基于不同土地利用類型下的初期雨水徑流污染特征分析與LID措施研究

朱甜甜，于增知，于 晗，于宏兵，遲澤旭，劉曉珍，張楊帆，董斌斌

(南開大學 環境科學與工程學院，天津 300350)

1 研究背景

近年來，我國的城市化發展速度明顯加快，1978-2016年全國城鎮化率由17.92%增長到57.35%，但城市在快速發展過程中也帶來了許多負面影響。城市建設活動改變了原有的地形、地質、水系、氣候、植被和水文等自然屬性，導致不透水面增加。這使得自然水循環過程受阻，暴雨產匯流量增多，從而引發水質污染、水生態惡化等一系列環境問題[1-3]。地表徑流尤其是初期雨水徑流中含有多種有機和無機污染物，常見的污染物主要包括懸浮固體(SS)、營養物質(N和P)、耗氧物質(COD)、重金屬(Pb、Cu等)以及有機污染物(多氯聯苯、多環芳烴等)[4-5]。徑流污染物的主要污染來源有居民區、商業區、工業區、城市道路區以及人類建設活動和大氣沉降等。初期雨水徑流污染屬于面源污染，具有污染物成分復雜多樣、污染源空間分布廣泛等特點，給其治理帶來巨大挑戰[6]。因此需要對我國的雨水徑流污染特征進行研究并提出有效的解決辦法，以減少其對城市水環境造成的污染。

國內學者對初期雨水徑流污染的研究主要集中在特定區域或者混合土地利用類型下的污染物類型、含量、變化特征以及控制措施等。劉守城等[7]分析了南京市區3種類型的建筑屋面徑流污染特性，其結果表明初期徑流污染濃度隨降雨歷時的延長呈前高后低的變化趨勢且受降雨強度影響較大。杜玉來[8]以合肥市經濟開發區為研究區域，發現初期雨水污染特性除了與降雨強度有關外還與雨前干燥天數有關。柳健[9]對6類道路雨水徑流污染物含量的監測結果顯示，各監測點徑流中含有的部分污染物含量遠超地表水Ⅴ類水標準。孫志康等[10]用SWMM(storm water management model)對LID(low impact development)控制下徑流水文水質進行模擬，得出LID組合措施對SS、COD、TN的控制效果。但運用SWMM模型從定量角度分析不同土地利用類型下的初期雨水徑流污染含量的研究相對較少，從而不能定量分析徑流污染物含量變化與用地類型之間的關系。

鑒于此，本文以天津市河西區解放南路試點區域中的郁江道分區為例，首先對研究區的landsat 8衛星影像進行圖像預處理，再用ArcGIS軟件對處理后的影像進行目視解譯劃分土地利用類型。在土地利用類型劃分的基礎上建立SWMM水質模型，對SS徑流污染特征進行研究并評價低影響開發設施(LID)對其的削減效果，以期為我國不同土地利用類型下的初期雨水徑流污染特征研究及控制提供一定的理論基礎。

2 研究區概況

2.1 研究區簡介

天津市地處華北平原東北部，海河流域下游，東臨渤海，屬于暖溫帶半濕潤大陸季風性氣候，多為地勢平坦的平原。郁江道研究區位于天津市河西區解放南路試點區之內，其中心經度約117°14′30″，緯度約39°4′，面積約為210.4 hm2。復興河和長泰河分別位于研究區的北部和東部，其主要功能是承擔包括研究區在內的周邊區域的雨水排泄，同時兼具觀賞和調節氣候的作用，研究區的地理位置及水系分布如圖1所示。

圖1 研究區地理位置及水系分布圖

2.2 研究區土地利用現狀

開展研究區的土地利用現狀分析，需要獲取該地區的影像資料。從地理空間數據云獲取天津地區的landsat 8衛星遙感影像，其所在影像的條帶號為122，行編號為33，多光譜波段的空間分辨率為30 m×30 m，圖像的獲取時間為2018年5月份，平均云量為0.46%，數據質量較好。

在目視解譯前需要用ERDAS圖像處理軟件對衛星影像進行幾何校正、圖像裁剪、圖像融合等操作，使影像包含的地物信息更易辨別，目標區域更加突出，以增強解譯性。以《土地利用現狀分類(GB/T 21010-2017)》作為分類標準，用ArcGIS軟件對研究區衛星影像進行目視解譯劃分土地利用類型，劃分結果如圖2所示。圖2中劃分出道路、水系、空閑地、工業用地、公園與綠地、零售商業用地、機關團體用地、商務金融用地、城鎮住宅用地9類二級用地類型，表1為各類土地利用類型的面積和比例。

表1 研究區各土地利用類型的面積和比例

圖2 研究區土地利用類型劃分結果

3 SWMM模型建立

3.1 SWMM概述

雨水管理模型(storm water management model)簡稱SWMM 模型，于1971年被開發推廣[11]并不斷更新升級，作為降雨-徑流動態模擬模型，其可以對城市區域單一或長期降雨條件下的水質水量變化過程進行數值模擬。

3.2 研究區概化

對研究區進行子匯水區的合理劃分是SWMM模型建模的關鍵步驟之一，當前主要有3種類型的劃分方法：(1)根據市政管網走向、建筑物和街道的規劃布局，直接人為劃分子匯水區；(2)對研究區創建泰森多邊形然后根據實際情況作局部調整；(3)在人工劃分大的匯水區的基礎上創建泰森多邊形對其進行細分，之后人工作局部調整。因所選區域范圍不大，選用第1種方法直接人工劃分子匯水區。根據已有的土地利用類型和雨水管網資料等將研究區分為16個面積不等的子匯水區，概化結果如圖3所示。

圖3 研究區匯水區概化圖

3.3 SWMM基本參數選取

SWMM模型中包含水文模塊、水力模塊和水質模塊。水文模塊模擬降雨后地表的產流匯流過程；水力模塊主要模擬進入城市排水管網的降雨在管網中的輸送過程；水質模塊模擬不同土地利用類型上污染物的積累沖刷過程。在建模過程中根據研究目的選用不同的模塊組合以達到不同的模擬目的。

3.3.1 水文參數 SWMM中Horton模型應用最為廣泛，Modified Horton模型在其基礎上有所改進，模擬結果有所提高，故本研究采用Modified Horton下滲模型。對研究區的土壤經勘查取土、土層分析確定其土壤類型主要為粉質黏土，其特征是具有高徑流潛力，水在土壤中運動阻力較大，土層下滲能力較弱容易形成徑流。根據研究區土壤特性和模型手冊，Modified Horton模型中的最大入滲率、最小入滲率、衰減常數、排干時間分別設為35.1mm/h、0.508 mm/h、5 h-1和7 d，其他主要參數取值及獲取方法如表2所示。

表2 研究區部分水文參數取值及獲取方法

3.3.2 水力參數 研究區排水管網概化為雨水節點21個,埋深在1～2 m，雨水管段21個,管徑500～2 000 mm，管段材質主要為塑料管和圓形水泥管，排放口1個。在本模擬中選用動態波演算模型，該演算方法能夠模擬水流在管段中的復雜運動，模擬的時間步長為30 s。

3.4 雨型設計

為了使模型模擬結果符合當地實際，需要模擬當地的降雨量和降雨過程即雨型設計。在缺乏實際數據時降雨量可根據研究區暴雨強度公式計算，暴雨過程采用芝加哥降雨模型。按照天津市暴雨分區[12]，研究區所在的河西區屬于第一分區，其暴雨強度計算公式為：

(1)

式中：q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；P為重現期，a；t為降雨歷時，min。

采用目前廣泛應用的芝加哥降雨模型，設計重現期分別為1、3、5、10 a，雨峰系數r=0.4，降雨歷時為2 h，降雨量分別為54.037，73.534，82.599，94.900 mm，圖4所示為不同重現期下的降雨過程線。

圖4 不同重現期降雨過程線 圖5 不同土地利用類型上的徑流量隨時間變化曲線

4 SWMM水質過程建模

不同土地利用類型上沉積的各種有機和無機污染物在降雨過程中被降雨不斷淋洗、沖刷進入受納水體，會對水環境造成不同程度的污染。本研究選用地表徑流中的典型污染物懸浮固體(SS)作為研究對象，模擬其降雨前在地表的累積過程和降雨中的沖刷過程。

4.1 累積過程模擬

污染物在地表的積累是一個復雜過程。SWMM模型中針對累積過程有3種方法：冪函數(power function)、指數函數(exponential function)和飽和函數(the saturation function)。本研究采用指數函數來模擬污染物的累積過程，其表達式如下：

b=Bmax(1-e-KBt)

(2)

式中：b為單位面積上的累積量，kg/hm2；Bmax為最大累積量，kg/hm2；KB為衰減常數，d-1;t為衰減時間，d。

當單位面積上的累積量為最大累積量的99%時，即b=0.99×Bmax時，等式(2)變形為等式(3)：

(3)

4.2 沖刷過程模擬

沖刷是指在降雨中子匯水區上形成的地表徑流對下墊面淋洗或侵蝕的過程。SWMM提供3種經驗模型來模擬地表污染物的沖刷過程：指數沖刷函數(exponential washoff),流量曲線沖刷函數(rating curve washoff),平均濃度沖刷函數(event mean concentration washoff)。因指數沖刷函數既與徑流量相關又與污染累積量相關[13]，故本研究采用該函數來表示污染物的沖刷過程，其函數表達式如下：

W=C1·qC2·B

(4)

式中：W為沖刷負荷，kg/h；C1為沖刷系數，(mm·h-1)-C2/h；q為徑流速率，mm/h；C2為沖刷指數，為某一常數；B為地表污染累積量，kg。

4.3 水質參數設置

SWMM是以研究區內不同的土地利用類型為基礎來對水質進行模擬的。本研究在土地利用類型劃分的基礎上，根據天津市2009年6、7月份的降雨徑流資料[14]和手冊[15-17]中關于不同土地利用類型上SS產生量對模型水質參數進行率定。SS累積規律參考張靜等[18]的研究結果即SS累積量基本穩定約需要30 d，在建立模型時設定其達到最大累積量的99%所需時間在30～60 d,根據公式(3)對衰減常數進行確定。道路、工業用地、公園與綠地、零售商業用地、機關團體用地、商務金融用地、城鎮住宅用地的清掃模式設置為1次/d，空閑地沒有進行規劃建設所以不設置清掃模式，清掃效率為0.3～0.5。天津市全年降雨量分配不均，降雨時間一般主要集中在每年的6-9月，故前期干旱天數設置為40 d，沖刷函數和累積函數的參數設置如表3所示。

表3 不同土地利用類型下的累積函數和沖刷函數的參數取值

4.4 低影響開發設施

低影響開發設施(LID)在降雨時發揮的主要功能有滲透、儲存、調節、攔截凈化等，其既能減少末端雨水處理成本，又能減輕對受納水環境的污染[19]。在海綿城市建設過程中要適當選用低影響開發單項或者組合設施，增加雨水下滲及其對徑流污染的攔截、吸收、降解作用，考慮到在郁江道研究區大部分為已經建成的區域，宜選用經濟成本低、施工或改建方便又能增加雨水下滲、降低徑流污染物的設施。所以在研究區采用透水鋪裝和生物滯留池，基于不同用地類型上的不透水面積占比，設置子匯水區的透水鋪裝面積為9%～20%，生物滯留池面積為2%-23%，利用兩者的下滲作用和截污作用，降低徑流污染物含量。

5 結果與分析

5.1 徑流水質分析

通過對模型相關參數的賦值和率定，對研究區不同土地利用下的徑流水質進行模擬分析，得出徑流污染物SS的變化規律。天津城市化程度較高，不透水面積占比較大，降雨時較易在地表形成徑流，且不透水面占比越大，越容易形成徑流。不同土地利用類型上的徑流量隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可看出，降雨后很快在地表形成徑流，不同用地類型下徑流量峰值差異較大，依次分別為空閑地<城鎮住宅用地<商務金融用地<工業用地<零售商業用地。

不同用地類型上SS濃度變化趨勢如圖6所示，由圖6可看出，SS濃度范圍變化較大，峰值濃度依次為空閑地<商務金融用地<零售商業用地<城鎮住宅用地<工業用地。這主要與不同用地類型有關，工業用地不透水面積較大且工業活動產生的污染物比較多，導致初期徑流污染中SS含量濃度較大；住宅用地則是因為人類居住活動導致產生的污染物含量較多；零售商業用地和商務金融用地SS污染物除了與下墊面硬化程度較高、污染物容易積聚有關，還與各種商業活動帶來的污染有關；空閑地上的初期徑流SS含量則主要與土壤特性有關，粉質黏土滲透性較差，很容易形成地表徑流。從圖6也可以看出，地表徑流污染物濃度均在30～60 min達到最大值，之后呈現下降趨勢，最后穩定在某一數值，這除了與雨峰系數[20]有關，也證實了地表徑流污染主要集中在初期雨水徑流帶來的污染上。這是因為研究區域不透水面積占比較大，在特定的干旱天數下，污染物累積到一定的數量，降雨時地表形成徑流對前期累積的污染物沖刷，降雨強度越大沖刷作用越大，徑流SS濃度越大。隨著降雨歷時的延長，地表徑流攜帶的SS不斷匯集到雨水井導致地表污染物總量不斷下降，所以徑流SS濃度達到某一峰值后開始呈下降趨勢，隨著降雨強度減小，SS最終穩定在某一數值。

圖6 不同重現期和不同土地利用類型上的SS濃度變化趨勢

對不同重現期下的徑流SS濃度變化趨勢圖進行比較發現：隨著重現期的增加，子匯水面上不同用地類型的峰值SS濃度均呈現增大趨勢且趨勢逐漸變尖銳和陡峭，但隨著重現期的增加，峰值濃度增加量越來越小。這是因為隨著重現期增加，降雨總量增多，沖刷作用增大，污染物總量增多，且污染物總量增大作用占主導，使得徑流SS濃度逐漸增大，但隨著重現期越來越大，雖然降雨總量和污染物總量均增大，但污染物總量增大的主導作用減弱，降雨增多的主導作用增強，降雨稀釋作用增強，導致隨著重現期增加峰值濃度增加量逐漸減少。

通過對初期雨水徑流污染特征的分析，得出影響徑流污染物濃度的因素主要有以下4類：一是前期干旱天數，干旱時長越長，污染物在地表的積累量越多，降雨時淋洗沖刷下來的污染物增多，導致地表徑流污染物濃度增高；二是降雨，降雨本身含有的SS會對徑流水質產生影響，降雨強度和降雨時長對地表污染物的影響主要體現在淋洗強度上，因此也會影響地表污染物的沖刷；三是下墊面的土地利用類型，其會影響不透水面積占比，而不透水面又會對污染物的累積和沖刷產生影響；四是人類活動，人類活動如工業活動會導致污染物含量增多，而街道清掃等污染物收集活動又會降低污染物含量。

5.2 LID削減效果分析

在研究區不同子匯水面上各布設一定比例的透水鋪裝和生物滯留池，其主要作用是增加雨水下滲和對初期雨水徑流污染物的截留，不同重現期下排放口SS濃度在有、無LID設施時的變化趨勢如圖7所示。由圖7可以看出，在布設低影響開發設施(LID)之前，排放口處的SS在不同重現期下的濃度變化趨勢為：隨著降雨時間延長，排放口污染物濃度逐漸增加達到最大值后又逐漸下降，最后穩定在某一數值，其峰值在80 ～100 mg/L之間變化，且變化趨勢與子匯水面上的徑流污染物濃度變化趨勢基本一致，說明排放口處SS也具有初期雨水徑流污染特征。在布設LID設施后，排放口SS濃度和未布設LID之前的變化趨勢類似，峰值濃度在50 ～65 mg/L之間變化，出口處SS濃度下降明顯，消減效率為35%～38%。這是因為LID設施發揮源頭凈化作用，使得雨水在進入管網系統前已經得到凈化處理，所以出口處的SS濃度變化趨勢也具有和子匯水面類似的初期雨水徑流污染特征，只是濃度水平相比未布設LID設施之前有下降。

圖7 不同重現期下排放口SS濃度在有、無LID設施時的變化趨勢

表4為布設兩種LID后不同重現期下的SS產生總量和去除率。由表4可以看出，在滲透鋪裝和生物滯留池布設比例一定的情況下，隨著重現期增加，LID設施對徑流SS消減量增加，去除效率也隨之增加，由20.4%增加到27.9%。這是因為一方面生物滯留池能對雨水徑流進行預處理，增加雨水下滲并能去除部分大顆粒污染物；另一方面滲透鋪裝之間有縫隙且下層為吸水性底料，攜帶污染物的地表徑流經滲透鋪裝時，會通過透水鋪裝間的縫隙向下層入滲，同時吸水性底料也能在雨水下滲的過程中攔截部分污染物。

表4 布設兩種LID后不同重現期下的SS產生總量和去除率

但隨著重現期增大，去除率增速變緩，這是因為降雨強度變大，沖刷作用增強，徑流中攜帶的SS含量增多，而LID對SS有一定的去除能力，達到其去除上限后對SS的去除效果就會不明顯。因此LID控制措施對初期雨水徑流SS尤其是對小重現期下的徑流SS污染控制消減效果明顯，能在一定程度上減少其對受納水體的污染，保護水體生態環境。

6 結 論

(1)在對landsat 8衛星影像處理的基礎上對郁江道研究區進行土地利用類型劃分，分為道路、水系、空閑地、工業用地、公園與綠地、零售商業用地、機關團體用地、商務金融用地、城鎮住宅用地9類二級用地類型。

(2)基于相關文獻和SWMM模型手冊中水質模擬的參考資料，建立研究區的SWMM模型并對水文、水力和水質模塊進行參數設置和率定。其中子匯水區的劃分主要基于土地利用類型和搜集到的雨水管網資料；水質模塊中污染物累積方式選用指數累積函數，衰減常數以達到最大累積量的99%所需要天數來確定；沖刷方式選用能反映污染物濃度變化過程的指數沖刷函數。

(3)通過模擬不同匯水區上的徑流污染物SS濃度變化趨勢，發現不同土地利用類型下的徑流SS峰值濃度差異較大，且模擬結果符合已有的初期雨水徑流污染理論，并對造成徑流污染特征的原因進行分析。

(4)針對初期雨水徑流的污染特征，采用滲透鋪裝和生物滯留池兩種LID措施，LID設施能夠在小重現期下增加雨水下滲并攔截一定量的SS污染物，但隨著重現期增加，其處理能力達到上限后則效果不明顯。

(5)徑流水質模擬本身具有一定程度的不準確性，而導致這種不確定性的因素有物理、化學、生物以及數據獲取和模型參數的選取等。本研究中由于缺乏不同土地利用類型上徑流污染物的實測數據，導致模型準確性降低，這將是下一階段SWMM模型模擬水質過程的研究重點。