基于SWMM水质模型的某水库上游河流水质状态演化特征模拟应用研究

孙 许

(新疆乌鲁瓦提水利枢纽管理局，新疆 和田 848000)

当工业化程度进展加快，城市河道以及水库河流等水生态系统受到一定程度的损害，进而演变成河流水质污染，产生富营养化河流或“臭”河等现象，分析河流水生态系统不可避免地要针对水质状态开展分析研究[1-4]。

在水资源利用规划时，需要对河流水质未来演化特征进行不同维度下的讨论研究，为准确评估河流水资源供需量提供重要依据[5-6]。

已有一些学者通过长期现场监测，对河流水质特征参数开展评估研究，提出河流水质重污染预警特征参数[7-9]。而长期的现场监测需要消耗大量的人力成本，虽研究数据较准确，但时间线较长，因而水质模型模拟计算研究逐渐在水资源规划中应用[10-12]，SWMM水质模型模拟计算效果较好，本文将针对某水库上游河流流域内所获得工程资料，利用SWMM水质模型研究河流水质污染物演化特征，为河道水质治理及水资源配置规划提供理论参考。

1 研究区概况

1.1 工程概况

某水库上游河流为重要供水来源，提供着流域内农业用水与生活用水，其中在陆地流域面积达130 km2，占河流总面积的76%，水库上游另建设有3个蓄水工程，负责区域内丰水季、枯水季水资源调度，另河道经导流整理，两侧岸坡设置有生态护坡网，保护河道岸坡水土稳定性，降低水流中泥沙悬浮质。区域内有5条支流汇入干流中，河道上另建设有一污水处理厂。河道宽度约为33.8～102.5 m，年径流量超过12 052万m3，其中4—9月径流量最高，占全年75%，下游建设有3个引水泵站，最大泵站可蓄水超过40万m3，为下游多个灌区输送水资源，建设有干渠长度45 km，渠首设计流量为0.65 m3/s，渠道底宽设计为4.8 m。流域内分布有一定丘陵绵延地带，南部地势较高，区域地质构造较平静，表面覆盖层以人工种植土为主，均匀分布在灌区及流域内，厚度以1.8～3.9 m不等，松散性较高，含水量较低。各重要枢纽工程地基均选择灰岩基岩层，灰岩样品探测表明完整度较高，河床下亦有分布，磨圆度较高，孔隙较少，承载力较大，适合作为河道堤防工程堤基。

1.2 河流水质现状

根据河流现状水质检测表明，一方面该河流水质受到周边工厂排放污水影响，水质较差，其中污染物质COD输入量年均达6100 t/a，氨氮含量年均达到350 t/a，工业污水输入量占河流污染物总量的34.5%。另一方面受地下水污染物质冲刷影响，灌区内部分农药污染物进入到水质中，根据现场取水检测表明，氨氮含量由灌区内进入河流达12.75 mg/L。从排水现状来看，区域内下水道管网分布不均，部分区段处管网并未设置有分流道，城区污水系统直接排入河流中，另有部分管网虽设置有分流道，但由于维修管理不善，造成污水管道通过支流等进入流域中。调查统计，城区共有排水管网长度400.0 km，明渠长度约为53.0 km，雨水管道长度约为35.5 km，雨水等排污管道设计不当亦是河流水质污染的一个原因。另上游污水厂处理水量为15.1万m3/d，排出氨氮含量大大降低，仅为2 mg/L，COD含量削减率达84%。根据断面监测，河流内输入污染量与现存量之间关系，获得图1所示结果，从图1中可看出，化学需氧量COD含量、氨氮含量基本随年输入量增大而提高，即河流污染物含量受河流年输入量影响最大，在COD为年输入量6050 t/a时，会导致河流水质中COD含量达到峰值，达62 mg/L，表明河流水质处理应重点考虑河流输入量，另加以重视灌区或河道岸坡水土污染物进入河流中的影响。

图1 河流水质污染物现状与输入量关系

2 SWMM水质模型

2.1 SWMM模型

SWMM模型表征了区域内突降暴雨等状况下河流水质演化特征，该模型包括了水质状态与水量输入、输出两方面，河流水质受水量输入影响较大，因而该模型适合模拟该河流水质演化。模型包括研究结构模块，如图2(a)所示。基于流域内降雨及其他工程资料，获得水文水力特性参数，并按照图2(b)所示流程图完成水质模型模拟求解[13]。

该模型模拟水质从两个方面入手，分别为污染物累积、污染物冲刷状态量。

污染物累积受污染物存在形式影响较大，且与污染物的汇聚形式有关，SWMM模型通过三个累积方程作为污染物累积状态描述量。

幂函数累积表达如式(1)：

B=Min(C1,C2tC3)

(1)

式中：C1为累积增长量，mg/L;C2为增长速率,mg/L;C3为时间参数,无量纲；B为饱和污染物累积量，mg/L;t为时间，s。

指数函数累积表达式如式(2)：

B=C1(1-e-C2t)

(2)

式中：C1、C2、t含义与式(1)一致。

饱和污染物累积函数B的方程表达式如式(3)：

(3)

式中：D1为最大增长累积量,mg/L;D2为累积1/2饱和系数的时间参数，s。

而另一方面，污染物冲刷模型受降雨强度影响，冲刷形式差异，因而SWMM模型中给出了三种冲刷模型方程。

指数函数表述冲刷形式，如式(4)：

W=F1qF2B

(4)

式中：W为污染物冲刷量，mg/L;F1为冲刷系数,h/mm;F2为关系式系数，无量纲；q为流量，mm/h；B与式(1)中一致。

曲线冲刷模型方程，其表达式如式(5)：

W=F1QF2

(5)

式中：F1、F2含义与式(4)一致；Q为地表径流速率,m3/s。

平均浓度所建模型方程可表述如式(6)

(6)

式中：M为污染物输入量，mg；Ct为污染物浓度,mg/L;Qt为地表径流量，L/s；V为流体体积,L。

2.2 创建模型

按照上述分析理论，逐步构建起河流水质SWMM模型，并依次建立流域内管网概化结构，其中污染物指标及冲刷指标参数分别选择饱和污染物累积方程与指数函数冲刷模型，各垫面层不同水质参数按照工程监测资料输入。

以化学需氧量COD含量以及氨氮含量作为参数率定验证量，获得如图3所示模拟值与实测值对比结果图。从图3中可看出，COD含量模拟值与实测值相关性超过0.99，实测COD含量在第6 min 达到峰值，达78 mg/L，模拟计算值亦是在该点处达到峰值，达76 mg/L，COD实测值与模拟值最大误差为7 mg/L，整体表明模型对水质演化模拟效果较好。氨氮含量与降雨时间模拟关系曲线可看出，最大误差为0.4 mg/L，实测氨氮含量随降雨时间先减小，后逐渐增大，并再次减小、增大，变化曲线形态类似于“W”形。TP含量随降雨时间在初期阶段降低，后逐渐增大至稳定水平，模拟曲线与实测变化基本一致。

分析表明，初期降雨强度较低，各污染物质均会一定程度缓慢进入两侧土层中，含量降低；当降雨强度增大后，TP含量增大；但氨氮含量呈现波动性增减，主要受水量影响，当水量超过一定程度时，含量会下降，当降雨强度过大，水量超过降低含量临界值，此时氨氮含量又会增大；COD含量不仅与降雨强度有关，与水量有关，当降雨强度过大，逐渐稀释地表径流输入至河流的污染物浓度，因而COD含量随降雨强度逐渐下降。

3 模型应用分析

为分析降雨强度对水质影响，研究获得了不同降雨强度与时间关系曲线，如图4所示，本文将针对不同降雨强度下水质状态演化特征开展分析。

3.1 降雨强度水质变化模拟

图5为不同降雨强度下污染物代表参数化学需氧量COD含量、氨氮含量、TP含量曲线。从图5中可看出，不同降雨强度下COD浓度、氨氮含量、TP浓度与降雨时间关系曲线几乎一致，均呈先增后减变化。但COD含量变化曲线有所差异的是浓度峰值点出现节点有所差异，0.5年一遇降雨强度下峰值浓度出现在第1 h，3年一遇峰值浓度出现在第49 min，10年一遇峰值浓度又出现在第46 min，即随降雨强度增大，峰值浓度出现时间点提前。对比各降雨强度下峰值浓度差异可发现，降雨强度愈大，不论是COD含量，亦或是TP浓度，均为峰值浓度愈高，0.5年一遇降雨强度下的COD峰值浓度为36 mg/L，而10年一遇峰值浓度相比增长了158.3%，达93 mg/L。另从氨氮含量变化曲线可看出，峰值浓度基本均出现在同一时间节点处，均位于第1 h 18.5 min左右处；TP含量峰值浓度出现时间节点相比来说，在3年一遇至10年一遇降雨强度下，峰值浓度均出现在第50 min左右，而0.5年一遇、1年一遇降雨强度分别出现在第1 h 2 min、第1 h 9 min，即降雨强度较低时，水质中TP浓度峰值亦出现较滞后。另从浓度增长速率来看，降雨强度较低时，其浓度增长阶段的速率较缓慢，氨氮含量在0.5年一遇降雨强度下，浓度增长阶段平均每分钟浓度递增0.019 mg/L，而10年一遇下递增为0.072 mg/L，这种现象在另两种污染物含量中亦是如此。

综上三种污染物浓度与降雨强度关系可看出，当处于初期降雨时间时，由于短时间内降雨裹挟地表径流污染物进入河流中，造成水质污染物浓度增高，但当降雨强度稳定一定时间后，此时河流中水量上涨，会逐渐稀释水中污染物浓度，因而浓度曲线呈现先增后减特征。

图5 化学污染物浓度～降雨时间曲线(降雨强度影响)

3.2 城镇工业化程度水质模拟

城镇工业化进展加速，一定程度会造成水生态体系破坏，影响水质，因而本文根据地区城市工业化程度获得水质污染物含量与降雨时间关系曲线，如图6所示，其中降雨强度统一设定为0.5年一遇。从图6中可看出，不论是城镇工业开发前亦或是开发后，污染物浓度随降雨时间呈先增后减，三种污染物含量峰值浓度在开发前与开发后基本均位于同一时间节点，COD含量峰值浓度在开发前、开发后均出现在降雨第56 min左右，氨氮含量维持在第58 min左右，TP浓度峰值出现在第59 min左右，即三种污染物含量峰值浓度均约在降雨第56～59 min。从城市工业化程度与峰值浓度关系可看出，工业化程度愈高，则水质中污染物峰值浓度愈大，氨氮含量在开发前峰值浓度为3.35 mg/L，而开发后峰值浓度增大了94%，达6.50 mg/L。从增长幅度来看，各化学污染物浓度均是在降雨一定时间后产生差异性，COD含量、氨氮含量、TP含量分别在降雨第18 min、20 min、35 min左右时开始产生降雨强度愈高，增长幅度愈快的差异。综上分析表明，在降雨初期由于水量还未达到一定程度，水流冲刷地表径流物还未显著，当降雨持续一段时间后，积累较多水量后，城市工业化程度愈高，则地面硬化程度显著，带来地表径流增长，因而呈现污染物浓度随之增大效应。

图6 化学污染物浓度～降雨时间曲线(工业化程度影响)

4 结 论

针对水库上游河流水质污染物状态演化特征，引入SWMM水质模型，以饱和污染物累积函数与指数函数分别作为累积、冲刷模型，研究了降雨强度、城市工业化程度下污染物浓度变化，得到了以下结论。

(1)研究了河流水质受水量与冲刷两方面因素影响，以SWMM水质模型作为模拟计算，实测值与模拟值一致性良好，COD含量、氨氮含量实测值与模拟值最大误差分别为7.0 mg/L、0.4 mg/L，模型适用性较佳。

(2)获得了降雨强度对水质影响特征，各降雨强度下化学污染物浓度随降雨时间均呈先增后减变化，降雨强度愈大，化学污染物峰值浓度与增长速率均愈高，COD含量10年一遇峰值浓度相比0.5年一遇增长了158.3%；COD含量、TP含量的峰值浓度出现时间节点随降雨强度增大逐渐提前，而氨氮含量的峰值浓度出现时间节点基本一致。

(3)各污染物含量峰值浓度均位于同一时间节点，约在降雨第56～59 min。工业化程度愈高，污染物峰值浓度愈大，工业开发后氨氮含量峰值浓度增大了94%。三种化学污染物分别在降雨第18 min、20 min、35 min左右时产生增长幅度差异。