基于SWMM模型的校园面源污染模拟研究

黄 明，陈 帅，潘邦龙

(安徽建筑大学 环境与能源学院，安徽 合肥 230000)

随着城镇化建设加快，市政排水和水利防涝正紧密结合共同应对复杂的水安全问题[1-2]，但城市扩张带来的人口和土地使用类型的变化造成了严重的水环境问题。径流雨水携带着城市地区产生的地表污染物包括固体悬浮颗粒(TSS)、有机物(COD)和营养物(氮磷)等进入水体，造成水体污染[3-4]。径流雨水因为分布性广、随机性大，使用数学模型对估算污染物负荷具有显著优势[5-6]。为此，本文通过构建研究区域面源污染SWMM模型，利用多年降雨数据和单场降雨数据模拟研究海绵改造后将对校园径流雨水污染物负荷和受纳水体水质产生的控制效果。

1 研究方法

1.1 SWMM模型概述

暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，简称SWMM模型)，是由美国环保署(USEPA)委托美国水资源有限公司、梅特卡夫有限公司和佛罗里达大学共同研发的一款动态降雨-径流模型，用于模拟单一或长期降雨事件下城市水量和水质变化情况，SWMM模型包括水文、水力和水质模块。水文模块主要为水力模块提供各种水文数据，包括汇水区域降雨、蒸发、积雪融雪和降雨下渗对地下水补给等。水力模块是SWMM模型的核心模块，包括检查井、管渠和各种附属设施(调蓄池、孔口和溢流堰等)，用于模拟径流雨水在水力组件中的非恒定流情况。水质模块是SWMM模型的扩展模块，包括不同土地使用类型下污染物累积和冲刷参数、天然雨水中污染物含量和晴天时街道清扫对污染物的去除率等，用于模拟旱季地表污染物累积和雨季地表污染物的冲刷情况，并且通过添加相应的LID设施可以模拟海绵城市设计理念对场地径流雨水水量和水质的控制效果。

1.2 研究区域概况

研究区域位于安徽省合肥市经济开发区，占地面积约53hm2，土地利用类型主要为绿地、屋面、道路、公共用地和水体，如图1所示。校园采取分流制排水系统将大部分径流雨水排至人工湖，小部分雨水排至市政雨水管道。

图1 研究区域影像图

1.3 规划目标和模型构建

根据《合肥市海绵城市专项规划(2016—2030年)》的规定，合肥市城市面源污染TSS削减率在2020年达到50%和2030年达到60%。使用ArcGIS和SWMM软件建立研究区域现状面源污染SWMM模型，包括161个检查井，161条雨水管道和61个子汇水区，如图2a所示。在现状模型基础上添加下沉式绿地、雨水花园、透水铺装和绿色屋顶四种LID设施，构建海绵改造后面源污染SWMM模型，包括161个检查井，161条雨水管道和88个子汇水区，如图2b所示。

1.4 模型参数

1.4.1 水文参数

图3 多年逐日降雨和蒸发数据图

多年气象数据选用合肥市气象局提供的2017.12.1—2019.12.1逐日降雨和蒸发数据(mm)，如图3所示。单场降雨事件降雨量等级划分依据相关规范[7]，分别以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)为例，使用安徽江河水文水利设计院编制的新版合肥暴雨强度公式(1-1)将24 h降雨量处理为1 min间隔的降雨量(mm)，如图4所示。

图4 不同降雨强度下24 h降雨过程线图

(1-1)

式中

q=暴雨强度，L/(s·hm2)

P=重现期，a(年)

t=时间，min。

1.4.2 水力参数

水力组件包括雨水检查井、雨水管和附属设施(调蓄池和排放口)的实际位置和属性信息通过查询基础资料和基于遥感影像特征信息提取方式获得，经验参数(霍顿系数、曼宁系数和最大洼地蓄水深度)等参考模型用户手册推荐值，并根据综合径流系数法率定水力参数使研究区域雨水径流模拟结果接近实际产汇流状况。

1.4.3 水质参数

选择TSS、COD、TN和TP作为特征污染物，研究区域紧邻合肥市工业区，考虑大气对天然雨水的污染，各污染物在天然雨水中的浓度分别为10 mg/L、10 mg/L、1 mg/L和0.1 mg/L。根据土地利用类型和污染物的不同，估算污染物累积和冲刷参数，道路清扫去除率70%，模型水质参数来自实测数据和相关参考文献[8-11]，具体参数见表1。

表1 污染物累积和冲刷参数

2 模拟和讨论

2.1 多年降雨下污染物负荷削减情况

从图5a～b可以看出，在不考虑末端调蓄的情况下，研究区域实行海绵改造前年均面源污染TSS控制率为22%，海绵改造后年均面源污染TSS控制率为34%，低于合肥市面源污染近期规划目标要求。从图5c～d可以看出，在考虑末端调蓄的情况下，研究区域实行海绵改造前年均面源污染TSS控制率为70%，海绵改造后年均面源污染TSS控制率为77%，满足合肥市面源污染远期规划目标要求。

2.2 单场降雨下污染物负荷削减情况

图5 多年降雨下污染物负荷削减情况图

单场降雨下污染物负荷削减情况以雨水中最常见且和其他污染物具有协同关系的TSS污染物分析为例，从图6a可以看出，研究区域海绵改造前伴随降雨强度的变化，TSS污染物变化范围分别是绿地净化1.8%～12%、人工湖收纳2.2%～34%、市政管外排1.2%～37%和地表附着17%～94.8%。从图6b可以看出，研究区域海绵改造后伴随降雨强度的变化，TSS污染物变化范围分别是绿地(含LID设施)净化3.8%～34%、人工湖收纳2.4%～29%、市政管外排1.2%～22%和地表附着15%～93%。

2.3 入湖污染物浓度变化情况

图6 单场降雨下TSS负荷削减情况图

图7 单场降雨下人工湖TSS浓度变化情况图

从图7可以看出，在各降雨雨型峰值时间出现了人工湖TSS浓度变化，小雨事件对地表附着TSS污染物冲刷强度低，海绵改造前后均维持在初始浓度45 mg/L左右，伴随降雨强度增大，被冲刷到人工湖的TSS污染物逐渐增多，海绵改造前人工湖TSS浓度最高为55 mg/L，对应海绵改造后人工湖TSS浓度最高为50 mg/L。

3 结论

1)LID设施在蓄存径流雨水同时能够降低径流雨水污染物负荷，考虑末端调蓄后校园面源污染TSS控制率达到77%，满足合肥市面源污染远期规划目标要求。

2)校园海绵改造后伴随降雨强度变化，LID设施对径流雨水污染物负荷TSS、COD、TN和TP分别削减2%～22.8%、2.3%～18.5%、2.2%～13.8%和1.6%～12.5%。

3)校园海绵改造后伴随降雨强度增大，入湖污染物浓度削减效果逐步提高，对人工湖水质起到改善作用。