LID措施对城南河流域水质改善效果研究

周文琦， 俞芳琴， 刘 俊， 严一晨

(1.河海大学 水文水资源学院， 江苏 南京 210098； 2.南京市浦口区水务局， 江苏 南京 211800)

与自然河湖生态系统相比，城市社会经济系统对水生态系统的干扰日渐增加[1]。从水文过程来看，由于城市下垫面硬化，雨水汇流时间大大降低，缺乏土壤和植被降解水体污染的过程，对河湖水体造成污染[2-4]。为降低雨水径流造成的污染，修复传统“快排”模式所破坏的“降水—下渗—径流—滞蓄—蒸腾”自然水文循环链[5]。研究以城南河流域为例，因地制宜布设低影响开发(LID)措施，模拟LID措施对流域内各河道污染物的削减效果，以期研究LID措施对水质的改善效果的影响因素。

1 研究区域现状

城南河流域位于南京市浦口区境内，流域面积约81.6 km2。城南河流域分为上游丘陵段、中游城区段、下游圩区段，上游丘陵段主要为城南河东西支、雨山河及上游支流，中游城区段为城南河主河段，下游圩区段主要有丰字河、东方红河、南农河、芝麻河[6]。

近年来，浦口区经济高速发展，城市化进程加快，城市建设活动频繁[7]。一方面，城南河流域下垫面不透水率增加，导致流域入渗、蒸散发、径流等水文要素发生变化，从而引起流域产汇流的变化。另一方面，随着人口高度密集化，城市下垫面硬化比例不断提高，大量的城市地表污染物随降雨径流进入受纳水体，导致城南河流域整体水质较差，水生态环境整体较脆弱。

2 LID措施布局

对于研究区域下垫面硬化造成的降雨径流污染问题，在2年一遇、5年一遇降雨条件下进行LID措施布局，结合《南京海峡两岸科技工业园海绵园区建设规划》(2016—2030)要求，各汇水分区按照各自下垫面类型及所占面积布设LID措施。丘陵区建议通过开展山区水土流失治理，开展生态林建设与保护，改善丘陵区水源涵养功能，进一步提高丘陵山区生态环境；城区下垫面类型以硬质化道路、广场、屋顶为主，布设下凹式绿地、绿色屋顶、雨水花园、透水铺装等LID设施。各汇水分区LID布设方案见表1。

表1 各汇水分区LID布设方案

3 LID水质模拟

本次研究选用SWMM模型进行海绵城市LID措施的效果模拟。SWMM模型有较完备的LID和水质模拟功能，SWMM5.0版本专门增加了LID模块，能够实现8种LID设施的模拟，还可以对不同土地利用的下垫面进行污染物累积和冲刷的模拟。

3.1 汇水分区

河网概化过程中以骨干河道为基础，进行合理的河道概化并划分汇水分区，见图1。

图1 城南河流域河网及汇水分区图

3.2 设计暴雨

本次模拟城南河流域产汇流过程,根据《江苏省暴雨参数图集》的研究成果，选用24 h设计暴雨，确定点暴雨量、折算系数和时程分配表。得出浦口区在2年一遇、5年一遇情况下的逐小时设计暴雨雨型，见图2。

图2 浦口区24 h设计暴雨雨型

3.3 参数设置

划分研究区域下垫面，包括屋顶及非道路铺装(村庄、建筑、构筑物及硬化面)、绿化(草地、林地、农田园地)及道路及工地(道路、工地及堆掘地)。根据研究区域水体较为关注的水质指标，以地表径流主要污染因子COD、NH3-N、TP作为研究对象。天然雨水中的污染物取值COD为20 mg/L、NH3-N为1.0 mg/L、TP为0.02 mg/L。根据该研究区的土地类型、降雨强度等直接影响因子，结合研究区域现状，地表污染物的累积过程采用指数函数进行模拟计算，主要设置参数如表2。各LID措施设置参数见表3。

表2 不同类型地表模拟参数

表3 LID措施参数设置

4 计算结果分析

考虑降雨对面源污染的冲刷效应，对2年一遇、5年一遇情况下各河道污染物浓度变化进行模拟。在现状条件上加入LID措施，城南河干流及各支流COD、NH3-N、TP浓度的峰值及污染物削减率见表4。污染物削减率为相较于现状条件的污染物浓度峰值削减率。

根据表4分析绘得2年一遇和5年一遇降雨条件下实施LID措施对各河道不同污染物峰值浓度的削减效果，见图3。

实施LID措施后，两年一遇降雨条件下，各河道COD的峰值削减率大于44%，NH3-N的峰值削减率大于14%，TP的峰值削减率大于10%，东方红河COD、NH3-N、TP的峰值削减率均最大，分别为63.69%、33.12%、37.97%。

5年一遇降雨条件下，各河道COD的峰值削减率大于52%，NH3-N的峰值削减率大于27%，TP的峰值削减率大于15%。东方红河COD、TP峰值削减率最大，分别为70.69%、48.10%，丰字河NH3-N峰值削减率最大，为38.67%。

LID措施在2a和5a的降雨条件下，对各河道COD的峰值削减率大于44%，NH3-N的峰值削减率大于14%，TP的峰值削减率大于10%，表明在LID措施条件下的污染物浓度削减率有较大提高，LID措施对COD的削减效果明显。

表4 污染物削减效果

图3 实施LID措施后水质改善情况

各河道污染物峰值浓度在不同重现期下削减率，以及5年一遇削减率与2年一遇削减率的差值，见表5。

表5 不同重现期下污染物浓度削减率及差值

LID措施对COD的削减率几乎全部超过1/2，对NH3-N的削减率几乎全部超过1/5，对TP的削减率几乎全部超过1/10，LID措施对降雨时COD的峰值的削减率大于对NH3-N和TP峰值的削减率。除东方红河(遭遇2年一遇、5年一遇降雨)与芝麻河(遭遇5年一遇降雨)外，LID措施对降雨时NH3-N的峰值削减率效果均大于对TP峰值的削减率。LID措施对东方红河TP的峰值削减作用效果大于对NH3-N峰值削减作用，可能与东方红河的TP污染严重有关，LID措施有效降低了雨水冲刷带来的TP污染。综上表明，现状污染物浓度越高，LID对污染物浓度的削减率越大

根据表5数据绘得实施LID措施后2年一遇和5年一遇降雨条件下各河道污染物浓度的削减情况，见图4。

由图4可知，污染物浓度削减率总体随着降雨重现期的增大而提高。LID措施可以稳定削减低重现期降雨时的污染物峰值浓度。

对COD而言，城南河、芝麻河、南农河、东方红河和丰字河5年一遇污染物浓度削减率高于2年一遇。

对NH3-N而言，城南河和芝麻河5年一遇削减率高于2年一遇；南农河、丰字河和东方红河5年一遇削减率低于2年一遇。

对TP而言，城南河、芝麻河、东方红河、丰字河5年一遇削减率高于2年一遇；南农河5年一遇削减率低于2年一遇。

根据表5的最后一列削减率差，得出各河道污染物峰值浓度在不同重现期下削减率差值，见图5。

图5表明，LID措施对整体水质改善效果整体随着重现期的提高而提升，城南河及各支流的COD峰值浓度削减率均随着重现期的提高而提升。LID措施对城南河干流和芝麻河的三种污染物的峰值削减率随着重现期的提高而提升，芝麻河和城南河的提升效果随着重现期的提高而提高的最为明显，其中芝麻河各污染物削减率提升均超过20%。LID措施对东方红河、南农河和丰字河的COD的峰值削减率随降雨强度的增大而增大，但NH3-N与TP的削减率随着重现期的提高而降低或提升幅度不大。

LID措施对水质的改善主要是通过改造下垫面，延长雨水汇流路径，增加雨水滞留时间，减轻雨水冲刷下垫面带来的雨水径流污染。因此，LID措施对雨期水体污染物浓度峰值的削减率受降雨影响，在低重现期降雨条件下，LID措施持续发挥渗蓄、滞流、净化的作用，污染物浓度削减率随降雨重现期的提高而提升。

5 结 论

在遭遇低重现期降雨时，LID措施对城南河干流及各支流的污染物浓度峰值有明显的削减作用，削减率的大小受降雨重现期、现状污染物浓度等因素影响：

(1)低重现期降雨条件下，LID措施对污染物的削减率随重现期提高而提高，LID措施2年一遇削减率总体上低于5年一遇削减率。

图4 各河道COD、NH3-N、TP质量浓度削减效果对比

图5 不同重现期污染物浓度峰值削减率差

(2)现状污染物浓度越高，LID措施对该污染物浓度的削减率就越大，污染物浓度削减率从高到低依次是COD、NH3-N、TP。