技術分享|基於TMDL理念的金山湖水環境模型模擬耦合與規模論證

技術分享|基於TMDL理念的金山湖水環境模型模擬耦合與規模論證

北極星水處理網  來源:中國給水排水

  作者:王浩正 劉緒為  

2019/6/12 15:22:16  我要投稿  

北極星水處理網訊:導讀：《基於TMDL理念的金山湖水環境模型模擬耦合與規模論證》是鎮江沿金山湖CSO汙染綜合治理工程9個專題研究之一，主要研究目的是：以鎮江金山湖水環境容量為出發點，制定最大日負荷總量（TMDL）計劃，通過水質水量的模擬耦合，對本工程系統性建設方案進行模擬評估，優化確定系統工程的建設規模，最終實現金山湖流域的水環境改善、水安全提升目標。

金山湖流域老城區水環境、水安全問題

1研究技術路線

鎮江金山湖流域老城區水環境改善技術路線：

首先確定金山湖水環境目標，在基礎資料收集基礎上，構建管網模型及水力水質模型耦合進行現狀評估，包括現狀徑流總量/徑流汙染分析、現狀排水防澇能力分析、現狀溢流汙染分析和現狀排水管網能力分析，對比建設目標和現狀，對現狀存在缺口的，進行工程系統性方案規劃，進一步通過水力水質模型優化工程建設規模和實施效果評估，最終確定工程建設方案。

2研究技術理念及工具

2.1TMDL理念

TMDL（Total Maximum Daily Load，最大日負荷總量）是指「在滿足水質標準的條件下，水體能夠接受的某種汙染物的最大日負荷量，包括點源和非點源的汙染負荷分配，同時要考慮安全臨界值和季節性的變化，從而採取適當的汙染控制措施來保證目標水體達到相應的水質標準」。其目標是識別具體汙染控制單元及其土地利用狀況，對單元內點源和非點源汙染物的排放濃度和總量提出控制措施，從而引導整個流域執行最好的流域管理計劃。

引入TMDL流域水環境治理理念，採用模型定量評估，確定汙染負荷總量削減指標，分配各流域汙染負荷，優化治理方案；通過「評估、設計、執行、檢測、評價、調整」等適應性管理措施建立持久的水環境治理機制，探索城市水環境生態修復新路徑。

TMDL技術應用主要側重的方面：

制定TMDL排水分區管理計劃，結合水質目標要求合理分配汙染物負荷；

根據汙染負荷分配方案的分解，提出排水分區治理系統的工程建設方案；

注重LID與傳統灰色設施的有機結合；

充分考慮景觀用地與水質治理的結合；

協同海綿城市、排水防澇、城市防洪等城市規劃建設工作，共同開展排水分區治理。

TMDL應用模型的概念框架圖

2.2水環境模型模擬及耦合技術

本課題研究主要運用SWMM、HECRAS、EFDC模型，SWMM模型用於評估徑流控制成效、面源汙染削減成效和內澇防治成效；HECRAS模型通過閘站操作優化、堤壩改善等進行防洪成效評估、河流水質變化評估；EFDC模型用於模擬湖體水質變化情況。

鎮江市水環境模型應用區域及模型耦合框架如下：

鎮江市水環境模型應用區域圖

鎮江市水環境模型耦合架構

EFDC模型與SWMM模型連接

3工程系統論證方法及步驟

3.1系統模型構建步驟

3.1.1基礎資料收集整理

在系統模型構建之前，需要對地形數據、衛星遙感數據、土地利用數據、排水管網系統數據、降雨數據等進行收集整理、格式轉換、分析匯總並建立資料庫，便於查閱分析和數據檢索。

3.1.2排水系統拓撲結構搭建與簡化

根據研究區域實際管網拓撲結構和空間數據，合理簡化支管、概化短管，形成模型可利用的管網數據。排水管網系統拓撲結構圖如下：

排水系統拓撲結構的搭建規則如下：

3.1.3匯水區劃分及參數識別

考慮研究區域水文參數和管網服務範圍的空間差異，需將區域劃分為匯水區進行研究，城市由於已開發的區域和未開發的自然區域共同存在，需要綜合DEM和搭建的排水管網系統進行詳細匯水區劃分，匯水區劃分圖如下：

DEM流域劃分：通過GIS的水文分析，劃分具有分水嶺的匯水區邊界。

排水管網系統劃分：根據街道下敷設的市政管網劃分以建築為單元的匯水區。

3.1.4模擬參數的識別和建立

結合排水系統和匯水區，對匯水區進行下墊面解析、對排水系統進行規則控制、對旱流汙水進行分配、設置面源汙染參數、設置邊界參數和選擇降雨情景，模型參數的識別手段如下：

下墊面解析、旱季汙水日變化及降雨雨型分別如下圖所示：

下墊面解析圖

旱流汙水日變化曲線

24小時降雨歷時P.C.雨型分布

3.1.5模型參數率定與關聯耦合

模型參數率定：篩選出靈敏度比較高的參數，在模型分析過程中儘量提高這些參數的準確度，對於其他靈敏度較低的參數，可以採用經驗值，這樣可有效提高模型率定和驗證的效率。

模型關聯耦合：根據匯水區和管網系統構建水文和水動力的耦合模型，再結合輸出的排口的汙染物負荷與金山湖水質穩態質量平衡分析法進行耦合，通過金山湖水環境容量推出需要控制的汙染負荷。

模型參數來源：鎮江水環境監測數據匯整

SWMM水量吻合度分析

SWMM水質吻合度分析

HEC-RAS模型率定

EFDC模型率定

3.2系統論證步驟——TMDL實施步驟

基於「總量控制」的汙染物負荷削減及徑流控制的思路，旨在從水環境保護目標出發，以受納水體對某種汙染物的最大允許排放量為依據，確定汙染物的最大排放負荷，從而對汙染源進行有效管控。TMDL的實施步驟如下：

3.2.1問題識別與功能用途

實施要點：監測水體水質指標，明確現狀水質存在問題；水體定位，明確水體功能要求。

鎮江水質監測站對金山湖水質的監測結果表明，金山湖全年長時間呈現富營養狀態，與此同時，金山湖作為應急備用水源地，TP濃度明顯高於《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中湖泊III類水規定的限值（0.05mg/L），因此，需通過削減金山湖的TP汙染負荷，實現金山湖水質目標。

3.2.2確定水質管理區

實施要點：明確水體治理範圍的邊界，並掌握水質管理區的地形特徵。

金山湖是由長江主泓道北移、南淤北蝕而形成的牛軛湖，也是城區運糧河、古運河和虹橋港的受納水體，常年水域面積為6.55km2，豐水期水域面積可達8.8km2。水位常年穩定在3.8～4.2m，金山湖水質管理區及湖底高程分布如下：

3.2.3調查汙染源

實施要點：明確水體治理範圍內汙染源數量、類型及位置，確定汙染負荷及水質評價因子；根據監測的水質數據，確定代表性強的評價因子作為控制因素。

湖泊水質惡化通常表現為富營養化，而N、P是影響湖泊藻類生長的主要養分，根據謝家國等採用綜合營養狀態指數法（TLI）對金山湖的評估，表明TP為汙染物第一主成分因子。再結合阿爾塔蒙特水庫案例中評價因子的選擇，最終金山湖TMDL計劃確定以TP作為水質評價指標。

金山湖沿線排口TP溢流汙染負荷模擬

3.2.4計算水環境容量

實施要點：明確以環境質量標準為基礎，並結合自然特徵可承受的最大汙染物負荷，即水環境容量。

採用穩態質量平衡分析法，計算金山湖水環境容量，使用輸入係數或觀測數據計算進入水體的負荷，並根據汙染物的歸趨及轉輸計算相應的水體濃度。

根據金山湖水質控制目標需滿足《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中規定的III類水標準，即TP需控制在0.05mg/L。因此，通過TP穩態平衡方程，得出每年TP排入金山湖的控制量。

3.2.5分配汙染負荷

實施要點：依據排口所屬匯水區，結合匯水區現狀特徵，合理分配匯水區允許排放的汙染負荷量；根據匯水區工程的可行性、落地性和經濟性綜合分配汙染負荷。

金山湖TMDL管制控制汙染負荷見下表所示：

其中：①3.82噸/年：金山湖水環境TP的環境容量；②0.38噸/年：安全臨界值（MOS）；③3.44噸/年：允許的點源及面源汙染負荷；④2.93噸/年：經現場調研後評估OF-9~OF-12四處排口難以進行收集處理，經模型模擬該處排口2007年—2016年年均排入金山湖的TP汙染總量為2.93噸/年；⑤0.51噸/年：經現場調研後評估OF-1~OF-8八處排口可進行收集、淨化，經計算後排入金山湖TP汙染量不能超過0.51噸/年，才能滿足金山湖水環境容量要求。

由TMDL計劃分配汙染負荷的結果，再結合模型模擬OF-1~OF-8排口2007年—2016年年均排入金山湖的TP汙染總量，可求得OF-1~OF-8排口需要控制的TP汙染負荷。

在滿足金山湖TP水環境容量，結合現狀TP溢流汙染量，可知需削減上述排水TP的汙染物總量為2.63噸/年。在此，將徑流汙染控制量折算為徑流控制量，便於系統工程規模設計。

通過年均降雨濃度（AMC）進行徑流汙染及徑流量的計算得出：TP的AMC值為0.56mg/L。在此基礎上，本工程需要控制徑流量為467.82萬m3/年，僅允許91.1萬m3/年的徑流量進入金山湖。

在金山湖區域年均降雨量為1047.4萬m3/年時，得出本工程需滿足其服務片區內年徑流總量控制率為91.3%，其對應服務片區日設計降雨量為60mm。

在設計降雨量60mm的P.C雨型分布情景下進行水質水力模擬，根據沿金山湖各排口流量之和過程線，得出總流量為26.82萬m3。

綜上所述，以TMDL作為管控手段，結合現場調研的評估結果，再依據模型模擬的計算手段，得出需控制金山湖沿線排口的排放量，即TP汙染負荷削減，即可實現金山湖水質目標要求。

3.3系統規模計算分析

根據構建的水力水質模型，進行末端多功能泵站、處理設施以及各入流豎井規模論證和優化。

3.3.1末端多功能雨水泵站規模論證

末端多功能雨水泵站有雨水處理泵站和排澇泵組，兼顧中小雨工況下深層截流管道的雨水排空及處理，以及大到暴雨工況下超標雨水的排放功能。

最終確定末端多功能雨水泵站設計規模如下：排澇泵組為30m3/s，排空泵組為5萬m3/d。

3.3.2水質處理設施規模論證

採用汙染物總量管制理念，分析得出日徑流控制能力需滿足26.8萬m3/d，扣除現狀徵潤州汙水處理廠雨汙處理工藝的處理能力，得出需要通過沿金山湖CSO截流管道進行生態化處理徑流量。

水質處理設施規模論證

3.3.3入流豎井規模論證

沿金山湖CSO截流管道的入流豎井尺寸確定取決於其入流峰值流量，即該管道入流豎井設計流量。根據本工程功能定位（以削減服務範圍內的CSO為主，兼顧提高排澇、調蓄能力），通過模型分配沿線豎井（江南泵站豎井、迎江路泵站豎井、平政橋泵站豎井、解放路泵站豎井、江濱泵站豎井）流量。

30年一遇降雨下各豎井規模模擬分析

4結論與建議

（1）我國水環境正面臨嚴峻的汙染問題，治理水環境汙染問題刻不容緩。制定合理、科學且有效的治理方針，是解決水環境問題的根本。基於TMDL的「總量控制」方案是保障水環境長治久清的治理思路。耦合模型作為實施TMDL計劃的輔助決策手段，可為工程規模提供量化依據。

（2）本研究通過構建鎮江市沿金山湖系統模型，通過模型與歷年降雨數據分析，並結合汙染物總量管制理念與技術（TMDL），提出相應的汙染物控制及對應徑流控制目標，依據此目標進行水質處理工況及規模設計。

（3）通過水力水質模型優化確定了鎮江沿金山湖CSO汙染綜合治理工程的末端多功能雨水泵站、水質處理設施以及入流豎井的設計規模，為工程設計提供了重要依據。

原標題:技術分享|基於TMDL理念的金山湖水環境模型模擬耦合與規模論證

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