基于PCSWMM的漳州某地區水環境模擬研究

劉蒙泰，劉 力，荀繼萍，胡文力，陳 楠

(1. 中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381；2.天津市西青區西營門街道辦事處，天津 300380)

隨著社會經濟不斷發展，居民生活、生產及工業廢水的產生也逐漸增加，對水環境承載力的要求也越來越高，需各種工程措施以改善水環境現狀。城市內河沿河排口類型較多，且涉及河道水位頂托，可以運用先進的模型技術分析管網[1]、河道的水動力水質情況。模型技術在河湖水系水動力水質模擬中已有廣泛應用，黃國如[2]利用PCSWMM模型評估了LID對污染物的削減效果，江濤[3]利用模型模擬分析了閘泵站聯合調度引水情景下佛山水道的水質改善效果，趙爾官[4]利用模型進行了平原河網排澇模擬研究。本研究以PCSWMM 模型為基礎， 建立漳州某地區的數值模型， 進行內河水環境容量、水量削減、以及水環境目標可達性分析等工作。

1 模型原理

PCSWMM雨洪管理模型是加拿大計算水力研究所(CHI)基于EPA SWMM開發的商業軟件，該模型已廣泛應用于城區排水管道暴雨管理、河道排澇模擬[5]，以及城市水文預報研究[6]等方面，具有強大的水文、水力、水質模擬模塊[7]，可以計算降雨地表產流、地表匯流、管網水動力傳輸和水質變化，支持一、二維模型耦合，可以模擬LID設施對暴雨的延緩影響及對污染物的削減[8]。

1.1 水文模塊

PCSWMM的水文模塊主要模擬降雨到地表的產匯流過程[9]，產匯流模型[10]是假設各匯水區表面為非線性水庫，每個匯水區的來水源自降雨或其他匯水區，去向有蒸發、下滲和徑流。

1.2 水動力模塊

PCSWMM模型的水動力模塊主要模擬水體在河道、管渠、蓄水設施等中的流動，原理是通過求解圣維南方程得到水力要素，求解方法有恒定流求解、運動波求解和動力波求解。

恒定流求解假設模型中的水體一直處于恒定流狀態；運動波求解采用連續方程和動量方程來模擬各個管渠道的水流運動，但不能計算管渠的滯、回水和有壓流；動力波求解采取完整的一維圣維南流量方程，可以描述有壓流、回水及頂托情況。

1.3 水質模塊

PCSWMM 根據不同的土地利用類型將地塊劃分為匯水分區， 并據此定義不同土地利用類型下各種污染物的堆積模型和沖刷模型。堆積模型中污染物會以所選函數的方式進行堆積計算，直至堆積至極限時停止；沖刷過程可通過冪函數沖刷方程(EXP)、流量特性曲線沖刷方程(RC)和平均濃度方程(EMC)模擬，各方程所需參數不盡相同。

2 模型搭建

2.1 研究區概況

漳州是福建省下轄的地級市行政區，為東南部沿海城市，是海峽西岸中心城市之一。該地區氣候溫和，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均氣溫為21℃左右，平均降雨量為1 500 mm左右。研究區匯水面積約1.63 km2，含匯水區116個，管網總長為9.25 km，河渠長為1.62 km。

2.2 參數及邊界條件

2.2.1基本參數選取

1) 匯水子區域特征寬度

特征寬度是一個無法實測的模型參數。計算特征寬度的方法有很多種，建模者可以選用適宜的計算方法。常以匯水子區域上最遠點水流流至集水點(檢查井)的距離作為水流長度，匯水子區域面積除以水流長度獲得匯水子區域的特征寬度。

2) 不透水率

不透水率可根據匯水區的衛星影像圖或用地類型圖進行識別與估算，再利用GIS加權獲得。其中園林綠地占比為18%，不透水率取5%；城市道路占比為8%，不透水率取90%；建筑住宅占比為37%，不透水率取85%；村鎮用地占比為25%，不透水率取70%；待開發用地地占比為12%，不透水率取15%。

3) 曼寧粗糙系數值

模型中包括多個粗糙系數，如透水區、不透水區的粗糙系數，取值可根據規范、相關文獻等確定。其中不透水區曼寧系數取0.014，透水區曼寧系數取0.13，管道曼寧系數取0.013～0.014。

4) 排水管網特征數據

排水管網特征數據，如管道長度、上下游節點、管徑等，根據溯源數據等資料確定。管網特征參數見表1所示。

表1 管網特征參數

2.2.2點面源污染輸入

1) 點源輸入

根據匯水區面積，人口及人均污水產生量，計算得到污水量。并按照排放位置及溢流井堰高等尺寸，在模型中設置。其中人口密集取80～150人/hm2，人均綜合用水量指標取400 L/(人·d)，污水產生系數取0.85，污水中氨氮平均濃度取15～35 mg/L。

2) 面源污染

根據項目區范圍內下墊面數據，運用影像分析軟件對現狀用地屬性進行識別并分類，得到土地利用類型圖，針對不同用地類型賦值相應的污染物堆積和沖刷參數，以計算各地塊面源污染貢獻情況。表2為不同下墊面類型面源污染堆積函數、沖刷函數的參數取值。

表2 氨氮面源污染參數取值

2.3 工況設定

由于監測數據有限，選取河道下游控制斷面處進行率定，已知該斷面實測常水位為3.01 m，經模型計算該斷面平均水位為2.99 m，絕對誤差僅為0.02 m，模擬結果合理可行。運用率定好的模型，根據漳州市氣象站1954—2017年共64 a的降水數據，將逐年降水總量建立降水序列，采用皮爾遜III型曲線進行擬合，其中Cv=0.21，Cs/Cv=3.5，選取不同頻率的年降雨(每5 min)過程，按年降水量得P=25%-1 752.0 mm，P=50%-1 518.5 mm，P=75%-1 321.4 mm。實際工程中截污措施主要是設置截流堰，模型中概化為實施處30 cm高的截流堰。表3為按不同典型年降雨及工程階段而設定的多種工況。

表3 工況設定

對P=50%典型年數據進行分析，認為降雨間隔大于2 h以上即為2場降雨，然后刪除小于2 mm的降雨場次，最終得到全年78場降雨。P=50%典型年降雨過程線如圖1所示。

圖1 P=50%典型年降雨過程示意

3 結果分析

3.1 水環境容量計算

根據全國水環境容量核定技術指南，并結合流域整體特征，選用一維模式計算各計算單元水環境容量。一維模型水環境容量的計算公式為：

Wi=31.54(Cekx/86.4*u-Ci)(Qi+Qj)

(1)

式中Wi為個排污口允許排放量，t/a；Ci為第i個節點處的水質本底濃度，mg/L；C為沿程濃度，mg/L；Qi為河道節點后流量，m3/s；Qj為第i節點處廢水入河量，m3/s；u為第i個河段的設計流速，m/s；x為計算點到第i節點的距離，m。

以消除黑臭水體指標中易量化的氨氮為污染物研究對象，結合流域實際河流特點，氨氮降解系數取值為0.1。經計算，以消除黑臭為環境目標，研究區氨氮水環境容量為6.71 t/a。

3.2 水量削減分析

經過對研究區典型年全年的模擬，以沿河4個典型排口為例，表4為工況1和工況3的排口水量削減對比情況，可知截污前、后各個排口在雨季均有溢流至河道，但截污工程實施后無論排口溢流水量還是溢流次數均有降低，水量削減率大多在50%～70%之間，溢流次數削減率大多在50%～60%之間，溢流頻次控制率大多在50%～70%之間，可見截污工程對排口雨季溢流有顯著的削減效果，溢流頻次也能控制在合理的范圍內，工程措施能有效減少雨季溢流入河污染對河道水體的影響，從而保障河道水體水環境情況達標。

表4 排口水量削減

3.3 目標可達性分析

本研究以消除黑臭水體為水環境目標，對沿河排口溢流入河污染總量的統計如表5所示。

表5 可達性分析

工況1中的現狀模型入河污染量顯著大于該河道水環境容量，說明現狀污染較嚴重，亟需截污工程措施進行環境改善；工程實施后的各工況的入河污染都有顯著降低，說明工程對入河污染的削減起到可觀的效果；工況2至工況4并不是所有典型年都能達到水環境目標，其中豐水年的入河污染較多，但平水年和枯水年水環境均能達標，且3個典型年的平均入河污染在可控范圍內，可認為目前工程實施后能滿足水環境目標要求；如果要求豐水年水環境也達標，應加大工程實施力度，但同時也應考慮投資、用地等多種因素，不能一味增加截污工程；河道水環境目標達標后，仍要加強管控，減少點、面源污染的不合規排放，保證河道水質長效良好。

4 結論及建議

4.1 結論

① PCSWMM模型可應用于我國城區內河的水環境模擬研究，但需要較詳盡的管網數據、模型基本參數、降雨邊界條件，以及點、面源污染輸入參數等；

② 基于PCSWMM 的水環境模型，能科學的模擬分析入河水量情況及河道水環境達標情況，可為城區水環境評估分析工作提供一定的依據；

③ 當典型年中大部分年份或多年平均值能滿足水環境目標要求，可認為當前工程已經達標，若要求所有典型年均達標，建議考慮工程投資、允許用地等因素，最終選擇適度的工程措施。

4.2 建議

本研究主要存在以下不足之處：

① 對輸入數據的要求較高，當難以獲取滿足精度要求的降雨或管網等數據時，很難進行科學模擬；

② 分析目標可達性時未考慮工程投資等因素的影響。

針對以上不足，建議改進方向：

① 研究在無資料或少資料情況下城市內河水環境污染模擬的途徑和方法，同時加強當地管網普查工作，確保管網數據能真實反映地下管網情況；

② 進行工程投資計算，分析不同工況的投資大小，作為加權分析因素。