東山湖水動(dòng)力及水質(zhì)模型的構(gòu)建及應(yīng)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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣東首匯藍(lán)天工程科技有限公司，廣東廣州 510000；3.廣東省環(huán)境污染控制與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510275；4.廣東省水污染控制工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510006)

合流制管網(wǎng)溢流(combined sewer overflows，CSOs)是造成我國城鎮(zhèn)地表水環(huán)境污染的重要原因。李海燕等[1]在研究北京城區(qū)合流制排水管道預(yù)計(jì)溢流問題中，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)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(qū)的研究中，統(tǒng)計(jì)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(qū)城市集水區(qū)降雨徑流污染過程問題中，統(tǒng)計(jì)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?？梢?，CSOs中包含大量的廢水污染物。

本文以東山湖及其相關(guān)的排水系統(tǒng)為研究對象，采用InfoWorks ICM構(gòu)建排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型，模擬計(jì)算在不同工況下點(diǎn)源污染的排放流量，再采用MIKE21構(gòu)建東山湖水動(dòng)力及水質(zhì)模型，以排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型模擬計(jì)算所得的點(diǎn)源排放流量為輸入條件，模擬計(jì)算對應(yīng)不同工況下東山湖的水質(zhì)變化情況，以評估CSOs污染控制工程的目標(biāo)可達(dá)性。

1 研究區(qū)域模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置

1.1 排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型構(gòu)建

本研究采用InfoWorks ICM建模軟件，構(gòu)建東山湖片區(qū)排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型。該軟件為英國HR Wallingford公司基于SWMM進(jìn)行二次開發(fā)的排水管網(wǎng)綜合模擬商業(yè)軟件，其被廣泛應(yīng)用于河流及雨污水排放系統(tǒng)規(guī)劃研究、可持續(xù)性排水系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)劃、洪澇解決方案開發(fā)、截流設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域[4]。

圖2 東山湖水動(dòng)力、水質(zhì)模型情況Fig.2 Hydrodynamic and Water Quality Models of Dongshan Lake

東山湖片區(qū)集雨面積為4.48 km2，模型數(shù)據(jù)分為點(diǎn)層數(shù)據(jù)、線層數(shù)據(jù)及面層數(shù)據(jù)。經(jīng)工程檢驗(yàn)，共錄入點(diǎn)數(shù)據(jù)共2 343個(gè)，線數(shù)據(jù)共2 411段，面數(shù)據(jù)共1 054塊。根據(jù)管線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對排水管網(wǎng)進(jìn)行合理簡化。最終，排水管網(wǎng)模型含管線長為23.71 km，河道長為3.98 km。東山湖片區(qū)排水系統(tǒng)共有10處溢流口，具體分布如圖1所示。

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

排水管網(wǎng)模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下。

(1)管道水頭損失：糙率n值參照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)[5]的規(guī)定取值，其中，砼管取0.014，PE管取0.011；局部水頭損失系數(shù)采用InfoWorks ICM推斷工具進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算賦值。

(2)管道沉積物厚度：參照管道養(yǎng)護(hù)資料，以管徑10%進(jìn)行初始設(shè)置。

(3)排水定額：初始排水定額采用350 L/(人·d)。

(4)徑流系數(shù)(Ψ)：參照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)[5]的規(guī)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(xù)方程和曼寧方程聯(lián)立求解。

(5)模擬參數(shù)：時(shí)長為5 h，時(shí)間步長為30 s。

1.2 東山湖水動(dòng)力及水質(zhì)模型構(gòu)建

本研究采用MIKE21建模軟件，構(gòu)建東山湖水動(dòng)力、水質(zhì)模型。該軟件為丹麥水科所開發(fā)的商業(yè)軟件，被廣泛應(yīng)用于流域水質(zhì)評價(jià)、污染物遷移等領(lǐng)域[7]。如圖2所示，以東山湖湖岸為邊界劃定，綜合考慮運(yùn)算速度和計(jì)算精度，對庫區(qū)水陸邊界部分適當(dāng)加密網(wǎng)格，開闊水域部適當(dāng)減少網(wǎng)格數(shù)量，最終東山湖網(wǎng)格單元共3 114個(gè)。

東山湖水動(dòng)力模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下。

(1)邊界條件：設(shè)置3個(gè)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(shè)計(jì)流量、水位：4號閘的流量根據(jù)排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型計(jì)算得出，為隨時(shí)間變化的流量數(shù)據(jù)；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(shè)置為6.0 m；東山湖初始水位為5.6 m。

(3)曼寧系數(shù)、渦黏系數(shù)：曼寧系數(shù)選用系統(tǒng)默認(rèn)值(32 m1/3/s)；渦黏性系數(shù)由Smagorinsky方程計(jì)算得出，Smagorinsky系數(shù)選用系統(tǒng)默認(rèn)值(0.28)；不考慮波浪、風(fēng)力、蒸發(fā)等影響。

(5)模擬參數(shù)：同排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型設(shè)置。

東山湖水質(zhì)模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下。

(1)水質(zhì)初始濃度和邊界濃度：東山湖水質(zhì)初始含量取2019年湖內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，CODCr、TN、TP含量分別為17.5、1.50、0.109 mg/L；4號閘進(jìn)水濃度取2019年新河浦涌水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，CODCr、TN、TP含量分別為18.9、1.48、0.150 mg/L；6號閘進(jìn)水濃度參考東濠涌的常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值，CODCr、TN、TP含量分別為16.0、1.50、0.152 mg/L。

(2)溢流水質(zhì)濃度：根據(jù)相關(guān)研究結(jié)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(jìn)行考慮，東山湖片區(qū)溢流污水濃度按CODCr、TN、TP含量分別為302.11、42.8、3.26 mg/L進(jìn)行初始設(shè)置，溢流流量以對應(yīng)工況下排水管網(wǎng)模型模擬計(jì)算所得的時(shí)間-流量序列數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)。

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

(4)綜合降解系數(shù)：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(shù)取值分別為0.013、0.017、0.011 d-1。

(4)水質(zhì)凈化處理設(shè)施參數(shù)設(shè)置：東山湖內(nèi)設(shè)置有一處水質(zhì)凈化處理設(shè)施，為RCN窩流微絮凝一體化設(shè)備，規(guī)模為2萬m3/d，共設(shè)置2個(gè)取水點(diǎn)、2個(gè)排水點(diǎn)，該設(shè)施的凈化效果按CODCr、TN、TP去除率分別為20%、20%、70%進(jìn)行設(shè)置。

(5)水閘啟閉規(guī)則：暴雨條件下，4號閘開啟，5號閘、6號閘關(guān)閉。

(6)模擬參數(shù)：同排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型設(shè)置。

2.3 降雨事件設(shè)置

本研究降雨數(shù)據(jù)為2004年3月30日—2012年12月1日原始實(shí)測降雨數(shù)據(jù)，降雨間隔時(shí)間以15 min為單位，最小深度增量為1 mm。取上述時(shí)間段內(nèi)豐水期(6月—9月)降雨數(shù)據(jù)，對降雨量≥40 mm的降雨事件的降雨總量、降雨歷時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(qiáng)為99.6 mm/h，降雨歷時(shí)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(jié)果與討論

3.1 東山湖現(xiàn)狀水質(zhì)模擬分析

(1)溢流量模擬分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，典型暴雨條件下，東山湖片區(qū)排水系統(tǒng)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(qū)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(dá)到50 495.58 m3，占總溢流量的56.51%，對東山湖水質(zhì)影響最大。

(2)東山湖水質(zhì)模擬分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，典型暴雨條件下，引新河浦涌河水進(jìn)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(nèi)TN、TP大范圍超標(biāo)，不滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)IV類標(biāo)準(zhǔn)。東山湖關(guān)鍵點(diǎn)位水質(zhì)模擬結(jié)果如表2所示，水質(zhì)濃度模擬分布如圖5所示。

表1 東山湖片區(qū)排水系統(tǒng)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(qū)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(qū)域主要分布于水質(zhì)凈化處理設(shè)施的排水口附近，可滿足IV類水標(biāo)準(zhǔn)。排水口遠(yuǎn)處污染物含量則較高，存在較大面積范圍的超標(biāo)現(xiàn)象。這說明水質(zhì)凈化設(shè)施對東山湖的水質(zhì)凈化有著明顯的作用，但受制于暴雨期間5號閘、6號閘關(guān)閘影響，湖內(nèi)水體流動(dòng)性較差，湖內(nèi)水體無法及時(shí)交換，使得距離水質(zhì)凈化設(shè)施排水口較遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)情況。

表2 東山湖關(guān)鍵點(diǎn)位水質(zhì)模擬結(jié)果Tab.2 Simulation Results of Water Quality at Key Points of Dongshan Lake

圖5 東山湖水質(zhì)指標(biāo)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(qū)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(chǎn)生的初雨污染進(jìn)行收集，最終轉(zhuǎn)輸至污水處理廠進(jìn)行處理。同時(shí)，當(dāng)該暗渠服務(wù)片區(qū)存在內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，DN3000支隧將該暗渠產(chǎn)生的超量雨水進(jìn)行轉(zhuǎn)輸，最終通過排澇泵站強(qiáng)排至河道。

(1)溢流削減效果模擬分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)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(dá)96.94 %，總溢流量由89 350.45 m3降至40 401.97 m3，總削減率達(dá)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(zhì)改善情況模擬分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)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(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)IV類標(biāo)準(zhǔn)。東山湖關(guān)鍵點(diǎn)位水質(zhì)模擬結(jié)果如表3所示，水質(zhì)濃度模擬分布如圖7所示。

表3 東山湖關(guān)鍵點(diǎn)位水質(zhì)模擬結(jié)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(zhì)指標(biāo)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(nèi)CODCr、TN、TP這3項(xiàng)指標(biāo)均未超標(biāo)，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(jié)論

本文通過構(gòu)建東山湖水動(dòng)力、水質(zhì)模型，以排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型模擬計(jì)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(zhì)濃度分布情況，得出如下結(jié)論。

(1)現(xiàn)狀條件下，在典型暴雨時(shí)期，東山湖片區(qū)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(xiàn)狀條件下，在典型暴雨時(shí)期，除湖內(nèi)水質(zhì)凈化設(shè)施排口附近區(qū)域，東山湖其余區(qū)域短期內(nèi)TN、TP出現(xiàn)大范圍超標(biāo)，不滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)IV類標(biāo)準(zhǔn)。

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

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