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摘要：城市河道水环境问题日趋严重，水环境治理需求日益强烈。水环境治理的考核周期长，仅依靠传统的公式法对河道断面、排水管网计算设计，已经不能满足当下的项目需求，借助水质模型技术来实现对水环境的长时间模拟，可以更好的指导工程设计与运营。文章阐述了当下水环境治理的背景，简要描述了水质模型的四个发展阶段，以及Mike11和SWMM模型在实际工程治理过程中的模型论证思路，并对后续模型在实际工程中的应用做出展望。
引言
随着我国城市经济的快速发展，人口急剧增加，城市规模日益扩大，城市环境基础设施建设速度远低于需求量的现象随之凸显。导致过量污染物入河，引发水体中有机质、氮、磷等污染物浓度超标，超出水体自净能力，城市河道水环境遭到了严重的污染和破坏，大量城市河道成为行洪和排污通道，河水滞流、河道淤积、水体浑浊黑臭等问题相当普遍。2015年，国务院印发了《水污染防治行动计划》（即“水十条”），城市水环境治理问题迫在眉睫，如何精准、高效的开展治理工作也日渐被重视。
由于城市管网复杂，对于较早开发的城市，区域管网存在黑臭水体污染源的种类复杂，且污水来源难以追溯的现象，盲目的进行水质工程建设，不仅工程效果不显著，且造成人力和财力的浪费。
流域水环境问题涉及河道、城市排水管网、水生态、景观等各个方面。特别是河道与城市排水管网的问题，错综复杂，仅依靠传统的公式法对河道断面、排水管网计算设计，已经不能满足工程项目的需求，流域治理的考核周期时间跨度长，只有借助数值模拟技术来实现对全流域进行长时间的模拟，指导工程设计与运营。
模型的建立和应用可以模拟污染物在水系内沿程迁移转化过程，通过设定水动力、水工建筑物等边界条件，可以准确展示污染物的时空分布规律，极大方便工程建设，使工程规划设计更有针对性。科学合理的引入水动力和水质模型技术，可为河道及流域水质预测、管理和规划决策等提供有力支持。
1 水质模型发展简介
水质模型是以实测水质指标作为输入条件，通过数学推算，描述水质变化情况的一类水体治理工具。模型发展主要包括四个阶段：一是1925~1965年，模型起步阶段，主要以简单的氧平衡模型为主，其中S-P模型最典型；二是1966~1985年，水质模型迅速发展阶段，主要以综合水质模型为主，模型考虑污染源、底泥、水动力边界作用，该阶段以QUAL系列模型为代表；三是1986~1998年，模型深入开发，广泛应用阶段，模型应用范围更广，涵盖水库、海岸带等；四是1999年至今，是水质模型集成化阶段，各类综合集成模型被广泛运用，例如，MIKE、SWMM、EFDC等。
2 MIKE11和SWMM模型应用
本文主要以MIKE11和SWMM两类模型为例，介绍其在水环境治理中的应用。
2.1 SWMM模型
SWMM模型现已广泛应用于城市排水系统的规划设计以及解决城市排水和水质方面的工程问题。SWMM模型主要由四个计算模块和一个服务模块组成。四个计算模块即径流模块（RUNOFF），输送模块（TRANSPORT），扩充输送模块（EXTRAN）和储存/处理模块（STORAGE/TREATMENT）组成。服务模块是用于数据统计、图形显示、模块交互等，包括统计模块、图标模块、联合模块、降雨模块、温度模块。通过管道、存储和处理设施、泵和人为调控进行降雨径流演算，模拟每个子流域单位时间步长上的径流量、水质、流速、径流深及管道和渠道的水质。SWMM模型的核心模拟流程包括：①子流域概化；②地表产流计算；③地表汇流演算；④管网汇流子系统演算。
2.2 MIKE11模型
MIKE11一维河道、河网综合模拟软件是美国国家环保总局（EPA）列举的供TMDL计划备选的模型之一，主要用于河口、河流、河网、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟，在防汛洪水预报、水资源水量和水质管理、水利工程规划设计论证均可得到广泛应用。如：淮河流域水质管理与应用、北京南沙河流域管理与规划、松辽流域水资源管理系统等。
MIKE11包含如下基本模块：水动力学模块（HD）：采用有限差分格式对圣维南方程组进行数值求解，模拟水文特征值（水位和流量）。
降雨径流模块（RR）：对降雨产流和汇流进行模拟。包括NAM，UHM，URBAN，SMAP模型。
对流扩散模块（AD）：模拟污染物质在水体中的对流扩散过程。水质模块（WQ）：对各种水质生化指标进行物理的、生化的过程进行模拟。可进行富营养化过程、细菌及微生物、重金属物质迁移等模拟。
泥沙输运模块（ST）：对泥沙在水中的输移现象进行模拟，研究河道冲淤状况。
2.3 模型在实际工程中的应用思路
在水环境治理过程中，首先，需要确定河涌的水环境治理目标，即各河涌的水环境容量。其次，可利用SWMM模型模拟入河的面源污染负荷（面源），结合现状污染源排口调查（点源）、河涌底泥调查（内源），计算入河污染总量。根据污染源分析出入河污染权重，以权重作为工程设计方案制定的依据。
河涌污染源主要包括以下三大类：
（1）点源：
分流制混接排口：多为市政路雨水管局部串接污水；
污水排口：河涌两侧无污水管道，污水直排；
暗渠、明沟：上游存在污水直排与混接现象。
（2）面源：农田、鱼塘排水污染；初期雨水浓度高，直排入河。
（3）内源：河道底泥淤积等。
工程设计方案可从清淤削减内源、点源截污、整改河道岸线、生态修复（人工湿地净化技术、IMA系统技术、水生森林技术、漂浮湿地技术等），结合清水补给、水循环等水动力措施综合治理水环境。
针对以下情况可因地制宜采取对应方案。
（1）分流制管道：现状雨污分流管道存在错接、混接情况，可根据污染源调查的溯源结果进行分流整改，实现分流目标。
（2）合流制管道：晴天污水经管道排入自然水体，雨天污水和地表径流入管网的雨水合流，可在管网末端入河前设置截流井等措施进行截流。
（3）考虑初期雨水污染物浓度较高，可在用地、投资等条件允许下拟建调蓄池，可有效降低面源和初期雨水污染。
运用SWMM模型主要论证内容可包括：流域面源负荷分析、调蓄池规模确定、截流倍数选取。
基于污染源调查结果，以相关排口水质、流量作为模型输入条件，构建SWMM模型，经过模拟论证后，可将其结果与MIKE11进行耦合，可用MIKE11模型模拟措施实施后河涌水质的变化情况及污染物的削减量，根据模拟结果优化工程措施方案，并对设计方案实施后的水系考核目标进行可达性分析。
3 结语与展望
城市河道水环境现状问题严重，污染负荷大，生态系统稳定性差，极易受到破坏，而且修复难度大。建立合适的河道水质模型，并结合污染源调查结果，对模型参数进行优化调整，使得模型结果偶然性降低，为水环境治理工程方案优化提供可靠依据和合理的效果预期，这将是未来工程项目和水质模型结合的发展方向。
参考文献：
[1]庞少飞.城市大气环境中污染物的来源及治理对策[J].湖北科技学院学报，2015，35（11）：188-190.
[2]段晓娟.我国饮用水水源地保护制度完善探析[D].昆明理工大学，2012.
[3]张维理，武淑霞，冀宏杰等.中国农业面源污染形势估计及控制对策Ⅰ.21世纪初期中国农业面源污染的形势估计[J].中国农业科学，2004，37（7）：1009-1009.
[4]田腾飞.基于污染源解析和水质模拟的城市黑臭水体整治效果评估[D].天津理工大学，2019.