基于PCSWMM的漳州某地区水环境模拟研究

刘蒙泰，刘 力，荀继萍，胡文力，陈 楠

(1. 中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381；2.天津市西青区西营门街道办事处，天津 300380)

随着社会经济不断发展，居民生活、生产及工业废水的产生也逐渐增加，对水环境承载力的要求也越来越高，需各种工程措施以改善水环境现状。城市内河沿河排口类型较多，且涉及河道水位顶托，可以运用先进的模型技术分析管网[1]、河道的水动力水质情况。模型技术在河湖水系水动力水质模拟中已有广泛应用，黄国如[2]利用PCSWMM模型评估了LID对污染物的削减效果，江涛[3]利用模型模拟分析了闸泵站联合调度引水情景下佛山水道的水质改善效果，赵尔官[4]利用模型进行了平原河网排涝模拟研究。本研究以PCSWMM 模型为基础， 建立漳州某地区的数值模型， 进行内河水环境容量、水量削减、以及水环境目标可达性分析等工作。

1 模型原理

PCSWMM雨洪管理模型是加拿大计算水力研究所(CHI)基于EPA SWMM开发的商业软件，该模型已广泛应用于城区排水管道暴雨管理、河道排涝模拟[5]，以及城市水文预报研究[6]等方面，具有强大的水文、水力、水质模拟模块[7]，可以计算降雨地表产流、地表汇流、管网水动力传输和水质变化，支持一、二维模型耦合，可以模拟LID设施对暴雨的延缓影响及对污染物的削减[8]。

1.1 水文模块

PCSWMM的水文模块主要模拟降雨到地表的产汇流过程[9]，产汇流模型[10]是假设各汇水区表面为非线性水库，每个汇水区的来水源自降雨或其他汇水区，去向有蒸发、下渗和径流。

1.2 水动力模块

PCSWMM模型的水动力模块主要模拟水体在河道、管渠、蓄水设施等中的流动，原理是通过求解圣维南方程得到水力要素，求解方法有恒定流求解、运动波求解和动力波求解。

恒定流求解假设模型中的水体一直处于恒定流状态；运动波求解采用连续方程和动量方程来模拟各个管渠道的水流运动，但不能计算管渠的滞、回水和有压流；动力波求解采取完整的一维圣维南流量方程，可以描述有压流、回水及顶托情况。

1.3 水质模块

PCSWMM 根据不同的土地利用类型将地块划分为汇水分区， 并据此定义不同土地利用类型下各种污染物的堆积模型和冲刷模型。堆积模型中污染物会以所选函数的方式进行堆积计算，直至堆积至极限时停止；冲刷过程可通过幂函数冲刷方程(EXP)、流量特性曲线冲刷方程(RC)和平均浓度方程(EMC)模拟，各方程所需参数不尽相同。

2 模型搭建

2.1 研究区概况

漳州是福建省下辖的地级市行政区，为东南部沿海城市，是海峡西岸中心城市之一。该地区气候温和，属亚热带季风性湿润气候，年均气温为21℃左右，平均降雨量为1 500 mm左右。研究区汇水面积约1.63 km2，含汇水区116个，管网总长为9.25 km，河渠长为1.62 km。

2.2 参数及边界条件

2.2.1基本参数选取

1) 汇水子区域特征宽度

特征宽度是一个无法实测的模型参数。计算特征宽度的方法有很多种，建模者可以选用适宜的计算方法。常以汇水子区域上最远点水流流至集水点(检查井)的距离作为水流长度，汇水子区域面积除以水流长度获得汇水子区域的特征宽度。

2) 不透水率

不透水率可根据汇水区的卫星影像图或用地类型图进行识别与估算，再利用GIS加权获得。其中园林绿地占比为18%，不透水率取5%；城市道路占比为8%，不透水率取90%；建筑住宅占比为37%，不透水率取85%；村镇用地占比为25%，不透水率取70%；待开发用地地占比为12%，不透水率取15%。

3) 曼宁粗糙系数值

模型中包括多个粗糙系数，如透水区、不透水区的粗糙系数，取值可根据规范、相关文献等确定。其中不透水区曼宁系数取0.014，透水区曼宁系数取0.13，管道曼宁系数取0.013～0.014。

4) 排水管网特征数据

排水管网特征数据，如管道长度、上下游节点、管径等，根据溯源数据等资料确定。管网特征参数见表1所示。

表1 管网特征参数

2.2.2点面源污染输入

1) 点源输入

根据汇水区面积，人口及人均污水产生量，计算得到污水量。并按照排放位置及溢流井堰高等尺寸，在模型中设置。其中人口密集取80～150人/hm2，人均综合用水量指标取400 L/(人·d)，污水产生系数取0.85，污水中氨氮平均浓度取15～35 mg/L。

2) 面源污染

根据项目区范围内下垫面数据，运用影像分析软件对现状用地属性进行识别并分类，得到土地利用类型图，针对不同用地类型赋值相应的污染物堆积和冲刷参数，以计算各地块面源污染贡献情况。表2为不同下垫面类型面源污染堆积函数、冲刷函数的参数取值。

表2 氨氮面源污染参数取值

2.3 工况设定

由于监测数据有限，选取河道下游控制断面处进行率定，已知该断面实测常水位为3.01 m，经模型计算该断面平均水位为2.99 m，绝对误差仅为0.02 m，模拟结果合理可行。运用率定好的模型，根据漳州市气象站1954—2017年共64 a的降水数据，将逐年降水总量建立降水序列，采用皮尔逊III型曲线进行拟合，其中Cv=0.21，Cs/Cv=3.5，选取不同频率的年降雨(每5 min)过程，按年降水量得P=25%-1 752.0 mm，P=50%-1 518.5 mm，P=75%-1 321.4 mm。实际工程中截污措施主要是设置截流堰，模型中概化为实施处30 cm高的截流堰。表3为按不同典型年降雨及工程阶段而设定的多种工况。

表3 工况设定

对P=50%典型年数据进行分析，认为降雨间隔大于2 h以上即为2场降雨，然后删除小于2 mm的降雨场次，最终得到全年78场降雨。P=50%典型年降雨过程线如图1所示。

图1 P=50%典型年降雨过程示意

3 结果分析

3.1 水环境容量计算

根据全国水环境容量核定技术指南，并结合流域整体特征，选用一维模式计算各计算单元水环境容量。一维模型水环境容量的计算公式为：

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

(1)

式中Wi为个排污口允许排放量，t/a；Ci为第i个节点处的水质本底浓度，mg/L；C为沿程浓度，mg/L；Qi为河道节点后流量，m3/s；Qj为第i节点处废水入河量，m3/s；u为第i个河段的设计流速，m/s；x为计算点到第i节点的距离，m。

以消除黑臭水体指标中易量化的氨氮为污染物研究对象，结合流域实际河流特点，氨氮降解系数取值为0.1。经计算，以消除黑臭为环境目标，研究区氨氮水环境容量为6.71 t/a。

3.2 水量削减分析

经过对研究区典型年全年的模拟，以沿河4个典型排口为例，表4为工况1和工况3的排口水量削减对比情况，可知截污前、后各个排口在雨季均有溢流至河道，但截污工程实施后无论排口溢流水量还是溢流次数均有降低，水量削减率大多在50%～70%之间，溢流次数削减率大多在50%～60%之间，溢流频次控制率大多在50%～70%之间，可见截污工程对排口雨季溢流有显著的削减效果，溢流频次也能控制在合理的范围内，工程措施能有效减少雨季溢流入河污染对河道水体的影响，从而保障河道水体水环境情况达标。

表4 排口水量削减

3.3 目标可达性分析

本研究以消除黑臭水体为水环境目标，对沿河排口溢流入河污染总量的统计如表5所示。

表5 可达性分析

工况1中的现状模型入河污染量显著大于该河道水环境容量，说明现状污染较严重，亟需截污工程措施进行环境改善；工程实施后的各工况的入河污染都有显著降低，说明工程对入河污染的削减起到可观的效果；工况2至工况4并不是所有典型年都能达到水环境目标，其中丰水年的入河污染较多，但平水年和枯水年水环境均能达标，且3个典型年的平均入河污染在可控范围内，可认为目前工程实施后能满足水环境目标要求；如果要求丰水年水环境也达标，应加大工程实施力度，但同时也应考虑投资、用地等多种因素，不能一味增加截污工程；河道水环境目标达标后，仍要加强管控，减少点、面源污染的不合规排放，保证河道水质长效良好。

4 结论及建议

4.1 结论

① PCSWMM模型可应用于我国城区内河的水环境模拟研究，但需要较详尽的管网数据、模型基本参数、降雨边界条件，以及点、面源污染输入参数等；

② 基于PCSWMM 的水环境模型，能科学的模拟分析入河水量情况及河道水环境达标情况，可为城区水环境评估分析工作提供一定的依据；

③ 当典型年中大部分年份或多年平均值能满足水环境目标要求，可认为当前工程已经达标，若要求所有典型年均达标，建议考虑工程投资、允许用地等因素，最终选择适度的工程措施。

4.2 建议

本研究主要存在以下不足之处：

① 对输入数据的要求较高，当难以获取满足精度要求的降雨或管网等数据时，很难进行科学模拟；

② 分析目标可达性时未考虑工程投资等因素的影响。

针对以上不足，建议改进方向：

① 研究在无资料或少资料情况下城市内河水环境污染模拟的途径和方法，同时加强当地管网普查工作，确保管网数据能真实反映地下管网情况；

② 进行工程投资计算，分析不同工况的投资大小，作为加权分析因素。