SWMM及MIKE模型在河道水质模拟的工程的应用实例

2021-07-01谢智华

装备维修技术 2021年50期

谢智华

摘要：为更真实对水环境整治效果进行合理预测，首先采用SWMM模型获得年均降雨情况和特定重现期短历时降雨情况下南城河的流量变化情况、合流制排口溢流情况和排口水质情况，再采用MIKE 11 AD对流扩散模块，结合上游城北水库的补水方案开展南城河的水质及水体改善措施方案模拟评估，科学指导治理措施的制定。

关键词：SWMM;MIKE11;河道模型;水动力;水环境;水质模拟

前言

城市黑臭水体不仅给群众带来了极差的感官体验，也是直接影响群众生产生活的突出水环境问题。如何针对项目目标的实际情况，以水污染防治为中心，坚持点源、面源、内源综合防治的原则，在全面展开水质、水生态、水文及污染源调查于分析的基础上，确定项目的综合治理方案是黑臭水体治理的难点。

1工程概况

定远县南城河严重污染，河内淤积严重，急需进行综合整治。工程范围为南城河全长2600m。主要建设内容有截污纳管、排水口净化处理、清淤疏浚、外水引入净化达标处理、曝气增氧、种植水生动植物、生态护坡、生态浮岛、景观打造、景观照明、智能在线自动监测、运营维护等。项目完成后南城河需达到的水质目标为消除黑臭现状，主要水质指标达地表水V类水标准的目标。

2模型的建立

数学模拟范围为定远县南城河上游待治理河段（约2.6 km）。工程河段上游接花园湖出水口，下游末端为一翻板坝，花园湖上游进水口来水为城北水库下泄水，工程河段沿程两岸侧还分布着大小不等约50个左右的雨水污水排口，经截污整治后合流制溢流排口9个。

3南城河的水动力水质模拟

3.1模拟思路

本项目直接基于整治后的南城河进行模拟评价。首先采用SWMM[1-3]模型获得年均降雨情况和特定重现期短历时降雨情况下南城河的流量变化情况、合流制排口溢流情况和排口水质情况，再采用MIKE[4-6]11 AD对流扩散模块，结合上游城北水库的补水方案开展南城河的水质及水体改善措施方案模拟评估。

3.2模拟工况设定

（1）城北水库无泄流，仅污水截污后的河道水质情况;

（2）城北水库无泄流，污水截污+两大排口初期雨水处理、污水截污+河道生态修复、污水截污+两大排口初期雨水处理+河道生态修复后的河道水质情况;

（3）不同处理措施下，城北水库补水方案。

3.3模型的建立

建立城北水库-南城河SWMM模型和MIKE 11南城河一维河道模型如下图所示。

3.4模型的边界及参数

（1）SWMM模型边界及参数

降雨边界：采用降雨历时为3h，降雨量分别为15mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm共5个降雨边界，人工假定合成Huff降雨过程线（见下图）。天然雨水水质[7]，选用下表数据COD40mg/L，TP0.4 mg/L，TN2.0 mg/L，DO2.5 mg/L。

（2）一维河道模型边界及参数

初始条件：计算开始时刻河道内各断面水位相等，初始水深取2m，初始水位为河底高程加2m，水质设定为Ⅴ类水。

边界条件：上边界为河道集中入流，入流流量分别设置为仅花园湖降雨来水、花园湖降雨来水+城北水库设定补水流量，入流水质城北水库补水设定为Ⅳ类水，花园湖来水设定为Ⅴ类水;下边界为翻板坝下游50m，设定恒定水位53.0m（坝后足够远的位置，对坝前水位和流量不产生影响）。南城河侧入流的流量与污染物浓度则由SWMM模拟求得，但SWMM无法模拟DO，因此在南城河水质模拟阶段，假设侧入流DO浓度为五类水标准的中间值，DO为2.5mg/L。

水工建筑物：将翻板坝按照溢流堰考虑设置于模型内。

计算参数：计算时间步长ΔS取10s，河道糙率取0.025，堰计算参数依推荐经验参数并参考具体工程情况确定。

3.5模拟结果分析

（1）城北水库无泄流，仅污水截污

在城北水库不补水，仅花园水库降雨来水，仅考虑污水截污后不同降雨情况下河道2100m处污染物浓度。

结果显示：在设计降雨下，因雨水的冲刷，合流制管渠系统发生溢流，污染物浓度随着累积雨量的增加而增加，河道2100m处COD浓度在2h（60mm）～6h（15mm）左右达到峰值，峰值浓度为130（15mm）～280（60mm）mg/L不等;TN在2.5h（60mm）～6h（15mm）达到峰值，峰值为3.2（15mm）～5.5（60mm）mg/L不等;TP在2.5h（60mm）～10h（15mm）达到峰值，峰值约为0.45（15mm）～0.5（60mm）mg/L;在15mm～60mm降雨下峰值指标均超过Ⅴ类水水质标准，且随着降雨量的增加，污染物峰值浓度有上升趋势。

后续随着降雨的稀释和淋洗，合流制管渠系统溢流水质达到稳定，接近天然雨水水质，河道污染物浓度因雨水的稀释，随着累积雨量的增加而降低，且随着降雨量的增加，污染物浓度下降速度随之变快。随着降雨量的减少，当污染物浓度下降到某一数值后，逐渐趋于稳定。

降雨量为15mm时，COD浓度在20h左右达到稳定，稳定浓度在51mg/L左右;TN在17h左右达到稳定，稳定浓度在2.35mg/L左右;TP在14h左右达到稳定，稳定浓度在0.42mg/L左右，稳定后，河道COD、TN、TP均低于Ⅴ類水。

降雨量为20～30mm时，污染物浓度的稳定时间与15mm相比稍有延后，稳定后COD浓度在52mg/L左右;TN稳定浓度在2.38mg/L左右;TP稳定浓度在0.41mg/L左右，稳定后，河道COD、TN、TP均低于Ⅴ类水。

降雨量为40～50mmmm时，COD浓度在30h左右达到稳定，稳定浓度在48mg/L左右;TN在36h左右达到稳定，稳定浓度在2.32mg/L左右;TP在40h左右达到稳定，稳定浓度在0.41mg/L左右，稳定后，河道COD、TN、TP接近Ⅴ类水。

降雨量为60mm时，COD浓度在48h左右达到稳定，稳定浓度在39.8mg/L左右;TN在58h左右达到稳定，稳定浓度在2.09mg/L左右;TP在50h左右达到稳定，稳定浓度在0.39mg/L左右，稳定后，河道水质接近Ⅴ类水。

在降雨量<60mm时，污染物未能得到后段清洁雨水的有效稀释，稳定后，河道水质低于Ⅴ类水质;

在降雨量≥60mm时，在降雨的后段清洁雨水可将污染物稀释，从而使河道水质在稳定后基本达到或优于Ⅴ类水质。

工况1结论：根据定远全年降雨情况，在产生径流的年均47场降雨下（≥5mm降雨），仅有4场降雨≥50mm，大部分降雨雨量在5～25mm，因此若无城北水库泄水，年均约43场产生径流的降雨，在2d左右河道水质稳定后，难以满足Ⅴ类水质要求。

（2）城北水库无泄流下，污水截污+两大排口初期雨水处理、污水截污+河道生态修复、污水截污+两大排口初期雨水处理+河道生态修复

考虑在本项目2个最大的排口设置初期雨水处理设施，在河道内设施生态修复设施，评估河道综合整治后，南城河水质情况。模拟发现因TN限制，水体达所对应的降雨标界限与仅截污时一致。

按最不利条件降雨为30mm下，模拟排口进行初期雨水处理后污染物浓度，结果如上图。排口初期雨水处理后可在一定程度上削减入河污染物总量，计算降雨为30mm下单排口的COD总量削减率约25%，TN削減率约10%，TP削减率约10%。

对比不同处理措施（仅截污，截污+两大排口初雨处理，截污+两大排口初雨处理+生态修复）模拟河道2100m处污染物浓度，结果如下图。仅截污或截污+两大排口初雨处理后，河道2100m处污染物浓度均不满足Ⅴ类水质要求;截污+两大排口初雨处理+生态修复后，2d左右河道水质稳定后，2100m处COD和TP浓度低于40mg/L，满足Ⅴ类水质要求，但TN处理效果不佳，浓度仍有2.2mg/L左右，较排口初期雨水处理后可在一定程度上削减入河污染物总量，河道生态修复可削减河道内COD浓度，但对N、P的削减效果不明显。

（3）不同处理措施下城北水库补水方案

采用不同的处理措施后，设定城北水库补水量为0.4m3/s，模拟河道水质稳定后（降雨2d后）较差的降雨情景（对应降雨量30mm），补水后河道2100m处污染物浓度变化，以估算城北水库的补水量。

①仅截污

补水后在25h左右河道下游COD浓度达到Ⅴ类水质40mg/L，22h左右河道下游TN浓度达到Ⅴ类水质40mg/L，3h左右河道下游TP浓度达到Ⅴ类水质40mg/L，按照COD浓度达标时间计算南城河的所需补水量约36000m3。

样计算降雨量15mm、40mm、50mm后，城北水库按0.5m3/s补水，分别在22h、15h、11h左右河道下游达到Ⅴ类水质40mg/L，计算城北水库的所需补水量分别约31680m3、21600m3、15840m3。

综合考虑定远降雨分布特征和其他降雨下的补水量，估算仅截污情况下南城河累计年均需补水量约124万m3。

②截污+两大排口初雨处理

河道污染物浓度稳定后（2d后）补水，在8.5h左右河道下游污染物浓度达到Ⅴ类水质，计算城北水库的所需补水量约12240m3。

类似方法综合考虑定远降雨分布特征和其他降雨下的补水量，估算仅截污情况下南城河累计年均需补水量约42.2万m3。

③截污+两大排口初雨处理+生态修复

未补水时，COD、TP浓度均达到Ⅴ类水质，因此以补水后TN的达标时间计算所需补水量。河道污染物浓度稳定后（2d后）补水，在7h左右河道TN浓度达到Ⅴ类水质，计算城北水库的所需补水量约10080m3。

类似方法综合考虑定远降雨分布特征和其他降雨下的补水量，估算南城河累计年均需补水量约34.7万m3。