東山湖水動力及水質模型的構建及應用

譚錦欣，胡嘉鏜,3,4，李 捷，隋 軍，鄧歡忠，孫連鵬,3,4,*

(1.中山大學環境科學與工程學院，廣東廣州 510006；2.廣東首匯藍天工程科技有限公司，廣東廣州 510000；3.廣東省環境污染控制與修復技術重點實驗室，廣東廣州 510275；4.廣東省水污染控制工程技術研究中心，廣東廣州 510006)

合流制管網溢流(combined sewer overflows，CSOs)是造成我國城鎮地表水環境污染的重要原因。李海燕等[1]在研究北京城區合流制排水管道預計溢流問題中，統計發現溢流污水污染物CODCr、TN、TP含量分別為134～205、5.11～16.36、4.34～10.52 mg/L。趙磊等[2]在針對昆明市典型合流制排水小區的研究中，統計得出溢流污水污染物CODCr、TN、TP含量分別為87.8～302.11、14.18～42.08、0.95～3.90 mg/L。李立青等[3]在研究武漢漢陽地區城市集水區降雨徑流污染過程問題中，統計得出溢流污水污染物CODCr、TN、TP含量分別為142～614、12.26～29.8、0.88～3.90 mg/L。可見，CSOs中包含大量的廢水污染物。

本文以東山湖及其相關的排水系統為研究對象，采用InfoWorks ICM構建排水管網水動力模型，模擬計算在不同工況下點源污染的排放流量，再采用MIKE21構建東山湖水動力及水質模型，以排水管網水動力模型模擬計算所得的點源排放流量為輸入條件，模擬計算對應不同工況下東山湖的水質變化情況，以評估CSOs污染控制工程的目標可達性。

1 研究區域模型構建及參數設置

1.1 排水管網水動力模型構建

本研究采用InfoWorks ICM建模軟件，構建東山湖片區排水管網水動力模型。該軟件為英國HR Wallingford公司基于SWMM進行二次開發的排水管網綜合模擬商業軟件，其被廣泛應用于河流及雨污水排放系統規劃研究、可持續性排水系統應用規劃、洪澇解決方案開發、截流設計與分析等領域[4]。

圖2 東山湖水動力、水質模型情況Fig.2 Hydrodynamic and Water Quality Models of Dongshan Lake

東山湖片區集雨面積為4.48 km2，模型數據分為點層數據、線層數據及面層數據。經工程檢驗，共錄入點數據共2 343個，線數據共2 411段，面數據共1 054塊。根據管線拓撲結構，對排水管網進行合理簡化。最終，排水管網模型含管線長為23.71 km，河道長為3.98 km。東山湖片區排水系統共有10處溢流口，具體分布如圖1所示。

圖1 東山湖片區排水系統溢流口分布Fig.1 Distribution of Outfalls in Drainage System of Dongshan Lake Area

排水管網模型關鍵參數設置如下。

(1)管道水頭損失：糙率n值參照《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)[5]的規定取值，其中，砼管取0.014，PE管取0.011；局部水頭損失系數采用InfoWorks ICM推斷工具進行自動計算賦值。

(2)管道沉積物厚度：參照管道養護資料，以管徑10%進行初始設置。

(3)排水定額：初始排水定額采用350 L/(人·d)。

(4)徑流系數(Ψ)：參照《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)[5]的規定取值，其中，屋面中Ψ取0.9，普通路面中Ψ取0.85，鋪裝路面中Ψ取0.5，綠地中Ψ取0.2；地表徑流模擬采用SWMM非線性水庫模型[6]，由連續方程和曼寧方程聯立求解。

(5)模擬參數：時長為5 h，時間步長為30 s。

1.2 東山湖水動力及水質模型構建

本研究采用MIKE21建模軟件，構建東山湖水動力、水質模型。該軟件為丹麥水科所開發的商業軟件，被廣泛應用于流域水質評價、污染物遷移等領域[7]。如圖2所示，以東山湖湖岸為邊界劃定，綜合考慮運算速度和計算精度，對庫區水陸邊界部分適當加密網格，開闊水域部適當減少網格數量，最終東山湖網格單元共3 114個。

東山湖水動力模型關鍵參數設置如下。

(1)邊界條件：設置3個開邊界，均為水閘，分別為東山湖4號閘、5號閘和6號閘，其中，4號和6號閘為“流入”，5號閘為“流出”；4號和5號閘為流量邊界，6號閘為水位邊界。

(2)設計流量、水位：4號閘的流量根據排水管網水動力模型計算得出，為隨時間變化的流量數據；5號閘由泵站向湖外抽水，泵站流量為12 m3/s；6號閘外為珠江，水位設置為6.0 m；東山湖初始水位為5.6 m。

(3)曼寧系數、渦黏系數：曼寧系數選用系統默認值(32 m1/3/s)；渦黏性系數由Smagorinsky方程計算得出，Smagorinsky系數選用系統默認值(0.28)；不考慮波浪、風力、蒸發等影響。

(5)模擬參數：同排水管網水動力模型設置。

東山湖水質模型關鍵參數設置如下。

(1)水質初始濃度和邊界濃度：東山湖水質初始含量取2019年湖內水質監測數據的平均值，CODCr、TN、TP含量分別為17.5、1.50、0.109 mg/L；4號閘進水濃度取2019年新河浦涌水質監測數據的平均值，CODCr、TN、TP含量分別為18.9、1.48、0.150 mg/L；6號閘進水濃度參考東濠涌的常規監測數據平均值，CODCr、TN、TP含量分別為16.0、1.50、0.152 mg/L。

(2)溢流水質濃度：根據相關研究結果，北京、昆明、武漢等城市溢流污水CODCr、TN、TP含量分別為87.8～614.0、5.11～42.08、0.95～10.52 mg/L[1-3]。參照上述研究成果，按較不利情況進行考慮，東山湖片區溢流污水濃度按CODCr、TN、TP含量分別為302.11、42.8、3.26 mg/L進行初始設置，溢流流量以對應工況下排水管網模型模擬計算所得的時間-流量序列數據為輸入數據。

(3)面源污染水質濃度：參考黃國如等[8]對廣州新河浦社區排水區的研究成果，將東山湖匯水區土地利用劃分為住宅區和綠化區兩類，其中，住宅區按CODCr、TN、TP的污染物負荷分別為24.869、1.875、0.15 kg/(hm2·h)；綠化區按CODCr、TN、TP的污染負荷分別為16.454、0.4、0.138 kg/(hm2·h)進行初始設置。

(4)綜合降解系數：參考黃佳等[9]在廣州流溪河水庫的研究成果，本次模擬的污染物CODCr、TN、TP的綜合降解系數取值分別為0.013、0.017、0.011 d-1。

(4)水質凈化處理設施參數設置：東山湖內設置有一處水質凈化處理設施，為RCN窩流微絮凝一體化設備，規模為2萬m3/d，共設置2個取水點、2個排水點，該設施的凈化效果按CODCr、TN、TP去除率分別為20%、20%、70%進行設置。

(5)水閘啟閉規則：暴雨條件下，4號閘開啟，5號閘、6號閘關閉。

(6)模擬參數：同排水管網水動力模型設置。

2.3 降雨事件設置

本研究降雨數據為2004年3月30日—2012年12月1日原始實測降雨數據，降雨間隔時間以15 min為單位，最小深度增量為1 mm。取上述時間段內豐水期(6月—9月)降雨數據，對降雨量≥40 mm的降雨事件的降雨總量、降雨歷時進行統計，最終得出典型暴雨事件，作為本次模擬降雨輸入條件。典型暴雨事件總降雨量為65.12 mm，最大雨強為99.6 mm/h，降雨歷時為2 h，如圖3所示。

圖3 典型暴雨事件降雨過程Fig.3 Rainfall Process of Typical Rainstorm Events

3 結果與討論

3.1 東山湖現狀水質模擬分析

(1)溢流量模擬分析

根據模擬計算結果，典型暴雨條件下，東山湖片區排水系統溢流總量為89 350.45 m3，各溢流口溢流量如表1所示，溢流流量過程曲線如圖4所示。東山湖片區溢流污染主要來源于新河浦路7.5 m×2.0 m溢流堰出口，在典型暴雨條件下，該出口溢流量達到50 495.58 m3，占總溢流量的56.51%，對東山湖水質影響最大。

(2)東山湖水質模擬分析

根據模擬計算結果，典型暴雨條件下，引新河浦涌河水進入東山湖，有利于東山湖的水體交換，但受溢流污水影響，使東山湖水體短期內TN、TP大范圍超標，不滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)IV類標準。東山湖關鍵點位水質模擬結果如表2所示，水質濃度模擬分布如圖5所示。

表1 東山湖片區排水系統溢流口的溢流量分析Tab.1 Analysis of Outfalls of Drainage System in Dongshan Lake Area

圖4 東山湖片區溢流口溢流流量曲線Fig.4 Overflow Curves of Outfalls in Dongshan Lake Area

由圖5可知，污染物濃度較低區域主要分布于水質凈化處理設施的排水口附近，可滿足IV類水標準。排水口遠處污染物含量則較高，存在較大面積范圍的超標現象。這說明水質凈化設施對東山湖的水質凈化有著明顯的作用，但受制于暴雨期間5號閘、6號閘關閘影響，湖內水體流動性較差，湖內水體無法及時交換，使得距離水質凈化設施排水口較遠的區域出現水質超標情況。

表2 東山湖關鍵點位水質模擬結果Tab.2 Simulation Results of Water Quality at Key Points of Dongshan Lake

圖5 東山湖水質指標含量分布Fig.5 Concentrations Distribution of Water Quality Indices in Dongshan Lake

3.2 擬建DN3000支隧污染防治效果模擬分析

東山湖片區擬建一條DN3000支隧，接入新河浦路7.5 m×2.0 m的暗渠，將該暗渠產生的初雨污染進行收集，最終轉輸至污水處理廠進行處理。同時，當該暗渠服務片區存在內澇風險時，DN3000支隧將該暗渠產生的超量雨水進行轉輸，最終通過排澇泵站強排至河道。

(1)溢流削減效果模擬分析

根據模擬計算結果，支隧建成后，在典型暴雨條件下，新河浦路7.5 m×2.0 m的暗渠溢流堰出口流量由50 495.58 m3降至1 547.10 m3，削減率達96.94 %，總溢流量由89 350.45 m3降至40 401.97 m3，總削減率達54.78%。該溢流口的溢流流量曲線如圖6所示。

圖6 支隧建成后新河浦路7.5 m×2.0 m暗渠 溢流口溢流流量曲線Fig.6 Overflow Curve of Xinhepu Road 7.5 m×2.0 m Overflow Weir after Completion of Branch Tunnel

(2)東山湖水質改善情況模擬分析

根據模擬計算結果，DN3000支隧建成后，在典型暴雨條件下，東山湖CODCr、TN、TP均可滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)IV類標準。東山湖關鍵點位水質模擬結果如表3所示，水質濃度模擬分布如圖7所示。

表3 東山湖關鍵點位水質模擬結果(支隧建成后)Tab.3 Water Quality Simulation Results at Key Points of Dongshan Lake (after Completion of Branch Tunnel)

圖7 東山湖水質指標含量分布(支隧建成后)Fig.7 Concentrations Distribution of Water Quality Indices in Dongshan Lake (after Completion of Branch Tunnel)

由圖7可知，DN3000支隧建成后，在典型暴雨條件下，東山湖內CODCr、TN、TP這3項指標均未超標，其中，CODCr含量在12.93～14.08 mg/L，濃度最高處距離4號閘口距離約120 m；TN含量在0.98～1.07 mg/L，濃度最高處距離4號閘口距離約130 m；TP含量在0.06～0.08 mg/L，濃度最高處距離4號閘口距離約120 m。

4 結論

本文通過構建東山湖水動力、水質模型，以排水管網水動力模型模擬計算得暴雨條件下東山湖的溢流流量，使之為邊界條件，模擬分析東山湖水質濃度分布情況，得出如下結論。

(1)現狀條件下，在典型暴雨時期，東山湖片區溢流總量為89 350.45 m3，其中，新河浦路7.5 m×2.0 m溢流堰出口溢流量為50 495.58 m3，占比56.51%，是主要的污染來源。

(2)現狀條件下，在典型暴雨時期，除湖內水質凈化設施排口附近區域，東山湖其余區域短期內TN、TP出現大范圍超標，不滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)IV類標準。

(3)DN3000支隧建成后，在典型暴雨時期，新河浦路7.5 m×2.0 m溢流堰出口溢流量削減率達96.94%，總溢流量削減率達54.78%。

(4)DN3000支隧建成后，在典型暴雨時期，東山湖全水域內CODCr、TN、TP均可滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)IV類標準，污染防治效果顯著。