谭锦欣，胡嘉镗,3,4，李 捷，隋 军，邓欢忠，孙连鹏,3,4,*

(1.中山大学环境科学与工程学院，广东广州 510006；2.广东首汇蓝天工程科技有限公司，广东广州 510000；3.广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，广东广州 510275；4.广东省水污染控制工程技术研究中心，广东广州 510006)

合流制管网溢流(combined sewer overflows，CSOs)是造成我国城镇地表水环境污染的重要原因。李海燕等[1]在研究北京城区合流制排水管道预计溢流问题中，统计发现溢流污水污染物CODCr、TN、TP含量分别为134～205、5.11～16.36、4.34～10.52 mg/L。赵磊等[2]在针对昆明市典型合流制排水小区的研究中，统计得出溢流污水污染物CODCr、TN、TP含量分别为87.8～302.11、14.18～42.08、0.95～3.90 mg/L。李立青等[3]在研究武汉汉阳地区城市集水区降雨径流污染过程问题中，统计得出溢流污水污染物CODCr、TN、TP含量分别为142～614、12.26～29.8、0.88～3.90 mg/L。可见，CSOs中包含大量的废水污染物。

本文以东山湖及其相关的排水系统为研究对象，采用InfoWorks ICM构建排水管网水动力模型，模拟计算在不同工况下点源污染的排放流量，再采用MIKE21构建东山湖水动力及水质模型，以排水管网水动力模型模拟计算所得的点源排放流量为输入条件，模拟计算对应不同工况下东山湖的水质变化情况，以评估CSOs污染控制工程的目标可达性。

1 研究区域模型构建及参数设置

1.1 排水管网水动力模型构建

本研究采用InfoWorks ICM建模软件，构建东山湖片区排水管网水动力模型。该软件为英国HR Wallingford公司基于SWMM进行二次开发的排水管网综合模拟商业软件，其被广泛应用于河流及雨污水排放系统规划研究、可持续性排水系统应用规划、洪涝解决方案开发、截流设计与分析等领域[4]。

图2 东山湖水动力、水质模型情况Fig.2 Hydrodynamic and Water Quality Models of Dongshan Lake

东山湖片区集雨面积为4.48 km2，模型数据分为点层数据、线层数据及面层数据。经工程检验，共录入点数据共2 343个，线数据共2 411段，面数据共1 054块。根据管线拓扑结构，对排水管网进行合理简化。最终，排水管网模型含管线长为23.71 km，河道长为3.98 km。东山湖片区排水系统共有10处溢流口，具体分布如图1所示。

图1 东山湖片区排水系统溢流口分布Fig.1 Distribution of Outfalls in Drainage System of Dongshan Lake Area

排水管网模型关键参数设置如下。

(1)管道水头损失：糙率n值参照《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)[5]的规定取值，其中，砼管取0.014，PE管取0.011；局部水头损失系数采用InfoWorks ICM推断工具进行自动计算赋值。

(2)管道沉积物厚度：参照管道养护资料，以管径10%进行初始设置。

(3)排水定额：初始排水定额采用350 L/(人·d)。

(4)径流系数(Ψ)：参照《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)[5]的规定取值，其中，屋面中Ψ取0.9，普通路面中Ψ取0.85，铺装路面中Ψ取0.5，绿地中Ψ取0.2；地表径流模拟采用SWMM非线性水库模型[6]，由连续方程和曼宁方程联立求解。

(5)模拟参数：时长为5 h，时间步长为30 s。

1.2 东山湖水动力及水质模型构建

本研究采用MIKE21建模软件，构建东山湖水动力、水质模型。该软件为丹麦水科所开发的商业软件，被广泛应用于流域水质评价、污染物迁移等领域[7]。如图2所示，以东山湖湖岸为边界划定，综合考虑运算速度和计算精度，对库区水陆边界部分适当加密网格，开阔水域部适当减少网格数量，最终东山湖网格单元共3 114个。

东山湖水动力模型关键参数设置如下。

(1)边界条件：设置3个开边界，均为水闸，分别为东山湖4号闸、5号闸和6号闸，其中，4号和6号闸为“流入”，5号闸为“流出”；4号和5号闸为流量边界，6号闸为水位边界。

(2)设计流量、水位：4号闸的流量根据排水管网水动力模型计算得出，为随时间变化的流量数据；5号闸由泵站向湖外抽水，泵站流量为12 m3/s；6号闸外为珠江，水位设置为6.0 m；东山湖初始水位为5.6 m。

(3)曼宁系数、涡黏系数：曼宁系数选用系统默认值(32 m1/3/s)；涡黏性系数由Smagorinsky方程计算得出，Smagorinsky系数选用系统默认值(0.28)；不考虑波浪、风力、蒸发等影响。

(5)模拟参数：同排水管网水动力模型设置。

东山湖水质模型关键参数设置如下。

(1)水质初始浓度和边界浓度：东山湖水质初始含量取2019年湖内水质监测数据的平均值，CODCr、TN、TP含量分别为17.5、1.50、0.109 mg/L；4号闸进水浓度取2019年新河浦涌水质监测数据的平均值，CODCr、TN、TP含量分别为18.9、1.48、0.150 mg/L；6号闸进水浓度参考东濠涌的常规监测数据平均值，CODCr、TN、TP含量分别为16.0、1.50、0.152 mg/L。

(2)溢流水质浓度：根据相关研究结果，北京、昆明、武汉等城市溢流污水CODCr、TN、TP含量分别为87.8～614.0、5.11～42.08、0.95～10.52 mg/L[1-3]。参照上述研究成果，按较不利情况进行考虑，东山湖片区溢流污水浓度按CODCr、TN、TP含量分别为302.11、42.8、3.26 mg/L进行初始设置，溢流流量以对应工况下排水管网模型模拟计算所得的时间-流量序列数据为输入数据。

(3)面源污染水质浓度：参考黄国如等[8]对广州新河浦社区排水区的研究成果，将东山湖汇水区土地利用划分为住宅区和绿化区两类，其中，住宅区按CODCr、TN、TP的污染物负荷分别为24.869、1.875、0.15 kg/(hm2·h)；绿化区按CODCr、TN、TP的污染负荷分别为16.454、0.4、0.138 kg/(hm2·h)进行初始设置。

(4)综合降解系数：参考黄佳等[9]在广州流溪河水库的研究成果，本次模拟的污染物CODCr、TN、TP的综合降解系数取值分别为0.013、0.017、0.011 d-1。

(4)水质净化处理设施参数设置：东山湖内设置有一处水质净化处理设施，为RCN窝流微絮凝一体化设备，规模为2万m3/d，共设置2个取水点、2个排水点，该设施的净化效果按CODCr、TN、TP去除率分别为20%、20%、70%进行设置。

(5)水闸启闭规则：暴雨条件下，4号闸开启，5号闸、6号闸关闭。

(6)模拟参数：同排水管网水动力模型设置。

2.3 降雨事件设置

本研究降雨数据为2004年3月30日—2012年12月1日原始实测降雨数据，降雨间隔时间以15 min为单位，最小深度增量为1 mm。取上述时间段内丰水期(6月—9月)降雨数据，对降雨量≥40 mm的降雨事件的降雨总量、降雨历时进行统计，最终得出典型暴雨事件，作为本次模拟降雨输入条件。典型暴雨事件总降雨量为65.12 mm，最大雨强为99.6 mm/h，降雨历时为2 h，如图3所示。

图3 典型暴雨事件降雨过程Fig.3 Rainfall Process of Typical Rainstorm Events

3 结果与讨论

3.1 东山湖现状水质模拟分析

(1)溢流量模拟分析

根据模拟计算结果，典型暴雨条件下，东山湖片区排水系统溢流总量为89 350.45 m3，各溢流口溢流量如表1所示，溢流流量过程曲线如图4所示。东山湖片区溢流污染主要来源于新河浦路7.5 m×2.0 m溢流堰出口，在典型暴雨条件下，该出口溢流量达到50 495.58 m3，占总溢流量的56.51%，对东山湖水质影响最大。

(2)东山湖水质模拟分析

根据模拟计算结果，典型暴雨条件下，引新河浦涌河水进入东山湖，有利于东山湖的水体交换，但受溢流污水影响，使东山湖水体短期内TN、TP大范围超标，不满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)IV类标准。东山湖关键点位水质模拟结果如表2所示，水质浓度模拟分布如图5所示。

表1 东山湖片区排水系统溢流口的溢流量分析Tab.1 Analysis of Outfalls of Drainage System in Dongshan Lake Area

图4 东山湖片区溢流口溢流流量曲线Fig.4 Overflow Curves of Outfalls in Dongshan Lake Area

由图5可知，污染物浓度较低区域主要分布于水质净化处理设施的排水口附近，可满足IV类水标准。排水口远处污染物含量则较高，存在较大面积范围的超标现象。这说明水质净化设施对东山湖的水质净化有着明显的作用，但受制于暴雨期间5号闸、6号闸关闸影响，湖内水体流动性较差，湖内水体无法及时交换，使得距离水质净化设施排水口较远的区域出现水质超标情况。

表2 东山湖关键点位水质模拟结果Tab.2 Simulation Results of Water Quality at Key Points of Dongshan Lake

图5 东山湖水质指标含量分布Fig.5 Concentrations Distribution of Water Quality Indices in Dongshan Lake

3.2 拟建DN3000支隧污染防治效果模拟分析

东山湖片区拟建一条DN3000支隧，接入新河浦路7.5 m×2.0 m的暗渠，将该暗渠产生的初雨污染进行收集，最终转输至污水处理厂进行处理。同时，当该暗渠服务片区存在内涝风险时，DN3000支隧将该暗渠产生的超量雨水进行转输，最终通过排涝泵站强排至河道。

(1)溢流削减效果模拟分析

根据模拟计算结果，支隧建成后，在典型暴雨条件下，新河浦路7.5 m×2.0 m的暗渠溢流堰出口流量由50 495.58 m3降至1 547.10 m3，削减率达96.94 %，总溢流量由89 350.45 m3降至40 401.97 m3，总削减率达54.78%。该溢流口的溢流流量曲线如图6所示。

图6 支隧建成后新河浦路7.5 m×2.0 m暗渠 溢流口溢流流量曲线Fig.6 Overflow Curve of Xinhepu Road 7.5 m×2.0 m Overflow Weir after Completion of Branch Tunnel

(2)东山湖水质改善情况模拟分析

根据模拟计算结果，DN3000支隧建成后，在典型暴雨条件下，东山湖CODCr、TN、TP均可满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)IV类标准。东山湖关键点位水质模拟结果如表3所示，水质浓度模拟分布如图7所示。

表3 东山湖关键点位水质模拟结果(支隧建成后)Tab.3 Water Quality Simulation Results at Key Points of Dongshan Lake (after Completion of Branch Tunnel)

图7 东山湖水质指标含量分布(支隧建成后)Fig.7 Concentrations Distribution of Water Quality Indices in Dongshan Lake (after Completion of Branch Tunnel)

由图7可知，DN3000支隧建成后，在典型暴雨条件下，东山湖内CODCr、TN、TP这3项指标均未超标，其中，CODCr含量在12.93～14.08 mg/L，浓度最高处距离4号闸口距离约120 m；TN含量在0.98～1.07 mg/L，浓度最高处距离4号闸口距离约130 m；TP含量在0.06～0.08 mg/L，浓度最高处距离4号闸口距离约120 m。

4 结论

本文通过构建东山湖水动力、水质模型，以排水管网水动力模型模拟计算得暴雨条件下东山湖的溢流流量，使之为边界条件，模拟分析东山湖水质浓度分布情况，得出如下结论。

(1)现状条件下，在典型暴雨时期，东山湖片区溢流总量为89 350.45 m3，其中，新河浦路7.5 m×2.0 m溢流堰出口溢流量为50 495.58 m3，占比56.51%，是主要的污染来源。

(2)现状条件下，在典型暴雨时期，除湖内水质净化设施排口附近区域，东山湖其余区域短期内TN、TP出现大范围超标，不满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)IV类标准。

(3)DN3000支隧建成后，在典型暴雨时期，新河浦路7.5 m×2.0 m溢流堰出口溢流量削减率达96.94%，总溢流量削减率达54.78%。

(4)DN3000支隧建成后，在典型暴雨时期，东山湖全水域内CODCr、TN、TP均可满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)IV类标准，污染防治效果显著。