技术分享|基于TMDL理念的金山湖水环境模型模拟耦合与规模论证

导读：《基于TMDL理念的金山湖水环境模型模拟耦合与规模论证》是镇江沿金山湖CSO污染综合治理工程9个专题研究之一，主要研究目的是：以镇江金山湖水环境容量为出发点，制定最大日负荷总量（TMDL）计划，通过水质水量的模拟耦合，对本工程系统性建设方案进行模拟评估，优化确定系统工程的建设规模，最终实现金山湖流域的水环境改善、水安全提升目标。

金山湖流域老城区水环境、水安全问题

1研究技术路线

镇江金山湖流域老城区水环境改善技术路线：

首先确定金山湖水环境目标，在基础资料收集基础上，构建管网模型及水力水质模型耦合进行现状评估，包括现状径流总量/径流污染分析、现状排水防涝能力分析、现状溢流污染分析和现状排水管网能力分析，对比建设目标和现状，对现状存在缺口的，进行工程系统性方案规划，进一步通过水力水质模型优化工程建设规模和实施效果评估，最终确定工程建设方案。

2研究技术理念及工具

2.1TMDL理念

TMDL（Total Maximum Daily Load，最大日负荷总量）是指“在满足水质标准的条件下，水体能够接受的某种污染物的最大日负荷量，包括点源和非点源的污染负荷分配，同时要考虑安全临界值和季节性的变化，从而采取适当的污染控制措施来保证目标水体达到相应的水质标准”。其目标是识别具体污染控制单元及其土地利用状况，对单元内点源和非点源污染物的排放浓度和总量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的流域管理计划。

引入TMDL流域水环境治理理念，采用模型定量评估，确定污染负荷总量削减指标，分配各流域污染负荷，优化治理方案；通过“评估、设计、执行、检测、评价、调整”等适应性管理措施建立持久的水环境治理机制，探索城市水环境生态修复新路径。

TMDL技术应用主要侧重的方面：

制定TMDL排水分区管理计划，结合水质目标要求合理分配污染物负荷；

根据污染负荷分配方案的分解，提出排水分区治理系统的工程建设方案；

注重LID与传统灰色设施的有机结合；

充分考虑景观用地与水质治理的结合；

协同海绵城市、排水防涝、城市防洪等城市规划建设工作，共同开展排水分区治理。

TMDL应用模型的概念框架图

2.2水环境模型模拟及耦合技术

本课题研究主要运用SWMM、HECRAS、EFDC模型，SWMM模型用于评估径流控制成效、面源污染削减成效和内涝防治成效；HECRAS模型通过闸站操作优化、堤坝改善等进行防洪成效评估、河流水质变化评估；EFDC模型用于模拟湖体水质变化情况。

镇江市水环境模型应用区域及模型耦合框架如下：

镇江市水环境模型应用区域图

镇江市水环境模型耦合架构

EFDC模型与SWMM模型连接

3工程系统论证方法及步骤

3.1系统模型构建步骤

3.1.1基础资料收集整理

在系统模型构建之前，需要对地形数据、卫星遥感数据、土地利用数据、排水管网系统数据、降雨数据等进行收集整理、格式转换、分析汇总并建立数据库，便于查阅分析和数据检索。

3.1.2排水系统拓扑结构搭建与简化

根据研究区域实际管网拓扑结构和空间数据，合理简化支管、概化短管，形成模型可利用的管网数据。排水管网系统拓扑结构图如下：

排水系统拓扑结构的搭建规则如下：

3.1.3汇水区划分及参数识别

考虑研究区域水文参数和管网服务范围的空间差异，需将区域划分为汇水区进行研究，城市由于已开发的区域和未开发的自然区域共同存在，需要综合DEM和搭建的排水管网系统进行详细汇水区划分，汇水区划分图如下：

DEM流域划分：通过GIS的水文分析，划分具有分水岭的汇水区边界。

排水管网系统划分：根据街道下敷设的市政管网划分以建筑为单元的汇水区。

3.1.4模拟参数的识别和建立

结合排水系统和汇水区，对汇水区进行下垫面解析、对排水系统进行规则控制、对旱流污水进行分配、设置面源污染参数、设置边界参数和选择降雨情景，模型参数的识别手段如下：

下垫面解析、旱季污水日变化及降雨雨型分别如下图所示：

下垫面解析图

旱流污水日变化曲线

24小时降雨历时P.C.雨型分布

3.1.5模型参数率定与关联耦合

模型参数率定：筛选出灵敏度比较高的参数，在模型分析过程中尽量提高这些参数的准确度，对于其他灵敏度较低的参数，可以采用经验值，这样可有效提高模型率定和验证的效率。

模型关联耦合：根据汇水区和管网系统构建水文和水动力的耦合模型，再结合输出的排口的污染物负荷与金山湖水质稳态质量平衡分析法进行耦合，通过金山湖水环境容量推出需要控制的污染负荷。

模型参数来源：镇江水环境监测数据汇整

SWMM水量吻合度分析

SWMM水质吻合度分析

HEC-RAS模型率定

EFDC模型率定

3.2系统论证步骤——TMDL实施步骤

基于“总量控制”的污染物负荷削减及径流控制的思路，旨在从水环境保护目标出发，以受纳水体对某种污染物的最大允许排放量为依据，确定污染物的最大排放负荷，从而对污染源进行有效管控。TMDL的实施步骤如下：

3.2.1问题识别与功能用途

实施要点：监测水体水质指标，明确现状水质存在问题；水体定位，明确水体功能要求。

镇江水质监测站对金山湖水质的监测结果表明，金山湖全年长时间呈现富营养状态，与此同时，金山湖作为应急备用水源地，TP浓度明显高于《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中湖泊III类水规定的限值（0.05mg/L），因此，需通过削减金山湖的TP污染负荷，实现金山湖水质目标。

3.2.2确定水质管理区

实施要点：明确水体治理范围的边界，并掌握水质管理区的地形特征。

金山湖是由长江主泓道北移、南淤北蚀而形成的牛轭湖，也是城区运粮河、古运河和虹桥港的受纳水体，常年水域面积为6.55km2，丰水期水域面积可达8.8km2。水位常年稳定在3.8～4.2m，金山湖水质管理区及湖底高程分布如下：

3.2.3调查污染源

实施要点：明确水体治理范围内污染源数量、类型及位置，确定污染负荷及水质评价因子；根据监测的水质数据，确定代表性强的评价因子作为控制因素。

湖泊水质恶化通常表现为富营养化，而N、P是影响湖泊藻类生长的主要养分，根据谢家国等采用综合营养状态指数法（TLI）对金山湖的评估，表明TP为污染物第一主成分因子。再结合阿尔塔蒙特水库案例中评价因子的选择，最终金山湖TMDL计划确定以TP作为水质评价指标。

金山湖沿线排口TP溢流污染负荷模拟

3.2.4计算水环境容量

实施要点：明确以环境质量标准为基础，并结合自然特征可承受的最大污染物负荷，即水环境容量。

采用稳态质量平衡分析法，计算金山湖水环境容量，使用输入系数或观测数据计算进入水体的负荷，并根据污染物的归趋及转输计算相应的水体浓度。

根据金山湖水质控制目标需满足《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中规定的III类水标准，即TP需控制在0.05mg/L。因此，通过TP稳态平衡方程，得出每年TP排入金山湖的控制量。

3.2.5分配污染负荷

实施要点：依据排口所属汇水区，结合汇水区现状特征，合理分配汇水区允许排放的污染负荷量；根据汇水区工程的可行性、落地性和经济性综合分配污染负荷。

金山湖TMDL管制控制污染负荷见下表所示：

其中：①3.82吨/年：金山湖水环境TP的环境容量；②0.38吨/年：安全临界值（MOS）；③3.44吨/年：允许的点源及面源污染负荷；④2.93吨/年：经现场调研后评估OF-9~OF-12四处排口难以进行收集处理，经模型模拟该处排口2007年—2016年年均排入金山湖的TP污染总量为2.93吨/年；⑤0.51吨/年：经现场调研后评估OF-1~OF-8八处排口可进行收集、净化，经计算后排入金山湖TP污染量不能超过0.51吨/年，才能满足金山湖水环境容量要求。

由TMDL计划分配污染负荷的结果，再结合模型模拟OF-1~OF-8排口2007年—2016年年均排入金山湖的TP污染总量，可求得OF-1~OF-8排口需要控制的TP污染负荷。

在满足金山湖TP水环境容量，结合现状TP溢流污染量，可知需削减上述排水TP的污染物总量为2.63吨/年。在此，将径流污染控制量折算为径流控制量，便于系统工程规模设计。

通过年均降雨浓度（AMC）进行径流污染及径流量的计算得出：TP的AMC值为0.56mg/L。在此基础上，本工程需要控制径流量为467.82万m3/年，仅允许91.1万m3/年的径流量进入金山湖。

在金山湖区域年均降雨量为1047.4万m3/年时，得出本工程需满足其服务片区内年径流总量控制率为91.3%，其对应服务片区日设计降雨量为60mm。

在设计降雨量60mm的P.C雨型分布情景下进行水质水力模拟，根据沿金山湖各排口流量之和过程线，得出总流量为26.82万m3。

综上所述，以TMDL作为管控手段，结合现场调研的评估结果，再依据模型模拟的计算手段，得出需控制金山湖沿线排口的排放量，即TP污染负荷削减，即可实现金山湖水质目标要求。

3.3系统规模计算分析

根据构建的水力水质模型，进行末端多功能泵站、处理设施以及各入流竖井规模论证和优化。

3.3.1末端多功能雨水泵站规模论证

末端多功能雨水泵站有雨水处理泵站和排涝泵组，兼顾中小雨工况下深层截流管道的雨水排空及处理，以及大到暴雨工况下超标雨水的排放功能。

最终确定末端多功能雨水泵站设计规模如下：排涝泵组为30m3/s，排空泵组为5万m3/d。

3.3.2水质处理设施规模论证

采用污染物总量管制理念，分析得出日径流控制能力需满足26.8万m3/d，扣除现状征润州污水处理厂雨污处理工艺的处理能力，得出需要通过沿金山湖CSO截流管道进行生态化处理径流量。

水质处理设施规模论证

3.3.3入流竖井规模论证

沿金山湖CSO截流管道的入流竖井尺寸确定取决于其入流峰值流量，即该管道入流竖井设计流量。根据本工程功能定位（以削减服务范围内的CSO为主，兼顾提高排涝、调蓄能力），通过模型分配沿线竖井（江南泵站竖井、迎江路泵站竖井、平政桥泵站竖井、解放路泵站竖井、江滨泵站竖井）流量。

30年一遇降雨下各竖井规模模拟分析

4结论与建议

（1）我国水环境正面临严峻的污染问题，治理水环境污染问题刻不容缓。制定合理、科学且有效的治理方针，是解决水环境问题的根本。基于TMDL的“总量控制”方案是保障水环境长治久清的治理思路。耦合模型作为实施TMDL计划的辅助决策手段，可为工程规模提供量化依据。

（2）本研究通过构建镇江市沿金山湖系统模型，通过模型与历年降雨数据分析，并结合污染物总量管制理念与技术（TMDL），提出相应的污染物控制及对应径流控制目标，依据此目标进行水质处理工况及规模设计。

（3）通过水力水质模型优化确定了镇江沿金山湖CSO污染综合治理工程的末端多功能雨水泵站、水质处理设施以及入流竖井的设计规模，为工程设计提供了重要依据。