案例详解 |水环境综合治理中的模型辅助设计
引言
在城镇化快速发展过程中，水生态系统正在面临着巨大的挑战。现行的水环境综合治理方案设计阶段多采用规范中的经验公式法，经验公式法具有一定的优势，如操作简单、不需要大量的数据资料，但其缺陷也显而易见。
首先，不同地区自然条件、降雨特征及下垫面情况各有不同，采用经验取值很难得到相对精确的较优方案，在缺少实际条件对经验公式参数取值修正的前提下，工程设计取值偏于保守从而导致浪费了较多的工程投资。
其次，传统设计也存在多项缺陷，如下：
管道设计流量计算，只考虑最大入流，不考虑管道可能存在的调蓄功能；
无法计算路面积水、检查井冒溢和排口溢流量；
无法计算LID设施不同结构层厚度所产生水文水质效应的差异性；
源-网-厂-河设施独立分期设计，各设施间匹配性差异在设计阶段难以暴露，难以发现系统瓶颈，效能匹配度偏低；
难以系统全面考量，缺乏动态适应性。
随着我国全面加强水生态系统综合治理和保护，针对上述问题，水环境模型已然成为辅助设计、量化管理和精准决策的有效工具。目前市面上模型种类繁多，但模型的功能和适用范围差异显著，且需要详细的基础数据作为支撑。
基于以上不足，本研究将城市水系统控制仿真模型（Simuwater）应用在水环境综合治理方案设计阶段，以期实现以下3个目标：
便捷性目标：通过拖拽模块可以实现快速搭建模型，实现全系统水量、水质高速和高精度模拟结果输出；
实时联动性目标：考虑多种源头、过程、末端设施的机理过程，实现丰富的系统设施模拟功能，实现源网厂河实时联动模拟；
优化设计方案目标：可进行多方案比选，结合控制指标和成本效益，实现优化设计方案目标。
研究区域概况
本研究以某流域为研究对象，该流域内河道全长11.2km，面积约为24km²。流域现状污染源以雨水面源污染为主，点源污染包括5个污水直排口，2个合流制排口，1个污水厂尾水排口。
为解决上述问题，在水环境综合治理阶段构建如下方案：
截污纳管：5个污水直排口截流接入沿河截污干管。
海绵源头设计：增设下凹式绿地0.74km²，透水铺装0.28km²，生物滞留设施0.65km²，以解决城市雨水径流污染问题。
合流制末端调蓄池设计：2个合流制直排口末端建设调蓄池。
雨水排口末端湿地设计：结合目标要求及现场条件，在雨水排口末端设置了雨水潜流湿地。
模型构建
通过梳理研究范围内汇水区、管网、排口、河道、构筑物及治理措施等连接关系，在城市水系统仿真模型（Simuwater）中通过拖拽模块（汇水区、管道、节点、排口、河道、LID、调蓄池、湿地等）进行连接，构建水环境综合治理方案模型，通过设置汇水区、LID、调蓄池和湿地相关参数及规则，完成模型构建。某流域水环境综合治理方案模型构建结果如下图所示：
模型构建示意图
辅助设计
利用连续降雨数据进行水系统动态模拟，基于模拟结果，辅助LID结构层设计、合流制调蓄池规模设计、雨水湿地规模设计并量化评估各措施的水量水质控制效果，进而辅助优化设计方案。
1、源头海绵设施辅助设计
通过对城市水系统控制仿真模型（Simuwater）中下凹式绿地、透水铺装和生物滞留设施参数的设置，利用连续降雨进行水文水质动态模拟，进而分析单一海绵设施不同结构层的水文水质效应以及在透水铺装-生物滞留设施-下凹式绿地三种海绵措施的组合设计下，各个海绵设施的面层出流和盲管出流的水文水质效应。
（1）LID水文效应分析
1）单一海绵设施各结构层水文效应分析
生物滞留设施入流、面层出流、调蓄层出流过程线
2）组合设计下各海绵设施的水文效应分析
汇水区、透水铺装、生物滞留设施及下凹式绿地面层出流过程线
（2）LID水质效应分析
1）单一海绵设施各结构层水质效应分析
生物滞留设施入流及出流污染物COD浓度过程线
2）组合设计下各海绵设施的水质效应分析
汇水区、透水铺装、生物滞留设施及下凹式绿地面层出流污染物COD浓度过程线
2合流制调蓄池规模辅助设计
根据普查数据，估计两个排口的旱季污水量，通过分流器模拟截流设施，分流器截流一倍流量进入截污干管，超过截流倍数的流量会进入调蓄池，当污水量超过合流制调蓄池容积能力后溢流至下游河道；
通过设置不同调蓄池规模和相应的排空规则，得到不同调蓄规模下合流制排口的溢流频次和溢流量。通过统计不同调蓄池设计规模下溢流频次和溢流量，得出成本效益曲线如下图所示，分析边际效益，结合控制指标和成本效益，得出拐点规模，形成优化的CSO削减方案。
调蓄池规模、溢流量、溢流削减率曲线图
调蓄池规模与溢流频次关系曲线图
3雨水湿地规模辅助设计
雨水湿地所处理的雨水径流受到降雨随机性的影响，而使其水质、水量都处在非稳定状态。通常人工湿地规模的计算方法主要有三种类型，汇水区面积百分比法、污染物去除率法、模型模拟计算法。传统湿地规模的设计在确定湿地汇水范围的情况下，进水流量和水质按照单一固定值来进行设计，而往往湿地的进水流量和进水水质随着降雨变化而变化；湿地在确定处理能力情况下，是否存在溢流，且溢流量和溢流浓度过程线更难确定，故汇水区面积百分比法、污染物去除率法计算确定的雨水湿地规模并不准确，且不能动态评估其溢流情况。通过Simuwater模型湿地模块的模拟计算，统计分析不同湿地设计规模下的溢流量、溢流污染物浓度过程线，以及一年中水深超过湿地最低水深要求的天数和时间段，辅助湿地规模及排空能力的确定。
湿地体积过程线（可反演湿地水深过程线）
通过设置湿地的污染物去除率，来量化评估湿地污染物去除效果，如下图所示：
湿地入流和出流COD浓度过程线
4水环境综合治理方案可达性辅助分析
通过Simuwater模型模拟方案前后结果，分析方案前后河道全年水质变化情况（以河道出口断面作为代表断面），从代表断面的水质（以COD为例）统计结果来看，方案后代表断面COD年均值可达到Ⅳ类水质目标，全年仍有少量时段存在超标现象，主要发生在降雨期间，但超标时间占比很小，且超标倍数较低，可在雨后3-4天内恢复至Ⅳ类水质。
方案前后河道出口断面COD浓度过程线
结 论
基于城市水系统仿真模型，可实现快速构建模型，利用场次或连续降雨输入数据，进行汇水区、LID、城市雨污水管道、水体、泵站、调蓄池、湿地等水循环系统的连续动态仿真模拟。
对不同海绵设施各结构层进行精细化模拟及结果展示，进而分析各海绵设施不同结构层的水文水质效应，为海绵设施不同结构层厚度的确定及最优组合设计提供辅助的方法。
对不同CSO调蓄池规模的合流制系统进行动态模拟，得出调蓄池规模与溢流量、溢流削减率及溢流频次的关系曲线，分析边际效益，得出拐点规模，结合控制指标和成本效益，优化CSO削减方案，为CSO调蓄池规模的确定提供辅助的方法。
利用Simuwater模型来模拟全年各场次降雨情况下，不同湿地设计规模下的溢流量及污染物溢流浓度过程线，并统计一年中水深超过最低水深要求的天数和时间段，辅助湿地规模及排空能力的确定。
模型可进行设施匹配性、流域水质水量的系统综合模拟，且可多方案比选，直观简便，减少设计计算量。
