基于SWMM模型的校園面源污染模擬研究

黃 明，陳 帥，潘邦龍

(安徽建筑大學 環境與能源學院，安徽 合肥 230000)

隨著城鎮化建設加快，市政排水和水利防澇正緊密結合共同應對復雜的水安全問題[1-2]，但城市擴張帶來的人口和土地使用類型的變化造成了嚴重的水環境問題。徑流雨水攜帶著城市地區產生的地表污染物包括固體懸浮顆粒(TSS)、有機物(COD)和營養物(氮磷)等進入水體，造成水體污染[3-4]。徑流雨水因為分布性廣、隨機性大，使用數學模型對估算污染物負荷具有顯著優勢[5-6]。為此，本文通過構建研究區域面源污染SWMM模型，利用多年降雨數據和單場降雨數據模擬研究海綿改造后將對校園徑流雨水污染物負荷和受納水體水質產生的控制效果。

1 研究方法

1.1 SWMM模型概述

暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，簡稱SWMM模型)，是由美國環保署(USEPA)委托美國水資源有限公司、梅特卡夫有限公司和佛羅里達大學共同研發的一款動態降雨-徑流模型，用于模擬單一或長期降雨事件下城市水量和水質變化情況，SWMM模型包括水文、水力和水質模塊。水文模塊主要為水力模塊提供各種水文數據，包括匯水區域降雨、蒸發、積雪融雪和降雨下滲對地下水補給等。水力模塊是SWMM模型的核心模塊，包括檢查井、管渠和各種附屬設施(調蓄池、孔口和溢流堰等)，用于模擬徑流雨水在水力組件中的非恒定流情況。水質模塊是SWMM模型的擴展模塊，包括不同土地使用類型下污染物累積和沖刷參數、天然雨水中污染物含量和晴天時街道清掃對污染物的去除率等，用于模擬旱季地表污染物累積和雨季地表污染物的沖刷情況，并且通過添加相應的LID設施可以模擬海綿城市設計理念對場地徑流雨水水量和水質的控制效果。

1.2 研究區域概況

研究區域位于安徽省合肥市經濟開發區，占地面積約53hm2，土地利用類型主要為綠地、屋面、道路、公共用地和水體，如圖1所示。校園采取分流制排水系統將大部分徑流雨水排至人工湖，小部分雨水排至市政雨水管道。

圖1 研究區域影像圖

1.3 規劃目標和模型構建

根據《合肥市海綿城市專項規劃(2016—2030年)》的規定，合肥市城市面源污染TSS削減率在2020年達到50%和2030年達到60%。使用ArcGIS和SWMM軟件建立研究區域現狀面源污染SWMM模型，包括161個檢查井，161條雨水管道和61個子匯水區，如圖2a所示。在現狀模型基礎上添加下沉式綠地、雨水花園、透水鋪裝和綠色屋頂四種LID設施，構建海綿改造后面源污染SWMM模型，包括161個檢查井，161條雨水管道和88個子匯水區，如圖2b所示。

1.4 模型參數

1.4.1 水文參數

圖3 多年逐日降雨和蒸發數據圖

多年氣象數據選用合肥市氣象局提供的2017.12.1—2019.12.1逐日降雨和蒸發數據(mm)，如圖3所示。單場降雨事件降雨量等級劃分依據相關規范[7]，分別以2019年4月21日24 h降雨量9.3 mm(小雨)；2019年6月29日24 h降雨量21.3 mm(中雨)；2018年5月1日24 h降雨量46.6 mm(大雨)和2018年7月5日24 h降雨量90.5 mm(暴雨)為例，使用安徽江河水文水利設計院編制的新版合肥暴雨強度公式(1-1)將24 h降雨量處理為1 min間隔的降雨量(mm)，如圖4所示。

圖4 不同降雨強度下24 h降雨過程線圖

(1-1)

式中

q=暴雨強度，L/(s·hm2)

P=重現期，a(年)

t=時間，min。

1.4.2 水力參數

水力組件包括雨水檢查井、雨水管和附屬設施(調蓄池和排放口)的實際位置和屬性信息通過查詢基礎資料和基于遙感影像特征信息提取方式獲得，經驗參數(霍頓系數、曼寧系數和最大洼地蓄水深度)等參考模型用戶手冊推薦值，并根據綜合徑流系數法率定水力參數使研究區域雨水徑流模擬結果接近實際產匯流狀況。

1.4.3 水質參數

選擇TSS、COD、TN和TP作為特征污染物，研究區域緊鄰合肥市工業區，考慮大氣對天然雨水的污染，各污染物在天然雨水中的濃度分別為10 mg/L、10 mg/L、1 mg/L和0.1 mg/L。根據土地利用類型和污染物的不同，估算污染物累積和沖刷參數，道路清掃去除率70%，模型水質參數來自實測數據和相關參考文獻[8-11]，具體參數見表1。

表1 污染物累積和沖刷參數

2 模擬和討論

2.1 多年降雨下污染物負荷削減情況

從圖5a～b可以看出，在不考慮末端調蓄的情況下，研究區域實行海綿改造前年均面源污染TSS控制率為22%，海綿改造后年均面源污染TSS控制率為34%，低于合肥市面源污染近期規劃目標要求。從圖5c～d可以看出，在考慮末端調蓄的情況下，研究區域實行海綿改造前年均面源污染TSS控制率為70%，海綿改造后年均面源污染TSS控制率為77%，滿足合肥市面源污染遠期規劃目標要求。

2.2 單場降雨下污染物負荷削減情況

圖5 多年降雨下污染物負荷削減情況圖

單場降雨下污染物負荷削減情況以雨水中最常見且和其他污染物具有協同關系的TSS污染物分析為例，從圖6a可以看出，研究區域海綿改造前伴隨降雨強度的變化，TSS污染物變化范圍分別是綠地凈化1.8%～12%、人工湖收納2.2%～34%、市政管外排1.2%～37%和地表附著17%～94.8%。從圖6b可以看出，研究區域海綿改造后伴隨降雨強度的變化，TSS污染物變化范圍分別是綠地(含LID設施)凈化3.8%～34%、人工湖收納2.4%～29%、市政管外排1.2%～22%和地表附著15%～93%。

2.3 入湖污染物濃度變化情況

圖6 單場降雨下TSS負荷削減情況圖

圖7 單場降雨下人工湖TSS濃度變化情況圖

從圖7可以看出，在各降雨雨型峰值時間出現了人工湖TSS濃度變化，小雨事件對地表附著TSS污染物沖刷強度低，海綿改造前后均維持在初始濃度45 mg/L左右，伴隨降雨強度增大，被沖刷到人工湖的TSS污染物逐漸增多，海綿改造前人工湖TSS濃度最高為55 mg/L，對應海綿改造后人工湖TSS濃度最高為50 mg/L。

3 結論

1)LID設施在蓄存徑流雨水同時能夠降低徑流雨水污染物負荷，考慮末端調蓄后校園面源污染TSS控制率達到77%，滿足合肥市面源污染遠期規劃目標要求。

2)校園海綿改造后伴隨降雨強度變化，LID設施對徑流雨水污染物負荷TSS、COD、TN和TP分別削減2%～22.8%、2.3%～18.5%、2.2%～13.8%和1.6%～12.5%。

3)校園海綿改造后伴隨降雨強度增大，入湖污染物濃度削減效果逐步提高，對人工湖水質起到改善作用。