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。
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
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
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
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。
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Simuwater软件介绍
城市水系统控制仿真模型（Simuwater）是由中国市政工程华北设计研究总院有限公司自主开发的分布式水文、水力、水质模型。主要应用于汇水区、LID、城市雨污水管道、水体、泵站、调蓄池等水循环系统的连续动态仿真模拟，可实现源-网-厂-河联合模拟，可模拟降雨径流、面源冲刷、管网水力传输、污染物降解等，可设置控制规则，通过识别水系统节点或链接状态变量，动态调整水泵、堰等控制设施启闭等。主要应用于：海绵城市、排水防涝、黑臭水体治理等等领域。
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Simuwater软件下载
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1 城市水系统控制仿真模型（Simuwater）介绍 城市水系统控制仿真模型（Simuwater）是由中国市政工程华北设计研究总院有限公司自主开发的分布式水文、水力、水质模型，能够实现汇水区、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。主要应用领域为：海绵城市、排水防涝、黑臭水体治理等。