SWMM的校園區降雨徑流污染及LID控制模擬

周明來,潘 璐,李澤實,劉瑞芬

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院,河湖生態修復與藻類利用湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068；2 武漢鵬森環境科技有限公司,湖北 武漢 430000)

長江經濟帶建設是國家發展的重大戰略，武漢市作為長江經濟帶中游區域的特大城市，對長江生態環境的保護具有重要作用。作為“龍腰”的武漢有著獨厚的區位優勢，市內江河縱橫，湖泊交織，全境水域覆蓋率達26%，素有“江城”、“百湖之市”的美譽。但隨著快速城市化的發展，武漢市也面臨著水體污染嚴重、水質整體下降、水生態惡化等問題。針對這些問題，武漢市出臺了《武漢市主城區污水全收集全處理五年行動計劃》、“四水共治”等政策，并積極推進水生態文明和海綿城市建設，開展城市水環境治理。武漢市有82所高校，在城市中面積占比不少，校園區污染負荷排放在武漢市水環境污染防治與保護中扮演著重要的角色，特別是由降雨徑流引起的非點源污染負荷的排放對水環境的影響，值得引起人們的關注[1-4]。Storm Water Management Model (SWMM)是美國環境保護署開發的城市雨洪管理模型，是一個動態的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬某單一降水事件或長期連續降雨條件下的水量和水質過程。近年來，SWMM模型在我國城市雨洪分析與管理中的應用越來越廣泛[5-7]，特別是對城市典型居住區雨洪模擬應用較多，但對于城市的重要組成部分校園區研究較少。2014年在該模型的5.0版本中增設了LID (Low Impact Development)模塊，可以模擬海綿改造各種工程措施，如綠色屋頂、透水路面、生物滯留池等的降雨徑流管理效果，但如何利用模型有針對性的進行海綿體改造、進行LID措施布控，在我國仍處于探索階段。

本次研究選取武漢市南湖排水片區內湖北工業大學及巡司河為例，研究武漢市校園區降雨徑流污染負荷及其控制措施對城市通江河流水環境的治理作用。在對校園區各典型下墊面進行降雨徑流過程監測的基礎上，建立基于SWMM的降雨徑流水量水質模型，估算各典型年內校園區入河污染負荷，并設置校園區海綿改造情景，評估實施LID措施后校園區入河污染削減效果。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

武漢市南湖排水片區內的降雨徑流問題一直備受關注。片區內巡司河長約16 km,河寬約為30 m，西連長江南接湯遜湖，是武漢城區最大的排污明渠。據近年來水質監測數據顯示[8]，巡司河整體為劣五類水質，水體表面漂浮大量腐殖質，呈現黑臭狀態，對巡司河水環境治理刻不容緩。湖北工業大學位于巡司河西岸，總占地面積達107萬 m2，校園區生活污水及雨水經管渠收集后直接入河，屬直泄式合流制排水體系。隨著武漢市治水政策的推行，校園內的生活污水將隨截留管進入市政污水廠進行處理后排放，點源污染會得到有效控制，而由降雨所產生的非點源污染還未引起關注，所做研究正是基于此展開。

圖1 研究區具體位置

1.2 校園區SWMM模型構建

1.2.1 校園區排水系統概化根據湖北工業大學校內地形和排水特性，利用學校地形地貌圖、排水管網圖、高程圖等資料，將校內分為101個子匯水區，96個節點，30個排放口，SWMM模型概化結果見圖2。同時，將校園區分為五種下墊面類型，分別為路面、屋面、綠地、庭院/廣場、操場等(圖3)，各下墊面面積分別占全校區面積的9.84%、32.43%、20.23%、29.22%、7.52%，不透水面積比率高達79.02%。

圖2 校園區排水管網分布

圖3 校園區下墊面類型分布

1.2.2SWMM模型水量參數選取及確定SWMM模型產流模擬為非線性水庫模型，地表徑流量Q可以通過曼寧公式(式1)計算得出：

(1)

式中：Q為徑流量，m3/s；W為子匯水區集水寬度，m；n為曼寧糙率系數；d為蓄水池深度，m；dp為最大洼蓄深度，m；S為子匯水區坡度。

由于各子匯水區中均包含不同比例的下墊面類型，子匯水區參數由各下墊面參數按面積加權平均后求得。各下墊面的曼寧系數、洼蓄量預估值取值參考相關文獻、模型用戶手冊[9-14]，曼寧系數n取值范圍為0.011-0.5，洼蓄量dp取值均為2.5 mm。下滲模型選擇Horton方程[15]，相關參數根據校園區地貌特點賦予相同初始值，如最大下滲率取40 mm/h，最小下滲率取2.7 mm/h，衰減系數2.7 h-1等。管網匯流模擬采用運動波法進行匯流計算[9]，相關參數包括節點與管網信息，節點信息為管內底標高和最大水深，管網信息為入流節點、出流節點、管道形狀、最大深度、管長、管道曼寧系數等，均根據已有校園區排水管網圖進行概化。

參考有關文獻對SWMM參數敏感性分析的結果[17-18]，上述參數中對模型模擬結果影響較大的是曼寧系數及洼蓄量，本文采用實測降雨事件對此二參數進行率定。選取2017/9/29日的降雨事件，對路面、庭院/廣場、屋面等下墊面降雨徑流過程進行率定。率定通過比較SWMM模型流量模擬值與實測值之間的差值，使差值盡可能降低做為參數調整的依據。

以路面下墊面率定結果為例(圖4)，在不同時刻SWMM模型的流量模擬值與實測值之間的平均誤差為2.29%。模擬的流量過程線與時間軸所組成的面積即為模擬的徑流總量，而通過徑流公式(2)也可估算本場降雨徑流總量。2017/9/29日降雨為2.4 mm，路面集水區面積約為130 m2，徑流系數取0.9，則由徑流公式所估算的徑流總量為0.28 m3。徑流總量估算值與模型模擬值的誤差為8.0%。選取2017/10/17日的降雨事件對上述路面水文參數進行驗證，其結果見圖5。該數據表明平均誤差為19.4%，在可接受范圍內(≤|±20%|)，故認為率定的水量參數較為合理可信。

(2)

式中：Q為徑流量，m3/s；C為徑流系數；i為降雨強度，mm/s；A為集水區面積，m2。

圖4 2017/9/29日水量參數率定

圖5 2017/10/17日水量參數驗證

屋面、庭院/廣場下墊面降雨徑流過程率定均按上述步驟進行，徑流量和徑流總量的平均誤差分別為4.37%、16.20%，最終此三種下墊面所率定的不透水區曼寧系數取值范圍為0.013～0.15，不透水區洼蓄量取值范圍為3.0～5.5 mm。因天氣原因導致降雨監測事件過少，其它兩種下墊面綠地與操場的水文參數借鑒前人研究成果[18]。

1.2.3SWMM模型水質參數確定對校園區內的路面、屋面、綠地、庭院/廣場、操場等下墊面進行降雨徑流水質模擬，水質指標涉及TSS、TN、TP、CODMn。其中污染物積累模型選用飽和模型，沖刷模型選擇指數模型，相關參數通過調查校園污染物特點、借鑒國內外研究[10-12]，TSS最大積累量取值范圍為60～270 kg/m2，沖刷系數取值范圍為0.004～0.008 mm-1，沖刷指數取值范圍為1.2-1.8，清掃去除率取值范圍為0～70%；CODMn最大積累量取值范圍為30～80 kg/m2，沖刷系數取值范圍為0.0035～0.007 mm-1，沖刷指數取值均為1.8，清掃去除率取值范圍為0～70%；TN最大積累量取值范圍為4～10 kg/m2，沖刷系數取值范圍為0.002～0.004 mm-1，沖刷指數取值范圍為1.2-1.7，清掃去除率取值范圍為0～70%；TP最大積累量取值范圍為0.2～0.6 kg/m2，沖刷系數取值范圍為0.001～0.002 mm-1，沖刷指數取值范圍為1.2-1.7，清掃去除率取值范圍為0～70%。該五種下墊面的半飽和積累時間取值均為10 kg/m2。

2 結果與討論

2.1 校園區入河污染總負荷預測

地表徑流污染負荷是指在一場或是一年中多場降雨事件中引起的地表徑流污染物的總量，一場降雨中徑流排放的污染物總量稱之為次降雨徑流污染負荷，亦稱為次污染負荷；而在一年中由多場降雨事件所引起的地表徑流污染物排放總量稱之為年污染負荷。由于地表徑流排污具有較強的隨機性，大大削弱了次降雨徑流污染負荷的代表性，因而通常采用年污染負荷作為降雨徑流污染對受納水體影響的評價標準。基于以上所構建的SWMM模型，預測在不同來水情況下校園區年降雨徑流負荷，并結合生活污水排放規律預測校園區入巡司河污染總負荷。

2.1.1 典型年降雨徑流污染負荷模擬根據武漢市1962—2015年的年降雨數據，通過目估適線法完成降雨序列的皮爾遜Ⅲ型概率分布曲線，其結果見圖6。

圖6 武漢市降雨皮爾遜Ⅲ型概率分布

根據圖6，并結合2009—2015年武漢市逐日降雨數據，選定三個典型年，分別為2010年(豐水年，1551.5 mm)、2013年(平水年，1228.0 mm)、2011年(枯水年，980.0 mm)，此三年的逐日降雨分布見圖7。

(a)2010年(豐水年)日降雨量

(b)2011年(枯水年)日降雨量

(c)2013年(平水年)日降雨量圖7 武漢市典型年日降雨量分布

利用所構建的SWMM模型對校園區各典型年進行年降雨徑流污染模擬，匯總30個入河排水口的污染負荷，其結果見表1。由表可知，武漢市校園區各典型年降雨徑流負荷存在一定差異，即豐水年>平水年>枯水年。在負荷總量最大的豐水年中，TSS、CODMn、TN、TP的年污染負荷分別達到51.02 t、14.64 t、1.44 t、0.064 t。

表1 校園區典型年降雨徑流污染負荷 t

2.1.2 校園區入河污染物總量預測校園區入巡司河污染物總量預測除了考慮降雨徑流污染負荷之外，還需考慮校園區內生活污水的排放。選擇沿河某一合流制管道排放口，其管徑為500 mm，集水面積約為4000 m2，于無雨日2017/10/28日進行采樣分析，采樣時段為8:00—16:00，每2 h取樣一次，其水量水質結果見圖8。

圖8 校園區生活污水水量水質排放情況

由圖8可知，隨著人類活動的開始，生活污水的水量及其水質在8:00—10:00呈現上升趨勢，之后出現了一定程度的波動，其中波動幅度較小的是TP和CODMn；同時，TSS含量及污水水量的變化趨勢較為一致，但在8:00—12:00期間，TN含量波動幅度較明顯，而在12:00—16:00時段內相對趨于穩定。經測，出口處的TSS的濃度范圍為34.00～73.33 mg/L，CODMn的濃度范圍為17.58～53.63 mg/L，TP的濃度范圍為2.50～3.38 mg/L，TN的濃度范圍為18.67～57.66 mg/L，污染物濃度過高，說明點源污染對巡司河水質惡化有著較為嚴重的影響。在估算生活污水排放量時，將全天分為6個時間段，把0:00—8:00及16:00—24:00作為兩個較長的時間段，而8:00—16：00中的其余時間段以2 h為時間間隔劃分為4個時間段，每個時間段的生活污水污染負荷量均按固定濃度值與流量的乘積得出，其中0:00—8:00的污染物濃度取8:00時刻的濃度值，16:00—24:00的污染物濃度取16:00時刻的濃度值，其余時間濃度見圖8。根據面積成比例法完成全校區全年段生活污染負荷的估算。估算可得，校園區生活污水中TSS、CODMn、TN、TP的年污染負荷分別為192.29 t、110.38 t、86.50 t、8.66 t。將平水年降雨徑流污染與該生活污染年負荷做比較，可知校園區降雨徑流污染物TSS、CODMn、TN、TP分別占其生活污水排放量的22.17%、11.09%、1.43%、0.67%，可見對校園區降雨徑流污染的控制應重點考慮對TSS與CODMn的削減。

2.2 校園區降雨徑流污染控制對策

2.2.1 降雨徑流污染影響因素及控制措施降雨徑流污染與多種因素有關，如下墊面類型的選擇、污染物的種類及其富集的程度、雨量強弱及雨型。據調查，目前對降雨徑流污染的管控多分為3部分：源頭削減、過程控制及末端治理。在源頭削減多采用增加路面清掃、大氣沉降控制、改造下墊面材料等措施。LID是我國海綿城市建設中大力推行的一種以源頭控制為核心，實現水環境保護和城市可持續發展的雨洪管控策略，于20世紀90年代在美國馬里蘭州開始實施，被認為能夠有效解決傳統雨洪資源排泄及運輸系統所引起的水資源、水環境問題[19]。LID工程措施主要包括綠色屋頂、雨水花園、植草溝、透水鋪裝、生物滯留池等，對降低城市降雨徑流污染有較好效果。

綠色屋頂對徑流總量削減率達15.3%～40.0%，延緩產流時間達7～21 min，對徑流峰值削減率為18.0%～62.3%，能一定程度緩解城市內澇[20]；可攔截徑流中80.2%的硝酸鹽，67.5%的磷酸鹽，并且污染物的截流能力隨時長而增加[21]。透水鋪裝對徑流總量削減率在40%～90%之間，對徑流峰值可削減20%～80%[22]，對于TP的削減率達65%～85%[23]，但對TN的削減率僅為4.87%～28.54%[24]。生物滯留池的徑流總量削減率在12%～48%之間[25]，徑流峰值削減率65%～86%[26]，TSS削減率達90%以上，COD削減率達35%～91.4%，TN削減率22%～45.4%，TP削減率68%～80%[27]。本研究擬采用上述LID技術(綠色屋頂、透水鋪裝、生物滯留池)對校園區進行海綿改造，以達到削減降雨徑流負荷，對巡司河水環境治理提供技術支撐。

2.2.2LID措施設置根據《武漢市海綿城市設計規劃導則》、《武漢市綠色建筑管理試行辦法》、《室外給排水設計規范》等導則，利用現場調研、校園區地形圖等資料，對校園區內三種占地面積較大的下墊面屋面、綠地、庭院/廣場各設置LID技術，總面積達8.09萬m2，占校園總面積7.56%。設置情景見表2，并在構建好的SWMM模型中輸入相應LID措施的相關參數[28]。

表2 LID措施于校園子匯水區內的分布

2.2.3 水量水質動態模擬根據武漢市典型降雨事件一年一遇和十年一遇的降雨(降雨時長2 h，降雨量分別為34.43 mm和88.84 mm)，對校園區進行降雨徑流水量模擬，并比較有無LID措施情況下入河徑流的變化，其結果見圖9。設置了LID措施后，校園區降雨徑流峰值及總量都發生了較大幅度的下降。其中，在十年一遇的降雨事件中，對比LID措施設置前后，校園區徑流峰值由20.41 m3/s降至10.65 m3/s，峰值削減率達47.82%；徑流總量由80278.75 m3下降至51 595.69 m3，削減率達到35.73%。盡管LID的設置使校園區在應對十年一遇降雨時徑流系數由0.93減小至0.60，但沒有改變徑流出現時間。而在一年一遇的降雨事件中，LID措施設置前后校園區徑流峰值由5.60 m3/s下降至2.45 m3/s，削減率為56.25%；徑流總量由26 237.49 m3下降至14 894.68 m3，削減率達到43.23%。設置LID使校園區在應對一年一遇降雨時徑流系數由0.78減小至0.45，徑流出現時間推后5 min，說明LID措施對小強度降雨事件的徑流過程有更好的削減效果。

圖9 校園區LID水文過程控制效果

以TSS為例，說明校園區有無LID措施情況下，在一年一遇和十年一遇降雨事件時入河污染物濃度和負荷變化情況，結果見圖10。設置了LID措施后，對應于一年一遇降雨事件，校園區降雨徑流入河TSS濃度峰值由340.73 mg/L下降至227.00 mg/L，削減率達33.37%，污染負荷由4.47 t降至2.55 t，削減率42.99%(圖10a)；而對應于十年一遇降雨事件，TSS濃度峰值由433.97 mg/L降至304.92 mg/L，削減率達29.74%，污染負荷由6.73 t降至4.63 t，削減率31.18%。盡管在兩種降雨事件中，LID措施對污染物的負荷削減作用明顯，但對于濃度削減效果隨時間有所波動，具體表現為當TSS濃度峰值出現后，LID措施改造情景對比于未改造情景，TSS濃度有增加現象，這在十年一遇降雨事件表現明顯(圖10b)。這說明在應對大強度降雨事件時，所設置的LID措施情景當入河污染物達到濃度峰值后其對污染物濃度的削減作用消失。其他污染物濃度和負荷變化規律與TSS類似。最終結果顯示，對于一年一遇降雨事件，各污染物的濃度峰值削減率范圍為31.08%～41.01%，負荷削減率范圍為42.31%～43.95%；對于十年一遇降雨事件，各污染物的濃度峰值削減率范圍為28.81%～41.26%，負荷削減率范圍為30.61%～36.63%，實施LID措施對校園區降雨徑流污染物負荷有較好的削減作用。

(a) 一年一遇有無LID措施對TSS的控制效果

(b) 十年一遇有無LID措施對TSS的控制效果圖10 有無LID措施對TSS的控制效果

3 結論

以武漢市南湖排水片區內湖北工業大學及巡司河為例，研究武漢市校園區降雨徑流污染負荷及其控制措施對城市通江河流水環境的影響，在海綿城市建設、長江大保護的時代背景下有著積極的意義及應用價值。相關結論如下：

1)在實地監測校園區內不同下墊面類型降雨徑流過程的基礎上，構建SWMM模型模擬各典型年校園區降雨徑流污染負荷。各典型年徑流負荷存在差異，豐水年>平水年>枯水年。校園區平水年TSS、CODMn、TN、TP降雨徑流污染負荷分別為42.64 t、12.24 t、1.24 t、0.058 t，分別占其生活污水污染負荷的22.17%、11.09%、1.43%、0.67%。對校園區降雨徑流污染物TSS和CODMn需要重點關注。

2)對校園區內三種面積百分比較大的(>20%)下墊面屋面、綠地、庭院/廣場進行LID措施設置，包括綠色屋頂、透水路面、生物滯留池，改造面積占校園總面積的7.56%。改造后，一年一遇降雨事件(雨量34.43 mm，歷時2 h)降雨徑流峰值削減率達56.25%，徑流總量削減率達43.23%，各污染物負荷削減率均超過40%；十年一遇降雨事件(雨量88.84 mm，歷時2 h)降雨徑流峰值削減率達47.82%，徑流總量削減率達35.73%，各污染物負荷削減率均超過30%。措施改造情景對比于未改造情景，TSS濃度有增加現象，這在十年一遇降雨事件表現明顯(圖10)。這說明在應對大強度降雨事件時，所設置的LID措施情景當入河污染物達到濃度峰值后其對污染物濃度的削減作用消失。其他污染物濃度和負荷變化規律與TSS類似。最終結果顯示，對于一年一遇降雨事件，各污染物的濃度峰值削減率范圍為31.08%～41.01%，負荷削減率范圍為42.31%～43.95%；對于十年一遇降雨事件，各污染物的濃度峰值削減率范圍為28.81%～41.26%，負荷削減率范圍為30.61%～36.63%，說明實施LID措施對校園區降雨徑流污染物負荷有較好的削減作用。