SWMM及MIKE模型在河道水質模擬的工程的應用實例

謝智華

摘 要：為更真實對水環境整治效果進行合理預測，首先采用SWMM模型獲得年均降雨情況和特定重現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情況，再采用MIKE 11 AD對流擴散模塊，結合上游城北水庫的補水方案開展南城河的水質及水體改善措施方案模擬評估，科學指導治理措施的制定。

關鍵詞：SWMM;MIKE11;河道模型;水動力;水環境;水質模擬

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生活的突出水環境問題。如何針對項目目標的實際情況，以水污染防治為中心，堅持點源、面源、內源綜合防治的原則，在全面展開水質、水生態、水文及污染源調查于分析的基礎上，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

定遠縣南城河嚴重污染，河內淤積嚴重，急需進行綜合整治。工程范圍為南城河全長2600m。主要建設內容有截污納管、排水口凈化處理、清淤疏浚、外水引入凈化達標處理、曝氣增氧、種植水生動植物、生態護坡、生態浮島、景觀打造、景觀照明、智能在線自動監測、運營維護等。項目完成后南城河需達到的水質目標為消除黑臭現狀，主要水質指標達地表水V類水標準的目標。

2模型的建立

數學模擬范圍為定遠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，花園湖上游進水口來水為城北水庫下泄水，工程河段沿程兩岸側還分布著大小不等約50個左右的雨水污水排口，經截污整治后合流制溢流排口9個。

3南城河的水動力水質模擬

3.1模擬思路

本項目直接基于整治后的南城河進行模擬評價。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情況，再采用MIKE[4-6]11 AD對流擴散模塊，結合上游城北水庫的補水方案開展南城河的水質及水體改善措施方案模擬評估。

3.2模擬工況設定

（1）城北水庫無泄流，僅污水截污后的河道水質情況;

（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+河道生態修復、污水截污+兩大排口初期雨水處理+河道生態修復后的河道水質情況;

（3）不同處理措施下，城北水庫補水方案。

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

（1）SWMM模型邊界及參數

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[7]，選用下表數據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

初始條件：計算開始時刻河道內各斷面水位相等，初始水深取2m，初始水位為河底高程加2m，水質設定為Ⅴ類水。

邊界條件：上邊界為河道集中入流，入流流量分別設置為僅花園湖降雨來水、花園湖降雨來水+城北水庫設定補水流量，入流水質城北水庫補水設定為Ⅳ類水，花園湖來水設定為Ⅴ類水;下邊界為翻板壩下游50m，設定恒定水位53.0m（壩后足夠遠的位置，對壩前水位和流量不產生影響）。南城河側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，因此在南城河水質模擬階段，假設側入流DO濃度為五類水標準的中間值，DO為2.5mg/L。

水工建筑物：將翻板壩按照溢流堰考慮設置于模型內。

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

3.5模擬結果分析

（1）城北水庫無泄流，僅污水截污

在城北水庫不補水，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。

結果顯示：在設計降雨下，因雨水的沖刷，合流制管渠系統發生溢流，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）左右達到峰值，峰值濃度為130（15mm）～280（60mm）mg/L不等;TN在2.5h（60mm）～6h（15mm）達到峰值，峰值為3.2（15mm）～5.5（60mm）mg/L不等;TP在2.5h（60mm）～10h（15mm）達到峰值，峰值約為0.45（15mm）～0.5（60mm）mg/L;在15mm～60mm降雨下峰值指標均超過Ⅴ類水水質標準，且隨著降雨量的增加，污染物峰值濃度有上升趨勢。

后續隨著降雨的稀釋和淋洗，合流制管渠系統溢流水質達到穩定，接近天然雨水水質，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，當污染物濃度下降到某一數值后，逐漸趨于穩定。

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

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

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

降雨量為60mm時，COD濃度在48h左右達到穩定，穩定濃度在39.8mg/L左右;TN在58h左右達到穩定，穩定濃度在2.09mg/L左右;TP在50h左右達到穩定，穩定濃度在0.39mg/L左右，穩定后，河道水質接近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，穩定后，河道水質低于Ⅴ類水質;

在降雨量≥60mm時，在降雨的后段清潔雨水可將污染物稀釋，從而使河道水質在穩定后基本達到或優于Ⅴ類水質。

工況1結論：根據定遠全年降雨情況，在產生徑流的年均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場產生徑流的降雨，在2d左右河道水質穩定后，難以滿足Ⅴ類水質要求。

（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+河道生態修復、污水截污+兩大排口初期雨水處理+河道生態修復

考慮在本項目2個最大的排口設置初期雨水處理設施，在河道內設施生態修復設施，評估河道綜合整治后，南城河水質情況。模擬發現因TN限制，水體達所對應的降雨標界限與僅截污時一致。

按最不利條件降雨為30mm下，模擬排口進行初期雨水處理后污染物濃度，結果如上圖。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+生態修復）模擬河道2100m處污染物濃度，結果如下圖。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類水質要求;截污+兩大排口初雨處理+生態修復后，2d左右河道水質穩定后，2100m處COD和TP濃度低于40mg/L，滿足Ⅴ類水質要求，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，河道生態修復可削減河道內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水方案

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

①僅截污

補水后在25h左右河道下游COD濃度達到Ⅴ類水質40mg/L，22h左右河道下游TN濃度達到Ⅴ類水質40mg/L，3h左右河道下游TP濃度達到Ⅴ類水質40mg/L，按照COD濃度達標時間計算南城河的所需補水量約36000m3。

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

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

②截污+兩大排口初雨處理

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

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

③截污+兩大排口初雨處理+生態修復

未補水時，COD、TP濃度均達到Ⅴ類水質，因此以補水后TN的達標時間計算所需補水量。河道污染物濃度穩定后（2d后）補水，在7h左右河道TN濃度達到Ⅴ類水質，計算城北水庫的所需補水量約10080m3。

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

3.6整治效果預測結論

不考慮水庫補水情況下，河道經過整治，在發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類水水質標準。后續隨著降雨的稀釋和淋洗，合流制管渠系統溢流水質達到穩定，河道污染物濃度也趨于穩定。

截污+兩大排口初雨處理+生態修復時，河道穩定后COD、TP指標可達到Ⅴ類水質標準，TN仍超標。南城河需均需水量約34.7萬m3，南城河在降雨3d后水質可穩定達標。

參考文獻：

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