[论文解读] HydroPol2D -- Distributed Hydrodynamic and Water Quality Model: Challenges and Opportunities in Poorly-Gauged Catchments

Marcus N. Gomes, César Ambrogi Ferreira Lago+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2023

Hydrology and Watershed Management StudiesEnvironmental Science被引用 3

一句话总结

HydroPol2D 是一种分布式二维水动力学与水质模型，旨在模拟数据匮乏的城市流域中的雨水径流量及污染物输送。该模型集成了 Green-Ampt 入渗模型、污染物累积与冲刷过程，以及基于动量的水流动力学，成功模拟了 1 年一遇降雨事件下的总悬浮固体（TSS）浓度（456 ± 260 mg·L⁻¹·km⁻²）和显著的初期冲刷效应（在 30% 的径流体积中冲刷出 89% ± 10% 的总 TSS），表现出优异的模拟性能。

ABSTRACT

Floods are one of the deadliest natural hazards and are fueled by excessive urbanization. Urban development decreases infiltration by reducing pervious areas and increases the accumulation of pollutants during dry weather. During wet weather events, there is an increase in the levels of pollution concentrations and stormwater runoff that eventually reach creeks and rivers. Polluted stormwater runoff may be sources of water supply. Modeling the quantity and quality dynamics of stormwater runoff requires a coupled hydrodynamic module capable of estimating the transport and fate of pollutants. In this paper, we evaluate the applicability of a distributed hydrodynamic model coupled with a water quality model (HydroPol2D). First, the model is compared to GSSHA and WCA2D in the V-Tilted catchment, and the limitation of the critical velocity of WCA2D is investigated. We also applied the model in a laboratory wooden board catchment, focusing on the validation of the numerical approach to simulate water quality dynamics. Then, we apply HydroPol2D in the Tijuco Preto catchment, in Sao Carlos - Brazil, and compare the modeling results with the full momentum solver of the Hydrologic Engineering Center - River System Analysis (HEC-RAS). The model implementation, the governing equations, and the estimation of input data are discussed, indicating the challenges and opportunities of the application of distributed models in poorly-gauged catchments. For a 1-yr return period of rainfall and antecedent dry days and assuming an uncertainty of $40\%$ in the water quality parameters, the results indicate that the maximum concentration of total suspended solids (TSS), the maximum load and the mass of the pollutant washed in $30\%$ of the volume are, $456~\pm~260~\mathrm{mg.L^{-1}.km^{-2}}$, $\mathrm{2.56 \pm 0.4~kg.s^{-1}.km^{-2}}$, and $\mathrm{89\%~\pm~10\%}$, respectively.

研究动机与目标

• 开发适用于数据稀缺城市流域的分布式水动力学与水质模型。
• 评估现有模型（如 WCA2D）中临界流速限制对模拟精度的影响。
• 利用木质集水区的实验室尺度实验数据验证水质量模块。
• 在真实、数据匮乏的城市流域（巴西蒂尤科普雷托）应用 HydroPol2D，该流域观测数据有限。
• 量化在不同降雨与干期条件下，地表径流、污染物浓度与负荷的时空动态变化。

提出的方法

• 采用显式有限体积法求解二维平均水深浅水方程，实现水动力学模拟。
• 耦合 Green-Ampt 入渗模型，以模拟城市不透水与透水地表的径流生成过程。
• 引入累积与冲刷模块以模拟总悬浮固体（TSS），并利用校准后的经验系数匹配实验数据。
• 采用微分代数方程的线法（method of lines）与自适应时间步长，提升复杂地形下的数值稳定性与计算效率。
• 在污染物参数中引入不确定性量化（±40%），以评估在数据稀缺条件下的模型鲁棒性。
• 与 HEC-RAS 全动量求解器及 GSSHA/WCA2D 在基准案例中对比，验证模型性能与精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 将流速限制在临界值会对洪水模拟的模型性能产生何种影响？
• RQ2 HydroPol2D 水质模块是否能准确模拟受控实验室环境下 TSS 的累积与冲刷动态？
• RQ3 在观测数据有限的真实城市流域中，HydroPol2D 能在多大程度上模拟径流量与水质？
• RQ4 在 1 年一遇降雨事件与前期 5 天干燥天气条件下，污染物输送的关键动态特征（尤其是初期冲刷效应）是什么？
• RQ5 冲刷参数的不确定性如何影响 TSS 负荷与浓度估算的可靠性？

主要发现

• 将流速限制在临界值会显著降低模型性能，表明此类限制不适用于高精度洪水模拟。
• HydroPol2D 水质模块经实验室数据（木质集水区）校准与验证，成功再现了 TSS 累积与冲刷过程。
• 对于 1 年一遇事件且前期有 5 天干燥天气的情况，出口处最大 TSS 浓度为 456 ± 260 mg·L⁻¹·km⁻²（按 km² 归一化）。
• 出口处最大 TSS 负荷为 2.56 ± 0.4 kg·s⁻¹·km⁻²，表明峰值流量期间污染物输出量极高。
• 冲刷比率系数为 0.63 ± 0.11，事件平均浓度（EMC）为 131.59 ± 16 mg·L⁻¹，证实了显著的污染物再悬浮。
• 89% ± 10% 的总 TSS 质量在仅占总径流体积 30% 的时间内被冲刷出，表明蒂尤科普雷托流域存在强烈的初期冲刷现象。