基于SWMM 模型的城市水環境污染情況模擬

田樂琪

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海）

概述

城市河流水環境治理是我國生態文明建設的重要組成部分。受歷史粗放式經濟發展影響，城市河流發黑發臭、富營養化等問題頻發，近年來我國城市河流治理工程投入大量資金，但仍存在治理效果差、問題復發率高等問題。河流水質準確預測對河流水環境問題治理方案的科學制定具有重要意義[1-3]。

選取某城市30 km2的范圍為研究區域，現狀存在管網破損、雨污混接、污水溢流污染現象。旱天污水混入雨水系統，造成大量污水從雨水管流入河道，造成河道水質超標。

通過采用EPA-SWMM軟件，構建某城市流域水動力、水質仿真模型，對現狀及規劃工況的模擬，評估城市雨污分流、活水調度、生態護坡、海綿城市等工程措施建設效果，為流域水環境治理提供科學的數據支撐。

1 一維水動力、水質模型構建

1.1 區域選擇

選取某城市30 km2的范圍為研究區域，污水管網130 km，雨水管網115 km，雨污水混接點200 處，10 處為內部混接，含有合流制溢流口21 個。區域內含有現狀污水廠1 個，主要污水泵站6 個。

1.2 一維水動力、水質現狀模型構建

5 782 個節點數據：其中2 500 個污水井，3 182 個雨水井，8 個泵站，8 個蓄水池節點。84 個河道節點，2 個排水口節點。

5 764 個管段數據：其中5 552 個雨污管段，212 個連接管段，83 個河流連接管段。

（1） 管網。搭建流域內的排水管網現狀模型，包括雨水管網和污水管網。排水管道管徑、埋深、長度、材質等管網數據從城市排水資料中獲取，利用GIS 提取相關信息。

（2） 河道。城區河道結合一維水流模型，對SWMM進行改進，將管道流改成明渠流。共計4 條河道，根據遙感圖繪制河道中心線，設置河道長度為14 024 m；按約每200 m間隔設置一個河道斷面，共設置86 個斷面數據；根據遙感圖繪制河岸線，確定河道斷面寬度；設置矩形、梯形斷面。上游段水量少，水深0.1～0.3 m，下游段水面較為寬闊，水深不低于0.5 m。

（3） 子匯水區特征參數。根據管網走向、建筑物和主要街道分布繪制建城區匯水分區，結合地形、河道和相關街道繪制山區匯水分區，共劃分100 個匯水分區，形成shp 文件。每個子流域面積、坡度、寬度、不可滲地面百分比、可滲地面百分比等模型參數通過對衛星地圖統計分析和現場調查確定，見圖1。

圖1 土地利用占比圖

（4） 地表徑流模型、地表污染物累積與沖刷模型相關參數，以參考SWMM 用戶手冊[4]及相關文獻報道為主并經多次試算調整確定。

（5） 根據收集到的水質實測數據，整理A1、A2、A3（上、中、下游）三個點位2021 年5 月28 日-2021 年12月31 日的水質實測數據。

（6） 污染量計算：根據2021 年8 月公安部門統計數據，研究區域常住人口251 941 人，按照每人日產污染量400 L 計，總計1.17 m3/s，將污染量按面積比例分攤到每個匯水分區。

（7） 污染指標濃度確定：《全國第二次污染普查生活源系數手冊》查詢城市產污系數。

（8） 晴天污染負荷計算。污染負荷亦稱“污染總量”，指排放到環境中的污染物質的數量，用排放量和污染物濃度的積來計算。

根據面源污染負荷和流量守恒，所研究片區內的河道水來自泄露到雨水管的污水和污水廠的尾水。即

污染負荷：河道c=污水a+污水廠尾水b

流量：河道c=污水a+污水廠尾水b

泄露到雨水管的污水與河道的流量、污染負荷為未知數，根據二元一次方程求解，可得到相應數值，結果見表1。

表1

污水a:生活污水的指標濃度參考《全國第二次污染普查生活源系數手冊》產污系數。

污水廠尾水b：現狀污水廠尾水流量1.5 萬噸/天，污水廠出水指標濃度參照四類水質標準。

河道c:河道的污染物指標濃度取自河道（上、中、下游）三個點位2021 年5 月28 日至2021 年12 月31 日的水質實測數據的平均值。

（9） 降雨資料。根據收集到的降雨數據，采用2021年1 月1 日-2021 年12 月31 日的降雨實測數據，其中6-8 月為雨季，11-4 月為旱季。

模型選取典型降雨節點：雨季8 月及旱季12 月，其中8 月降雨總量為144 mm，12 月降雨總量為26.1 mm，導入模型，運行模擬，見圖2。

圖2

1.3 一維水動力、水質規劃工況模型構建

為了評估城市雨污分流、活水調度、生態護坡、海綿城市等工程措施建設效果，建立規劃工況模型，見表2。

表2 設計工程措施和模型方案

2 模擬結果與分析

2.1 雨天污染負荷計算

通過模型計算結果，將各匯水分區的徑流量與不同指標污染物濃度相乘后相加，得到所研究片區的年總污染負荷，見表3。

表3 污染負荷

研究片區的8 月份污染負荷，如圖3 所示晴天污水廠尾水和雨污混接對雨季污染負荷的貢獻較大，雨污混接對總磷和總氮的污染負荷的貢獻最大，污水廠尾水對COD和氨氮的污染負荷的貢獻最大，雨天底泥和地表徑流對COD污染負荷的貢獻最大。

圖3 設計工況下污染負荷變化

12 月份污染負荷如圖4 所示，污水廠尾水和雨污混接對雨季污染負荷的貢獻較大，雨污混接對COD和總氮的污染負荷的貢獻最大，污水廠尾水對氨氮和總磷的污染負荷的貢獻最大，雨天底泥和地表徑流對COD 污染負荷的貢獻最大。

圖4 設計工況下污染負荷變化

從污染負荷曲線可知，單場降雨過程中底泥和地表徑流對污染負荷的影響僅出現在降雨峰值附近區域，河水水質主要受底泥和地表徑流影響；降雨影響開始初期與降雨影響結束期，河水水質主要受雨污混接和污水廠尾水排放影響。因此可通過對排水設施進行適當調度、增加海綿城市和生態河道改造、改善雨污混接情況等規劃工程，降低研究區域污染負荷。

2.2 工況分析

選取8 月和12 月的整月降雨數據進行不同工況模型對比分析，模型結果顯示：

上游A1 處8 月現狀COD 最大值234.76 mg/L，規劃72.71 mg/L；現狀COD均值23.37 mg/L，規劃12.07 mg/L；現狀超標時長7 375 min，規劃715 min。

晴天：8 月份晴天規劃工況模型水質濃度比現狀降低0～15 mg/L。

雨天：8 月份現狀模擬結果顯示，雨天的COD 濃度超標，超過五類水標準。雨天規劃工況的模擬河道水質濃度比同時間現狀模型低，COD峰值降低10～50 mg/L，規劃工況后的模擬結果降到正常水平，見圖5。

圖5 設計工況下污染物濃度變化

上游A1 處12 月現狀COD 最大值183.52 mg/L，規劃54.03 mg/L；現狀COD 均值25.17 mg/L，規劃8.96 mg/L；現狀超標時長4 380 min，規劃440 min。

晴天：現狀12 月份旱天，上游A1 處COD 濃度在15～25 mg/L。規劃工況后，12月份的模擬情況顯示，河道水質濃度降低至7.6 mg/L。

雨天：在12 月20 日-12月23 日有降雨情況，模型模擬水質濃度出現波動，現狀雨天的COD 濃度超標，超過五類水標準。雨天規劃工況的水質濃度低于現狀模擬工況的情況，COD 濃度峰值降低50～100 mg/L，規劃工況后的模擬結果降到正常水平，見圖6。

圖6 設計工況下污染物濃度變化

綜上，改造工程實施后，模型模擬8 月和12 月河道COD濃度明顯降低。

3 結論

本文構建城市現狀和規劃工況下排水系統的水動力和水質污染的SWMM 模型，通過模擬雨季旱季正月的現狀和規劃工程實施后的情況，對比分析排水系統的污染負荷和水質情況，研究結果表明：

（1） 在8 月份、12 月份，模擬結果顯示污水廠尾水和雨污混接對研究區域雨季污染負荷的貢獻較大。確認雨污混接是影響河道水質污染的重要因素。

（2） 模型模擬改造工程實施后，8 月（雨季）和12月（旱季）河道上中下游COD濃度明顯降低。

（3） 確認了雨污分流、活水調度、生態護坡、海綿城市等污水工程建設規劃措施的必要性和有效性，為地下排水管線系統改造方案提供科學直觀和量化的績效評估。通過對城市排水系統科學評價，有助于提高城市排水系統的數字化和智慧化應用水平。