不佳，濃度仍有2.2mg/L左右，較排口初期雨水處理后可在一定程度上削減入河污染物總量，河道生態(tài)修復(fù)可削減河道內(nèi)COD濃度，但對N、P的削減效果不明顯。

（3）不同處理措施下城北水庫補(bǔ)水方案

采用不同的處理措施后，設(shè)定城北水庫補(bǔ)水量為0.4m3/s，模擬河道水質(zhì)穩(wěn)定后（降雨2d后）較差的降雨情景（對應(yīng)降雨量30mm），補(bǔ)水后河道2100m處污染物濃度變化，以估算城北水庫的補(bǔ)水量。

①僅截污

補(bǔ)水后在25h左右河道下游COD濃度達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)40mg/L，22h左右河道下游TN濃度達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)40mg/L，3h左右河道下游TP濃度達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)40mg/L，按照COD濃度達(dá)標(biāo)時間計算南城河的所需補(bǔ)水量約36000m3。

樣計算降雨量15mm、40mm、50mm后，城北水庫按0.5m3/s補(bǔ)水，分別在22h、15h、11h左右河道下游達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)40mg/L，計算城北水庫的所需補(bǔ)水量分別約31680m3、21600m3、15840m3。

綜合考慮定遠(yuǎn)降雨分布特征和其他降雨下的補(bǔ)水量，估算僅截污情況下南城河累計年均需補(bǔ)水量約124萬m3。

②截污+兩大排口初雨處理

河道污染物濃度穩(wěn)定后（2d后）補(bǔ)水，在8.5h左右河道下游污染物濃度達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)，計算城北水庫的所需補(bǔ)水量約12240m3。

類似方法綜合考慮定遠(yuǎn)降雨分布特征和其他降雨下的補(bǔ)水量，估算僅截污情況下南城河累計年均需補(bǔ)水量約42.2萬m3。

③截污+兩大排口初雨處理+生態(tài)修復(fù)

未補(bǔ)水時，COD、TP濃度均達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)，因此以補(bǔ)水后TN的達(dá)標(biāo)時間計算所需補(bǔ)水量。河道污染物濃度穩(wěn)定后（2d后）補(bǔ)水，在7h左右河道TN濃度達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)，計算城北水庫的所需補(bǔ)水量約10080m3。

類似方法綜合考慮定遠(yuǎn)降雨分布特征和其他降雨下的補(bǔ)水量，估算南城河累計年均需補(bǔ)水量約34.7萬m3。

3.6整治效果預(yù)測結(jié)論

不考慮水庫補(bǔ)水情況下，河道經(jīng)過整治，在發(fā)生合流制排口溢流的降雨下，河道峰值濃度（瞬時值）均超過Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)隨著降雨的稀釋和淋洗，合流制管渠系統(tǒng)溢流水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定，河道污染物濃度也趨于穩(wěn)定。

截污+兩大排口初雨處理+生態(tài)修復(fù)時，河道穩(wěn)定后COD、TP指標(biāo)可達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TN仍超標(biāo)。南城河需均需水量約34.7萬m3，南城河在降雨3d后水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

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