基于SWMM的水位和降雨對感潮河段水質影響分析

李明慧 侯精明 王添 欒廣學 銀雅倫 申騰飛 張榮斌 樊超 沈建

摘 要：為探究水位和降雨對河涌水質的影響，以佛山市五福圍片區作為研究區域，建立 SWMM 水動力-水質模型，模擬分析感潮河段在降雨和水位影響下水質的變化規律。模擬結果顯示：水位和降雨對河涌水質有著明顯的影響。晴天時，閘站向河涌補水使河涌水位升高，從而水質提升；而隨著降雨量增加時，沖刷作用導致水質惡化，但降雨徑流平均濃度降低，暴雨時降雨徑流平均濃度反而升高；在4條重點河涌中，北合圍涌排放入河徑流量和污染物負荷排放最高，而沖元涌最低。研究結果對于佛山市五福圍片區的河涌水質管理和治理具有一定的啟示作用。

關鍵詞：感潮河網；徑流污染；水質模擬；SWMM；五福圍

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：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

近年來，隨著城市化步伐加快，水環境問題備受關注［1-2］，城市河流環境面臨的壓力越來越大，降雨徑流污染是城市面臨的重要環境問題之一［3-5］，大量污染物在降雨時進入河流，使河流水質迅速惡化，同時水位也會對河涌水質產生影響［6］。盡管目前佛山市在水環境治理方面取得了一定成效［7］，但治理水污染、改善水環境任務仍十分緊迫。佛山市城區內河涌污染物主要來源于城市生活污染及降雨徑流污染。由于污水收集系統不健全，出現污水直排現象；因水系連通，旁支河涌對主河涌水質產生影響；降雨徑流的匯入，導致雨后水質變化較大，部分河涌水質指標與目標水質有較大差距。桂城轄區內河涌縱橫交錯且受潮汐及降雨影響，河涌水位變化較大，水位的升降對河涌的水體環境有直接影響，高水位會導致河涌溢流，造成水污染的擴散及和沖刷，從而影響水質；低水位可能導致河涌水體停滯，導致水體富營養化等問題。

解決河涌水污染問題，首先要探究水質變化規律，則需通過構建城市河網水動力水質模型模擬城市河網水流運動及水質變化機理［8］。面對城市河流水環境問題一些學者大多考慮降雨對水質的影響，如顧爐華等［9］研究了在現有閘站調度下，對比分析了不同引水量和雨型下河網水質的動態過程及空間變化特征；陳焰等［10］分析了水質變化及其對降雨的響應關系和不同降雨強度下污染輸出特征，科學闡明了不同降雨強度下河流污染非線性相應規律；陳新拓等［11］分析了不同降雨事件下研究區內 COD、 NH3-N 和 TP 的污染物負荷量及其變化過程。目前針對感潮河網地區在降雨和水位雙重影響下河流水質變化的研究較少。此次研究選取的 SWMM 模型是一種用于模擬城市水文過程和管理城市排水系統的數學模型，它具有多功能性、空間和時間分辨率的能力，具有靈活性、開源和可擴展性，并廣泛應用于各種城市水資源管理和水環境問題的研究和應用領域。當前研究及應用的熱點包括氣候變化研究、城市藍綠基礎設施集成、模型優化和改進、智能水管理等，而參數估計與確定、模型精度和穩定性、計算效率和存儲需求、與實際應用的結合等則是當前研究及應用中的難點。

本文選取典型感潮河網地區佛山市南海區五福圍為研究對象，基于 SWMM模型建立一維河網水動力及水質模型，選取2021年5月29日至2021年6月29日模擬分析感潮河段降雨及水位變化與水質之間的關系，通過研究水位和降雨對河涌水質的影響，可以更好地制定水資源保護政策和環境管理措施，有效防控河涌水體污染，保護河涌生態系統健康。此外，研究水位和降雨對河涌水質的影響還可以為水資源規劃提供科學參考，合理利用和保護水資源。

1研究區域

1.1研究區概況

五福圍是廣東省佛山市南海區桂城街道四座圍區之一，地處珠江三角洲，屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫22℃。多年平均總雨量1641.4 mm，全年總雨量在1400～1900 mm，總面積為5.2 km2，其中水系面積約0.059 km2。五福圍北側為佛山涌、東側為平洲水道，圍內河涌呈網狀分布。主要河涌有北合圍涌、沖元涌。圍區內部的5座水閘，4座排澇泵站，總凈寬15.95 m，均為外江堤防沿線的防洪水閘，主要水閘為大沖口水閘，內河涌及水閘泵站分布見圖1。

1.2監測點位類型及分布

研究區內河涌涌容8萬 m?。研究區主要有13個監測斷面，包括北邊涌斷面、北合圍涌斷面、沖元涌斷面、大沖口涌斷面、大基涌斷面、花社涌斷面、彭岸涌斷面、直涌涌斷面、雞腸滘涌斷面、霍東涌斷面、黃洞涌斷面、華龍涌斷面、藤沖涌斷面，水質處于劣五類。水質監測斷面見圖1。

1.3數據來源

研究區水環境數據采用佛山市環境保護局提供的2021年1—11月佛山市南海區桂城街道河涌斷面實測數據及點源污染負荷數據；河涌基本數據由桂城街道河長辦提供，見表1；降雨數據、閘門內外江水位數據、閘泵站啟閉時間數據由桂城街道水利排灌養護門戶系統獲取；土地利用類型由桂城街道三調數據獲取。

2模型構建

2.1流域劃分

五福圍片區河網的建立將采用 SWMM模型，該模型可以對城市降雨徑流和污染物運動過程進行全面的模擬和分析。本文根據研究區河涌實際所屬排水單元數據、高程、下墊面情況，最終采取人工劃分方法概化為28個子匯水分區，各河涌所屬匯水區見表2，各匯水區面積見表3，匯水區面積不包含水系。根據河涌基本數據，對河網水系進行概化，共布置159個斷面、143個節點和10個排口，土地利用類型主要分為房屋、綠地、道路，概化見圖2。研究區各土地利用類型占比見表4。

2.2模型邊界設置

a）水動力邊界條件。水動力邊界條件包括外邊界和內邊界。外邊界是指所有河涌端點處的水力要素變化情況，此處根據外江閘位監測數據設置為河涌的水位邊界，水位邊界選取大沖口水閘、直涌電排站、西華電排站、四村電排站和藤沖電排站的實測水位數據以時間序列的形式加入模型來控制水位。內邊界是指模型河網內部節點處可能存在的對計算水力條件產生較大影響的人為干預情況，主要是河涌排污口的入流，見圖1。雨水排口的引入會改變接收水體的水流動力學特征。由于排口的引入，引入的徑流會與接收水體的水流混合，從而改變水體的流速、流向和水位等，同時徑流攜帶的污染物在排口處被釋放至接收水體中導致水體受到污染。因本次模型設置未加管網，故將表1中河涌的點源污染負荷及污水量以入流的形式概化到每一個節點；根據佛山市逐小時降雨量，以降雨序列的形式加入模型。閘泵站邊界條件根據實際運行情況設置，閘站流量正負表示補水或排水，見表5。

b）水質邊界。水質模型邊界條件指水動力邊界處的水質因子濃度值，根據2021年佛山涌水質改善目標，河涌外部水質邊界按考核斷面類型規定濃度設置為Ⅳ類水質。依照 GB 3838—2002《地表水環境質量標準》限值，NH3-N、TP 和 COD濃度分別設為1.5、0.3、30.0 mg/L。

2.3模型參數驗證

模型水位驗證時間選取2021年5月29日至6月29日；河涌濃度驗證時間選取2021年5月29日至6月6日，模擬計算時間步長為30 s。模型模擬時間段內包含小雨（<10 mm）11場、中雨（10.0～24.9 mm）1場、大雨（25.0～49.9 mm）1場、暴雨（50～100 mm）5場，降雨情況見表6。研究區河涌斷面糙率取0.025。 SWMM 模型中下滲模型采用霍頓下滲模型，子匯水區參數主要包括不透水區曼寧系數、透水區曼寧系數、不透水區洼蓄量、透水區洼蓄量、最大入滲速率、最小入滲速率和污染物衰減系數。參考佛山市相關文獻［12-15］及 SWMM 模型用戶手冊在參考范圍內取值，模型參數校驗后取值見表7。

為了驗證模型參數合理性，采用納什效率系數（NSE）對模型模擬精度評估，計算見式（1）。根據 RITTER［16］提出的 NSE 等級劃分標準：當 NSE≥0.9，模型性能為優秀，當0.8≤NSE<0.9，模型性能為良好，當0.65≤NSE<0.8，模型性能為滿意，當 NSE<0.65，模型性能為不滿意。NSE 越接近于1表示模型可信度越高。

式中 Q0——觀測值；Qm——模擬值；Qt——第 t 時刻的某個值：觀測值的總平均。

選用5月29日至6月29日時間段對水文模型參數進行驗證，研究區域該時間段總降雨量為407.6 mm，最大1 h 降雨量為48 mm。利用五福圍片區外圍水閘、泵站，圍內節制閘的實測降雨、水位數據對水文模型參數進行率定。從驗證結果看出，圍內節制閘的水位模擬值均與實測值接近，經數據統計分析，水位的最大誤差均小于0.10 mm，納什效率系數達到0.99，模型水動力模擬結果精度較高。閘站水位模擬水位與實測水位過程基本保持一致，見圖3。

研究區部分河涌濃度驗證結果見圖4、5。因水質數據不全，故選取5月29日至6月6日對華龍涌、北合圍涌等水質監測數據率定，各斷面模擬值與實測值接近。

3結果及討論

3.1水位變化對河涌水質影響分析

圖6—9為感潮河網重點河涌水質隨水位變化過程。6月6—8日為晴天。由圖6—9可知，水位除6月8日連續7 h 維持在4 m左右外，其余均在0.3～1.7 m，變化幅度較小。晴天水質呈不規律波動，但水質均維持在Ⅴ類水及劣Ⅴ類水質。水質改善與河涌來水量、活水稀釋污染物濃度有關。

隨著河涌水位下降，各河涌排水量增加，來水量減少，NH3-N、TP、COD 總體濃度增加，NH3-N、TP總體處于劣Ⅴ類，COD 總體處于Ⅴ類水質。隨著河涌水位上升，河涌受外江引水影響，來水量增加， NH3-N、TP、COD 總體濃度均接近Ⅳ類水質。

運用 Pearson 相關系數衡量水位與水質之間線性關系。Pearson 相關系數公式見式（2）。 Pearson 相關系數的取值范圍為-1～1，其中1表示完全正相關，-1表示完全負相關，0表示沒有線性相關性。4條重點河涌水位與 NH3-N、TP、COD相關性見表8。

式中 x、y——2個待計算相關關系的變量。

由表8知，4條重點河涌水位變化與 NH3-N、 TP、COD 濃度相關性均不相同。華龍涌水位與 NH3-N、TP、COD 濃度均呈負相關；沖元涌水位與NH3-N、TP濃度呈負相關，與 COD濃度呈正相關，但相關性不明顯；北合圍涌水位與 NH3-N、COD 濃度呈正相關，與 TP濃度呈負相關；大基涌水位變化與NH3-N、TP、COD濃度均呈正相關。

各閘站晴天流量見圖10，大沖口水閘間斷性排水量大，其他電排站不補水排水，而華龍涌則受四村電排站進行補水排水，四村電排站在一段時間內持續性補水，水位升高受外江補水影響，外江水質為Ⅳ類水質，河涌污染物通過活水快速稀釋，使河涌水位與水質呈負相關；沖元涌、北合圍涌及大基涌污染物濃度變化復雜，這3條河涌水質受到點源污染物排放及大沖口水閘排水的影響，同時外江補水量少，故水位與水質相關性不同。

3.2降雨對河涌水質影響分析

4條重點河涌在不同降雨事件下徑流量及污染物負荷見表9。在不同降雨等級下，入河徑流量及污染物負荷從多到少依次為北合圍涌、華龍涌、大基涌、沖元涌。在同一場降雨下，NH3-N、TP 和 COD 入河污染物負荷隨徑流量增大而增大，對于降雨徑流平均濃度（EMC），隨著降雨量的增大，NH3-N、TP 和 COD 的平均濃度有降低趨勢，這是因為隨降雨量的增大，各河涌污染物負荷與地表徑流量均增加，加快了污染物的沖刷速率，從而降低降雨徑流污染物平均濃度。這與涂晶晶等［17］對佛山新城雨水徑流污染特征分析的研究規律相符，不同的是佛山新城作為佛山市海綿城市建設實施方案重點區域之一，雨水徑流污染并不嚴重，對河涌污染貢獻率并不高。暴雨情境下，最大1 h 降雨量47 mm，NH3-N、TP 和 COD平均濃度與大雨比有上升趨勢，但上升幅度較小，這是因為在暴雨情景下，水流流速快，時間短，會更容易將污染物沖刷到徑流中并運輸到下游，導致降雨徑流污染物平均濃度與大雨比相對較高。而大雨的降雨時間相對較長，流速相對較慢，因此對污染物的稀釋作用更強，導致降雨徑流污染物平均濃度相對較低。

為進一步研究河涌水質在不同降雨事件下的影響，運用 Pearson相關系數分析降雨與水質線性關系。由表10所示，小雨事件，降雨量較小，不會引起水流沖刷效應，因此對河涌中的污染物濃度影響較小，降雨量與水質呈弱相關性；中雨及大雨事件降雨量適中，使污染物濃度增高，河涌水質會惡化，但因降雨期間外江水位上升向內河涌補水，內河涌水位上升，水體受到稀釋效應，降雨量與水質指標大部分呈負相關，因水系連通，河涌水質變化復雜，北合圍涌及大基涌的 COD 水質指標與降雨量呈正相關。暴雨事件降雨量大，會引發強烈的沖刷作用，大量污染物濃度顯著增加，且通過外江補水也無法盡快將水體污染物濃度稀釋，因此暴雨情形下與水質呈正相關。北合圍涌與大基涌均受到點源污染，因此在中雨及大雨事件下，降雨量與 COD濃度呈正相關。

由上述分析可知降水、入涌通量和水質的關系相對復雜，隨著降雨量增大，徑流量的增加，各河涌污染物負荷增加。同時入涌通量的增加也可以加快河涌水流速度，河涌水質濃度及降雨徑流平均濃度均降低；水質在不同降雨事件下，降雨量與水質指標的相關性各不相同，陳焰等［10］在新鳳河流域的研究中也得出類似結論，出現此類現象的原因是降雨的稀釋和沖刷效應決定水體中污染物的濃度。出現此類現象的原因是降雨的稀釋和沖刷效應決定水體中污染物的濃度。

4結論及建議

本文對佛山市南海區五福圍片區感潮河段降雨及水位變化與水質之間的關系進行模擬，模擬分析結果對今后河涌水環境治理具有一定的積極意義。

a）晴天河涌水質變化復雜，受閘站補水的的影響，河涌水位上升，NH3-N、TP、COD濃度減小，接近Ⅳ類水質，河涌水質受水位影響，閘站向河涌補水；河涌受點源污染的影響，當閘站不補水排水時，則隨著內河涌水位上升，污染物濃度增大。

b）在不同降雨情況下，4條重點河涌的排放入河徑流量和污染物負荷的順序為北合圍涌>華龍涌>大基涌>沖元涌。同一場降雨下，隨著徑流量的增加，NH3-N、TP 和 COD 的污染物負荷也增加，但降雨量增加會使 NH3-N、TP 和 COD 的平均濃度降低，在暴雨情景下，NH3-N、TP 和 COD 的平均濃度相較大雨情景濃度升高。

c）小雨對水質影響較小，中雨和大雨會導致水質惡化，降雨量與水質呈負相關；暴雨會引發強烈沖刷作用，降雨量與水質呈正相關。

d）后續建議重點要加大對五福圍片區北合圍涌的污染治理力度，以減少其對河流水質的負面影響。研究難點則是在制定治理河涌水質方案，充分考慮晴天及降雨對水質的影響，并采取相應措施以避免降雨對水質造成的負面影響，這些措施包括優化閘站的引排水量和泵站引排水位等措施，可有效避免內澇的發生。

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（責任編輯：高天揚）