基于暴雨洪水管理模型的海綿道路非點源污染負荷削減效果評估

陶文華，李元松*，冉小青，占森方，陳 陣

1.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；2.武漢建工集團股份有限公司，湖北 武漢 430073

近年，受國外學者對城市非點源污染研究的影響，國內也越來越重視城市的非點源污染，國內學者通過暴雨洪水管理模型（storm water management model，SWMM），設置低影響開發措施（low impact development，LID）對城市非點源污染進行模擬研究。吳忠等［1］研究了小區在實施3種單項LID措施下對雨水的截污減排能力；蔡甜等［2］研究了校園在不同的重現期、雨峰系數、前期干旱天數等氣象條件下，污染物濃度的變化情況。相對而言，國內研究人員運用SWMM模型多數集中于小區、校園等中尺度區域進行模擬研究，這需對研究區域進行高度概化，難以真實反映土地利用現狀，并且多數研究于城市內澇方面，對城市非點源污染方面研究較少［3］，因此，對土地利用方式相對單一的小尺度區域的模擬研究更能精確地反應實際情況，提高模擬結果的準確信。

本文對小尺度區域的某條城市次干道進行系統的水質模擬研究，基于前期研究成果和工程提供的數據資料，通過SWMM模型，重點模擬2、10和100 a重現期下城市道路中的非點源污染負荷在不同海綿措施方案下的遷移過程和削減情況，評估海綿道路對污染負荷的影響，可進一步推動城市非點源污染的研究。

1 SWMM模型概述

SWMM模型是一種降雨徑流模型，主要有水文模塊、水力模塊和水質模塊，3種模塊分別對應3種模擬過程［4］，具體模擬過程如下：

水文過程模擬中地表產流是由有洼蓄、無洼蓄不透水區和透水區組成，透水區的下滲模型包括霍頓模型（應用最廣泛，效果較好）、格林-安普特模型（適用于具有濕潤鋒的土壤層，對土壤資料要求較高）和徑流曲線法（主要適用于大尺度區域）。

水力過程模擬中管網匯流采用水動力學方法進行計算，包括穩定流法（適用于枝狀的管網中）、動力波法（時間長度較短，適用于短期模擬）和運動波法（時間步長較長，適用于長期模擬）［5］。

水質過程模擬是SWMM模型通過污染物的累積和沖刷過程模擬非點源污染的產生和傳輸過程［6］，具體過程如圖1所示，而所采用的計算函數有累積增長函數（包括無增長、冪增長、指數增長以及飽和增長）和沖刷函數（包括無增長、指數函數、性能曲線）等［7］。

圖1 水質模擬過程Fig.1 Water quality simulation process

根據研究區域的地質資料及現狀信息，該研究區域為小尺度流域且不具有濕潤鋒的土壤層，因此水文下滲模型選擇霍頓模型；根據工程所提供的管網資料及要求，管網的傳輸形狀呈枝狀但要求短期模擬，因此，水力模擬方法選擇動力波法；根據現場的污染物累積及沖刷規律，在水質模擬中增長函數和沖刷函數分別選擇飽和函數和指數函數。具體飽和函數和指數函數的表達式分別如式（1）和式（2）所示。

式（1）中：B為污染物積累量（kg）；t為降雨歷時（s）；C1為單位流域內的最大污染物積累量（kg）；C2為半飽和常數。

式（2）中：Wt時間t時污染物的沖刷量；E3為沖刷指數；I為降雨強度（mm/h）；t為降雨時間（h）；Vt為t時間內地表徑流量（m3）；Bt為t時間內污染物的累積量（kg）。

2 研究區域概況

研究區域是一條工業路，位于武漢市青山區，該道路呈南北走向，南邊連接友誼大道，北邊連接和平大道，地勢整體北高南低。道路占地面積約6.91 hm2，綠化率31.22%，土地利用類型主要為混凝土、綠地、人行道，如圖2所示。道路海綿改造全長1 203.172 m，紅線寬50 m。該區的降雨多集中于5月至8月且近幾年全年降雨平均總量為1 107.3 mm。

圖2 工業路橫斷面圖Fig.2 Cross section of industrial road

3 SWMM模型建立

3.1 研究區域概化

武漢市青山區工業路根據土地利用現狀、地面高程、坡度和管網分布等原則進行劃分，將工業路分為83條雨水管道，173個子匯水區，78個節點，1個排水口，如圖3所示。

圖3 研究區域概化圖Fig.3 Generalized figure of study area

3.2 模型參數的選擇及驗證

SWMM模型在運行前需要設置水文水力參數和水質參數［8］，這些參數可以根據工程所提供的數據資料和SWMM模型應用手冊［9］及文獻［10-11］選擇。模型的精度決定了模擬結果的可信性與準確性，前期對參數設置的越精細，所得的模擬結果越符合實際，因此，在選擇模型參數后需對模型進行驗證［12］，驗證結果滿足要求，即可確定模型參數最終的選擇結果。

3.2.1 模型參數選擇水文、水力模塊中參數包括子匯水面積、節點、管道等屬性參數和LID措施參數。根據對研究區域的分析及參考SWMM手冊取值范圍，對其中曼寧粗糙率、地表洼蓄量和Horton模型參數等不確定的屬性參數進行選擇，選擇結果如表1所示，其他屬性參數可根據工程提供的資料和CAD測量獲??；根據研究區的土地利用類型，選取的LID措施有下凹式綠地及透水鋪裝，其中透水磚采用陶瓷透水磚，透水路面采用透水瀝青混凝土，透水系數的標準不可低于0.1 mm/s［13］，連續孔隙率的標準不可低于15%，具體LID參數根據工程改造要求、文獻［14-15］和SWMM手冊進行選擇，選擇結果如表2所示。

表1 水文水力參數Tab.1 Hydrological and hydraulic parameters

表2 LID措施參數Tab.2 LID measure parameters

水質模塊中的主要參數包括增長參數、沖刷參數和污染因子的初始濃度。根據一般徑流中污染物指標，選取懸浮物（suspended solids，SS）、化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）、總氮量（total nitrogen，TN）、總磷量（total phosphorus，TP）4種污染物作為主要的污染因子，采用的增長函數和沖刷函數分別為飽和函數和指數函數，根據武漢市相關研究資料，具體飽和函數和指數函數的參數值如表3所示，并將飽和函數中的半飽和時間參數定為5 d。根據郭琳等［16］對地表累積物特性的研究成果，結合武漢市實際情況，模型清掃1次/d，地表累積物去除效率為50%。

表3 污染因子增長和沖刷參數Tab.3 Pollution factors growth and scouring parameters

考慮到大氣會對天然雨水的污染，經降雨實測分析4種污染因子在天然雨水中的初始質量濃度分別取10、20、1和0.02 mg/L，在下墊面中污染因子本底的初始含量分別取109、105、2.8和0.58 kg/hm2。

選取研究區2019年7月內實測的降雨事件，將選擇的參數輸入SWMM模型對污染因子SS、COD、TN、TP的負荷進行模擬，選用納什系數ENS作為評價模型的指標，系數在0.65以上，模型質量較好［17］。4種污染因子的模型參數選擇結果如圖4（a－d）所示，可以看出模擬的污染負荷過程與實測數據的擬合程度良好，4個模型ENS值均大于0.65，表明模型可靠。

圖4 SS模型參數選擇結果（a）和驗證結果（e），COD模型參數選擇結果（b）和驗證結果（f），TN模型參數選擇結果（c）和驗證結果（g），TP模型參數選擇結果（d）和驗證結果（h）Fig.4 Selection results（a）and verified results of SSmodel parameter（e），selection results（b）and verified results of COD model parameter（f），selection results of TN model parameter（c）and verified results（g），selection results（d）and verified results（h）of TPmodel parameter

3.2.2 模型參數驗證為了模型的穩定，需對構建的模型進行驗證，選擇研究區2019年8月內實測的降雨事件進行驗證，污染因子SS、COD、TN、TP的負荷模擬驗證結果如圖4（e-h）所示，其擬合程度較好，4個ENS值均大于0.7，表明模型參數的選擇符合模擬要求，可用于水質過程模擬。

3.3 降雨選擇

模型所需的降雨數據可通過實測或合成獲取，本研究選擇通過合成獲取。通常合成的降雨過程線由雨型和暴雨強度公式來確定［18］，雨型選取目前應用最廣泛的芝加哥雨型［19］，暴雨強度公式選取中南市政設計院編制的公式［式（3）］。降雨時長為2 h最佳，時間間隔為1 min，峰值系數r取0.45。合成的降雨過程線如圖5所示。

圖5 不同重現期暴雨曲線Fig.5 Rainstorm curves in different return period

式（3）中：q為平均暴雨強度（mm/min）；P為設計降雨重現期（a）；t為設計降雨歷時（min）。

3.4 海綿道路方案設計

根據土地利用現狀及設計要求，將原道路中的綠化帶、人行道和非機動車道分別改造為下凹式綠地、透水人行道和透水路面。考慮到機動車道荷載量大，而透水鋪裝會減少路面的承載能力，機動車道不采用LID措施。通過對下凹式綠地和透水鋪裝進行組合搭配，選出3組LID措施方案進行模擬：方案I，單獨采用下凹綠地；方案II，在方案I的基礎上增設透水磚；方案III，在方案II的基礎上增設透水路面。具體方案規模如表4所示。當采用上述3種LID方案時，行車道與人行道上的雨水經產匯流及下滲最終都匯入下凹式綠化帶中，當遇到暴雨時，下凹綠地蓄水完全飽和，水位會上升至高于下凹綠地的雨水口，并溢流入市政管道系統。

表4 海綿道路方案設計Tab.4 Plan design of sponge road

4 結果與討論

水質模擬過程中，也可同時得出排水口流量的變化情況。因此通過SWMM模型模擬計算出在2、10、100 a下傳統方案及LID措施組成的3組方案的流量及污染負荷的遷移過程，如圖6～圖10所示，污染負荷對比結果如表5所示。

表5 場降雨條件下排放口污染負荷模擬結果Tab.5 Pollution load simulation results of field drop rain outlets kg

圖6 不同重現期排放口流量變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.6 Discharge outlet flow curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

圖7 不同重現期SS負荷變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.7 SSload curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

圖10 不同重現期TP負荷變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.10 TPload curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

圖8 不同重現期COD負荷變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.8 COD load curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

圖9 不同重現期TN負荷變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.9 TN load curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

在重現期2、10和100 a降雨條件下，方案I與傳統方案相比，排出口SS負荷分別減少24.46%、22.28%和21.28%；COD負荷分別減少20.32%、16.33%和15.31%；TN負荷分別減少20.31%、13.85%和11.61%；TP負荷分別減少18.39%、14.00%和13.13%。

方案II與傳統方案相比，排出口SS負荷分別減少48.25%、42.98%和40.52%；COD負荷分別減少45.51%、38.40%和35.71%；TN負荷分別減少46.38%、37.10%和33.07%；TP負荷分別減少39.38%、28.40%和24.77%。

方案III與傳統方案相比，排出口SS負荷分別減少50.70%、39.04%和26.89%；COD負荷分別減少49.57%、37.75%和27.48%；TN負荷分別減少51.23%、38.88%和29.07%；TP負荷分別減少44.75%、29.62%和17.57%。

5 結 論

（1）3組城市道路LID方案相比于傳統方案對污染負荷和徑流峰值的削減均具有顯著效果，但是隨著暴雨強度的增加，道路表面沖刷加劇，海綿道路對各污染負荷和徑流量的控制效果越來越弱，因此，海綿道路方案更適合于小降雨事件。且對SS、COD、TN和TP負荷削減率分別提高了21.28%～50.70%、15.31%～49.57%、11.61%～51.23%、13.13%～44.75%。

（2）3組城市道路LID方案中，方案II和方案III對污染負荷的削減效果明顯優于方案I，而方案III較方案II多設計了透水路面，但兩組方案對污染負荷的控制效果接近，說明透水路面對于污染負荷的控制效果較差。