基于SWMM的城市單場降雨初期雨水污染定量評價方法

王紀恩 楊辰偉

摘要：指出了城市初期雨水污染評價是水環境治理的關鍵問題之一。但因為存在錯峰稀釋等影響因素，目前除經驗參數法外，少有能較精確定量計算城市單場降雨初期雨水污染的方式。基于此，提出了一種用范圍值表示城市單場降雨初期雨水污染的定量計算方法，并基于SWMM模型予以了實現。算例結果表明：采用該方法可以較科學地定量評價城市單場降雨初期雨水污染水量。

關鍵詞：SWMM模型;初期雨水;水環境治理

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0097-04

1引言

城市初期雨水污染主要是指降雨初期地面10～15mm已形成地表徑流的降水所造成的污染。因溶解了大量大氣污染物，又沖刷了大量城市下墊面沉積的地表污染物，初期雨水污染物含量較高，如果不經處理直接受納水體，會對城市水環境造成不利影響。

初期雨水或者說城市雨水徑流污染產匯流特征理論方面，國內學者進行過較廣泛深入的研究。對于單雨水口的排水管網系統，在忽略沉積物沖刷情況下，可以按源頭匯水面污染物沖刷規律分析雨水污染物變化特征。實際中，下墊面污染物分布不均、沉積物沖刷、排水系統復雜拓撲關系復雜等因素，導致錯峰稀釋和濃度波動等，從而排水口水量及污染物濃度變化特征復雜，難以定量評價。

2單場降雨初期雨水污染定量評價的計算方法

2.1水質控制容積概念

針對城市雨水徑流污染產匯流過程的復雜性，發達國家提出了“水質控制容積”（wQV，water quality vol-ume）的概念，旨在科學界定徑流污染水量，實現污染物總量控制。wQV指為了達到控制徑流污染、保證水質目標所需控制處理的徑流體積。該參數在美國各州暴雨最佳管理手冊中得到廣泛采用。

2.2定量評價方法基本思路

借鑒wQV的基本思想，城市單場降雨初期雨水污染定量評價方法應是綜合考慮源頭至末端確定單場降雨控制水量，以滿足排水口排放的污染物凈量在允許排量內這一約束目標。因為存在錯峰稀釋等作用，從源頭匯水分區考慮的初期雨水污染水量理論上為較小值，從末端排水口考慮的初期雨水污染水量理論上為較大值。據此將初期雨水污染表示成一個范圍值，可以在規避評價錯峰稀釋等復雜作用的情況下對其定量計算。以上是定量評價方法的基本思路。為討論方便，污染物用雨水典型污染物TSS表示。

2.3較小值的計算方法

在污染物凈排量約束目標的控制下，污染水量較小值是以所有匯水分區處雨水口為討論對象，按照其瞬時流量內污染物濃度自大至小依產匯流時間排序，然后對相應瞬時流量積分，至該雨水量內包含的污染物凈量滿足污染物凈排量的控制目標。此時的水量理論上為較小值，即：

3SWMM模型it算實現

SWMM是一種用于模擬降雨產匯流的開源綜合數學模型。當前版本5.1.013內置算法可以模擬長期和單場降雨地表徑流和污染物的遷匯過程，量化管網排水效果和污染物濃度變化特征。基于這些特點，本文采用SWMM模型實現上文提出的定量計算方法。

3.1針對SWMM模型特點的公式轉化

SWMM模型水量水質輸出結果格式是固定時長間隔的瞬時水質及流量數據集合。采用梯形法對公式（1）、（2）進行轉換。

3.2基于SWMM模型的實現流程

根據公式（3）和公式（4），利用SWMM引擎進行二次開發，編制城市單場降雨初期雨水污染定量計算程序。程序的流程圖見圖1。

4算例應用及分析

4.1算例應用

選取文獻[10]提供的Example5-exp.inp模型作為算例，該算例內模型參數已經過率定。算例平面圖見圖2。

模型包括7個匯水分區，1個排水口。模擬時間步長1min，模擬總時長6h，降雨重現期分別取2年，10年，100年，其余參數采用模型原有參數。限于篇幅，各匯水分區及排水口出流水量水質模擬結果不予列出。

設定污染物凈量控制指標為TSS表示的徑流污染凈量控制率分別至少達到60%。采用公式（3）和公式（4）進行計算。結果見表1。

5結論與建議

基于水質控制容積的基本思想，提出一種用范圍值表示的城市單場降雨初期雨水污染定量評價方法。并基于SWMM模型二次開發技術予以實現。算例結果表明，本文提出的方法可以較科學的估計出城市單場降雨初期雨水污染水量值。