平原河网水动力优化调度与水环境改善的响应关系研究

平原河网河道流动性较差是引起水环境污染严重的主要原因,引调水是改善平原河网地区水环境的重要措施之一。本文以佛山市三山围为例,基于实测资料构建了河网水动力水质耦合模型,采用15天的连续水动力水质监测数据对模型进行了验证,并将NSE和RMSE模型评价指标用于模型评价。同时结合地势、潮汐规律和景观水位等设计了4种闸控模式和7种景观控制水位,共28种模拟工况,模拟分析了不同条件下的水动力水质改善与内外江潮位变化、引排水流量及其空间分布、闸控方式和景观水位等综合响应机理。结果表明:构建的模型合理可靠。研究区域受引排水路径的影响,河道流动性差异较为显著。综合考虑河道流量分布、水流路径、分汊河道分流作用和外江污染物浓度等对河道水质的作用效果并有效结合潮汐河网的动态水环境容量和污染源排放的时空分布对水环境的改善作用将非常显著。与低景观控制水位相比,高景观控制水位的内江动态水环境容量相对较大,污染物浓度较低。景观控制水位从0.2 m上升至0.8 m时,不同引调水路径的引水流量上升28.00%~64.70%,断面氨氮浓度削减了0.85~5.50 mg/L,削减比例达到28.89%~67.23%。本研究为平原潮汐河网水环境优化调度研究提供了新的思路,为相关部门对平原河网的水环境改善提供了重要的参考。

基于SWMM的水位和降雨对感潮河段水质影响分析——以佛山五福围片区为例

为探究水位和降雨对河涌水质的影响,以佛山市五福围片区作为研究区域,建立SWMM水动力-水质模型,模拟分析感潮河段在降雨和水位影响下水质的变化规律。模拟结果显示:水位和降雨对河涌水质有着明显的影响。晴天时,闸站向河涌补水使河涌水位升高,从而水质提升;而随着降雨量增加时,冲刷作用导致水质恶化,但降雨径流平均浓度降低,暴雨时降雨径流平均浓度反而升高;在4条重点河涌中,北合围涌排放入河径流量和污染物负荷排放最高,而冲元涌最低。研究结果对于佛山市五福围片区的河涌水质管理和治理具有一定的启示作用。

建筑小区尺度下径流控制率与非点源污染负荷削减率协同关系研究

以陕西省西安市天福和园小区为例,基于SWMM原理构建了水质水量计算模型,借鉴国内外相似地区相关模型参数的选取并结合实测数据确定模型参数。设计了9种重现期和5种雨峰系数条件的45场降雨,以分析不同降雨条件下研究区域的径流控制率与非点源污染负荷削减率的协同关系。结果表明:相同雨峰系数降雨条件下,径流控制率与非点源污染负荷削减率呈线性关系,COD、TN、TP和TSS 4种污染物的拟合函数曲线的协同系数均大于0.989;雨峰系数对拟合函数曲线的斜率与截距影响不大;建筑小区尺度下径流控制率与非点源污染负荷削减率存在高度的线性关系,可根据径流控制率推算出污染负荷削减率。

基于复杂高密度管网结构优化技术的银川城区排水过程高效模拟方法

为高效高精度模拟大尺度城区的排水过程,掌握城市地表径流机制和管网排水规律,以银川市约310 km^(2)的城区为研究区域,应用耦合地表径流及城市地下管网排水过程的GAST模型,结合当地污水处理厂、管网、地形和土地利用等特征,基于普适性的数字地形高程DEM数据处理、土地利用类型划分、合流制排水管网和污水处理厂概化等技术,提出了一种基于复杂高密度管网结构优化技术的城区排水过程高效模拟方法。采用理想地形和实际地形对该方法模拟的精度和效率进行了验证,结果表明:对一级支管做删除概化处理对实际的管网排水过程模拟结果影响较小,20.46 km^(2)区域内一二维耦合节点数可削减27.8%,模型计算效率提高12.18%,且研究区域越大,计算效率提升越明显;模拟结果与实测值误差在6%以内,在保证模拟精度的同时大幅提高了计算效率。

基于SWMM的银川市金凤区雨洪模拟及LID效果评估

针对城市内涝及非点源污染问题,从海绵城市建设的角度出发,以银川市金凤区作为研究区域,采用SWMM建立雨洪模型,选取设计雨峰系数为0.4的5种降雨重现期和降雨重现期为0.5 a的4种雨峰系数共9场降雨,评估研究区在下凹式绿地、透水铺装、雨水花园、下凹式绿地组合透水铺装及雨水花园组合透水铺装5种LID方案下对径流及4种污染物的控制效果。模拟结果表明:随着重现期的增大,5种方案的径流控制率及污染物负荷削减率均有所减小;下凹式绿地组合透水铺装方案的削减效果最为显著,重现期为0.5~5 a时,该方案径流控制率均大于65%,污染物负荷削减率均大于45%;重现期为10 a时,径流控制率及TSS、COD、TP与TN负荷削减率分别为61.38%、42.86%、58.23%、44.03%和55.95%;重现期为0.5 a时,随着雨峰系数的增大,5种LID方案的径流控制率及污染物负荷削减率的变化均不明显。LID方案对中小重现期降雨有较好的控制效果,但因组合方案各措施间受到相互作用及不透水面积等因素的影响,并未达到“1+1>2”的叠加效应,最优方案还需深入研究。

矿渣堆积对河网水质影响的数值模拟分析

掌握矿山区污染物迁移转化过程对其流域河网水环境的有效治理至关重要。以十堰市小文峪河流域为例,基于水动力水质耦合模型,充分利用各支流矿渣堆属性、流域河网本底特征及地表水、矿洞水、淋溶水的水质和流量监测数据等,构建了基于GPU加速技术的矿山区河网水环境高分辨率数值模型,对小文峪河流域硫酸根离子和铁离子的空间分布进行了数值模拟,并量化分析了小文峪河污染负荷来源。结果表明:所构建模型对矿山区河网水环境模拟效果较好,可以表征硫酸根离子和铁离子空间分布特征及支流与主河道交汇处污染物浓度变化过程;各支流硫酸根离子和铁离子对主河道贡献率由大到小依次为宝泉寺、郭家沟、竹园沟、清石沟、孙家沟,其中宝泉寺和郭家沟硫酸根离子贡献率分别为39.42%和34.36%,铁离子贡献率分别为51.64%和35.10%。

耦合高效高精度水动力模型的多组分污染物输移及衰减反应模型

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移及衰减反应过程,全面耦合了基于图形处理器(GPU)加速技术的二维水动力模型与多组分污染物输移及衰减反应模型,通过改进模型源代码并在污染物输移控制方程中嵌入衰减项与反应项,建立了一个可应用于大区域复杂地形河道洪水演进全过程及多组分污染物输移和衰减反应的高性能耦合模型,同时引入GPU技术提升计算效率。将耦合模型应用于理想地形静水和两个复杂地形河道入流与溃坝算例的水质模拟,结果表明:多组分污染物输移及衰减反应过程在理想算例中的数值解与解析解基本吻合,在入流与溃坝算例中的模拟结果符合实际物理过程,模型运行速度快且计算效率高,可高效地模拟各类突发水污染事件并进行预警和评估。

海绵改造对城市内涝过程的时空影响分析

为了分析降雨对海绵改造前后内涝过程在时间和空间上的影响,采用了耦合水文和地表及管网水动力过程的数值模型,以小寨海绵改造二标段为研究区域,对海绵改造前后不同设计暴雨重现期下城市内涝过程进行模拟并在时间和空间上对比分析。结果表明:相对于暴雨峰值时间,在2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、50 a设计暴雨重现期下,重现期越小,海绵改造对城市内涝积水总量峰值迟滞时间及内涝积水面积峰值迟滞时间延后作用越显著,且均随着重现期的增大呈递减趋势,前者延后时间最大为0.133 h,最小为0.117 h,后者延后时间最大为0.084 h,最小为-0.016 h;随着重现期的增大,改造后内涝积水总量与面积峰值较改造前的削减量均逐渐增大且趋于稳定,两者相对于改造前的占比随重现期增大均呈递减的趋势,前者最大为71.37%,最小为22.76%;后者最大为68.87%,最小为15.08%。本研究有助于更加精准有效的防治内涝、对城市内涝准确预报预警,为城乡居民出行提供有效信息,减小生命财产损失。

“灰绿”协同措施对银川市合流制溢流污染的影响

针对合流制管网系统在雨天溢流污染严重,造成城市水体黑臭现象的问题,以银川市某高密度城区合流制管网系统为例,基于SWMM模型,在短历时设计降雨和长历时设计降雨两种条件下,模拟分析了合流制溢流(CSO)调蓄池、雨污管道混错接改造、绿化带海绵化改造等“灰绿”协同措施对CSO污染的影响。结果表明:CSO调蓄池、雨污管道混错接改造、绿化带海绵化改造及“灰绿”措施结合4种方案在短历时、长历时设计降雨条件下,随着降水量的增加,溢流水量及溢流污染物负荷均增加,溢流削减率均逐渐减小,其中“灰绿”措施结合方案对溢流污染的削减效果最为显著;重现期小于5 a时,溢流水量削减率与溢流污染物负荷削减率基本达到80%;降雨条件为中雨时,污染物负荷削减率基本达到75%;重现期为20 a时,溢流水量削减率及TSS、COD、TP、NH^(+)_(4)-N负荷削减率分别达到64%、70%、70%、70%、70%;降雨条件为大雨时,溢流水量削减率及TSS、COD、TP、NH^(+)_(4)-N负荷削减率分别达到28%、32%、26%、31%、33%。

银川市某高密度城区合流制溢流污染特性研究

针对合流制管网系统溢流污染严重且易造成受纳水体出现黑臭现象等问题,以银川市第一污水处理厂片区为例,基于雨洪管理模型(SWMM),在短历时设计降雨和典型年长历时降雨条件下,模拟分析了研究区域溢流排口溢流量及溢流污染物负荷对不同降雨条件的响应关系及其对受纳水体水质的影响。结果表明:雨天合流制管网系统的溢流量及溢流污染负荷量较大,且无论是短历时还是长历时降雨条件下,均具有随着降雨量的增加而增大的特点;厂前溢流污染浓度大,超过受纳水体自净能力,短期内水体水质处于黑臭状态。本研究对银川市黑臭水体治理及溢流污染防治方案的制订具有重要的参考价值。

分布式河网水环境高分辨率数值模型研究

为了更好地理解流域水环境机理过程,基于高效高精度水动力水质耦合模型,通过优化模型内、外边界以及耦合沉积物模块,提出了一个可用于模拟大区域复杂地形洪水演进及其伴随污染物输移转化过程的分布式河网水环境高分辨率数值模型,即基于图形处理器(graphics processing unit,GPU)加速的水动力及污染物输移数值模型(GPU accelerated surface water flow and associated transport,GAST)。模型充分考虑了复杂地形河道本底特征及沉积物对污染物的吸附解吸过程,区分了不同本底特征的参数异质性;多点位时变流量和时变浓度模拟功能为多模型耦合模拟水环境过程提供了接口,并引入GPU加速并行计算。最后基于复杂地形河网的多点位监测数据对模型进行了检验。结果表明:模型运行速度快且模拟精度高,为复杂地形河网水环境更深层次机理过程研究、水环境精准溯源、水质规划和管理政策制定提供一个高效、可靠的工具。

GAST-SWMM耦合数值模型在大尺度城区致涝风险评估中的应用

开展城区暴雨致涝风险评估对内涝整治及城市安全发展至关重要,以银川市310 km^(2)主城区为例,建立基于GPU加速技术的城市地表积涝及地下管网排水过程的GAST-SWMM高效高分辨率耦合模型。通过实测内涝积水点信息对模型进行验证,分别模拟20年和30年一遇24 h长历时暴雨条件下研究区域规划前后的内涝区位及风险等级,并分析其内涝削减情况,绘制内涝风险图。结果表明:与实测值相比,模型模拟误差<6%,具有较高的模拟精度;规划后与规划前相比,积水面积峰值削减率的平均值分别达到41.6%和45.03%,积水水深峰值削减率的平均值分别达到51.74%和56.05%,且高风险积水点全部降低为中风险与低风险。耦合数值模型在大尺度城区暴雨致涝风险评估中应用效果较好,研究结果对银川市暴雨易涝点防治及消除具有重要的参考价值。

建筑小区雨水花园空间布局对径流过程影响规律研究

为探究建筑小区雨水花园空间布局对径流过程的影响规律,采用耦合SWMM(暴雨洪水管理模型)管网模块和GAST模型(基于GPU加速技术的地表水动力数值模型)的一二维耦合水动力模型,并以西咸新区天福和园小区为例,模拟计算了实测降雨条件下的径流过程。以雨水花园为研究对象,分别在该小区上、中、下游布设雨水花园,模拟6种重现期,共18种典型工况下其对管网出口径流的调控效果。结果表明:该耦合模型可精确可靠地模拟城市管网排水及地表积涝过程,纳什效率系数为0.80和0.76,模拟结果较好;随着设计降雨重现期增加,径流总量控制率逐渐降低;在相同重现期下,将雨水花园布设于下游侧的径流总量控制率较布设于上游侧时提升了5.33~8.74百分点,提升效果较明显。可见,该研究结果可为优化建筑小区雨水花园空间布局提供参考。

河道水质高效高分辨率数值模拟及评估模型研究

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移衰减反应过程并对水质指标进行快速评估,该文全面耦合了二维水动力模型与多组分水质模拟及评估模型,根据GB3838-2002地表水环境质量标准,同时引入图形处理器GPU(graphics processing unit)加速技术,构建了一个可对多种水质变量输移及相互反应过程模拟评估的河道水质高效高分辨率数值模拟及评估模型。采用理想地形算例与规则水渠地形算例,验证模型的精度和稳定性,同时根据银川市西大沟COD和NH3-N等水质变量的监测数据对其一级衰减反应系数进行率定,模拟评估城市溢流污染在海绵改造和生态修复等拟建工程措施建设前后对西大沟断面水质的影响。结果表明,该模型可模拟高分辨率地形的多种水质变量输移及相互反应过程,两个验证算例纳什系数分别为1和0.984,模型具有较好的可信度。在旱天无溢流污染情况下,西大沟断面水质均为准Ⅳ类水质;在雨天,城市溢流污染对西大沟影响较大,是导致西大沟水体发生黑臭的一个重要因素,但水环境工程措施对黑臭水体的治理效果明显。模型对城市沟渠水质模拟预测及评估效果较好,以期可为城市水环境工程建设提供相关参考。

合流污水漫溢及其地表输移过程高分辨率模拟

为深入了解降雨期间城市合流制管网与地表水量水质的互馈机理及输移规律,采用基于GAST与SWMM耦合的水动力水质高效高分辨率水环境数值模型,模拟分析了合流制节点在降雨期间的溢流水量及其漫溢和回流过程,以及溢流污染物TSS在地表的输移规律。结果表明,在3600~21600 s期间,3种重现期下(2、10、50年一遇)溢流污染物TSS>300 mg/L的比例总体呈下降趋势;道路径流与节点漫溢污染物TSS在地表的输移情况基本吻合,主要沿道路方向输移;随着降雨重现期的增大,地表溢流水量、面积以及溢流污染物TSS的浓度和负荷均呈先增加后减少的趋势。