技術(shù)分享|基于TMDL理念的金山湖水環(huán)境模型模擬耦合與規(guī)模論證
導(dǎo)讀：《基于TMDL理念的金山湖水環(huán)境模型模擬耦合與規(guī)模論證》是鎮(zhèn)江沿金山湖CSO污染綜合治理工程9個(gè)專題研究之一，主要研究目的是：以鎮(zhèn)江金山湖水環(huán)境容量為出發(fā)點(diǎn)，制定最大日負(fù)荷總量（TMDL）計(jì)劃，通過水質(zhì)水量的模擬耦合，對本工程系統(tǒng)性建設(shè)方案進(jìn)行模擬評估，優(yōu)化確定系統(tǒng)工程的建設(shè)規(guī)模，最終實(shí)現(xiàn)金山湖流域的水環(huán)境改善、水安全提升目標(biāo)。
金山湖流域老城區(qū)水環(huán)境、水安全問題
1
研究技術(shù)路線
鎮(zhèn)江金山湖流域老城區(qū)水環(huán)境改善技術(shù)路線：
首先確定金山湖水環(huán)境目標(biāo)，在基礎(chǔ)資料收集基礎(chǔ)上，構(gòu)建管網(wǎng)模型及水力水質(zhì)模型耦合進(jìn)行現(xiàn)狀評估，包括現(xiàn)狀徑流總量/徑流污染分析、現(xiàn)狀排水防澇能力分析、現(xiàn)狀溢流污染分析和現(xiàn)狀排水管網(wǎng)能力分析，對比建設(shè)目標(biāo)和現(xiàn)狀，對現(xiàn)狀存在缺口的，進(jìn)行工程系統(tǒng)性方案規(guī)劃，進(jìn)一步通過水力水質(zhì)模型優(yōu)化工程建設(shè)規(guī)模和實(shí)施效果評估，最終確定工程建設(shè)方案。
2
研究技術(shù)理念及工具
2.1TMDL理念
TMDL（Total Maximum Daily Load，最大日負(fù)荷總量）是指“在滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，水體能夠接受的某種污染物的最大日負(fù)荷量，包括點(diǎn)源和非點(diǎn)源的污染負(fù)荷分配，同時(shí)要考慮安全臨界值和季節(jié)性的變化，從而采取適當(dāng)?shù)奈廴究刂拼胧﹣肀ＷC目標(biāo)水體達(dá)到相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”。其目標(biāo)是識別具體污染控制單元及其土地利用狀況，對單元內(nèi)點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染物的排放濃度和總量提出控制措施，從而引導(dǎo)整個(gè)流域執(zhí)行最好的流域管理計(jì)劃。
引入TMDL流域水環(huán)境治理理念，采用模型定量評估，確定污染負(fù)荷總量削減指標(biāo)，分配各流域污染負(fù)荷，優(yōu)化治理方案；通過“評估、設(shè)計(jì)、執(zhí)行、檢測、評價(jià)、調(diào)整”等適應(yīng)性管理措施建立持久的水環(huán)境治理機(jī)制，探索城市水環(huán)境生態(tài)修復(fù)新路徑。
TMDL技術(shù)應(yīng)用主要側(cè)重的方面：
- 制定TMDL排水分區(qū)管理計(jì)劃，結(jié)合水質(zhì)目標(biāo)要求合理分配污染物負(fù)荷；
- 根據(jù)污染負(fù)荷分配方案的分解，提出排水分區(qū)治理系統(tǒng)的工程建設(shè)方案；
- 注重LID與傳統(tǒng)灰色設(shè)施的有機(jī)結(jié)合；
- 充分考慮景觀用地與水質(zhì)治理的結(jié)合；
- 協(xié)同海綿城市、排水防澇、城市防洪等城市規(guī)劃建設(shè)工作，共同開展排水分區(qū)治理。
TMDL應(yīng)用模型的概念框架圖
2.2水環(huán)境模型模擬及耦合技術(shù)
本課題研究主要運(yùn)用SWMM、HECRAS、EFDC模型，SWMM模型用于評估徑流控制成效、面源污染削減成效和內(nèi)澇防治成效；HECRAS模型通過閘站操作優(yōu)化、堤壩改善等進(jìn)行防洪成效評估、河流水質(zhì)變化評估；EFDC模型用于模擬湖體水質(zhì)變化情況。
鎮(zhèn)江市水環(huán)境模型應(yīng)用區(qū)域及模型耦合框架如下：
鎮(zhèn)江市水環(huán)境模型應(yīng)用區(qū)域圖
鎮(zhèn)江市水環(huán)境模型耦合架構(gòu)
EFDC模型與SWMM模型連接
3
工程系統(tǒng)論證方法及步驟
3.1系統(tǒng)模型構(gòu)建步驟
3.1.1基礎(chǔ)資料收集整理
在系統(tǒng)模型構(gòu)建之前，需要對地形數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、排水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)等進(jìn)行收集整理、格式轉(zhuǎn)換、分析匯總并建立數(shù)據(jù)庫，便于查閱分析和數(shù)據(jù)檢索。
3.1.2排水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建與簡化
根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)，合理簡化支管、概化短管，形成模型可利用的管網(wǎng)數(shù)據(jù)。排水管網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下：
排水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建規(guī)則如下：
|
拓?fù)錉顟B(tài) |
修正手段 |
|
管段孤立 |
檢查、核實(shí)就近上下游有無節(jié)點(diǎn) |
|
管段缺失 |
結(jié)合上下游管段信息補(bǔ)充管道信息 |
|
參數(shù)缺失 |
進(jìn)行現(xiàn)場勘測或者簡化處理 |
|
管道反向 |
通過上下游分析查詢并修改 |
|
管道逆坡 |
核實(shí)實(shí)際存在的逆坡，修正錯(cuò)誤數(shù)據(jù) |
|
無附屬設(shè)施連接關(guān)系 |
現(xiàn)場核實(shí)泵、堰及排口等附屬設(shè)施與管網(wǎng)系統(tǒng)的空間關(guān)系 |
考慮研究區(qū)域水文參數(shù)和管網(wǎng)服務(wù)范圍的空間差異，需將區(qū)域劃分為匯水區(qū)進(jìn)行研究，城市由于已開發(fā)的區(qū)域和未開發(fā)的自然區(qū)域共同存在，需要綜合DEM和搭建的排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)匯水區(qū)劃分，匯水區(qū)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(qū)邊界。
►排水管網(wǎng)系統(tǒng)劃分：根據(jù)街道下敷設(shè)的市政管網(wǎng)劃分以建筑為單元的匯水區(qū)。
3.1.4模擬參數(shù)的識別和建立
結(jié)合排水系統(tǒng)和匯水區(qū)，對匯水區(qū)進(jìn)行下墊面解析、對排水系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)則控制、對旱流污水進(jìn)行分配、設(shè)置面源污染參數(shù)、設(shè)置邊界參數(shù)和選擇降雨情景，模型參數(shù)的識別手段如下：
|
模擬參數(shù) |
識別手段 |
|
|
下墊面解析 |
匯水區(qū)面積/流長 |
GIS空間統(tǒng)計(jì) |
|
匯水區(qū)坡度 |
GIS表面分析 |
|
|
匯水區(qū)不透水百分比 |
GIS下墊面監(jiān)督分類，利用光譜特征對下墊面分類 |
|
|
附屬設(shè)施運(yùn)行規(guī)則 |
泵站 |
調(diào)研泵站性質(zhì)、水泵工作曲線及啟停水位 |
|
堰 |
測量堰頂標(biāo)高及寬度 |
|
|
旱流污水 |
測量小區(qū)居民生活污水的日變化曲線 |
|
|
面源污染 |
濕沉降濃度 |
依據(jù)《鎮(zhèn)江市面源污染控制研究課題-鎮(zhèn)江市面源污染的特征及排放總量》 |
|
累計(jì)沖刷系數(shù) |
實(shí)測降雨率定后參數(shù) |
|
|
收納水體水位 |
水文站測量數(shù)據(jù) |
|
|
降雨情景 |
24h降雨歷時(shí)P.C.雨型分布 |
下墊面解析、旱季污水日變化及降雨雨型分別如下圖所示：
下墊面解析圖
旱流污水日變化曲線
24小時(shí)降雨歷時(shí)P.C.雨型分布
3.1.5模型參數(shù)率定與關(guān)聯(lián)耦合
模型參數(shù)率定：篩選出靈敏度比較高的參數(shù)，在模型分析過程中盡量提高這些參數(shù)的準(zhǔn)確度，對于其他靈敏度較低的參數(shù)，可以采用經(jīng)驗(yàn)值，這樣可有效提高模型率定和驗(yàn)證的效率。
模型關(guān)聯(lián)耦合：根據(jù)匯水區(qū)和管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建水文和水動(dòng)力的耦合模型，再結(jié)合輸出的排口的污染物負(fù)荷與金山湖水質(zhì)穩(wěn)態(tài)質(zhì)量平衡分析法進(jìn)行耦合，通過金山湖水環(huán)境容量推出需要控制的污染負(fù)荷。
模型參數(shù)來源：鎮(zhèn)江水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)匯整
SWMM水量吻合度分析
SWMM水質(zhì)吻合度分析
HEC-RAS模型率定
EFDC模型率定
3.2系統(tǒng)論證步驟——TMDL實(shí)施步驟
基于“總量控制”的污染物負(fù)荷削減及徑流控制的思路，旨在從水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)出發(fā)，以受納水體對某種污染物的最大允許排放量為依據(jù)，確定污染物的最大排放負(fù)荷，從而對污染源進(jìn)行有效管控。TMDL的實(shí)施步驟如下：
3.2.1問題識別與功能用途
實(shí)施要點(diǎn)：監(jiān)測水體水質(zhì)指標(biāo)，明確現(xiàn)狀水質(zhì)存在問題；水體定位，明確水體功能要求。
鎮(zhèn)江水質(zhì)監(jiān)測站對金山湖水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果表明，金山湖全年長時(shí)間呈現(xiàn)富營養(yǎng)狀態(tài)，與此同時(shí)，金山湖作為應(yīng)急備用水源地，TP濃度明顯高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中湖泊III類水規(guī)定的限值（0.05mg/L），因此，需通過削減金山湖的TP污染負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)金山湖水質(zhì)目標(biāo)。
3.2.2確定水質(zhì)管理區(qū)
實(shí)施要點(diǎn)：明確水體治理范圍的邊界，并掌握水質(zhì)管理區(qū)的地形特征。
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(qū)運(yùn)糧河、古運(yùn)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(dá)8.8km2。水位常年穩(wěn)定在3.8～4.2m，金山湖水質(zhì)管理區(qū)及湖底高程分布如下：
3.2.3調(diào)查污染源
實(shí)施要點(diǎn)：明確水體治理范圍內(nèi)污染源數(shù)量、類型及位置，確定污染負(fù)荷及水質(zhì)評價(jià)因子；根據(jù)監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)，確定代表性強(qiáng)的評價(jià)因子作為控制因素。
湖泊水質(zhì)惡化通常表現(xiàn)為富營養(yǎng)化，而N、P是影響湖泊藻類生長的主要養(yǎng)分，根據(jù)謝家國等采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TLI）對金山湖的評估，表明TP為污染物第一主成分因子。再結(jié)合阿爾塔蒙特水庫案例中評價(jià)因子的選擇，最終金山湖TMDL計(jì)劃確定以TP作為水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)。
金山湖沿線排口TP溢流污染負(fù)荷模擬
3.2.4計(jì)算水環(huán)境容量
實(shí)施要點(diǎn)：明確以環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并結(jié)合自然特征可承受的最大污染物負(fù)荷，即水環(huán)境容量。
采用穩(wěn)態(tài)質(zhì)量平衡分析法，計(jì)算金山湖水環(huán)境容量，使用輸入系數(shù)或觀測數(shù)據(jù)計(jì)算進(jìn)入水體的負(fù)荷，并根據(jù)污染物的歸趨及轉(zhuǎn)輸計(jì)算相應(yīng)的水體濃度。
根據(jù)金山湖水質(zhì)控制目標(biāo)需滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中規(guī)定的III類水標(biāo)準(zhǔn)，即TP需控制在0.05mg/L。因此，通過TP穩(wěn)態(tài)平衡方程，得出每年TP排入金山湖的控制量。
3.2.5分配污染負(fù)荷
實(shí)施要點(diǎn)：依據(jù)排口所屬匯水區(qū)，結(jié)合匯水區(qū)現(xiàn)狀特征，合理分配匯水區(qū)允許排放的污染負(fù)荷量；根據(jù)匯水區(qū)工程的可行性、落地性和經(jīng)濟(jì)性綜合分配污染負(fù)荷。
金山湖TMDL管制控制污染負(fù)荷見下表所示：
金山湖控制性工程允許TP排放量（噸/年）
|
水環(huán)境容量 |
安全臨界值（MOS） |
點(diǎn)源允許污染負(fù)荷（WLAs） |
|
3.82 |
0.38 |
3.44 |
|
無法控制污染負(fù)荷 |
可控制污染負(fù)荷 |
|
|
2.93 |
≤0.51 |
其中：①3.82噸/年：金山湖水環(huán)境TP的環(huán)境容量；②0.38噸/年：安全臨界值（MOS）；③3.44噸/年：允許的點(diǎn)源及面源污染負(fù)荷；④2.93噸/年：經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研后評估OF-9~OF-12四處排口難以進(jìn)行收集處理，經(jīng)模型模擬該處排口2007年—2016年年均排入金山湖的TP污染總量為2.93噸/年；⑤0.51噸/年：經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研后評估OF-1~OF-8八處排口可進(jìn)行收集、凈化，經(jīng)計(jì)算后排入金山湖TP污染量不能超過0.51噸/年，才能滿足金山湖水環(huán)境容量要求。
由TMDL計(jì)劃分配污染負(fù)荷的結(jié)果，再結(jié)合模型模擬OF-1~OF-8排口2007年—2016年年均排入金山湖的TP污染總量，可求得OF-1~OF-8排口需要控制的TP污染負(fù)荷。
金山湖服務(wù)范圍內(nèi)排口現(xiàn)狀流量及TP污染量
|
排口 |
編號 |
性質(zhì) |
年均溢流量（萬m3） |
年均TP溢流污染量（kg） |
|
新河橋 |
OF-3 |
CSO |
8.72 |
50.25 |
|
江南 |
OF-1 |
CSO |
42.5 |
257.63 |
|
迎江路 |
OF-4 |
CSO |
62.9 |
341.37 |
|
平政橋 |
OF-5 |
CSO |
150.9 |
780.81 |
|
解放路 |
OF-6 |
CSO |
138.9 |
807.76 |
|
北固大涵 |
OF-7 |
CSO |
49.2 |
275.41 |
|
江濱 |
OF-8 |
CSO |
99.5 |
596.42 |
|
新河橋西 |
OF-2 |
雨水 |
6.3 |
33.23 |
|
總計(jì) |
558.92 |
3142.88 |
在滿足金山湖TP水環(huán)境容量，結(jié)合現(xiàn)狀TP溢流污染量，可知需削減上述排水TP的污染物總量為2.63噸/年。在此，將徑流污染控制量折算為徑流控制量，便于系統(tǒng)工程規(guī)模設(shè)計(jì)。
通過年均降雨濃度（AMC）進(jìn)行徑流污染及徑流量的計(jì)算得出：TP的AMC值為0.56mg/L。在此基礎(chǔ)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(jìn)入金山湖。
在金山湖區(qū)域年均降雨量為1047.4萬m3/年時(shí)，得出本工程需滿足其服務(wù)片區(qū)內(nèi)年徑流總量控制率為91.3%，其對應(yīng)服務(wù)片區(qū)日設(shè)計(jì)降雨量為60mm。
在設(shè)計(jì)降雨量60mm的P.C雨型分布情景下進(jìn)行水質(zhì)水力模擬，根據(jù)沿金山湖各排口流量之和過程線，得出總流量為26.82萬m3。
本工程系統(tǒng)控制指標(biāo)表
|
類型 |
數(shù)值 |
|
OF-1~OF-8排口可排放TP污染負(fù)荷 |
≤0.51t/y |
|
OF-1~OF-8排口現(xiàn)狀年均排放量 |
558.92萬m3/y |
|
OF-1~OF-8排口現(xiàn)狀年均TP污染負(fù)荷 |
3.14t/y |
|
OF-1~OF-8排口需要控制污染負(fù)荷 |
2.63 t/y |
|
TP年均降雨徑流濃度（AMC） |
0.56 mg/L |
|
OF-1~OF-8排口折合控制年均排放量 |
467.82萬m3/y |
|
OF-1~OF-8排口允許至金山湖排放量 |
91.1萬m3/y |
|
服務(wù)范圍內(nèi)年均降雨量 |
1047.4萬m3/y |
|
服務(wù)范圍內(nèi)年徑流總量控制率 |
91.3% |
|
對應(yīng)設(shè)計(jì)日降雨量 |
60mm |
|
徑流控制能力 |
26.8萬m3 |
綜上所述，以TMDL作為管控手段，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研的評估結(jié)果，再依據(jù)模型模擬的計(jì)算手段，得出需控制金山湖沿線排口的排放量，即TP污染負(fù)荷削減，即可實(shí)現(xiàn)金山湖水質(zhì)目標(biāo)要求。
3.3系統(tǒng)規(guī)模計(jì)算分析
根據(jù)構(gòu)建的水力水質(zhì)模型，進(jìn)行末端多功能泵站、處理設(shè)施以及各入流豎井規(guī)模論證和優(yōu)化。
3.3.1末端多功能雨水泵站規(guī)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(biāo)雨水的排放功能。
最終確定末端多功能雨水泵站設(shè)計(jì)規(guī)模如下：排澇泵組為30m3/s，排空泵組為5萬m3/d。
3.3.2水質(zhì)處理設(shè)施規(guī)模論證
采用污染物總量管制理念，分析得出日徑流控制能力需滿足26.8萬m3/d，扣除現(xiàn)狀征潤州污水處理廠雨污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(jìn)行生態(tài)化處理徑流量。
水質(zhì)處理設(shè)施規(guī)模論證
3.3.3入流豎井規(guī)模論證
沿金山湖CSO截流管道的入流豎井尺寸確定取決于其入流峰值流量，即該管道入流豎井設(shè)計(jì)流量。根據(jù)本工程功能定位（以削減服務(wù)范圍內(nèi)的CSO為主，兼顧提高排澇、調(diào)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(guī)模模擬分析
4
結(jié)論與建議
（1）我國水環(huán)境正面臨嚴(yán)峻的污染問題，治理水環(huán)境污染問題刻不容緩。制定合理、科學(xué)且有效的治理方針，是解決水環(huán)境問題的根本�；赥MDL的“總量控制”方案是保障水環(huán)境長治久清的治理思路。耦合模型作為實(shí)施TMDL計(jì)劃的輔助決策手段，可為工程規(guī)模提供量化依據(jù)。
（2）本研究通過構(gòu)建鎮(zhèn)江市沿金山湖系統(tǒng)模型，通過模型與歷年降雨數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合污染物總量管制理念與技術(shù)（TMDL），提出相應(yīng)的污染物控制及對應(yīng)徑流控制目標(biāo)，依據(jù)此目標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)處理工況及規(guī)模設(shè)計(jì)。
（3）通過水力水質(zhì)模型優(yōu)化確定了鎮(zhèn)江沿金山湖CSO污染綜合治理工程的末端多功能雨水泵站、水質(zhì)處理設(shè)施以及入流豎井的設(shè)計(jì)規(guī)模，為工程設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。
專題研究聯(lián)合工作營團(tuán)隊(duì)
項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人：劉緒為 徐保祥
中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司
蔣平、王浩正、盛政、方帥、張磊、宋曉陽、袁勝楠、王艷芳、黃意兵、王強(qiáng)、張英旭、李彤、于中海、白永強(qiáng)、許懷奧、季小益
新地中聯(lián)工程設(shè)計(jì)有限公司
郭佳、彭東升、趙吉、蘇德慧
中國水利水電科學(xué)研究院
張東、王志剛、章晉雄、陳文創(chuàng)、張宏偉、張文遠(yuǎn)、張蕊、高建標(biāo)、項(xiàng)亞萍、胡順
江蘇滿江春城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司
傅源、穆軍偉、湯燕
編輯：劉貴春
微信制作：文凱
審核：李德強(qiáng)
