基于SWMM水質模型的某水庫上游河流水質狀態演化特征模擬應用研究

孫 許

(新疆烏魯瓦提水利樞紐管理局，新疆 和田 848000)

當工業化程度進展加快，城市河道以及水庫河流等水生態系統受到一定程度的損害，進而演變成河流水質污染，產生富營養化河流或“臭”河等現象，分析河流水生態系統不可避免地要針對水質狀態開展分析研究[1-4]。

在水資源利用規劃時，需要對河流水質未來演化特征進行不同維度下的討論研究，為準確評估河流水資源供需量提供重要依據[5-6]。

已有一些學者通過長期現場監測，對河流水質特征參數開展評估研究，提出河流水質重污染預警特征參數[7-9]。而長期的現場監測需要消耗大量的人力成本，雖研究數據較準確，但時間線較長，因而水質模型模擬計算研究逐漸在水資源規劃中應用[10-12]，SWMM水質模型模擬計算效果較好，本文將針對某水庫上游河流流域內所獲得工程資料，利用SWMM水質模型研究河流水質污染物演化特征，為河道水質治理及水資源配置規劃提供理論參考。

1 研究區概況

1.1 工程概況

某水庫上游河流為重要供水來源，提供著流域內農業用水與生活用水，其中在陸地流域面積達130 km2，占河流總面積的76%，水庫上游另建設有3個蓄水工程，負責區域內豐水季、枯水季水資源調度，另河道經導流整理，兩側岸坡設置有生態護坡網，保護河道岸坡水土穩定性，降低水流中泥沙懸浮質。區域內有5條支流匯入干流中，河道上另建設有一污水處理廠。河道寬度約為33.8～102.5 m，年徑流量超過12 052萬m3，其中4—9月徑流量最高，占全年75%，下游建設有3個引水泵站，最大泵站可蓄水超過40萬m3，為下游多個灌區輸送水資源，建設有干渠長度45 km，渠首設計流量為0.65 m3/s，渠道底寬設計為4.8 m。流域內分布有一定丘陵綿延地帶，南部地勢較高，區域地質構造較平靜，表面覆蓋層以人工種植土為主，均勻分布在灌區及流域內，厚度以1.8～3.9 m不等，松散性較高，含水量較低。各重要樞紐工程地基均選擇灰巖基巖層，灰巖樣品探測表明完整度較高，河床下亦有分布，磨圓度較高，孔隙較少，承載力較大，適合作為河道堤防工程堤基。

1.2 河流水質現狀

根據河流現狀水質檢測表明，一方面該河流水質受到周邊工廠排放污水影響，水質較差，其中污染物質COD輸入量年均達6100 t/a，氨氮含量年均達到350 t/a，工業污水輸入量占河流污染物總量的34.5%。另一方面受地下水污染物質沖刷影響，灌區內部分農藥污染物進入到水質中，根據現場取水檢測表明，氨氮含量由灌區內進入河流達12.75 mg/L。從排水現狀來看，區域內下水道管網分布不均，部分區段處管網并未設置有分流道，城區污水系統直接排入河流中，另有部分管網雖設置有分流道，但由于維修管理不善，造成污水管道通過支流等進入流域中。調查統計，城區共有排水管網長度400.0 km，明渠長度約為53.0 km，雨水管道長度約為35.5 km，雨水等排污管道設計不當亦是河流水質污染的一個原因。另上游污水廠處理水量為15.1萬m3/d，排出氨氮含量大大降低，僅為2 mg/L，COD含量削減率達84%。根據斷面監測，河流內輸入污染量與現存量之間關系，獲得圖1所示結果，從圖1中可看出，化學需氧量COD含量、氨氮含量基本隨年輸入量增大而提高，即河流污染物含量受河流年輸入量影響最大，在COD為年輸入量6050 t/a時，會導致河流水質中COD含量達到峰值，達62 mg/L，表明河流水質處理應重點考慮河流輸入量，另加以重視灌區或河道岸坡水土污染物進入河流中的影響。

圖1 河流水質污染物現狀與輸入量關系

2 SWMM水質模型

2.1 SWMM模型

SWMM模型表征了區域內突降暴雨等狀況下河流水質演化特征，該模型包括了水質狀態與水量輸入、輸出兩方面，河流水質受水量輸入影響較大，因而該模型適合模擬該河流水質演化。模型包括研究結構模塊，如圖2(a)所示。基于流域內降雨及其他工程資料，獲得水文水力特性參數，并按照圖2(b)所示流程圖完成水質模型模擬求解[13]。

該模型模擬水質從兩個方面入手，分別為污染物累積、污染物沖刷狀態量。

污染物累積受污染物存在形式影響較大，且與污染物的匯聚形式有關，SWMM模型通過三個累積方程作為污染物累積狀態描述量。

冪函數累積表達如式(1)：

B=Min(C1,C2tC3)

(1)

式中：C1為累積增長量，mg/L;C2為增長速率,mg/L;C3為時間參數,無量綱；B為飽和污染物累積量，mg/L;t為時間，s。

指數函數累積表達式如式(2)：

B=C1(1-e-C2t)

(2)

式中：C1、C2、t含義與式(1)一致。

飽和污染物累積函數B的方程表達式如式(3)：

(3)

式中：D1為最大增長累積量,mg/L;D2為累積1/2飽和系數的時間參數，s。

而另一方面，污染物沖刷模型受降雨強度影響，沖刷形式差異，因而SWMM模型中給出了三種沖刷模型方程。

指數函數表述沖刷形式，如式(4)：

W=F1qF2B

(4)

式中：W為污染物沖刷量，mg/L;F1為沖刷系數,h/mm;F2為關系式系數，無量綱；q為流量，mm/h；B與式(1)中一致。

曲線沖刷模型方程，其表達式如式(5)：

W=F1QF2

(5)

式中：F1、F2含義與式(4)一致；Q為地表徑流速率,m3/s。

平均濃度所建模型方程可表述如式(6)

(6)

式中：M為污染物輸入量，mg；Ct為污染物濃度,mg/L;Qt為地表徑流量，L/s；V為流體體積,L。

2.2 創建模型

按照上述分析理論，逐步構建起河流水質SWMM模型，并依次建立流域內管網概化結構，其中污染物指標及沖刷指標參數分別選擇飽和污染物累積方程與指數函數沖刷模型，各墊面層不同水質參數按照工程監測資料輸入。

以化學需氧量COD含量以及氨氮含量作為參數率定驗證量，獲得如圖3所示模擬值與實測值對比結果圖。從圖3中可看出，COD含量模擬值與實測值相關性超過0.99，實測COD含量在第6 min 達到峰值，達78 mg/L，模擬計算值亦是在該點處達到峰值，達76 mg/L，COD實測值與模擬值最大誤差為7 mg/L，整體表明模型對水質演化模擬效果較好。氨氮含量與降雨時間模擬關系曲線可看出，最大誤差為0.4 mg/L，實測氨氮含量隨降雨時間先減小，后逐漸增大，并再次減小、增大，變化曲線形態類似于“W”形。TP含量隨降雨時間在初期階段降低，后逐漸增大至穩定水平，模擬曲線與實測變化基本一致。

分析表明，初期降雨強度較低，各污染物質均會一定程度緩慢進入兩側土層中，含量降低；當降雨強度增大后，TP含量增大；但氨氮含量呈現波動性增減，主要受水量影響，當水量超過一定程度時，含量會下降，當降雨強度過大，水量超過降低含量臨界值，此時氨氮含量又會增大；COD含量不僅與降雨強度有關，與水量有關，當降雨強度過大，逐漸稀釋地表徑流輸入至河流的污染物濃度，因而COD含量隨降雨強度逐漸下降。

3 模型應用分析

為分析降雨強度對水質影響，研究獲得了不同降雨強度與時間關系曲線，如圖4所示，本文將針對不同降雨強度下水質狀態演化特征開展分析。

3.1 降雨強度水質變化模擬

圖5為不同降雨強度下污染物代表參數化學需氧量COD含量、氨氮含量、TP含量曲線。從圖5中可看出，不同降雨強度下COD濃度、氨氮含量、TP濃度與降雨時間關系曲線幾乎一致，均呈先增后減變化。但COD含量變化曲線有所差異的是濃度峰值點出現節點有所差異，0.5年一遇降雨強度下峰值濃度出現在第1 h，3年一遇峰值濃度出現在第49 min，10年一遇峰值濃度又出現在第46 min，即隨降雨強度增大，峰值濃度出現時間點提前。對比各降雨強度下峰值濃度差異可發現，降雨強度愈大，不論是COD含量，亦或是TP濃度，均為峰值濃度愈高，0.5年一遇降雨強度下的COD峰值濃度為36 mg/L，而10年一遇峰值濃度相比增長了158.3%，達93 mg/L。另從氨氮含量變化曲線可看出，峰值濃度基本均出現在同一時間節點處，均位于第1 h 18.5 min左右處；TP含量峰值濃度出現時間節點相比來說，在3年一遇至10年一遇降雨強度下，峰值濃度均出現在第50 min左右，而0.5年一遇、1年一遇降雨強度分別出現在第1 h 2 min、第1 h 9 min，即降雨強度較低時，水質中TP濃度峰值亦出現較滯后。另從濃度增長速率來看，降雨強度較低時，其濃度增長階段的速率較緩慢，氨氮含量在0.5年一遇降雨強度下，濃度增長階段平均每分鐘濃度遞增0.019 mg/L，而10年一遇下遞增為0.072 mg/L，這種現象在另兩種污染物含量中亦是如此。

綜上三種污染物濃度與降雨強度關系可看出，當處于初期降雨時間時，由于短時間內降雨裹挾地表徑流污染物進入河流中，造成水質污染物濃度增高，但當降雨強度穩定一定時間后，此時河流中水量上漲，會逐漸稀釋水中污染物濃度，因而濃度曲線呈現先增后減特征。

圖5 化學污染物濃度～降雨時間曲線(降雨強度影響)

3.2 城鎮工業化程度水質模擬

城鎮工業化進展加速，一定程度會造成水生態體系破壞，影響水質，因而本文根據地區城市工業化程度獲得水質污染物含量與降雨時間關系曲線，如圖6所示，其中降雨強度統一設定為0.5年一遇。從圖6中可看出，不論是城鎮工業開發前亦或是開發后，污染物濃度隨降雨時間呈先增后減，三種污染物含量峰值濃度在開發前與開發后基本均位于同一時間節點，COD含量峰值濃度在開發前、開發后均出現在降雨第56 min左右，氨氮含量維持在第58 min左右，TP濃度峰值出現在第59 min左右，即三種污染物含量峰值濃度均約在降雨第56～59 min。從城市工業化程度與峰值濃度關系可看出，工業化程度愈高，則水質中污染物峰值濃度愈大，氨氮含量在開發前峰值濃度為3.35 mg/L，而開發后峰值濃度增大了94%，達6.50 mg/L。從增長幅度來看，各化學污染物濃度均是在降雨一定時間后產生差異性，COD含量、氨氮含量、TP含量分別在降雨第18 min、20 min、35 min左右時開始產生降雨強度愈高，增長幅度愈快的差異。綜上分析表明，在降雨初期由于水量還未達到一定程度，水流沖刷地表徑流物還未顯著，當降雨持續一段時間后，積累較多水量后，城市工業化程度愈高，則地面硬化程度顯著，帶來地表徑流增長，因而呈現污染物濃度隨之增大效應。

圖6 化學污染物濃度～降雨時間曲線(工業化程度影響)

4 結 論

針對水庫上游河流水質污染物狀態演化特征，引入SWMM水質模型，以飽和污染物累積函數與指數函數分別作為累積、沖刷模型，研究了降雨強度、城市工業化程度下污染物濃度變化，得到了以下結論。

(1)研究了河流水質受水量與沖刷兩方面因素影響，以SWMM水質模型作為模擬計算，實測值與模擬值一致性良好，COD含量、氨氮含量實測值與模擬值最大誤差分別為7.0 mg/L、0.4 mg/L，模型適用性較佳。

(2)獲得了降雨強度對水質影響特征，各降雨強度下化學污染物濃度隨降雨時間均呈先增后減變化，降雨強度愈大，化學污染物峰值濃度與增長速率均愈高，COD含量10年一遇峰值濃度相比0.5年一遇增長了158.3%；COD含量、TP含量的峰值濃度出現時間節點隨降雨強度增大逐漸提前，而氨氮含量的峰值濃度出現時間節點基本一致。

(3)各污染物含量峰值濃度均位于同一時間節點，約在降雨第56～59 min。工業化程度愈高，污染物峰值濃度愈大，工業開發后氨氮含量峰值濃度增大了94%。三種化學污染物分別在降雨第18 min、20 min、35 min左右時產生增長幅度差異。