基于SWMM的水位和降雨对感潮河段水质影响分析

李明慧 侯精明 王添 栾广学 银雅伦 申腾飞 张荣斌 樊超 沈建

摘 要：为探究水位和降雨对河涌水质的影响，以佛山市五福围片区作为研究区域，建立 SWMM 水动力-水质模型，模拟分析感潮河段在降雨和水位影响下水质的变化规律。模拟结果显示：水位和降雨对河涌水质有着明显的影响。晴天时，闸站向河涌补水使河涌水位升高，从而水质提升；而随着降雨量增加时，冲刷作用导致水质恶化，但降雨径流平均浓度降低，暴雨时降雨径流平均浓度反而升高；在4条重点河涌中，北合围涌排放入河径流量和污染物负荷排放最高，而冲元涌最低。研究结果对于佛山市五福围片区的河涌水质管理和治理具有一定的启示作用。

关键词：感潮河网；径流污染；水质模拟；SWMM；五福围

中图分类号：TV21 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）05-0112-11

Influence of Water Level and Rainfall on Water Quality in Tidal Reach Based on SWMM— Taking Wufuwei District in Foshan as an Example

LI Minghui1， HOU Jingming1*， WANG Tian1， LUAN Guangxue1， YIN Yalun1， SHEN Tengfei1，ZHANG Rongbin1， FAN Chao2， SHEN Jian2

（1. State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of china， Xi'an University of Technology， Xi'an 710048， China;2. China Planning and Design Institute （Beijing） Planning and Design Co.， Ltd.， Beijing 100044， China）

Abstract： To investigate the influence of water level and rainfall on water quality of river inwelling， this paper builds a hydrodynamic and water quality model based on SWMM in Wufuwei District of Foshan City to simulate the variation law of water quality in tidal reach under the influence of rainfall and water level. The simulation results show that the water level and rainfall have obvious influence on the water quality of the river. On sunny days， the water level of the sluice station rises and the water quality improves. With the increase in rainfall， the water quality deteriorates due to erosion， but the average concentration of rainfall runoff decreases， while the average concentration of rainfall runoff increases during heavy rainfall. In the four major streams， the discharge of runoff and pollutant load from Beihewei Stream is the highest， while Chongyuan Stream is the lowest. The results have some implications for the management and treatment of river swelling water quality in Wufuwei District of Foshan City.

Keywords： tidal reach network; runoff pollution; water quality simulation; SWMM; Wufuwei

近年来，随着城市化步伐加快，水环境问题备受关注［1-2］，城市河流环境面临的压力越来越大，降雨径流污染是城市面临的重要环境问题之一［3-5］，大量污染物在降雨时进入河流，使河流水质迅速恶化，同时水位也会对河涌水质产生影响［6］。尽管目前佛山市在水环境治理方面取得了一定成效［7］，但治理水污染、改善水环境任务仍十分紧迫。佛山市城区内河涌污染物主要来源于城市生活污染及降雨径流污染。由于污水收集系统不健全，出现污水直排现象；因水系连通，旁支河涌对主河涌水质产生影响；降雨径流的汇入，导致雨后水质变化较大，部分河涌水质指标与目标水质有较大差距。桂城辖区内河涌纵横交错且受潮汐及降雨影响，河涌水位变化较大，水位的升降对河涌的水体环境有直接影响，高水位会导致河涌溢流，造成水污染的扩散及和冲刷，从而影响水质；低水位可能导致河涌水体停滞，导致水体富营养化等问题。

解决河涌水污染问题，首先要探究水质变化规律，则需通过构建城市河网水动力水质模型模拟城市河网水流运动及水质变化机理［8］。面对城市河流水环境问题一些学者大多考虑降雨对水质的影响，如顾炉华等［9］研究了在现有闸站调度下，对比分析了不同引水量和雨型下河网水质的动态过程及空间变化特征；陈焰等［10］分析了水质变化及其对降雨的响应关系和不同降雨强度下污染输出特征，科学阐明了不同降雨强度下河流污染非线性相应规律；陈新拓等［11］分析了不同降雨事件下研究区内 COD、 NH3-N 和 TP 的污染物负荷量及其变化过程。目前针对感潮河网地区在降雨和水位双重影响下河流水质变化的研究较少。此次研究选取的 SWMM 模型是一种用于模拟城市水文过程和管理城市排水系统的数学模型，它具有多功能性、空间和时间分辨率的能力，具有灵活性、开源和可扩展性，并广泛应用于各种城市水资源管理和水环境问题的研究和应用领域。当前研究及应用的热点包括气候变化研究、城市蓝绿基础设施集成、模型优化和改进、智能水管理等，而参数估计与确定、模型精度和稳定性、计算效率和存储需求、与实际应用的结合等则是当前研究及应用中的难点。

本文选取典型感潮河网地区佛山市南海区五福围为研究对象，基于 SWMM模型建立一维河网水动力及水质模型，选取2021年5月29日至2021年6月29日模拟分析感潮河段降雨及水位变化与水质之间的关系，通过研究水位和降雨对河涌水质的影响，可以更好地制定水资源保护政策和环境管理措施，有效防控河涌水体污染，保护河涌生态系统健康。此外，研究水位和降雨对河涌水质的影响还可以为水资源规划提供科学参考，合理利用和保护水资源。

1研究区域

1.1研究区概况

五福围是广东省佛山市南海区桂城街道四座围区之一，地处珠江三角洲，属亚热带季风气候，年均气温22℃。多年平均总雨量1641.4 mm，全年总雨量在1400～1900 mm，总面积为5.2 km2，其中水系面积约0.059 km2。五福围北侧为佛山涌、东侧为平洲水道，围内河涌呈网状分布。主要河涌有北合围涌、冲元涌。围区内部的5座水闸，4座排涝泵站，总净宽15.95 m，均为外江堤防沿线的防洪水闸，主要水闸为大冲口水闸，内河涌及水闸泵站分布见图1。

1.2监测点位类型及分布

研究区内河涌涌容8万 m?。研究区主要有13个监测断面，包括北边涌断面、北合围涌断面、冲元涌断面、大冲口涌断面、大基涌断面、花社涌断面、彭岸涌断面、直涌涌断面、鸡肠滘涌断面、霍东涌断面、黄洞涌断面、华龙涌断面、藤冲涌断面，水质处于劣五类。水质监测断面见图1。

1.3数据来源

研究区水环境数据采用佛山市环境保护局提供的2021年1—11月佛山市南海区桂城街道河涌断面实测数据及点源污染负荷数据；河涌基本数据由桂城街道河长办提供，见表1；降雨数据、闸门内外江水位数据、闸泵站启闭时间数据由桂城街道水利排灌养护门户系统获取；土地利用类型由桂城街道三调数据获取。

2模型构建

2.1流域划分

五福围片区河网的建立将采用 SWMM模型，该模型可以对城市降雨径流和污染物运动过程进行全面的模拟和分析。本文根据研究区河涌实际所属排水单元数据、高程、下垫面情况，最终采取人工划分方法概化为28个子汇水分区，各河涌所属汇水区见表2，各汇水区面积见表3，汇水区面积不包含水系。根据河涌基本数据，对河网水系进行概化，共布置159个断面、143个节点和10个排口，土地利用类型主要分为房屋、绿地、道路，概化见图2。研究区各土地利用类型占比见表4。

2.2模型边界设置

a）水动力边界条件。水动力边界条件包括外边界和内边界。外边界是指所有河涌端点处的水力要素变化情况，此处根据外江闸位监测数据设置为河涌的水位边界，水位边界选取大冲口水闸、直涌电排站、西华电排站、四村电排站和藤冲电排站的实测水位数据以时间序列的形式加入模型来控制水位。内边界是指模型河网内部节点处可能存在的对计算水力条件产生较大影响的人为干预情况，主要是河涌排污口的入流，见图1。雨水排口的引入会改变接收水体的水流动力学特征。由于排口的引入，引入的径流会与接收水体的水流混合，从而改变水体的流速、流向和水位等，同时径流携带的污染物在排口处被释放至接收水体中导致水体受到污染。因本次模型设置未加管网，故将表1中河涌的点源污染负荷及污水量以入流的形式概化到每一个节点；根据佛山市逐小时降雨量，以降雨序列的形式加入模型。闸泵站边界条件根据实际运行情况设置，闸站流量正负表示补水或排水，见表5。

b）水质边界。水质模型边界条件指水动力边界处的水质因子浓度值，根据2021年佛山涌水质改善目标，河涌外部水质边界按考核断面类型规定浓度设置为Ⅳ类水质。依照 GB 3838—2002《地表水环境质量标准》限值，NH3-N、TP 和 COD浓度分别设为1.5、0.3、30.0 mg/L。

2.3模型参数验证

模型水位验证时间选取2021年5月29日至6月29日；河涌浓度验证时间选取2021年5月29日至6月6日，模拟计算时间步长为30 s。模型模拟时间段内包含小雨（<10 mm）11场、中雨（10.0～24.9 mm）1场、大雨（25.0～49.9 mm）1场、暴雨（50～100 mm）5场，降雨情况见表6。研究区河涌断面糙率取0.025。 SWMM 模型中下渗模型采用霍顿下渗模型，子汇水区参数主要包括不透水区曼宁系数、透水区曼宁系数、不透水区洼蓄量、透水区洼蓄量、最大入渗速率、最小入渗速率和污染物衰减系数。参考佛山市相关文献［12-15］及 SWMM 模型用户手册在参考范围内取值，模型参数校验后取值见表7。

为了验证模型参数合理性，采用纳什效率系数（NSE）对模型模拟精度评估，计算见式（1）。根据 RITTER［16］提出的 NSE 等级划分标准：当 NSE≥0.9，模型性能为优秀，当0.8≤NSE<0.9，模型性能为良好，当0.65≤NSE<0.8，模型性能为满意，当 NSE<0.65，模型性能为不满意。NSE 越接近于1表示模型可信度越高。

式中 Q0——观测值；Qm——模拟值；Qt——第 t 时刻的某个值：观测值的总平均。

选用5月29日至6月29日时间段对水文模型参数进行验证，研究区域该时间段总降雨量为407.6 mm，最大1 h 降雨量为48 mm。利用五福围片区外围水闸、泵站，围内节制闸的实测降雨、水位数据对水文模型参数进行率定。从验证结果看出，围内节制闸的水位模拟值均与实测值接近，经数据统计分析，水位的最大误差均小于0.10 mm，纳什效率系数达到0.99，模型水动力模拟结果精度较高。闸站水位模拟水位与实测水位过程基本保持一致，见图3。

研究区部分河涌浓度验证结果见图4、5。因水质数据不全，故选取5月29日至6月6日对华龙涌、北合围涌等水质监测数据率定，各断面模拟值与实测值接近。

3结果及讨论

3.1水位变化对河涌水质影响分析

图6—9为感潮河网重点河涌水质随水位变化过程。6月6—8日为晴天。由图6—9可知，水位除6月8日连续7 h 维持在4 m左右外，其余均在0.3～1.7 m，变化幅度较小。晴天水质呈不规律波动，但水质均维持在Ⅴ类水及劣Ⅴ类水质。水质改善与河涌来水量、活水稀释污染物浓度有关。

随着河涌水位下降，各河涌排水量增加，来水量减少，NH3-N、TP、COD 总体浓度增加，NH3-N、TP总体处于劣Ⅴ类，COD 总体处于Ⅴ类水质。随着河涌水位上升，河涌受外江引水影响，来水量增加， NH3-N、TP、COD 总体浓度均接近Ⅳ类水质。

运用 Pearson 相关系数衡量水位与水质之间线性关系。Pearson 相关系数公式见式（2）。 Pearson 相关系数的取值范围为-1～1，其中1表示完全正相关，-1表示完全负相关，0表示没有线性相关性。4条重点河涌水位与 NH3-N、TP、COD相关性见表8。

式中 x、y——2个待计算相关关系的变量。

由表8知，4条重点河涌水位变化与 NH3-N、 TP、COD 浓度相关性均不相同。华龙涌水位与 NH3-N、TP、COD 浓度均呈负相关；冲元涌水位与NH3-N、TP浓度呈负相关，与 COD浓度呈正相关，但相关性不明显；北合围涌水位与 NH3-N、COD 浓度呈正相关，与 TP浓度呈负相关；大基涌水位变化与NH3-N、TP、COD浓度均呈正相关。

各闸站晴天流量见图10，大冲口水闸间断性排水量大，其他电排站不补水排水，而华龙涌则受四村电排站进行补水排水，四村电排站在一段时间内持续性补水，水位升高受外江补水影响，外江水质为Ⅳ类水质，河涌污染物通过活水快速稀释，使河涌水位与水质呈负相关；冲元涌、北合围涌及大基涌污染物浓度变化复杂，这3条河涌水质受到点源污染物排放及大冲口水闸排水的影响，同时外江补水量少，故水位与水质相关性不同。

3.2降雨对河涌水质影响分析

4条重点河涌在不同降雨事件下径流量及污染物负荷见表9。在不同降雨等级下，入河径流量及污染物负荷从多到少依次为北合围涌、华龙涌、大基涌、冲元涌。在同一场降雨下，NH3-N、TP 和 COD 入河污染物负荷随径流量增大而增大，对于降雨径流平均浓度（EMC），随着降雨量的增大，NH3-N、TP 和 COD 的平均浓度有降低趋势，这是因为随降雨量的增大，各河涌污染物负荷与地表径流量均增加，加快了污染物的冲刷速率，从而降低降雨径流污染物平均浓度。这与涂晶晶等［17］对佛山新城雨水径流污染特征分析的研究规律相符，不同的是佛山新城作为佛山市海绵城市建设实施方案重点区域之一，雨水径流污染并不严重，对河涌污染贡献率并不高。暴雨情境下，最大1 h 降雨量47 mm，NH3-N、TP 和 COD平均浓度与大雨比有上升趋势，但上升幅度较小，这是因为在暴雨情景下，水流流速快，时间短，会更容易将污染物冲刷到径流中并运输到下游，导致降雨径流污染物平均浓度与大雨比相对较高。而大雨的降雨时间相对较长，流速相对较慢，因此对污染物的稀释作用更强，导致降雨径流污染物平均浓度相对较低。

为进一步研究河涌水质在不同降雨事件下的影响，运用 Pearson相关系数分析降雨与水质线性关系。由表10所示，小雨事件，降雨量较小，不会引起水流冲刷效应，因此对河涌中的污染物浓度影响较小，降雨量与水质呈弱相关性；中雨及大雨事件降雨量适中，使污染物浓度增高，河涌水质会恶化，但因降雨期间外江水位上升向内河涌补水，内河涌水位上升，水体受到稀释效应，降雨量与水质指标大部分呈负相关，因水系连通，河涌水质变化复杂，北合围涌及大基涌的 COD 水质指标与降雨量呈正相关。暴雨事件降雨量大，会引发强烈的冲刷作用，大量污染物浓度显著增加，且通过外江补水也无法尽快将水体污染物浓度稀释，因此暴雨情形下与水质呈正相关。北合围涌与大基涌均受到点源污染，因此在中雨及大雨事件下，降雨量与 COD浓度呈正相关。

由上述分析可知降水、入涌通量和水质的关系相对复杂，随着降雨量增大，径流量的增加，各河涌污染物负荷增加。同时入涌通量的增加也可以加快河涌水流速度，河涌水质浓度及降雨径流平均浓度均降低；水质在不同降雨事件下，降雨量与水质指标的相关性各不相同，陈焰等［10］在新凤河流域的研究中也得出类似结论，出现此类现象的原因是降雨的稀释和冲刷效应决定水体中污染物的浓度。出现此类现象的原因是降雨的稀释和冲刷效应决定水体中污染物的浓度。

4结论及建议

本文对佛山市南海区五福围片区感潮河段降雨及水位变化与水质之间的关系进行模拟，模拟分析结果对今后河涌水环境治理具有一定的积极意义。

a）晴天河涌水质变化复杂，受闸站补水的的影响，河涌水位上升，NH3-N、TP、COD浓度减小，接近Ⅳ类水质，河涌水质受水位影响，闸站向河涌补水；河涌受点源污染的影响，当闸站不补水排水时，则随着内河涌水位上升，污染物浓度增大。

b）在不同降雨情况下，4条重点河涌的排放入河径流量和污染物负荷的顺序为北合围涌>华龙涌>大基涌>冲元涌。同一场降雨下，随着径流量的增加，NH3-N、TP 和 COD 的污染物负荷也增加，但降雨量增加会使 NH3-N、TP 和 COD 的平均浓度降低，在暴雨情景下，NH3-N、TP 和 COD 的平均浓度相较大雨情景浓度升高。

c）小雨对水质影响较小，中雨和大雨会导致水质恶化，降雨量与水质呈负相关；暴雨会引发强烈冲刷作用，降雨量与水质呈正相关。

d）后续建议重点要加大对五福围片区北合围涌的污染治理力度，以减少其对河流水质的负面影响。研究难点则是在制定治理河涌水质方案，充分考虑晴天及降雨对水质的影响，并采取相应措施以避免降雨对水质造成的负面影响，这些措施包括优化闸站的引排水量和泵站引排水位等措施，可有效避免内涝的发生。

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（责任编辑：高天扬）