海河干流汛期动态水环境容量计算研究

孙冬梅，程雅芳，冯 平

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

1 研究背景

为保证水质满足水功能区的要求，相关部门提出污染物排放总量控制制度[1]。在制定区域污染物总量控制政策时，水环境容量起着至关重要的作用[2]。水环境容量一般是指在给定水域范围和水文条件、规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量[3-5]。欧美国家所使用的“Environmental capacity”、“Assimilative capacity”、“Total maximum daily loads（TMDL）”等与国内所使用的水环境容量具有类似的含义[6]。

海河干流水体污染较为严重[7]，汛期大量污染物随降雨径流排入河道，加重水体污染[8-10]，且在汛期，受降雨径流和闸门控制等多重因素影响，其水位、流量、水质等随时间变化十分复杂。水环境容量作为水环境的重要度量指标之一，对水文要素的变化十分敏感，其中受流量变化影响最大，存在明显的动态特性[2]。Kim 等[11]提出了基于历时曲线法实现不同流量及水质条件下最大日负荷总量的实时计算，以反映水环境容量的动态变化。Cardwell 等[12]通过研究水环境容量计算模型和计算因子的不确定性，提出了污染负荷动态优化模型。陈丁江等[13]基于不确定分析从分期尺度上分别计算河流丰、平、枯三个时段在不同保证率下的水环境容量；Xie 等[2]分别采用一维和零维公式计算太湖流域水环境容量，并基于各月水量对水环境容量进行月尺度下的分配。此外，水动力水质模型能够模拟水动力及水质条件随时间的变化过程，熊鸿斌等[14]以引江济淮工程涡河段为例，提出MIKE11模型结合稀释流量比法计算动态水环境容量。海河干流这类以非点源污染为主且受到闸门控制影响的平原缓滞型河流，也亟待开展基于水动力水质模型的逐日动态水环境容量研究。

目前天津市点源污染基本得到控制，但非点源污染的控制则相对困难。为缓解非点源污染，国外学者提出多种控制管理措施，如可持续排水系统[15]、最佳管理措施[16]，低影响开发技术（LID）[17]等。其中，LID技术应用最为广泛，各种措施对不同特性降雨产生的径流及污染物均具有一定的控制效果，且中、低降雨强度条件下对缓解城市面源污染具有较好效果[18-20]。本文应用一维水动力水质模型模拟研究区域的水动力水质情况，以化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）三个主要水质指标为研究对象，根据水质目标要求计算各控制单元的汛期动态水环境容量，为流域水环境管理提供依据，并提出一种基于现状条件的LID方案，为缓解天津市降雨径流污染、改善水环境质量提供技术支撑。

2 研究区域概况

天津市地处海河流域下梢，南运河在三岔口处与子牙河和北运河交汇而成海河干流，其中三岔口以上为汇流段，三岔口以下总体上分成上、中、下游三段，三岔口到外环桥为上游段，即中心城区段；外环桥到二道闸为中游段，仍保留田野、村庄等自然空间；二道闸到入海口为下游段，已形成一个现代化的贸易港口和加工经济区。本文研究范围包括北运河、子牙河及海河干流，其中北运河段是从屈家店闸至三岔口处，长15.7 km，子牙河段是从西河闸至三岔口处，长16.7 km，海河干流是从三岔口至海河闸处，长71.5 km。海河干流2008—2015年各监测断面污染物指标统计结果见表1，COD、TN、TP的平均浓度普遍超过地表Ⅴ类水标准，水质状况不容乐观。目前天津市点源污染得到有效控制，海河干流上没有固定的点源排放口，但仍承担汛期排涝功能，污染物随降雨径流排入海河。控制单元是流域水污染防治的空间范围的基本单位。研究区域内共有三岔口、外环桥、二道闸与海河闸4个重要的控制断面，结合海河干流二级水功能区划、天津市行政区划及河道收水范围等，研究区域划分为4个控制单元：汇流控制单元、上游控制单元、中游控制单元、下游控制单元，相应的控制断面分别是：三岔口、外环桥、二道闸、海河闸，具体位置见图1。根据《天津市水污染防治工作方案》，2020年各控制断面目标水质见表1。

图1 研究区域

表1 海河干流各控制断面水质现状及目标水质 （单位：mg/L）

3 海河干流汛期动态水环境容量计算

汛期研究区域的主要污染物来源为天津市中心城区及环城四区的降雨径流污染。本文利用SWMM模型模拟研究区域汛期的降雨径流及污染物入河过程，并以旁侧入流的形式耦合到一维水动力水质模型中，从而模拟研究区域的水动力水质情况，并基于模型模拟结果对海河干流汛期不同控制单元的动态水环境容量进行计算。

3.1 SWMM模型建立SWMM模型是一个动态的降雨径流模拟模型，主要用于模拟城市某单一或长期降水事件的水量水质模拟[21]。

3.1.1 子汇水区划分 根据天津市实际河道分布、管网泵站排布等概化其雨水径流系统，天津市中心城区与环城四区共划分为415个子汇水区。根据每个子汇水区的特性分别计算其降雨径流及污染物的出流过程，概化情况及各子汇水区不透水率情况见图2。

图2 SWMM模型研究区域

3.1.2 河道与管网概化 根据子汇水区的划分对研究区进行离散化处理，分别布设排放口、管渠、节点等。排放口等根据天津市实际雨水泵站布设情况，结合子区域的分布进行布设，共344个。

3.1.3 模型参数设置模型中需设置的参数主要包括：子区域面积、特征宽度、平均坡度、不透水面积所占比例、透水与不透水部分地表水流的曼宁系数与洼地蓄水深度等。各子区域面积及汇流长度根据实际排水区划分情况提取；子区域特征宽度采用的计算方法为[22]：W=面积/汇流长度；中心城区及环城四区地势平坦，坡降在1/5000～1/20000；不透水率根据下垫面情况进行计算；曼宁系数根据不同的地面性质取值；洼地蓄水深度按照洼地性质取值；下渗模型选择Horton模型。模型水力参数取值见表2。土地利用类型设置为3类，分别是交通道路、绿地、屋面。污染物的累积过程和冲刷过程分别选择饱和函数和指数函数进行模拟，参数取值见表3。

表2 SWMM模型水文水力参数取值

表3 SWMM模型水质参数取值

3.1.4 模型参数验证 采用2012年7月22日至8月1日各子区域排放口模拟径流总量与实际径流总量相比较，对模型水文水力参数进行验证，各排放口模拟径流量和实际径流量的相对误差介于0.03%到6.46%之间，平均值为2.6%，误差在可接受范围之内，模拟结果与实际结果总体偏差不大。经验证的水文水力模型可以模拟计算天津市中心城区及环城四区的降雨径流，结果具有一定的可靠性。

选择2015年5月10日降雨后的水质监测数据进行水质参数验证，以虎丘路泵站为例，模拟的COD、TN、TP浓度过程和实测数据对比结果见图3。可以看出，模拟值和实测值拟合效果较好。因此，文中建立的SWMM模型可以模拟研究区域汛期降雨径流及污染物排放过程，为一维水动力水质模型模拟河道水动力水质情况提供较为可靠的数据基础。

图3 虎丘路泵站水质拟合效果

3.2 一维水动力水质耦合模型本文利用MIKE11 水动力模块与对流扩散模块，构建海河干流一维水动力水质模型。其中，水动力模块是采用一维非恒定流圣维南方程组模拟河流水流状态；对流扩散模块是基于一维对流扩散方程模拟水中可溶性物质和悬浮物质的对流扩散过程。

3.2.1 一维水动力模型的建立 构建水动力模型的数据包括研究区域的地形数据、河网几何结构、闸门构筑物参数、实测流量、水位的时间序列等。计算区域包括北运河、子牙河和海河，在模型中北运河里程设置为55 000～70 700 m，子牙河里程设置为11 000～27 740 m，海河干流里程为设置为0～71 500 m。支流汇入海河干流节点处均有闸门控制，在汛期为保证海河干流水环境质量不受到进一步破坏，一般会使闸门关闭，禁止支流排入海河。因此，模型设置中未考虑支流汇入。研究区域概化见图4。断面资料为以1985年国家高程基准为标准测定的断面数据。

图4 河网概化

上游边界分别采用屈家店闸的入流过程、西河闸的出流过程，下游边界采用海河闸闸下潮位过程。模型的内部边界为二道闸和海河闸。其中，二道闸根据实际过闸流量来控制；海河闸为防潮闸，其控制规则为：比较闸上水位和闸下水位，当闸上水位大于闸下水位时开闸放水；当闸上水位小于闸下水位时关闸以防止海水倒灌。通过SWMM模型模拟得到研究区域降雨产生的各个泵站的径流过程，水动力水质模型构建时，根据泵站等所处地理位置概化至河流相应的节点处，以旁侧入流的形式耦合水动力模型中。采用实测流量、水位资料进行模型率定与验证，取2015年汛期（7月1日—10月1日）和2014年汛期（7月1日—10月1日）分别为率定期与验证期。

引入研究区域底图，构建河网文件；最大空间计算步长为1000 m，输入实测断面的起始距与河床高程数据，生成河段的断面文件；输入边界条件，构建边界文件；设置水动力模型的参数文件，定义模型初始条件、河床糙率等参数条件；设置模拟文件，模拟时间步长设置为30 s，每4 h输出一个模拟数据。

水动力模块需率定河床糙率。率定期以2015年7月1日主要断面的实测水位和污染物浓度作为初始条件，初始流量设置为0。以实测水位率定水动力模块，水位拟合结果见图5。采用均方根误差（RMSE）和相关系数（R）验证模型的可靠性。其中，屈家店闸RMSE为0.038 m，R为0.973；西河闸RMSE为0.036 m，R为0.982；二道闸RMSE为0.036 m，R为0.980；海河闸RMSE为0.027 m，R为0.988。各断面水位的实测值与模拟值的均方根误差在0.027～0.038 m 之间，相关系数通过95%的显著性检验。因此，该模型能够较好地反映研究区域的水动力条件，水动力模型率定结果见表4。

采用验证期的实测数据对糙率值进行验证。各断面水位模拟值与实测值对比结果见图6，模拟水位与实测水位拟合效果较好，糙率取值合理。经验证的水动力模型可以用于水质模拟。

3.2.2 一维水动力水质耦合模型的建立 水质模型与水动力模型耦合，计算区域与地形条件等均与水动力模型一致。2015年7月1日—10月1日与2014年7月1日—10月1日分别为水质参数的率定期与验证期。水质边界条件采用实测水质数据。降雨径流污染的汇入过程仍通过SWMM模型模拟得到，以旁侧入流的形式加入到模型中。

对流扩散模块主要率定参数为纵向扩散系数和污染物衰减系数。海河干流地势平坦、流速较低，扩散系数的大小对模型结果影响较小，因此扩散系数取经验值20 m2/s。采用2015年7月1日—10月1日的实测水文和水质资料对一维水动力水质耦合模型进行调参计算，通过模拟值和实测值进行比较，率定不同污染物的综合衰减系数。以三岔口和二道闸断面为例，水质拟合结果见图7，可以看出，该模型基本可以反映研究区域汛期的水质变化状况。其中，三岔口处COD、TN、TP模拟值与实测值之间的平均相对误差分别为5.71%、16.02%、20.91%；二道闸处COD、TN、TP的平均相对误差分别为10.50%、11.15%、7.73%，误差在可接受范围内。调参计算后，得到衰减系数见表5。

图5 率定期水位模拟值与实测值对比

表4 水动力模型率定参数

采用验证期的水质实测数据对污染物衰减系数进行验证，验证结果见图8，验证期内污染物浓度模拟值与实测值变化趋势基本一致。其中，三岔口处COD、TN、TP模拟值与实测值之间的平均相对误差分别为0.58%、0.99%、0；二道闸处COD、TN、TP的平均相对误差分别为7.43%、5.29%、12.49%，污染物综合衰减系数取值合理。率定及验证结果表明，所建立的一维水动力水质模型能够较好地模拟研究区域汛期的水动力及水质变化，其模拟结果可以应用于水环境容量的计算。

3.3 动态水环境容量计算方法一般河段水环境容量的计算采用传统一维水环境容量计算模型，公式如下：

式中：Cx为流经距离后污染物浓度，mg/L；C0为河段初始断面污染物浓度，mg/L；Cs为控制断面的目标水质，mg/L；x为沿河段的纵向距离，m；u为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；K为污染物综合衰减系数，s-1；Q为初始断面入流流量，m3/s；q为废污水排放流量，m3/s；M为河段水环境容量，g/s。初始断面流量Q一般取90%保证率的最枯月平均流量，C0一般取上游河段水质目标值，该方法计算简便，但无法考虑不同来水、排污变化以及内源污染等多种情况下水环境容量的时空动态变化。

图6 验证期水位模拟值与实测值对比

表5 综合衰减系数

目前海河干流天然径流来水较少，主要通过外调水源进行用水保障，设计保证率下的流量不符合实际水文条件。汛期降雨径流污染汇入，造成海河干流污染严重，非点源污染的影响不可忽略，且具有明显的时间变化特征。此外，由于闸门控制的影响，水位、流量、水质等随时间变化十分复杂，传统一维水环境容量计算模型不适用于汛期研究区域各控制单元水环境容量的计算。

因此，在传统一维水环境容量计算模型的基础上，本文提出基于水动力水质模型的动态水环境容量计算方法。对于任一控制单元，均是以汛期上游实际来水水量及初始断面的实测水质作为边界条件，控制单元内的降雨径流及其污染物随时间的变化过程以旁侧入流的形式耦合到模型中，进而模拟各控制单元在实际状态下的水动力及水质状况，该模型能够更加真实地反映实际水体水质的迁移转化规律及多种因素影响下的流量变化情况。以2015年7月1日至10月1日为计算基本时段，在模型模拟河流水质的过程中，充分考虑了污染物的衰减和稀释作用，任一控制单元水环境容量的计算公式表示为：

图7 率定期水质模拟值与实测值对比

图8 验证期水质模拟值与实测值对比

式中：T为计算时段天数，文中取T=92 d；Cs为该控制单元控制断面的目标水质，mg/L，具体见表1；0i为模型计算的控制断面处污染物日平均浓度，mg/L；为模型计算的控制断面处日平均流量，m3/s；Wi为第i天的控制单元水环境容量，kg/d；W为逐日水环境容量基础上计算得到的汛期水环境容量值，kg。

基于水动力水质模型模拟可以得到污染物浓度及流量的逐日变化过程，进而计算得到的水环境容量也是一个逐日变化的过程，能够充分反映各控制单元在降雨径流污染以及现状水质、污染物的衰减、稀释等多种因素影响下水环境容量的动态变化特性，且以实际来水过程与现状水质等作为边界条件，不仅考虑了上游输入的污染负荷对水环境容量的影响，也更加符合实际水文条件。

3.4 汛期动态水环境容量计算结果结合研究区域控制单元的划分以及控制断面的水质目标，利用汛期水动力水质模型模拟结果，根据式（3）及式（4）计算海河干流各个控制单元汛期的水环境容量，计算结果见表6，汛期水环境容量的逐日动态变化见图9。其中正值表示水环境容量有剩余，仍然能承受更多的污染负荷，负值则表示当前水体所承受的污染负荷量过大，已经没有剩余环境容量。

表6 7—9月控制单元汛期水环境容量计算结果 （单位：t）

在空间尺度上，由表6计算结果可以看出，水环境容量在不同控制单元呈现明显的动态变化。其中，COD的水环境容量值在下游控制单元较大，二道闸以上3个控制单元相对较小，这主要是因为天津市降雨径流污染的汇入主要集中在二道闸以上，下游段污染源汇入相对较少且河段较长，符合污染物的净化规律；TN 在任一控制单元都已经没有剩余环境容量，说明海河干流TN 污染现象十分严重，降雨径流携带的TN负荷量较大；TP仅在汇流控制单元和上游控制单元还存在部分环境容量，中游以及下游控制单元已经没有剩余环境容量。

在时间尺度上，从图9可以看出，各控制单元逐日水环境容量呈现出明显的动态变化。其主要原因是：由于降雨径流及其携带的污染物的汇入、调水水量的变化以及闸门控制等因素的影响，各控制单元流量及水质变化具有较大的不规律性。考虑到河流水文和上游来水水质的实际动态变化，其水环境容量具有明显的动态变化特性。基于逐日动态水环境容量计算结果得到的汛期水环境容量值能够反映河段的实际剩余水环境容量，更加符合海河干流的实际情况。从汛期水环境容量的计算结果来看，海河干流水体污染严重，现状条件下几乎没有可以利用的水环境容量，需采取科学合理的治理措施，降低河道中污染物的浓度，改善水环境质量。

图9 现状条件下各控制单元汛期逐日水环境容量计算结果

4 低影响开发措施构建

SWMM模型中提供生物滞留池、渗透沟、透水铺装、雨水花园、绿色屋顶等基本低影响开发设置，通过更改LID控制器中的地表、路面、土壤、存储和地下排水等5类参数，以模拟不同LID措施的效果。其LID控制采用两种处理方式：（1）在该子区域内设置一种或几种措施，取代等量的非LID面积；（2）创建新的子区域，布设单一的LID控制。文中LID开发设计采用第一种方式，结合《天津市海绵城市建设技术导则》[23]，在原有的各子区域面积内进行改造。

各种低影响开发技术的组合应用可有效实现洪峰流量-径流总量-污染控制、雨水资源化利用等目标[21]。文中为研究区内不透水率超过40%的子汇水区添加透水铺装、下凹绿地、绿色屋顶、生物滞留设施等4种LID措施。对于交通道路，参照《城市道路工程设计规范（CJJ37-2012）》[24]，将两侧人行道路改造为透水铺装，取交通道路面积的22%；两侧分车带改造为下凹绿地，取交通道路面积的11%。绿色屋顶需布置在低层且坡度小于15%的屋面，同时要满足屋顶的荷载、防水、空间利用等要求，文中取屋顶面积的15%。生物滞留设施主要设置于公共绿地，考虑到其自身功能需求，规模不宜过大，文中取绿地所占比例的20%。LID措施相关参数参考SWMM用户手册[22]、《天津市海绵城市建设技术导则》[23]以及相关参考文献[21]等进行设置，主要参数见表7。

表7 LID措施参数取值

LID改造后，污染物入河量及削减率计算结果见表8。COD、TN、TP等3种污染物入河量的削减率分别达到39.5%，35.7%，35.9%，说明在经过低影响开发设计后，研究区域不透水面积比例降低，能够较大程度上削减降雨径流所产生的非点源污染负荷。其中海河干流中游段以及下游段污染负荷削减比例较低或为0，主要是因为文中仅对不透水面积比例超过40%的子汇水区进行改造，海河干流流域建设用地的比例自上游向下游逐渐递减，因此改造范围主要集中在外环桥以上，中游及下游子汇水区原不透水比例相对较低，未进行过多改造。

其他边界条件及初始条件不变，通过SWMM模型模拟得到LID 改造后汛期的水量及水质过程，并以旁侧入流的形式耦合到MIKE11模型。LID改造后，海河干流各控制单元水环境容量计算结果见表9，相比现状条件下的实际水环境容量有明显的提高。

表8 控制单元汛期污染负荷入河量及削减效果

表9 7—9月LID措施下汛期水环境容量计算结果 （单位：t）

5 结论

本文基于一维水动力水质耦合模型模拟海河干流汛期实际状态下流量及污染物浓度的逐日动态变化，在此基础上计算了海河干流4个控制单元汛期COD、TN、TP的水环境容量。基于水动力水质模型的动态水环境容量计算综合考虑了引调水特点、降雨径流污染的汇入以及现状水质、污染物的衰减、稀释等多种因素，更加符合海河干流的实际情况，能够客观反映实际状态下的河流水环境容量及其动态变化特性，尤其适用于于海河干流这类非点源污染为主且受到闸坝控制的缓滞型河流。

以SWMM模型为工具，为研究区域内不透水面积比例超过40%的子汇水区添加透水铺装、下凹绿地、绿色屋顶、生物滞留设施等4 种LID 措施。结果发现：布设LID 措施后，研究区域内COD、TN、TP等3种污染物入河量的削减率分别达到39.5%，35.7%，35.9%。各个控制单元相比现状条件下污染物入河量明显减少，水环境容量明显增大。通过对LID措施进行合理的布置，能够使降雨径流产生的非点源污染负荷得到有效地控制，从而使河流水质得到改善，水体获得更大的环境容量，提高水体自净能力，从而更好地应对不可预期的污染事件。