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城市河道管网建设及区域水质控制数值模拟

2025-02-17 48 上传者：管理员

摘要：为对研究地区区域水质污染控制和河道管网建设数据分析等问题进行分析，文章搭建了新的暴雨管理模型，并对数据进行模拟。研究结果表明：污染物在降雨1～2h内达到最高值，数据模拟误差小于15%。河道管网规划前后水系的扩散系数更接近1,同时2个水系的衰减系数在建设后都有所增加。由此可见，使用暴雨管理模型能够对区域的河道管网建设和水质控制进行模拟分析，这对区域水质控制和河道管网建设的研究有很好的研究价值。

关键词：
大生态环境
数据模拟
水质污染
河道管网
衰减系数
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随着城市化进程的加速,城市河道和排水系统面临着前所未有的挑战,尤其是在区域水质控制和管网建设方面[1]｡在当前的城市化发展背景下,城市河道管网的建设和区域水质控制成为当前重要的研究方向[2]｡随着城市规模的扩大和工业活动的增加,城市河道面临着严重的污染和管理挑战,这直接影响到城市居民的生活质量和城市可持续发展｡暴雨管理模型(stormwatermanagementmodel,SWMM)作为一款广泛应用于城市排水和河道水质管理的模型,提供了一个有效的数据分析平台,用于模拟和评估各种雨水管理策略和设施[3]｡基于此,此次研究采用高效的数值模拟工具对城市水系进行分析和管理,此次研究使用SWMM对城市河道管网建设及区域水质控制进行了数值模拟研究和分析｡通过实际案例对河道管网和水质进行控制分析,搭建了新的SWMM数据模拟模型进行数据分析,以此提升对区域水质的数据分析控制能力｡

1、城市概况与区域水质控制分析

1.1管网铺设现状

研究基于某市现场调查资料对河道管网建设进行分析研究｡该市位于长江中下游地段,整体的位置地形属于南北朝向较长,东西的朝向较短,长江直接贯穿其东西区域｡该区域与主城区隔山相望,地理位置极佳｡其主要行政规划面积约4.02km2,主要用地为建筑性小区,其中绿化面积约1.54km2｡该地区的地貌走势属于南高北低大多数属于丘陵地带,区域海拔在50~250m范围内｡该地区属于中纬度地区,气候情况属于亚热带季风气候,全年降水量充足,主降水时间集中在6—7月,平均降水量约为1100mm,全年日照时间充足,平均气温约为16.2℃｡

该地区的河道管网建设主要采用底泥清淤的方式,对水系中的污染情况进行治理,将水域进行引流阻碍污染的方式,河道管网的改造治理全长6.2km｡城市道路是当前城市建设的重要设施｡由于城市道路的使用大量车排放的尾气会直接被河道吸收,造成河道的污染主要包括碳氧化合物､氮氧化物和重金属污染等｡同时道路由于雨水导致路面污染进入河道使其河道生态造成污染,因此对于路面道路和河道雨水的改善需要多方面进行治理｡当前区域河道雨水排放治理流程,如图1所示｡

由图1可见,在道路产生雨水后,道路的机动车道和非机动车道的部分雨水,经过道路的牙口部分流入雨水排污口,并进入雨水管道最终流入附近河道｡人行横道部分的雨水,通过地下水的渗透和蒸腾进入循环,未进入循环的剩余一部分雨水,通过溢流,进入雨水管道,最后进入河道区域｡通过雨水设施规划后,当前区域的基本排流分制已规划完成｡当前城市河道管网雨水管网的铺设范围为DN500-DN1600,管道埋设深度1.5~2.0m,管网的铺设管为钢筋混凝土管道,管网主要铺设范围为城市道路车道下,管网的铺设暴雨重现期限为2~3年,雨水的径流主要为顺坡进入雨水管网排入河道区域｡

图1当前区域河道雨水排放治理流程

1.2水质控制监测分析与方法

根据HJ91.2—2022《地表水环境质量监测技术规范》,规定对当前研究区域的3个水系部分河道水质进行监测,对当前检测的横截面进行布控｡布控需要反映当前横截面水域的水质空间,位置必须独特且具有典型性,同时需要考虑当前监测断面的实际可操作性和监测的便利性｡根据标准在北部水系､南部水系和北部第二水系的上中下游分别布置一个监测断面,总计9个断面｡由于城市河道的水质监测缺乏长时间的数据采集信息,因此对其进行水质的监测现场采样,水质的监测频率选择1次/wk,将河道中的污染程度作为当前河道水质标准[4],如出现降雨情况,则为1次/0.5h断面和排洪口的采样监测｡

由于河道水质环境受到不同的污染影响,因此污水的评测标准使用综合污染指标法进行评测｡河道当前的污染指标的作用大小不同和不确定时,通过对污染指标实行平均计算的方式将污染物的浓度大小和污染标准的比值进行加减,并取当前的平均值作为环境质量的总和污染指标大小[5]｡当计算的总和污染指标小于1时,则当前区域的河道水质能够达到地表水的标准,若计算出的综合污染指标大于1时则表明此时的区域的河道水质的标准未达到地表水标准｡综合污染指标法,计算公式[6]:

式中,Ij—在j点处的各项污染指标的综合指标;Ci,j—在j监测点处的指标物i的实际监测浓度,mg/L;Si,j—在j监测点处的指标物i的实际评价指标浓度,mg/L｡

2、河道管网建设和水质控制分析SWMM模型搭建

SWMM模型主要是一种可视化模拟分析模型,其可视化主要是将点､线､面3个部分进行组成模拟分析,之后通过计算机的图解和界面模块,对数据进行交互和分析[7]｡SWMM模型的示意图如图2所示｡

图2SWMM模型的示意图

由图2可见,界面模块控制当前模拟的文件输入和数据的输出调用｡计算机图解和引擎模块主要是对河道和水质数据的模拟分析[8]｡通过生成结果文件和报告文件进行图形的生成和数据模拟分析｡SWMM模型能够将河道管网的不同水系进行划分,将一些子区域水域划分为一个单独的区域水库[9]｡同时区域水域可划分为渗透地表和不渗透地表,每个部分都需要按照比例进行设置｡当该区域发生降雨时,降雨强度大于渗透和蒸发强度时,该区域的降雨会产生聚集通过河道管网流入河道内｡当各个区域的水流经过汇集进入河道和雨水网管,之后的水流网管部分就需要对模型的流量进行传输和流转,因此SWMM模型针对河道管网提供多个降水模型｡其中包括运动波､水流的稳定状态流动和水流的动态运动状态流动｡其中水流的动态运动状态模型,使用有限元差分的形式进行离散分析,计算公式[10]:

式中,Q—管网的水流流量,m2/s;A—水流的截断面积大小,m2;t—时间长短,s;x—水流的长度,m;q—侧向流入的水流大小,m2/s;H—水流的初始水流大小,m2/s;g—重力加速度大小;St—摩擦阻力的比值｡

针对河道水质的模拟分析,主要是对当前降水或其他活动带来的污染物模拟分析｡模型能够通过增添不同的污染物组合,使得具备更多的污染物冲刷功率和积累｡一般来说,需要通过模型将一些水域进行划分,如绿地､道路和建筑物等｡但由于研究区域属于居民区,因此在划分时按照当地区域属性进行划分[11]｡

污染物在旱季主要由颗粒物和尘埃沉积构成;SWMM模型能够通过线性或非线性方式模拟污染物的累积过程,直至达到峰值｡同时模型提供4种不同的污染物增长模拟方程,包括幂函数方程､指数函数方程､饱和度函数方程,以及外部时间序列方程,从而更精确地模拟和预测污染物在下垫面的累积过程｡对于污染物的流动过程的模拟,是定量的雨水通过流动侵害作用对当前地面造成污染的消融和流动的模拟分析,因此对于冲刷过程的模拟模型需要使用指数函数､事件均值函数和额定曲线3个方程进行模拟分析｡由于指数函数方程能够对区域污染物的积累和腐蚀的影响进行分析,因此模型选择指数函数方程进行冲刷过程的模拟[12]｡由于城市区域中通常会由一些垃圾清理车和洒水车对污染物进行清理,这会导致该区域的污染物减少,因此在数据模拟过程中SWMM模型通过对道路进行清扫和模拟,来实现实际情况的污染物清理过程,设置当前的清扫频率为1次/d,污染去除情况为0.7｡

在构建SWMM模型时,划分汇水分区是关键步骤,这直接影响模拟结果的准确性｡子汇水分区的划分应尽量符合实际排水特征情况,以提升模型的准确率[13]｡模型在进行特征分析模拟时,通过使用程序软件,将卫星网络坐标下的河道高程图转化为均衡的坡度数据｡有效的参数初始化应保持一致性､全覆盖性和合理性,模型参数的初始化主要依靠包括3个方面:实际测量的数据､图纸资料,SWMM用户手册中的经验值和文献资料｡特别是土地利用性质,作为下垫面情况的重要依据,对水量相关的子汇水分区参数的确定起着关键作用｡而不同下垫面的表面和水质性质的差异,如河道的表面结构和污染物组成,也需要在模型中得到精确处理,以提高模型的精细化程度｡为此通过对模型的设置和方程的使用构建完整的城市区域河道管网模型和水质数据模拟模型｡

3、管网建设及水质控制结果

对河道管网建设的河道水污染情况进行模拟分析使用SWMM模型,将同年内的2场降雨进行污染物分析,选择20220711和20221015进行分析模型,将可查询的降雨强度输入模型中进行参数的选择和验证,污染物参数模拟分析结果如图3所示｡

通过模型的模拟分析能够得到当年该时间降雨的污染物变化曲线如图3所示｡从图3中可知,实际值和模拟值都在合理的范围内｡通过降雨的时间和污染物的大小对其进行分析,同时使用公式对污染物进行计算分析,可知当前的化学需氧量､氨氮､总磷和总氮的最高污染值出现在降雨1~2h内,其模拟值和实际值的误差大小在当前可允许范围内｡这说明河道的污染物变化都在降雨出现前后发生变化,模型模拟的情况较为贴近真实情况｡对20221015的降雨情况进行分析,如图4所示｡

由图4可见,模拟的结果曲线和真实结果曲线较为接近,模拟值能够大概反映出当天降雨情况时河道污染情况｡河道水质的污染物情况大致在降雨1h后开始出现升高,在降雨时间较长后达到降雨前水平｡这说明当天的降雨情况在降雨之前一些污染物会排入河道中,时间较长后会通过河道的水流降低当前区域的污染物｡同时对4个污染物指标进行模拟和误差分析,使用算法公式进行计算｡最后发现当前4种污染物的平均绝对误差值分别为9.8%､7.3%､9.2%和13.6%,小于15%较为符合当前的模拟测试结果｡为测试当前对河道管网进行建设前后河道径流量的变化情况,将建设前后流径量和超载情况进行对比分析,如图5所示｡

由图5可知,在管网建设前后河道的径流量和超载情况都随着不同的降雨出现天数的增加而增加｡但对河道管网建设后其河道水径流量和管网个数都有所降低,这对当前管网的建设和区域的规划都有所帮助｡同时在对比管网建设前后的区域的河道管网径流变化和管网建设比例时,发现当前的径流量与建设之前最大相差79×103m3,最大管网铺设相差150个管网数｡这说明使用河道管网建设后对河道的径流量和管网铺设等有很大改善｡为对比当前模拟测试后3个水系的污染情况,将模拟结果进行分析研究,见表1｡

图3降雨20220711污染物模拟分析结果

图4降雨20221015污染物模拟分析结果

图5河道管网建设前后径流量和超载情况对比

表13个水系的污染物测试模拟值

污染物的扩散系数表示当前模型模拟效果,其系数越接近1则表示其效果越好｡由表1可知,3个水系在规划后其扩散系数的大小越接近1｡这说明加入河道管网规划后其模拟的模型效果更好｡衰减系数越大说明当前污染物的污染指数衰减得越大,由表可知除南部水外,其他2个水系的衰减系数在建设后衰减系数都有所增加,其中降低值最大为0.006d｡而南部水系污染系数前后有所增加,其中最大增加值为0.004d｡这说明南部水系在建设前后污染物的衰减有所增加,建设对南部水系产生了负面影响｡

4、结论

研究使用SWMM模型对河道管网建设和河道水质污染进行分析,搭建了基于SWMM模型的河道管网和水质控制的数据模拟｡之后通过使用SWMM模型对河道管网建设前后和水质变化进行数据模拟分析对当前地区区域的河道现状进行了分析测试｡研究结果表明,污染物在降雨1~2h内达到最高值,数据模拟误差小于15%｡建设前后流径量和管网数最大相差79×103m3和150个｡河道管网规划前后,水系的扩散系数越接近1除南部水系外,其他2个水系的衰减系数在建设后都有所增加｡此次研究虽然取得了不少成果,但后续还需要增加更多的实验数据进行分析对比,以验证研究结果的普遍性｡

参考文献:

[1]王妍,朱桂娥,朱勇,等.平原河网城市管网排水能力影响因素模拟研究[J].水电能源科学,2023,41(10):115-118.

[2]蔡乾凌,袁园,章亮,等.沿江某城市建成区污水处理系统问题分析及对策研究[J].中国给水排水,2023,39(18):9-14.

[3]王婷婷,韩迅.基于SWMM模型的成都市降雨-径流响应研究[J].水利规划与设计,2024(5):41-47.

[4]张震,杨港,汪银龙.基于排水系统提升改造的老旧城区黑臭水体整治[J].环境工程,2023,41(12):209-212.

[5]黄若琳,王锣洋,潘骁骏,等.低影响开发设施组合下的城市雨洪调控情景模拟研究[J].水利水电技术(中英文),2024,55(4):22-35.

[6]金浩轩,金小勇,陈峰.内河河道水质长期治理与监测方法应用研究[J].人民黄河,2022,44(3):62-64.

[7]靳伟,赵军伟,孙健,等.山区河流倒灌引发管网溢流洪水数值模拟研究[J].中国农村水利水电,2022,45(11):77-82.

[8]孟莹莹,赵天明,周建,等.管网河道耦合的排水系统运营风险分析及治理措施[J].环境污染与防治,2022,44(1):123-128.

[10]褚继菊.水质监测中的常用微生物检测技术及控制要点探[J].地下水,2022,44(3):109-110.

[11]倪冬生.城区河段水生态修复与治理模式研究:以妫水河世园段为例[J].地下水,2021,43(6):135-136.

[13]陈丽群.基于SWMM模型的雨水调蓄池优化设置研究[J].水利技术监督,2023(2):185-189