基于SWMM的低影響開發污染削減效果模擬研究

江 煒，樓宇鋒

(同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092)

0 引言

近些年來，在極端氣候變化和城市快速發展的共同作用下，我國內澇現象頻發，洪澇災害給社會造成了巨大的經濟損失，嚴重威脅了人們的生命和財產安全[1]。2014年2月，習近平總書記在《住房和城鄉建設部城市建設司2014工作要點》中明確指出，要督促各地加快雨污水分流改造，提高城市排澇水平，大力推行低影響開發，加快建設海綿型城市建設的政策措施[2]。“海綿城市”建設是指在建設的過程中，優先根據其原有的生態系統，建設生態排水設施，推廣采用低影響開發(LID)建設模式，從源頭上對雨水的吸納、滲和緩解作用，使得城市水溫特性和開發建設前相近，從而實現緩解城市內澇、削減城市徑流總量和徑流污染、節約水資源、保護和改善城市生態環境的目的[3]。LID是海綿城市建設中的重要組成，LID能盡可能減少對自然系統的沖擊惡化破壞、從源頭上實現降雨徑流和污染控制，讓開發建設后盡量和開發建設前的水文狀態相近[4-5]。LID技術能去除雨水中的營養物質、重金屬和病原體等物質，滲入地下的雨水可以補給河湖，減少土地開發對生態環境影響，對于改善生態環境起到了積極作用。

LID把雨水作為一種資源而不是“廢物”，不能由于項目的開發而隨意直接流失，要在源頭維持和保護原有的水文功能，緩解不透水面積所帶來的影響[6-7]。生物滯留池、雨水花園、綠色屋頂、植草溝、透水鋪裝、雨水桶和下凹式綠地被認為是主要的LID措施，具有環境效益、經濟效益和社會效益3方面的作用[8]。不同的地方進行LID控制的時候有多種選擇，LID尺寸、LID位置布局和LID組合等都是需要考慮的因素，其中LID布局在未來的研究中具有重要意義[9-10]。

SWMM是著名的動態水文、水力和水質模擬軟件，廣泛應用于世界各地的合流、污水管道和其他排水系統的規劃設計等，可以用于徑流水量和水質單一事件或長期模擬。目前的SWMM含有LID模塊，LID模擬過程是通過垂直層的組合表示的。SWMM復雜度適中，廣泛應用于暴雨徑流規劃、研究和設計[11-12]。本研究擬采用SWMM模型，進行LID布局模擬研究。

1 研究區域概況

本研究區域的用地類型包括公共綠地、人行道、道路、公共建筑、廣場、建筑道路、建筑間水泥空地、建筑綠地、建筑用地、景觀水、居民建筑和開發地塊。根據地形地勢和用地類型，結合排水管網分布，將匯水區劃分為118個子匯水區，每個子匯水區就近排入相應的排水節點。由于研究區域面積小于2 km2，假定在整個匯水區范圍內降雨是均勻的。

子匯水區包括的參數有面積，坡度，不透水性，匯水區寬度等。通過ArcGIS計算子匯水區的折點坐標，面積，坡度和不透水性，大大提高了SWMM模型的輸入精度和效率，避免了人為輸入帶來的可能性誤差。在進行水量計算時，根據下墊面性質，分為有洼蓄量的不透水面積，無洼蓄量的不透水面積和透水面積三種類型。在進行水質計算時，采用公共綠地、人行道、道路、公共建筑、廣場、建筑道路、建筑間水泥空地、建筑綠地、建筑用地、景觀水、居民建筑和開發地塊等11種用地類型進行污染物累積和沖刷計算(模型見圖1)。

2 不同方案模型研究

通過建立的SWMM水文水質模型，設計了不同的LID布局方案，計算不同LID布局方案的徑流削減量、內澇削減量、溢流污染削減量和污染物徑流峰值削減量。未設置LID設施的情況為基礎情景，不同的LID布局方案為不同的情景，模擬不同情景下的徑流削減量、內澇削減量、溢流污染削減量和污染物徑流峰值削減量等，主要的設計的情景為：

(1)基礎情景：研究區現狀情況，未設置LID設施。

(2)方案1：LID設施布置在流域的前端，只在前端子匯水區設置LID，模擬該情景下的節點冒溢量、節點TSS、COD、TP和氨氮溢流量和削減量。

(3)方案2：LID設施布置在流域的中段，只在中段子匯水區設置LID，模擬該情景下的節點冒溢量、節點TSS、COD、TP和氨氮溢流量和削減量。

(4)方案3：LID設施布置在流域的末端，只在后端子匯水區設置LID，模擬該情景下的節點冒溢量、節點TSS、COD、TP和氨氮溢流量和削減量。

2.1 基礎情景模擬

基礎情景指的是現有的排水管網和匯水區，沒有設置任何LID措施和管網改造的情景。通過2010年的降雨數據對全年的排水節點徑流和污染物冒溢量進行模擬計算，得到的計算結果如表1所示。

通過模型計算，2010年節點冒溢量為351 682 m3，節點冒溢TSS為89 842.31 kg，節點冒溢COD為47 908.50 kg，節點冒溢TP為169.42 kg，節點冒溢TN為1 776.91 kg，節點冒溢氨氮為981.44 kg。

以芝加哥雨型為邊界條件輸入到模型中，計算降雨量為一年一遇，三年一遇，五年一遇時的排水節點徑流和污染物冒溢量，得到的結果如表2所示。

2.2 不同低影響開發布局設置情景

根據子匯水區流入排水管網的先后順序，將子匯水區分為前端子匯水區、中端子匯水區和末端子匯水區，通過在前端、中段和末端子匯水區設置不同的低影響開發措施，研究不同低影響開發措施對徑流削減量，節點內澇，節點溢流污染物量，污染物外排削減量的研究，子匯水區劃分如圖2所示。

(1)LID前端布置情景

LID前端布置情景是只在前端的子匯水區設置生物滯留池、雨水花園、透水鋪裝、植草溝等低影響開發措施，研究在前端的子匯水區設置了低影響開發措施后節點徑流和污染物冒溢量的削減情況，LID前端布置如圖3(a)所示。

(2)LID中段布置情景

在中段子匯水區設置125個面積為100 m2的生物滯留池，LID中段布置情景是只在中段的子匯水區設置生物滯留池、雨水花園、透水鋪裝、植草溝等低影響開發措施，研究在中段的子匯水區設置了低影響開發措施后節點徑流和污染物冒溢量的削減情況，LID中端布置如圖3(b)所示。

(3)LID末端布置情景

在末端子匯水區設置125個面積為100 m2的生物滯留池，LID末端布置情景是只在中端的子匯水區設置生物滯留池、雨水花園、透水鋪裝、植草溝等低影響開發措施，研究在末端的子匯水區設置了低影響開發措施后節點徑流和污染物冒溢量的削減情況，LID末端布置如圖3(c)所示。

3 不同LID布局措施削減效果比較

3.1 生物滯留池不同布局比較

通過模型計算結果，匯總了生物滯留池在不同年重現期降雨情況下，分別設置在前端、中段和末端情況下的排水節點COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量。對于節點內澇削減量，從圖中可以看出，在一年一遇降雨量情況下，生物滯留池前端布置削減量和中段布局相近，高于末端布置；在三年和五年一遇降雨量情況下，生物滯留池中端布置削減量略高于前端布置，高于末端布置。對于TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量，從下圖可以看出，生物滯留池前端布置略高于中段布置，高于末端布置。生物滯留池在不同年重現期降雨情況下，分別設置在前端、中段和末端情況下的排水節點COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減百分比和削減量具有一致的規律，如圖4所示。

3.2 透水鋪裝不同布局比較

通過模型計算結果，匯總了透水鋪裝在不同年重現期降雨情況下，分別設置在前端、中段和末端情況下的排水節點COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量。通過觀察可以發現，對于內澇削減量、COD、TP和氨氮溢流量削減量，透水鋪裝中端設置高于前端設置，高于末端設置；對于TSS，五年一遇的降雨情況下，透水鋪裝前端設置削減量略高于中段布局，高于末端設置，一年和三年一遇降雨的情況下和透水鋪裝TSS削減規律其他污染物一致。除了透水鋪裝在不同年重現期降雨情況下，設置在前端、中段或末端情況下的排水節點COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減百分比和削減量規律相似，削減百分比：中段設置>前端設置>末端設置，如圖5所示。

3.3 植草溝不同布局比較

通過模型計算結果，匯總了植草溝在不同年重現期降雨情況下，分別設置在前端、中端和末端情況下的排水節點COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量。通過觀察可以發現，對于內澇削減量、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量，植草溝中段設置高于前端設置，高于末端設置。植草溝在不同年重現期降雨情況下，設置在前端、中段或末端情況下的排水節點COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減百分比和削減量規律相似，削減百分比：中段設置>前端設置>末端設置，如圖6所示。

4 結論與建議

本文通過借鑒國內外先進的雨水管理理念，根據本地區的排水管網和用地類型等數據，建立了水文水力模型，通過模型模擬了不同低影響開發措施在不同布局情況下的節點內澇和節點污染物溢流量的情況，研究結果表明低影響開發布局對節點內澇和節點污染物溢流削減量具有重要影響，主要結論如下：

(1)對于生物滯留池，研究結果表明，生物滯留池年節點內澇和節點污染物溢流削減效果：前端布局>中段布局>末端布局；

(2)對于透水鋪裝，研究結果表明，透水鋪裝年節點內澇削減效果：前端布局>中段布局>末端布局；透水鋪裝年節點TSS和COD溢流削減效果：前端布局>中段布局>末端布局；透水鋪裝年節點TN、TP和氨氮溢流削減效果：前端布局>中段布局>末端布局；

(3)對于植草溝，研究結果表明，植草溝年節點內澇和節點污染物溢流削減效果：中段布局>前端布局>末端布局。

本文研究表明不同布局LID布局對節點內澇和節點污染物溢流削減具有重要影響。因此有必要深入研究不同區域不同LID布局對節點內澇和節點污染物溢流削減規律及其內在機理，為低影響開發建設LID布局提供更為詳細的指導。另外，本文僅對前端布局、中段布局、末端布局和均勻布局進行了相關研究，后面可以與人工智能、三維可視化等理論技術結合，建立全套的LID優化布局集成系統，指導我國海綿城市低影響開發建設研究。