技術分享|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，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(tǒng)性建設方案進行模擬評估，優(yōu)化確定系統(tǒng)工程的建設規(guī)模，最終實現(xiàn)金山湖流域的水環(huán)境改善、水安全提升目標。
金山湖流域老城區(qū)水環(huán)境、水安全問題
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研究技術路線
鎮(zhèn)江金山湖流域老城區(qū)水環(huán)境改善技術路線：
首先確定金山湖水環(huán)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(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)狀排水管網能力分析，對比建設目標和現(xiàn)狀，對現(xiàn)狀存在缺口的，進行工程系統(tǒng)性方案規(guī)劃，進一步通過水力水質模型優(yōu)化工程建設規(guī)模和實施效果評估，最終確定工程建設方案。
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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污染物的最大日負荷量，包括點源和非點源的污染負荷分配，同時要考慮安全臨界值和季節(jié)性的變化，從而采取適當的污染控制措施來保證目標水體達到相應的水質標準”。其目標是識別具體污染控制單元及其土地利用狀況，對單元內點源和非點源污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(zhí)行最好的流域管理計劃。
引入TMDL流域水環(huán)境治理理念，采用模型定量評估，確定污染負荷總量削減指標，分配各流域污染負荷，優(yōu)化治理方案；通過“評估、設計、執(zhí)行、檢測、評價、調整”等適應性管理措施建立持久的水環(huán)境治理機制，探索城市水環(huán)境生態(tài)修復新路徑。
TMDL技術應用主要側重的方面：
- 制定TMDL排水分區(qū)管理計劃，結合水質目標要求合理分配污染物負荷；
- 根據污染負荷分配方案的分解，提出排水分區(qū)治理系統(tǒng)的工程建設方案；
- 注重LID與傳統(tǒng)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(xié)同海綿城市、排水防澇、城市防洪等城市規(guī)劃建設工作，共同開展排水分區(qū)治理。
TMDL應用模型的概念框架圖
2.2水環(huán)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模型用于評估徑流控制成效、面源污染削減成效和內澇防治成效；HECRAS模型通過閘站操作優(yōu)化、堤壩改善等進行防洪成效評估、河流水質變化評估；EFDC模型用于模擬湖體水質變化情況。
鎮(zhèn)江市水環(huán)境模型應用區(qū)域及模型耦合框架如下：
鎮(zhèn)江市水環(huán)境模型應用區(qū)域圖
鎮(zhèn)江市水環(huán)境模型耦合架構
EFDC模型與SWMM模型連接
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工程系統(tǒng)論證方法及步驟
3.1系統(tǒng)模型構建步驟
3.1.1基礎資料收集整理
在系統(tǒng)模型構建之前，需要對地形數據、衛(wèi)星遙感數據、土地利用數據、排水管網系統(tǒng)數據、降雨數據等進行收集整理、格式轉換、分析匯總并建立數據庫，便于查閱分析和數據檢索。
3.1.2排水系統(tǒng)拓撲結構搭建與簡化
根據研究區(qū)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(tǒng)拓撲結構圖如下：
排水系統(tǒng)拓撲結構的搭建規(guī)則如下：
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拓撲狀態(tài) |
修正手段 |
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管段孤立 |
檢查、核實就近上下游有無節(jié)點 |
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管段缺失 |
結合上下游管段信息補充管道信息 |
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參數缺失 |
進行現(xiàn)場勘測或者簡化處理 |
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管道反向 |
通過上下游分析查詢并修改 |
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管道逆坡 |
核實實際存在的逆坡，修正錯誤數據 |
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無附屬設施連接關系 |
現(xiàn)場核實泵、堰及排口等附屬設施與管網系統(tǒng)的空間關系 |
考慮研究區(qū)域水文參數和管網服務范圍的空間差異，需將區(qū)域劃分為匯水區(qū)進行研究，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和搭建的排水管網系統(tǒng)進行詳細匯水區(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。
►排水管網系統(tǒng)劃分：根據街道下敷設的市政管網劃分以建筑為單元的匯水區(qū)。
3.1.4模擬參數的識別和建立
結合排水系統(tǒng)和匯水區(qū)，對匯水區(qū)進行下墊面解析、對排水系統(tǒng)進行規(guī)則控制、對旱流污水進行分配、設置面源污染參數、設置邊界參數和選擇降雨情景，模型參數的識別手段如下：
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模擬參數 |
識別手段 |
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下墊面解析 |
匯水區(qū)面積/流長 |
GIS空間統(tǒng)計 |
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匯水區(qū)坡度 |
GIS表面分析 |
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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 |
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附屬設施運行規(guī)則 |
泵站 |
調研泵站性質、水泵工作曲線及啟停水位 |
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堰 |
測量堰頂標高及寬度 |
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旱流污水 |
測量小區(qū)居民生活污水的日變化曲線 |
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面源污染 |
濕沉降濃度 |
依據《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》 |
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累計沖刷系數 |
實測降雨率定后參數 |
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收納水體水位 |
水文站測量數據 |
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降雨情景 |
24h降雨歷時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小時降雨歷時P.C.雨型分布
3.1.5模型參數率定與關聯(lián)耦合
模型參數率定：篩選出靈敏度比較高的參數，在模型分析過程中盡量提高這些參數的準確度，對于其他靈敏度較低的參數，可以采用經驗值，這樣可有效提高模型率定和驗證的效率。
模型關聯(lián)耦合：根據匯水區(qū)和管網系統(tǒng)構建水文和水動力的耦合模型，再結合輸出的排口的污染物負荷與金山湖水質穩(wěn)態(tài)質量平衡分析法進行耦合，通過金山湖水環(huán)境容量推出需要控制的污染負荷。
模型參數來源：鎮(zhèn)江水環(huán)境監(jiān)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(tǒng)論證步驟——TMDL實施步驟
基于“總量控制”的污染物負荷削減及徑流控制的思路，旨在從水環(huán)境保護目標出發(fā)，以受納水體對某種污染物的最大允許排放量為依據，確定污染物的最大排放負荷，從而對污染源進行有效管控。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(jiān)測水體水質指標，明確現(xiàn)狀水質存在問題；水體定位，明確水體功能要求。
鎮(zhèn)江水質監(jiān)測站對金山湖水質的監(jiān)測結果表明，金山湖全年長時間呈現(xiàn)富營養(yǎng)狀態(tài)，與此同時，金山湖作為應急備用水源地，TP濃度明顯高于《地表水環(huán)境質量標準》（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污染負荷，實現(xiàn)金山湖水質目標。
3.2.2確定水質管理區(qū)
實施要點：明確水體治理范圍的邊界，并掌握水質管理區(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(wěn)定在3.8～4.2m，金山湖水質管理區(qū)及湖底高程分布如下：
3.2.3調查污染源
實施要點：明確水體治理范圍內污染源數量、類型及位置，確定污染負荷及水質評價因子；根據監(jiān)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(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，根據謝家國等采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法（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溢流污染負荷模擬
3.2.4計算水環(huán)境容量
實施要點：明確以環(huán)境質量標準為基礎，并結合自然特征可承受的最大污染物負荷，即水環(huán)境容量。
采用穩(wěn)態(tài)質量平衡分析法，計算金山湖水環(huán)境容量，使用輸入系數或觀測數據計算進入水體的負荷，并根據污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(huán)境質量標準》（GB3838—2002）中規(guī)定的III類水標準，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分配污染負荷
實施要點：依據排口所屬匯水區(qū)，結合匯水區(qū)現(xiàn)狀特征，合理分配匯水區(qū)允許排放的污染負荷量；根據匯水區(qū)工程的可行性、落地性和經濟性綜合分配污染負荷。
金山湖TMDL管制控制污染負荷見下表所示：
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） |
點源允許污染負荷（WLAs） |
|
3.82 |
0.38 |
3.44 |
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無法控制污染負荷 |
可控制污染負荷 |
|
|
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：允許的點源及面源污染負荷；④2.93噸/年：經現(xiàn)場調研后評估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污染總量為2.93噸/年；⑤0.51噸/年：經現(xiàn)場調研后評估OF-1~OF-8八處排口可進行收集、凈化，經計算后排入金山湖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計劃分配污染負荷的結果，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污染總量，可求得OF-1~OF-8排口需要控制的TP污染負荷。
金山湖服務范圍內排口現(xiàn)狀流量及TP污染量
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排口 |
編號 |
性質 |
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 |
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江南 |
OF-1 |
CSO |
42.5 |
257.63 |
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迎江路 |
OF-4 |
CSO |
62.9 |
341.37 |
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平政橋 |
OF-5 |
CSO |
150.9 |
780.81 |
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解放路 |
OF-6 |
CSO |
138.9 |
807.76 |
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北固大涵 |
OF-7 |
CSO |
49.2 |
275.41 |
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江濱 |
OF-8 |
CSO |
99.5 |
596.42 |
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新河橋西 |
OF-2 |
雨水 |
6.3 |
33.23 |
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總計 |
558.92 |
3142.88 |
在滿足金山湖TP水環(huán)境容量，結合現(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)模設計。
通過年均降雨濃度（AMC）進行徑流污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(qū)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(qū)內年徑流總量控制率為91.3%，其對應服務片區(qū)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。
本工程系統(tǒng)控制指標表
|
類型 |
數值 |
|
OF-1~OF-8排口可排放TP污染負荷 |
≤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污染負荷 |
3.14t/y |
|
OF-1~OF-8排口需要控制污染負荷 |
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 |
|
服務范圍內年均降雨量 |
1047.4萬m3/y |
|
服務范圍內年徑流總量控制率 |
91.3% |
|
對應設計日降雨量 |
60mm |
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徑流控制能力 |
26.8萬m3 |
綜上所述，以TMDL作為管控手段，結合現(xiàn)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污染負荷削減，即可實現(xiàn)金山湖水質目標要求。
3.3系統(tǒng)規(guī)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(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雨水的排放功能。
最終確定末端多功能雨水泵站設計規(guī)模如下：排澇泵組為30m3/s，排空泵組為5萬m3/d。
3.3.2水質處理設施規(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截流管道進行生態(tài)化處理徑流量。
水質處理設施規(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計流量。根據本工程功能定位（以削減服務范圍內的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(guī)模模擬分析
4
結論與建議
（1）我國水環(huán)境正面臨嚴峻的污染問題，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。耦合模型作為實施TMDL計劃的輔助決策手段，可為工程規(guī)模提供量化依據。
（2）本研究通過構建鎮(zhèn)江市沿金山湖系統(tǒng)模型，通過模型與歷年降雨數據分析，并結合污染物總量管制理念與技術（TMDL），提出相應的污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(guī)模設計。
（3）通過水力水質模型優(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、水質處理設施以及入流豎井的設計規(guī)模，為工程設計提供了重要依據。
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編輯：劉貴春
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