李明慧 侯精明 王添 欒廣學(xué) 銀雅倫 申騰飛 張榮斌 樊超 沈建

摘 要：為探究水位和降雨對河涌水質(zhì)的影響，以佛山市五福圍片區(qū)作為研究區(qū)域，建立 SWMM 水動力-水質(zhì)模型，模擬分析感潮河段在降雨和水位影響下水質(zhì)的變化規(guī)律。模擬結(jié)果顯示：水位和降雨對河涌水質(zhì)有著明顯的影響。晴天時，閘站向河涌補(bǔ)水使河涌水位升高，從而水質(zhì)提升；而隨著降雨量增加時，沖刷作用導(dǎo)致水質(zhì)惡化，但降雨徑流平均濃度降低，暴雨時降雨徑流平均濃度反而升高；在4條重點(diǎn)河涌中，北合圍涌排放入河徑流量和污染物負(fù)荷排放最高，而沖元涌最低。研究結(jié)果對于佛山市五福圍片區(qū)的河涌水質(zhì)管理和治理具有一定的啟示作用。

關(guān)鍵詞：感潮河網(wǎng)；徑流污染；水質(zhì)模擬；SWMM；五福圍

中圖分類號：TV21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）05-0112-11

Influence of Water Level and Rainfall on Water Quality in Tidal Reach Based on SWMM— Taking Wufuwei District in Foshan as an Example

LI Minghui1， HOU Jingming1*， WANG Tian1， LUAN Guangxue1， YIN Yalun1， SHEN Tengfei1，ZHANG Rongbin1， FAN Chao2， SHEN Jian2

（1. State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of china， Xi'an University of Technology， Xi'an 710048， China;2. China Planning and Design Institute （Beijing） Planning and Design Co.， Ltd.， Beijing 100044， China）

Abstract： To investigate the influence of water level and rainfall on water quality of river inwelling， this paper builds a hydrodynamic and water quality model based on SWMM in Wufuwei District of Foshan City to simulate the variation law of water quality in tidal reach under the influence of rainfall and water level. The simulation results show that the water level and rainfall have obvious influence on the water quality of the river. On sunny days， the water level of the sluice station rises and the water quality improves. With the increase in rainfall， the water quality deteriorates due to erosion， but the average concentration of rainfall runoff decreases， while the average concentration of rainfall runoff increases during heavy rainfall. In the four major streams， the discharge of runoff and pollutant load from Beihewei Stream is the highest， while Chongyuan Stream is the lowest. The results have some implications for the management and treatment of river swelling water quality in Wufuwei District of Foshan City.

Keywords： tidal reach network; runoff pollution; water quality simulation; SWMM; Wufuwei

近年來，隨著城市化步伐加快，水環(huán)境問題備受關(guān)注［1-2］，城市河流環(huán)境面臨的壓力越來越大，降雨徑流污染是城市面臨的重要環(huán)境問題之一［3-5］，大量污染物在降雨時進(jìn)入河流，使河流水質(zhì)迅速惡化，同時水位也會對河涌水質(zhì)產(chǎn)生影響［6］。盡管目前佛山市在水環(huán)境治理方面取得了一定成效［7］，但治理水污染、改善水環(huán)境任務(wù)仍十分緊迫。佛山市城區(qū)內(nèi)河涌污染物主要來源于城市生活污染及降雨徑流污染。由于污水收集系統(tǒng)不健全，出現(xiàn)污水直排現(xiàn)象；因水系連通，旁支河涌對主河涌水質(zhì)產(chǎn)生影響；降雨徑流的匯入，導(dǎo)致雨后水質(zhì)變化較大，部分河涌水質(zhì)指標(biāo)與目標(biāo)水質(zhì)有較大差距。桂城轄區(qū)內(nèi)河涌縱橫交錯且受潮汐及降雨影響，河涌水位變化較大，水位的升降對河涌的水體環(huán)境有直接影響，高水位會導(dǎo)致河涌溢流，造成水污染的擴(kuò)散及和沖刷，從而影響水質(zhì)；低水位可能導(dǎo)致河涌水體停滯，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等問題。

解決河涌水污染問題，首先要探究水質(zhì)變化規(guī)律，則需通過構(gòu)建城市河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型模擬城市河網(wǎng)水流運(yùn)動及水質(zhì)變化機(jī)理［8］。面對城市河流水環(huán)境問題一些學(xué)者大多考慮降雨對水質(zhì)的影響，如顧爐華等［9］研究了在現(xiàn)有閘站調(diào)度下，對比分析了不同引水量和雨型下河網(wǎng)水質(zhì)的動態(tài)過程及空間變化特征；陳焰等［10］分析了水質(zhì)變化及其對降雨的響應(yīng)關(guān)系和不同降雨強(qiáng)度下污染輸出特征，科學(xué)闡明了不同降雨強(qiáng)度下河流污染非線性相應(yīng)規(guī)律；陳新拓等［11］分析了不同降雨事件下研究區(qū)內(nèi) COD、 NH3-N 和 TP 的污染物負(fù)荷量及其變化過程。目前針對感潮河網(wǎng)地區(qū)在降雨和水位雙重影響下河流水質(zhì)變化的研究較少。此次研究選取的 SWMM 模型是一種用于模擬城市水文過程和管理城市排水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它具有多功能性、空間和時間分辨率的能力，具有靈活性、開源和可擴(kuò)展性，并廣泛應(yīng)用于各種城市水資源管理和水環(huán)境問題的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前研究及應(yīng)用的熱點(diǎn)包括氣候變化研究、城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施集成、模型優(yōu)化和改進(jìn)、智能水管理等，而參數(shù)估計(jì)與確定、模型精度和穩(wěn)定性、計(jì)算效率和存儲需求、與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合等則是當(dāng)前研究及應(yīng)用中的難點(diǎn)。

本文選取典型感潮河網(wǎng)地區(qū)佛山市南海區(qū)五福圍為研究對象，基于 SWMM模型建立一維河網(wǎng)水動力及水質(zhì)模型，選取2021年5月29日至2021年6月29日模擬分析感潮河段降雨及水位變化與水質(zhì)之間的關(guān)系，通過研究水位和降雨對河涌水質(zhì)的影響，可以更好地制定水資源保護(hù)政策和環(huán)境管理措施，有效防控河涌水體污染，保護(hù)河涌生態(tài)系統(tǒng)健康。此外，研究水位和降雨對河涌水質(zhì)的影響還可以為水資源規(guī)劃提供科學(xué)參考，合理利用和保護(hù)水資源。

1研究區(qū)域

1.1研究區(qū)概況

五福圍是廣東省佛山市南海區(qū)桂城街道四座圍區(qū)之一，地處珠江三角洲，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫22℃。多年平均總雨量1641.4 mm，全年總雨量在1400～1900 mm，總面積為5.2 km2，其中水系面積約0.059 km2。五福圍北側(cè)為佛山涌、東側(cè)為平洲水道，圍內(nèi)河涌呈網(wǎng)狀分布。主要河涌有北合圍涌、沖元涌。圍區(qū)內(nèi)部的5座水閘，4座排澇泵站，總凈寬15.95 m，均為外江堤防沿線的防洪水閘，主要水閘為大沖口水閘，內(nèi)河涌及水閘泵站分布見圖1。

1.2監(jiān)測點(diǎn)位類型及分布

研究區(qū)內(nèi)河涌涌容8萬 m?。研究區(qū)主要有13個監(jiān)測斷面，包括北邊涌斷面、北合圍涌斷面、沖元涌斷面、大沖口涌斷面、大基涌斷面、花社涌斷面、彭岸涌斷面、直涌涌斷面、雞腸滘涌斷面、霍東涌斷面、黃洞涌斷面、華龍涌斷面、藤沖涌斷面，水質(zhì)處于劣五類。水質(zhì)監(jiān)測斷面見圖1。

1.3數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)水環(huán)境數(shù)據(jù)采用佛山市環(huán)境保護(hù)局提供的2021年1—11月佛山市南海區(qū)桂城街道河涌斷面實(shí)測數(shù)據(jù)及點(diǎn)源污染負(fù)荷數(shù)據(jù)；河涌基本數(shù)據(jù)由桂城街道河長辦提供，見表1；降雨數(shù)據(jù)、閘門內(nèi)外江水位數(shù)據(jù)、閘泵站啟閉時間數(shù)據(jù)由桂城街道水利排灌養(yǎng)護(hù)門戶系統(tǒng)獲取；土地利用類型由桂城街道三調(diào)數(shù)據(jù)獲取。

2模型構(gòu)建

2.1流域劃分

五福圍片區(qū)河網(wǎng)的建立將采用 SWMM模型，該模型可以對城市降雨徑流和污染物運(yùn)動過程進(jìn)行全面的模擬和分析。本文根據(jù)研究區(qū)河涌實(shí)際所屬排水單元數(shù)據(jù)、高程、下墊面情況，最終采取人工劃分方法概化為28個子匯水分區(qū)，各河涌所屬匯水區(qū)見表2，各匯水區(qū)面積見表3，匯水區(qū)面積不包含水系。根據(jù)河涌基本數(shù)據(jù)，對河網(wǎng)水系進(jìn)行概化，共布置159個斷面、143個節(jié)點(diǎn)和10個排口，土地利用類型主要分為房屋、綠地、道路，概化見圖2。研究區(qū)各土地利用類型占比見表4。

2.2模型邊界設(shè)置

a）水動力邊界條件。水動力邊界條件包括外邊界和內(nèi)邊界。外邊界是指所有河涌端點(diǎn)處的水力要素變化情況，此處根據(jù)外江閘位監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)置為河涌的水位邊界，水位邊界選取大沖口水閘、直涌電排站、西華電排站、四村電排站和藤沖電排站的實(shí)測水位數(shù)據(jù)以時間序列的形式加入模型來控制水位。內(nèi)邊界是指模型河網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)處可能存在的對計(jì)算水力條件產(chǎn)生較大影響的人為干預(yù)情況，主要是河涌排污口的入流，見圖1。雨水排口的引入會改變接收水體的水流動力學(xué)特征。由于排口的引入，引入的徑流會與接收水體的水流混合，從而改變水體的流速、流向和水位等，同時徑流攜帶的污染物在排口處被釋放至接收水體中導(dǎo)致水體受到污染。因本次模型設(shè)置未加管網(wǎng)，故將表1中河涌的點(diǎn)源污染負(fù)荷及污水量以入流的形式概化到每一個節(jié)點(diǎn)；根據(jù)佛山市逐小時降雨量，以降雨序列的形式加入模型。閘泵站邊界條件根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)置，閘站流量正負(fù)表示補(bǔ)水或排水，見表5。

b）水質(zhì)邊界。水質(zhì)模型邊界條件指水動力邊界處的水質(zhì)因子濃度值，根據(jù)2021年佛山涌水質(zhì)改善目標(biāo)，河涌外部水質(zhì)邊界按考核斷面類型規(guī)定濃度設(shè)置為Ⅳ類水質(zhì)。依照 GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》限值，NH3-N、TP 和 COD濃度分別設(shè)為1.5、0.3、30.0 mg/L。

2.3模型參數(shù)驗(yàn)證

模型水位驗(yàn)證時間選取2021年5月29日至6月29日；河涌濃度驗(yàn)證時間選取2021年5月29日至6月6日，模擬計(jì)算時間步長為30 s。模型模擬時間段內(nèi)包含小雨（<10 mm）11場、中雨（10.0～24.9 mm）1場、大雨（25.0～49.9 mm）1場、暴雨（50～100 mm）5場，降雨情況見表6。研究區(qū)河涌斷面糙率取0.025。 SWMM 模型中下滲模型采用霍頓下滲模型，子匯水區(qū)參數(shù)主要包括不透水區(qū)曼寧系數(shù)、透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)洼蓄量、透水區(qū)洼蓄量、最大入滲速率、最小入滲速率和污染物衰減系數(shù)。參考佛山市相關(guān)文獻(xiàn)［12-15］及 SWMM 模型用戶手冊在參考范圍內(nèi)取值，模型參數(shù)校驗(yàn)后取值見表7。

為了驗(yàn)證模型參數(shù)合理性，采用納什效率系數(shù)（NSE）對模型模擬精度評估，計(jì)算見式（1）。根據(jù) RITTER［16］提出的 NSE 等級劃分標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng) NSE≥0.9，模型性能為優(yōu)秀，當(dāng)0.8≤NSE<0.9，模型性能為良好，當(dāng)0.65≤NSE<0.8，模型性能為滿意，當(dāng) NSE<0.65，模型性能為不滿意。NSE 越接近于1表示模型可信度越高。

式中 Q0——觀測值；Qm——模擬值；Qt——第 t 時刻的某個值：觀測值的總平均。

選用5月29日至6月29日時間段對水文模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，研究區(qū)域該時間段總降雨量為407.6 mm，最大1 h 降雨量為48 mm。利用五福圍片區(qū)外圍水閘、泵站，圍內(nèi)節(jié)制閘的實(shí)測降雨、水位數(shù)據(jù)對水文模型參數(shù)進(jìn)行率定。從驗(yàn)證結(jié)果看出，圍內(nèi)節(jié)制閘的水位模擬值均與實(shí)測值接近，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，水位的最大誤差均小于0.10 mm，納什效率系數(shù)達(dá)到0.99，模型水動力模擬結(jié)果精度較高。閘站水位模擬水位與實(shí)測水位過程基本保持一致，見圖3。

研究區(qū)部分河涌濃度驗(yàn)證結(jié)果見圖4、5。因水質(zhì)數(shù)據(jù)不全，故選取5月29日至6月6日對華龍涌、北合圍涌等水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)率定，各斷面模擬值與實(shí)測值接近。

3結(jié)果及討論

3.1水位變化對河涌水質(zhì)影響分析

圖6—9為感潮河網(wǎng)重點(diǎn)河涌水質(zhì)隨水位變化過程。6月6—8日為晴天。由圖6—9可知，水位除6月8日連續(xù)7 h 維持在4 m左右外，其余均在0.3～1.7 m，變化幅度較小。晴天水質(zhì)呈不規(guī)律波動，但水質(zhì)均維持在Ⅴ類水及劣Ⅴ類水質(zhì)。水質(zhì)改善與河涌來水量、活水稀釋污染物濃度有關(guān)。

隨著河涌水位下降，各河涌排水量增加，來水量減少，NH3-N、TP、COD 總體濃度增加，NH3-N、TP總體處于劣Ⅴ類，COD 總體處于Ⅴ類水質(zhì)。隨著河涌水位上升，河涌受外江引水影響，來水量增加， NH3-N、TP、COD 總體濃度均接近Ⅳ類水質(zhì)。

運(yùn)用 Pearson 相關(guān)系數(shù)衡量水位與水質(zhì)之間線性關(guān)系。Pearson 相關(guān)系數(shù)公式見式（2）。 Pearson 相關(guān)系數(shù)的取值范圍為-1～1，其中1表示完全正相關(guān)，-1表示完全負(fù)相關(guān)，0表示沒有線性相關(guān)性。4條重點(diǎn)河涌水位與 NH3-N、TP、COD相關(guān)性見表8。

式中 x、y——2個待計(jì)算相關(guān)關(guān)系的變量。

由表8知，4條重點(diǎn)河涌水位變化與 NH3-N、 TP、COD 濃度相關(guān)性均不相同。華龍涌水位與 NH3-N、TP、COD 濃度均呈負(fù)相關(guān)；沖元涌水位與NH3-N、TP濃度呈負(fù)相關(guān)，與 COD濃度呈正相關(guān)，但相關(guān)性不明顯；北合圍涌水位與 NH3-N、COD 濃度呈正相關(guān)，與 TP濃度呈負(fù)相關(guān)；大基涌水位變化與NH3-N、TP、COD濃度均呈正相關(guān)。

各閘站晴天流量見圖10，大沖口水閘間斷性排水量大，其他電排站不補(bǔ)水排水，而華龍涌則受四村電排站進(jìn)行補(bǔ)水排水，四村電排站在一段時間內(nèi)持續(xù)性補(bǔ)水，水位升高受外江補(bǔ)水影響，外江水質(zhì)為Ⅳ類水質(zhì)，河涌污染物通過活水快速稀釋，使河涌水位與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)；沖元涌、北合圍涌及大基涌污染物濃度變化復(fù)雜，這3條河涌水質(zhì)受到點(diǎn)源污染物排放及大沖口水閘排水的影響，同時外江補(bǔ)水量少，故水位與水質(zhì)相關(guān)性不同。

3.2降雨對河涌水質(zhì)影響分析

4條重點(diǎn)河涌在不同降雨事件下徑流量及污染物負(fù)荷見表9。在不同降雨等級下，入河徑流量及污染物負(fù)荷從多到少依次為北合圍涌、華龍涌、大基涌、沖元涌。在同一場降雨下，NH3-N、TP 和 COD 入河污染物負(fù)荷隨徑流量增大而增大，對于降雨徑流平均濃度（EMC），隨著降雨量的增大，NH3-N、TP 和 COD 的平均濃度有降低趨勢，這是因?yàn)殡S降雨量的增大，各河涌污染物負(fù)荷與地表徑流量均增加，加快了污染物的沖刷速率，從而降低降雨徑流污染物平均濃度。這與涂晶晶等［17］對佛山新城雨水徑流污染特征分析的研究規(guī)律相符，不同的是佛山新城作為佛山市海綿城市建設(shè)實(shí)施方案重點(diǎn)區(qū)域之一，雨水徑流污染并不嚴(yán)重，對河涌污染貢獻(xiàn)率并不高。暴雨情境下，最大1 h 降雨量47 mm，NH3-N、TP 和 COD平均濃度與大雨比有上升趨勢，但上升幅度較小，這是因?yàn)樵诒┯昵榫跋?，水流流速快，時間短，會更容易將污染物沖刷到徑流中并運(yùn)輸?shù)较掠危瑢?dǎo)致降雨徑流污染物平均濃度與大雨比相對較高。而大雨的降雨時間相對較長，流速相對較慢，因此對污染物的稀釋作用更強(qiáng)，導(dǎo)致降雨徑流污染物平均濃度相對較低。

為進(jìn)一步研究河涌水質(zhì)在不同降雨事件下的影響，運(yùn)用 Pearson相關(guān)系數(shù)分析降雨與水質(zhì)線性關(guān)系。由表10所示，小雨事件，降雨量較小，不會引起水流沖刷效應(yīng)，因此對河涌中的污染物濃度影響較小，降雨量與水質(zhì)呈弱相關(guān)性；中雨及大雨事件降雨量適中，使污染物濃度增高，河涌水質(zhì)會惡化，但因降雨期間外江水位上升向內(nèi)河涌補(bǔ)水，內(nèi)河涌水位上升，水體受到稀釋效應(yīng)，降雨量與水質(zhì)指標(biāo)大部分呈負(fù)相關(guān)，因水系連通，河涌水質(zhì)變化復(fù)雜，北合圍涌及大基涌的 COD 水質(zhì)指標(biāo)與降雨量呈正相關(guān)。暴雨事件降雨量大，會引發(fā)強(qiáng)烈的沖刷作用，大量污染物濃度顯著增加，且通過外江補(bǔ)水也無法盡快將水體污染物濃度稀釋，因此暴雨情形下與水質(zhì)呈正相關(guān)。北合圍涌與大基涌均受到點(diǎn)源污染，因此在中雨及大雨事件下，降雨量與 COD濃度呈正相關(guān)。

由上述分析可知降水、入涌通量和水質(zhì)的關(guān)系相對復(fù)雜，隨著降雨量增大，徑流量的增加，各河涌污染物負(fù)荷增加。同時入涌通量的增加也可以加快河涌水流速度，河涌水質(zhì)濃度及降雨徑流平均濃度均降低；水質(zhì)在不同降雨事件下，降雨量與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性各不相同，陳焰等［10］在新鳳河流域的研究中也得出類似結(jié)論，出現(xiàn)此類現(xiàn)象的原因是降雨的稀釋和沖刷效應(yīng)決定水體中污染物的濃度。出現(xiàn)此類現(xiàn)象的原因是降雨的稀釋和沖刷效應(yīng)決定水體中污染物的濃度。

4結(jié)論及建議

本文對佛山市南海區(qū)五福圍片區(qū)感潮河段降雨及水位變化與水質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行模擬，模擬分析結(jié)果對今后河涌水環(huán)境治理具有一定的積極意義。

a）晴天河涌水質(zhì)變化復(fù)雜，受閘站補(bǔ)水的的影響，河涌水位上升，NH3-N、TP、COD濃度減小，接近Ⅳ類水質(zhì)，河涌水質(zhì)受水位影響，閘站向河涌補(bǔ)水；河涌受點(diǎn)源污染的影響，當(dāng)閘站不補(bǔ)水排水時，則隨著內(nèi)河涌水位上升，污染物濃度增大。

b）在不同降雨情況下，4條重點(diǎn)河涌的排放入河徑流量和污染物負(fù)荷的順序?yàn)楸焙蠂?華龍涌>大基涌>沖元涌。同一場降雨下，隨著徑流量的增加，NH3-N、TP 和 COD 的污染物負(fù)荷也增加，但降雨量增加會使 NH3-N、TP 和 COD 的平均濃度降低，在暴雨情景下，NH3-N、TP 和 COD 的平均濃度相較大雨情景濃度升高。

c）小雨對水質(zhì)影響較小，中雨和大雨會導(dǎo)致水質(zhì)惡化，降雨量與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)；暴雨會引發(fā)強(qiáng)烈沖刷作用，降雨量與水質(zhì)呈正相關(guān)。

d）后續(xù)建議重點(diǎn)要加大對五福圍片區(qū)北合圍涌的污染治理力度，以減少其對河流水質(zhì)的負(fù)面影響。研究難點(diǎn)則是在制定治理河涌水質(zhì)方案，充分考慮晴天及降雨對水質(zhì)的影響，并采取相應(yīng)措施以避免降雨對水質(zhì)造成的負(fù)面影響，這些措施包括優(yōu)化閘站的引排水量和泵站引排水位等措施，可有效避免內(nèi)澇的發(fā)生。

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（責(zé)任編輯：高天揚(yáng)）