基于SWMM模型的LID措施年SS總量去除率計算

吳海春，胡愛兵，任心欣

(深圳市城市規劃設計研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著大家對海綿城市認識的不斷深入，由降雨引起的非點源污染也越來越受人們的關注。目前，由于雨水下滲過程的復雜性，普遍利用SWMM(storm water management model)模型計算年徑流總量控制率(K)和年SS總量去除率(S)，由于SWMM模型在對污染物進行模擬時并未考慮LID措施對污染物的凈化作用，致使模型法在S值計算中存在較大誤差[1-3]。鑒于此，研究基于SWMM模型并考慮LID措施凈化作用的S值計算方法就顯得十分必要和迫切。本文以深圳市玉田河流域為例，建立SWMM模型，介紹其在S值計算中考慮LID措施凈化作用的方法，并對K值和S值的關系進行研究。

1 SWMM模型計算原理

SWMM模型為美國環境保護局(United States Environmental Protection Agency, USEPA)在1971年與梅特M&E有限公司、美國水資源與水環境有限公司(Water Resource and Environment，WRE)和美國佛羅里達大學3家單位聯合開發的一個動態的降雨徑流模擬軟件[4]。經過幾十年的發展升級，SWMM模型已經升級至5.1版本，可以模擬水文、水力、水質情況，能實現LID措施對排水系統的影響效果評估、LID措施對暴雨徑流滯留與徑流污染控制效果評價以及LID設施結構尺寸的設計等方面的功能。

1.1 LID措施計算原理

SWMM模型將LID措施概化為一個蓄水池，不同的LID措施由不同的層組成。本研究以生物滯留池(圖1)為例，介紹LID計算原理。其他LID措施類似，可參看文獻[1]、[4]。

圖1 生物滯留池概化圖

生物滯留池包括表層、土壤層、蓄水層和排水層，其中蓄水層和排水層可選，各層層內蓄水水深和土壤含水量等通過水量平衡方程計算，具體各層之間水量交換概化方式如下：①表層與溢流之間，當下滲速率小于進水速率時，表層水深開始增加，當表層水深達到表層厚度時，LID措施開始通過表層向外溢水；②表層與土壤層之間，隨著表層雨水向土壤層下滲，土壤層土壤含水量開始逐步增加，當達到所設置的飽和含水量時，土壤中水分開始向蓄水層下滲；③土壤層與蓄水層之間，隨著土壤層雨水向蓄水層下滲，蓄水層水深開始增加；④蓄水層與潛流之間，隨著蓄水層水深的增加，當達到所設置的溢流水深時，蓄水層開始向外排水。

1.2 污染物計算原理

SWMM模型在計算污染物時，將子匯水區劃分為若干下墊面，針對每種下墊面將污染物模擬分為人工清掃、污染物累積和污染物沖刷3個過程。其中人工清掃過程需設置清掃時間間隔、可清除比例、模擬時間距上次清掃時間等參數。為確定每個子匯水區中各下墊面面積，需輸入每個子匯水區各下墊面所占比例。污染物累積過程以時間為自變量，污染物累積量為因變量，累積量分別為時間的冪函數、指數函數、飽和函數、外部時間序列等4種累積形式逼近最大累積量[5]。污染物沖刷過程提供了指數函數、徑流特性沖刷曲線和次降雨平均濃度法3種沖刷函數。其中，徑流特性沖刷曲線和次降雨平均濃度法僅考慮了徑流量對沖刷過程的影響，指數函數沖刷方程是唯一同時考慮污染物累積量和降雨徑流量對沖刷過程影響的方程，故一般常用指數函數方程。

2 考慮LID措施凈化作用的思路

LID措施可從兩個方面削減污染物：①LID措施促進雨水下滲或蓄存部分雨水，徑流量減少，而徑流量中攜帶有污染物，徑流量減少導致污染物減少；②LID措施對雨水水質有凈化作用，可使溢流雨水中污染物濃度降低，致使溢流雨水污染物總量減少。SWMM模型在對污染物進行模擬時僅考慮了前者，未考慮到后者。沖刷參數中BMP(best management practices)去除效率主要指LID措施對污染物的去除效率，欲實現考慮LID措施對雨水水質的凈化作用的污染物模擬，需新建LID下墊面，并設置對應的BMP去除效率，調整對應下墊面比例。如假設某子匯水區未添加LID措施時下墊面劃分及所占比例為道路30%、屋頂40%、綠地30%，進行LID改造，將50%的屋頂改造為綠色屋頂，需新建綠色屋頂下墊面，綠色屋頂與屋頂的參數除BMP去除率外其他均保持一致，綠色屋頂BMP去除率取75%。考慮LID措施凈化作用后的下墊面所占比例分別為道路30%、屋頂20%、綠地30%、綠色屋頂20%。

3 SWMM模型構建

3.1 研究區域概況

研究區域為玉田河流域，位于國家低影響開發示范區——深圳市光明新區，玉田河為茅洲河上游一級支流，總面積13.6 km2，屬海洋性熱帶季候風區，盛行季風，夏、秋季節常受臺風影響。年均氣溫22℃，多年平均相對濕度79%，年均水面蒸發量為1 345.7 mm。年降雨量約為1 700～2 000 mm，降雨量季節分配極不均衡，主要集中在4—9月，這幾個月的降雨量占全年降水的85%以上。

3.2 模型構建

根據研究區域管網圖提取檢查井和管網，但考慮到雨水篦子僅具有收水功能，較多短管則模型易不穩定，故將雨水篦子刪除，并合并較短管網[4,6]。根據研究區域地形圖、道路、管線及建筑物分布等對其進行子匯水區劃分，由于研究區域地勢平坦，在子匯水區劃分過程中更加重視街道和社區單元的分布情況，將較小子匯水區調整合并共劃分為194個子匯水區、186個節點、185根管道。

子匯水區參數主要可分為確定性參數和不確定性參數，如坡度、面積、下墊面比例等為確定性參數，不確定性參數可參考相同或相近地區其他學者所做的研究。根據地形圖等資料計算各子匯水區的平均坡度，并結合遙感影像圖提取各子匯水區道路、屋頂和綠地等下墊面所占比例，計算確定性參數。因玉田河流域緊鄰鵝頸水流域，不確定性參數參考吳亞男等[7]在鵝頸水流域所做研究，具體水動力參數和SS模擬參數見表1和表2。

表1 水動力參數取值

表2 不同下墊面SS模擬參數

表3 各類建設項目LID設施比例

根據《深圳市海綿城市規劃要點和審查細則》，玉田河流域位于深圳市西部雨型區，采用深圳市西部地區年降雨數據和蒸發數據進行計算。各類建設項目LID設施比例見表3。

4 S值計算

4.1 初期沖刷現象

初期沖刷效應受多種因素影響，雨水徑流初期累積輸送的污染物占該場次降雨輸送污染物負荷總量的比例大于累積輸送徑流量占該場次降雨輸送徑流總量的比例時，即認為存在初期沖刷現象。車伍等[8]對上百場降雨事件進行統計，發現83.3%的降雨事件都發生了初期沖刷現象；李明遠等[9]研究發現存在初期沖刷的情況下，30%～40%雨水徑流攜帶了50%～70%污染負荷；李春林等[10]研究發現大約有50%～90%的降雨事件產生初期沖刷現象；Hall等[11]研究發現大約有60%～80%的降雨事件產生初期沖刷現象。國內外對初期沖刷效應的判定方法較多，但大多采用無量綱累積M(V)曲線方法(式(1))。以該場次累積徑流量與徑流總量之比為橫坐標，以污染物累積負荷與污染物負荷總量之比為縱坐標作圖，繪制無量綱曲線圖(圖2)，當M(V)曲線在45°對角線之上時，則發生初期沖刷現象，反之不存在初期沖刷現象[12]。

圖2 M(V)曲線示意圖

(1)

式中：M(t)為t時刻降雨過程排放的污染負荷量，mg；V(t)為t時刻降雨過程排放的徑流量，L；Q(t)為t時刻的瞬時徑流量，L/min；C(t)為t時刻的瞬時污染物濃度，mg/L；T為從降雨產生徑流開始至降雨徑流結束持續時間，min。

4.2 初期沖刷現象對S值的影響

2014年10月住建部頒布的《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》中明確提到“年SS總量去除率等于年徑流總量控制率乘以低影響開發設施對SS的平均去除率”[13]，該法默認S值與K值之間存在比例關系，所以得出的結果S值必然小于K值。但事實上，S值和K值之間并無該比例關系，SS的去除率為一個相對概念，等于LID截留部分乘以LID措施蓄滿時的質量初期雨水沖刷強效應指數MFF[14]，該指數是基于M(V)曲線法提出的。采用的LID措施比例越大，則S值越大。而K值主要為下滲雨量加上LID控制雨量，除了和采用的LID措施比例有關外，還與透水下墊面下滲雨水量等有關，透水下墊面下滲雨水量和LID措施比例之和越高則K值就越大，具體如圖3所示。因為LID主要截留初期中小降雨，若考慮初期沖刷效應，則單個地塊S值可能大于K值。車伍等[8]研究也發現，若初期沖刷明顯，S值可能會大于K值；若初期沖刷不明顯，則S值小于K值。

(a) K值

(b) S值

4.3 玉田河流域S值計算

添加透水鋪裝、綠色屋頂、下沉綠地等3種LID措施分別用于改造道路、屋頂、綠地，新建透水鋪裝、綠色屋頂、下沉綠地等LID下墊面，其水質參數除BMP去除率與未改造前下墊面水質參數不同外，其他均與未改造前下墊面水質參數相同。依據相關參考文獻[15]和《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》，取透水鋪裝、綠色屋頂和下沉綠地對SS的去除率即BMP去除率分別為85%、75%、60%。按前文所述方法計算考慮和不考慮LID凈化作用兩種情況計算S值，可得到在不考慮LID凈化作用的情況下，S值為23.2%；在考慮LID凈化作用的情況下，S值為30.1%，后者為前者的1.3倍。

5 結 論

a.S值與K值之間并無直接比例關系。K值主要與透水下墊面下滲能力及LID措施截留總徑流量有關；S值為相對概念，與LID措施截留的污染物量及初期沖刷效應有關。因為LID措施主要影響初期中小降雨，在考慮初期沖刷效應的情況下，單個地塊S值有可能會大于K值。

b. 以玉田河流域為例進行模擬，在不考慮LID凈化作用的情況下，S值為23.2%；在考慮LID凈化作用的情況下，S值為30.1%，后者為前者的1.3倍。