基于SWMM模型的城市非点源污染研究进展述评

焦春蛟，吕谋，张士官,宋杰

(青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛266033)

非点源污染指在非特定的地点各类固态或可溶性污染物通过雨水冲刷进入水体从而导致水体富营养化、水体黑臭和饮用水源污染[1]。非点源污染主要包括城市、农业、植被区及道路非点源污染[2]。依据国内学者研究现状，中国某些水域存在严重非点源污染，严重性甚至超过了点源污染[3]。 1971年美国国家环境保护局 (EPA) 推出城市动态降雨-径流模型(SWMM)，该模型可模拟城市水文和水质等多种方面[4]，自推出以来，在城市非点源污染研究方面应用越来越广泛。

1 城市非点源污染来源

1.1 城市地表径流

非点源污染的形成主要是由于污染物的积累和冲刷致使水体收纳污染水，而雨水径流是最大元凶[5]。城市化进程的不断发展引起土地利用/覆被变化，这对城市的水环境质量造成消极影响[6]。其中一方面则表现为：降雨 时地表径流流量增大，峰值提高，径流历时延长[7～8]。Rouge Project[9]研究中指出，1964—1995年间，Upper Rough流域的年均洪峰流量增加了数倍；Corbett等[10]的研究也表明，美国森林地区比城市地区的年平均径流量小很多。城市人类活动频繁导致地表污染物累积较多，雨水流经城市地表，将地面积累的一些污染物质冲刷汇聚在一起排入水体造成了水体非点源污染[11]。据美国官方研究，城市地表径流已成为美国湖泊、河流三大污染来源中的一个[12]。

此外，初期冲刷效应是城市径流污染中的重要问题。降雨初期地表径流冲刷地表累积污染物，冲刷前期污染物浓度较高，随着时间的推移，后期径流污染物浓度远小于前期，这种现象就叫做初期冲刷效应，这种雨水叫做初期雨水。初期冲刷效应和初期雨水是地表径流污染的最大元凶，所以很多学者对其进行了研究：李治源等[13]研究了苏州古城磷的初期冲刷效应；付国楷等[14]对滇池流域某小区进行了径流水质及初期冲刷规律研究；钟登杰等[15]则对初期雨水污染及治理进行了综述，通过对比雨水弃流、绿色屋顶等措施，给出了处理方案。

1.2 大气的干湿沉降

干沉降是无降雨时，气溶胶粒子沉降的过程。大气气溶胶体系中分散着各种大气颗粒物[16]，包括沙尘、各种扬尘；燃烧产生的碳黑；少量金属元素及气态污染物转化生成的硝酸盐、硫酸盐、铵盐等[17]。空气中的污染物通过干沉降直接降落到地表，后经雨水径流进入水体导致污染。湿沉降是大气中的污染物通过雨水的淋洗作用直接或间接进入水体造成非点源污染。酸雨就是湿沉降造成的最典型危害，中国已成为全球第三大重酸雨区[18]。

1.3 其他来源

城市非点源污染来源众多，贺缠生[19]、宫莹[20]等人认为，人类活动或者废弃物堆砌等原因造成城市原始下垫面遭到破坏，导致污染物不能留在原地，在冲刷作用下造成非点源污染。廖晖、隋军[21]研究中提出，排水系统也是非点源污染的一个来源。Bacho[22]、Saget[23]等人对分流和合流制排水系统进行了运行对比，结果表明，雨污合流系统相对分流系统，径流污染更为严重。车伍等人[24]对合流制改造及污染控制的研究表明中国合流制溢流污染还存在着巨大隐患。有许多研究证明[25-28]，农药和化肥的过度使用、农业污水灌溉、畜牧及野生动物病原性排泄物，同样是非点源污染的重要来源。

2 城市非点源污染影响因素

2.1气候状况

降雨强度、大气污染状况、干旱天数是3个影响城市非点源污染的主要因素。降雨强度决定着径流对地表污染物冲刷的强度，国内有研究者在西安[29-30]、重庆[31]等地的研究均可证明：降雨特征严重影响着径流污染物浓度；初期雨水污染状况与大气中污染物种类和含量密切相关；晴天时，大气污染物干沉降、路面磨损、地表侵蚀等引起地表积累，晴天天数越长污染物积累量越大。

2.2 降雨时空分布及下垫面状态

非点源污染受到降雨时空分布、下垫面状态等影响，不同时空分布可能影响降雨大小及地表冲刷情况，这使得非点源污染不确定性较强。张文婷等[32]对降雨径流时空动态分布进行了研究，研究发现不同时空，污染物浓度变化情况不同；侯立柱[33]等在关于北京城区不同下垫面的水质比较中表明如果城区土地类型存在差异，雨水径流水质也会存在差异。

此外，污染物状态、属性、迁移等特征也同样会对非点源污染产生影响。

3 基于SWMM模型的城市非点源污染研究进展

3.1 模型介绍

非点源污染是一个比较宽泛的概念，涉及生成、迁移、转化等一系列反应，所以研究涉及诸多模型的使用。由图1可知，研究非点源污染大致需要水文模型、土壤侵蚀模型、污染物迁移转化模型这三类，其中水文模型是研究的重点，也是最重要的一个。

国外针对暴雨径流引发非点源污染的情况，开发了SWMM、STORM、SLAMM、L-THIA、HSPF、DR3M-QUAL、MOUSE等模型，软件对比见表1[34-35]。暴雨洪水管理模型(SWMM)是美国环保署(EPA)开发的一个动态降水-径流模型，由计算绘图等服务模块和径流、输送、扩展输送和储存4个计算模块构成[36]。SWMM 灵活性较好，可模拟短期单场和长期连续降雨，可模拟不同时间步长每个时刻的水质水量；SWMM 不仅可以模拟各种管道、河流流动过程，也可模拟地表径流及排水管网水质[37]。另外，SWMM 模型免费下载且代码开源[38]，在国内外均得到广泛应用[39-40]。综上所述，SWMM 是当前阶段地表径流污染研究最佳的模型选择。

表1 城市非点源污染模型比较

3.2 国外应用现状

通过在Web of Science 以“non point source pollution”为关键词对1998—2018年文献数据进行检索，得到7 141篇检索结果，将结果以国内外数据发文量形式呈现并作图，观察图2可以明显发现中国非点源污染研究起步较晚于国外，所以基于SWMM的应用也更晚。

现今阶段，国外不仅限于对SWMM 模型的直接应用，还有更多是关于模型耦合开发、模型参数校准、模型应用尺度和模型建立分辨率的研究。

非点源污染负荷估算方面，Jang[41]、Tsihrintzis[42]、Temprano[43]等人都对某区域污染负荷进行了评估，结果表明SWMM 模型提高了水文影响评估准确性。Davis[44]、Hurley[45]等均对LID设施进行了研究，结果表明 LID对雨水中的污染物有去除效果。Barco等[4]在南加州217 km2集水区对SWMM 模型进行参数灵敏度分析，将模型应用于大尺度区域并校准以得到更准确的输出结果。Lee等[46]比对HSPF和SWMM模型在小流域进行非点源污染试验，结果表明，SWMM更适合小尺度区域。此外，国外对于SWMM模型与GIS等其他工具的耦合研究很是重视，众多组织开发出了PCSWMM、Mike Urban、InfoSWMM、XPSWMM等衍生模型，见表2。Barco[4]研究中也提到SWMM与GIS耦合应用对于大尺度区域非点源污染的研究效果更好。

表2 SWMM衍生模型

3.3 国内应用现状

20世纪80年代，非点源污染在国内得到重视，约1990年，中国才开始出对SWMM模型应用。现今阶段，中国对于模型空间尺度及模型参数等方面的研究越来越多，但研究不够精细、深入。邓陈宁[47]在3种空间尺度下研究LID设施削减污染物负荷量效果，结果只给出了3种尺度区域的共性，并未提出存在的差异。赵冬泉等[48]在城市径流污染模拟的参数灵敏度分析中运用摩尔斯分类筛选法对模型水质参数进行局部灵敏度分析，结果显示不透水区域累积和冲刷参数灵敏度较高。同时国内模型开发也处于一个起步阶段。赵冬泉等[49]将GIS与SWMM 模型引擎联用开发了城市排水系统数字化管理平台(Digital Water)。

4 问题与展望

SWMM 模型经过多次版本更新，功能已经越来越完善，但仍然存在各种问题和不足。中国对SWMM 的应用也存在诸多问题和难点，下面是对这些问题的总结及对未来的展望。

a) 国内相关数据缺乏。国内SWMM 建模数据需要通过购买或者研究人员亲自调查收集，需要大量资金、时间投入。相关部门应积极建立相关数据库，完善信息公开制度；学者专家应大力开发适应数据不足的计算方法，从两方面应对中国当前情况。

b) 模型不能对地表及管道内发生的生化反应和泥沙运动准确模拟。泥沙吸附污染物，转移过程发生反应，生化反应严重影响着污染物负荷的估算，对泥沙运动及地表和管道内发生的生化反应的研究是一个难点，也是污染物模拟的关键点。SWMM为开源模型，各专家学者可以对SWMM进行二次开发，加入生化反应或泥沙运动模块，亦或者与其他软件进行耦合，达到研究目的。

c) 与其他模型和软件的耦合应用有待研究。现阶段中国SWMM 模型与其他模型耦合更多应用于城市内涝等方面，关于城市非点源污染的模型耦合研究较少，且自主研发并能大面积推广的模型较少。

随着中国对非点源污染关注度越来越大，相关软件的开发和耦合也会越来越多，要学习和吸取国外经验，逐渐开发出适合本国情况的软件，解决中国水环境污染问题。

5 结论

城市非点源污染对水环境的污染十分严重，计算机模型是研究非点源污染的重要工具，SWMM模型即为其中之一。现今阶段，中国对非点源污染的研究还落后于国外，中国建模数据难以获得，研究者投入的时间和精力都比较多，随着非点源污染越来越受到重视，相关单位建立数据库和数据公开也成了可能。随着计算机模拟技术的发展，SWMM模型的二次开发和模型耦合会取得较大进展，管道内物质生化反应和运动模拟也会逐步实现。总之，虽然现阶段中国非点源污染还比较落后，但随着政策完善、科技进步，中国水环境治理研究将取得大发展。