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摘要：本文通过开发构建水库数字流域系统，建立水库流域的土地开发建设和水环境影响之间的关系，模拟分析小流域开发建设对水文和水环境的影响，持续结合降雨和水文水质的测量数据对模型进行校正，提高模型对降雨和洪水的模拟分析准确度，优化截排站的泄洪控制，减少对水库的影响。在此基础上，根据各类污染因素的输入结果，模拟分析对供水水质的影响，实现对饮用水的水质预警管理，进而为改善设施的运行管理提供参考。
关键词：流域仿真模型;模型验证;流域系统分析
深圳某某饮用水源水库供水沿程及其点污染源已得到全面有效的控制，基本不会再对水库水质构成威胁。除源水的本底污染之外，水质保护区范围内的非点源污染是水库的第二大污染来源。而其入库河流S河所占份额最大，尽管S河截排工程能将初期雨水排至水库下游，但由于截排工程规模的限制，不得不将超过截排容量的洪水排入水库，成为某饮用水源水库不可忽视的风险污染因素。由于非点源污染负荷的影响因素较多，除了人为因素的影响外，也受气象因素的影响，因此很难准确确定非点源污染的负荷。在实际研究工作中，往往在现场的测量和采样分析的基础上，通过建立流域水环境模型来减少实测过程中不确定性因素的影响，从而获得更准确的流域污染分析结果。
本文对某饮用水源水库入库河流和S河流域降雨产洪过程进行了测量分析，并对洪水进行采样化验，用于对模型进行校正，提高模型对入库河流降雨和洪水的模拟分析准确度，优化S河截排站的泄洪控制，减少对水库的影响。
一、流域仿真模型构建
流域仿真模型的实现，需要耦合各种功能，包括庞大的管网数据和地理信息数据的管理调用和处理、模型的参数和数据的输入调用，模型计算内核调用，结果可视化等。目前国内外使用的流域径流模型主要有SWMM、STORM、UCURM、DR3M-QUAL、HSP、WALLINGFORD等，每个模型都有自己的优缺点和适用范围，对于不同的地区，可根据模型特点、研究目标、研究区域的特点和对模型的熟悉程度来选择最适合的模型和软件。
SWMM作为分布式模型在城市化区域的地表产汇流和排水管网的管道输送过程计算方面具有比较明显的优势，选择该模型作为深圳S河流域仿真系统技术分析工具。SWMM是美国环保局为了设计和管理城市暴雨而研制的综合性数学模型，它可以模拟完整的城市降雨径流过程，包括地面径流和排水系统中雨洪的调蓄过程。SWMM模块包括径流模块、输送模块、扩展的输送模块、调蓄/处理模块和受纳水体等主要模块。模型的输出可以显示系统内和受纳水体中各点的水流和水质状况。
深圳S河流域仿真模型建立在地理信息系统与流域模型耦合的基础上。构架如下所示。利用了ArcGIS的数据存储调用、二次开发和空间分析功能，在此平台上生成SWMM模拟文件和调用SWMM计算内核，得出模拟结果并将其可视化表达。
二、基础数据处理与录入
基础数据都通过ArcGIS的ArcCatlog功能来录入存储。并在地理信息系统支持下依据年份及区域研究单元按地形、土壤、植被、土地利用（产污类型）、水文气象数据、水利工程分布、水文地质参数、社会经济统计等专题，组织建立数据库。
模型利用的数据包括：
某饮用水源水库1：10000地形数据;
S河流域土地利用类型数据（2005年，2010年）;
S河河道截面数据;
S河流域雨水管网规划与现状图（2010年）;
S河流域污水管网规划与现状图（2010年）;
2011年S河流域实测降雨数据（三个雨量站）;
2011年至2012年降雨和洪水的采样分析数据。
三、模型验证分析
为了验证模型将实测的降雨、径流及水质数据进行整理，修正模型参数，并验证模型的准确度。其中参数率定用到2012年4月19日的实测数据，参数验证校核用到2012年5月17日和26日的实测数据。
其中率定结果如图1，2012年4月19日实际降雨过程，为S河截排站上游1.3公里处的实测过程数据。降雨数据为气象台数据，流量数据和水质数据为实测值。数据验证分析表明模型的准确度高。
图1 仿真模型的数据验证
四、流域系统分析
模型构建完毕后进行了初步的模拟分析，利用2011年降雨数据进行全年连续降雨的模拟分析。2011年年降雨量1191.3mm，属于枯水年，年内共计录得降雨场次111场。结果如表1。
表1 仿真模型的数据验证
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
共计
降雨
次数
2
7
7
5
11
17
17
10
15
9
8
3
111
降雨量/mm
13.5
40.7
24.2
74.3
144
345.2
243.7
117.8
77.1
46
63.4
1.4
1191.3
根据模型模拟结果，S河截排站共计开闸4次。
表2 S河泄洪数据的模拟分析 年降雨场次
开闸次数
百分比（%）
111
4
3.60
年径流量（m3）
开闸泄洪量（m3）
百分比（%）
36215520
3156730
8.72
根据模型模拟结果，年污染负荷如表3。
表3 S河泄洪污染负荷的模拟分析
指标
污染负荷（t/a）
泄洪污染负荷（t/a）
百分比（%）
COD
1774.56
239.91
13.52
SS
3693.98
400.9
10.85
氨氮
79.67
12.63
15.85
从模拟结果可以看出，S河流域在暴雨情况下，对某饮用水源水库的污染贡献明显。3.6%的场次降雨泄洪量占全年的8.72%，污染物负荷比例达到15%左右。因此暴雨径流污染控制势在必行。
从1988年到2007年，某饮用水源水库流域城建用地面积从7.52平方公里增加到20.48平方公里，整体不透水面比例从10.66%增加到29.03%，流域处于快速城市化阶段，由此导致洪峰加大，洪峰提前，面源污染增加等各种环境问题。
考虑城建用地面积的变化，利用模型进行了情景分析，降雨数据采用2011年实测数据，分析了不透水面从10%增加到29%的变化。计算结果表明（表4）城建用地面积对S河进入某饮用水源水库的污染负荷影响很大。不透水比例从10%增加到29%后，入库流量增加了5.7倍，从1.53%增加到8.72%;入库污染负荷增加了4倍多
五、结论
从以上分析得出，水库流域仿真系统的建设，为水库流域土地开发、排水设施建设等的决策管理提供支持，形成以水环境保护为优先目的的管理模式，实现对非点源污染的有效管理，进一步提升水库的污染防护力度。
参考文献：
[1]车伍，刘燕，欧岚，李俊奇.城市雨水径流面污染负荷的计算模型[J].中国给水排水，2004（7）
[2]李海雯，陈振楼，王军，史贵涛.基于GIS的水环境非点源污染模型研究[J].环境科学与管理，2007（3）
[3]刘毅，陈吉宁，杜鹏飞.环境模型参数优化方法的比较[J].环境科学，2002（2）
[4]王晓燕，王振刚，王晓峰.GIS支持下密云水库石匣小流域非点源污染[J].城市环境与城市生态，2003（S1）
关键词：流域仿真模型;模型验证;流域系统分析
深圳某某饮用水源水库供水沿程及其点污染源已得到全面有效的控制，基本不会再对水库水质构成威胁。除源水的本底污染之外，水质保护区范围内的非点源污染是水库的第二大污染来源。而其入库河流S河所占份额最大，尽管S河截排工程能将初期雨水排至水库下游，但由于截排工程规模的限制，不得不将超过截排容量的洪水排入水库，成为某饮用水源水库不可忽视的风险污染因素。由于非点源污染负荷的影响因素较多，除了人为因素的影响外，也受气象因素的影响，因此很难准确确定非点源污染的负荷。在实际研究工作中，往往在现场的测量和采样分析的基础上，通过建立流域水环境模型来减少实测过程中不确定性因素的影响，从而获得更准确的流域污染分析结果。
本文对某饮用水源水库入库河流和S河流域降雨产洪过程进行了测量分析，并对洪水进行采样化验，用于对模型进行校正，提高模型对入库河流降雨和洪水的模拟分析准确度，优化S河截排站的泄洪控制，减少对水库的影响。
一、流域仿真模型构建
流域仿真模型的实现，需要耦合各种功能，包括庞大的管网数据和地理信息数据的管理调用和处理、模型的参数和数据的输入调用，模型计算内核调用，结果可视化等。目前国内外使用的流域径流模型主要有SWMM、STORM、UCURM、DR3M-QUAL、HSP、WALLINGFORD等，每个模型都有自己的优缺点和适用范围，对于不同的地区，可根据模型特点、研究目标、研究区域的特点和对模型的熟悉程度来选择最适合的模型和软件。
SWMM作为分布式模型在城市化区域的地表产汇流和排水管网的管道输送过程计算方面具有比较明显的优势，选择该模型作为深圳S河流域仿真系统技术分析工具。SWMM是美国环保局为了设计和管理城市暴雨而研制的综合性数学模型，它可以模拟完整的城市降雨径流过程，包括地面径流和排水系统中雨洪的调蓄过程。SWMM模块包括径流模块、输送模块、扩展的输送模块、调蓄/处理模块和受纳水体等主要模块。模型的输出可以显示系统内和受纳水体中各点的水流和水质状况。
深圳S河流域仿真模型建立在地理信息系统与流域模型耦合的基础上。构架如下所示。利用了ArcGIS的数据存储调用、二次开发和空间分析功能，在此平台上生成SWMM模拟文件和调用SWMM计算内核，得出模拟结果并将其可视化表达。
二、基础数据处理与录入
基础数据都通过ArcGIS的ArcCatlog功能来录入存储。并在地理信息系统支持下依据年份及区域研究单元按地形、土壤、植被、土地利用（产污类型）、水文气象数据、水利工程分布、水文地质参数、社会经济统计等专题，组织建立数据库。
模型利用的数据包括：
某饮用水源水库1：10000地形数据;
S河流域土地利用类型数据（2005年，2010年）;
S河河道截面数据;
S河流域雨水管网规划与现状图（2010年）;
S河流域污水管网规划与现状图（2010年）;
2011年S河流域实测降雨数据（三个雨量站）;
2011年至2012年降雨和洪水的采样分析数据。
三、模型验证分析
为了验证模型将实测的降雨、径流及水质数据进行整理，修正模型参数，并验证模型的准确度。其中参数率定用到2012年4月19日的实测数据，参数验证校核用到2012年5月17日和26日的实测数据。
其中率定结果如图1，2012年4月19日实际降雨过程，为S河截排站上游1.3公里处的实测过程数据。降雨数据为气象台数据，流量数据和水质数据为实测值。数据验证分析表明模型的准确度高。
图1 仿真模型的数据验证
四、流域系统分析
模型构建完毕后进行了初步的模拟分析，利用2011年降雨数据进行全年连续降雨的模拟分析。2011年年降雨量1191.3mm，属于枯水年，年内共计录得降雨场次111场。结果如表1。
表1 仿真模型的数据验证
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
共计
降雨
次数
2
7
7
5
11
17
17
10
15
9
8
3
111
降雨量/mm
13.5
40.7
24.2
74.3
144
345.2
243.7
117.8
77.1
46
63.4
1.4
1191.3
根据模型模拟结果，S河截排站共计开闸4次。
表2 S河泄洪数据的模拟分析 年降雨场次
开闸次数
百分比（%）
111
4
3.60
年径流量（m3）
开闸泄洪量（m3）
百分比（%）
36215520
3156730
8.72
根据模型模拟结果，年污染负荷如表3。
表3 S河泄洪污染负荷的模拟分析
指标
污染负荷（t/a）
泄洪污染负荷（t/a）
百分比（%）
COD
1774.56
239.91
13.52
SS
3693.98
400.9
10.85
氨氮
79.67
12.63
15.85
从模拟结果可以看出，S河流域在暴雨情况下，对某饮用水源水库的污染贡献明显。3.6%的场次降雨泄洪量占全年的8.72%，污染物负荷比例达到15%左右。因此暴雨径流污染控制势在必行。
从1988年到2007年，某饮用水源水库流域城建用地面积从7.52平方公里增加到20.48平方公里，整体不透水面比例从10.66%增加到29.03%，流域处于快速城市化阶段，由此导致洪峰加大，洪峰提前，面源污染增加等各种环境问题。
考虑城建用地面积的变化，利用模型进行了情景分析，降雨数据采用2011年实测数据，分析了不透水面从10%增加到29%的变化。计算结果表明（表4）城建用地面积对S河进入某饮用水源水库的污染负荷影响很大。不透水比例从10%增加到29%后，入库流量增加了5.7倍，从1.53%增加到8.72%;入库污染负荷增加了4倍多
五、结论
从以上分析得出，水库流域仿真系统的建设，为水库流域土地开发、排水设施建设等的决策管理提供支持，形成以水环境保护为优先目的的管理模式，实现对非点源污染的有效管理，进一步提升水库的污染防护力度。
参考文献：
[1]车伍，刘燕，欧岚，李俊奇.城市雨水径流面污染负荷的计算模型[J].中国给水排水，2004（7）
[2]李海雯，陈振楼，王军，史贵涛.基于GIS的水环境非点源污染模型研究[J].环境科学与管理，2007（3）
[3]刘毅，陈吉宁，杜鹏飞.环境模型参数优化方法的比较[J].环境科学，2002（2）
[4]王晓燕，王振刚，王晓峰.GIS支持下密云水库石匣小流域非点源污染[J].城市环境与城市生态，2003（S1）