基于SWMM的LID措施對城市面源污染削減效果研究

李連文，代張路，李 昂，劉加強，蘇林萌

[1.徐州工程學院環境工程學院，江蘇 徐州 221111；2.濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司徐州分公司，江蘇 徐州 221007；3.江蘇瑞杰項目管理顧問有限公司徐州分公司，江蘇 徐州221007]

0 引言

“十三五”期間，我國污染防治攻堅戰和生態系統整治取得了重大成效，但挑戰壓力仍在。我國對黑臭水體進行了綜合整治，但治理后城市內河出現大量返黑返臭的現象[1]。在我國點源污染已基本被控制的情況下，城市面源污染的治理成為水環境治理的主要對象及新挑戰[2]。城市面源污染是地表累積的污染物隨著降雨徑流，經排水系統進入受納水體，造成城市水體污染。其時空分布離散、污染途徑隨機、成分復雜多變的特點使其治理難度較大。城市面源污染控制技術由原來的圍繞末端處理設施過渡到現在的重視源頭控制技術，當前推崇采用低影響開發源頭削減措施來治理城市徑流污染[3]。《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）中規定“用于分流制排水系統徑流污染控制的雨水調蓄設施的設計應按當地相關規劃確定的年徑流總量控制率、年徑流污染控制率等目標計算調蓄量，并應以源頭減排設施為主”[4]。本文以徐州市經濟技術開發區房亭河水環境綜合整治工程為研究對象，探討單一LID措施及組合措施在城市面源污染控制上的實際應用及削減效果，為下一步工程設計及實施提供依據。

1 研究區概況

研究對象為徐州經濟技術開發區三八河排水片區，排水區面積約為12.8 km2，三八河匯水區屬于已建成區，排水分區范圍內徐海路以北建筑密度高，徐海路以南為金龍湖生態風景區，建筑密度相對較低。三八河匯水區范圍圖如圖1所示。

圖1 三八河匯水區范圍圖

區域內排水體制采用雨污分流制，雨水管道及管渠材質為鋼筋混凝土，施工質量較好，雨水管道管徑為d400～d2000，管渠尺寸介于B×H=2 m×2 m～5 m×4 m之間，基本上能夠滿足2年重現期要求，雨水管道（渠）數據來源于最新管網普查數據。排水管網普查圖如圖2所示。

圖2 排水管網普查圖

2 SWMM模型構建

2.1 子匯水區劃分

首先利用ArcGIS軟件對研究區進行子匯水區劃分，然后根據道路分布及雨水管道情況進行手動調整，得到子匯水區491個，節點524個（包含排出口），結果如圖3、圖4所示。

圖3 S WMM概化圖

圖4 建筑圖層s hp

2.2 不滲透系數計算

不滲透系數根據子匯水區內不同的下墊面性質加權平均得出。對研究區內測量資料進行分析，將其下墊面性質分為道路、建筑、其他及綠地四種，根據《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）和文獻研究成果[5]得到道路、建筑、其他及綠地綜合徑流系數取值分別為0.75、1、0.3、0.2，然后利用ArcGIS軟件進行加權平均計算。

2.3 模型參數取值

因研究內容為城市面源污染削減，需搭建水文模型和水質模型。

（1）水文模型：地表產流模型采用Horton下滲模型，匯流模型采用非線性水庫模型；（2）水質模型：污染物累積模型采用EXP累積方程，污染物沖刷模型采用EXP沖刷方程。

根據SWMM模型用戶手冊及文獻研究[6-9]，SWMM模型水文參數獲取方法及取值表、SWMM模型水質參數取值表見表1、表2。

表1 S WMM模型水文參數獲取方法及取值表

表2 S WMM模型水質參數取值表

2.4 降雨數據

降雨數據采用合成數據，采用芝加哥雨型與徐州市暴雨強度公式合成降雨數據，降雨歷時取180 min，雨峰系數取為0.4，分別模擬重現期為1 a、2 a、3 a、5 a和10 a五種不同重現期的降雨，降雨過程如圖5所示。徐州市暴雨強度公式如式（1）：

圖5 不同重現期下降雨過程線

式中：q為暴雨強度，（L/s）/ha；P為設計重現期，a；

t為降雨歷時，min。

2.5 模型率定

選用20210820、20210901兩場降雨進行模型率定與驗證，降雨數據及徑流數據均來源于經開區水務處，CODCr濃度數據來源于課題組實驗檢測數據，其結果分別如圖6、圖7所示。兩場降雨模擬和實測峰值偏差分別為5.13%、6.38%，峰現時間分別相差7 min、9 min，根據《城鎮內澇防治系統數學模型構建和應用規程》（T/CECS647—2019），模型結果具有可信度[10]。

圖6 20210901徑流模擬—實測曲線

圖7 20210820 CODCr模擬—實測曲線

3 LID措施的設置

3.1 LID措施選取及參數設置

結合相關研究文獻以及工程實際[11-12]，考慮到研究區域為已建成區，進行滲透路面等改造較為復雜且施工困難，因此擬采用綠色屋頂、生物滯留設施、雨水花園三種常見的LID措施進行研究。根據SWMM中文手冊及查閱相關文獻，綠色屋頂、生物滯留設施、雨水花園具體參數設置見表3、表4、表5。

表3 綠色屋頂參數設置一覽表

表4 生物滯留設施參數設置一覽表

表5 雨水花園設施參數設置一覽表

3.2 LID措施設置原則

LID措施應用中，采用雨水花園應用于對現狀綠地進行改造，生物滯留設施應用于對現狀裸露地表進行改造，綠色屋頂應用于對建筑屋面進行改造。考慮LID措施的可實施性，需要對各子匯水區的現狀綠地、裸露地表面積和建筑面積進行計算，計算步驟如下（以建筑面積計算為例）：（1）將“建筑”用地性質徑流系數定義為100，其它所有的用地性質徑流系數定義為1；（2）采用子匯水區綜合徑流系數計算方法計算出該種情況下各個子匯水區的綜合徑流系數；（3）利用如下公式計算出“建筑”圖層的面積在各個子匯水區中所占比例。

式中：X為用地性質所占子匯水區的比例；C為此種情況下的綜合徑流系數。

采用同樣的方法計算出現狀綠地、裸露地表兩種用地性質所占各個子匯水區的比例，結果見表6。

表6 不同用地性質所占各子匯水區的比例（部分）

生物滯留設施、雨水花園與綠色屋頂對應的改造比例分別設置20%、40%、60%、80%四種情況。

4 模擬結果與分析

在進行徑流污染控制效果分析時，污染物削減率以污染物排放總量來進行計算，污染物排放濃度以EMC（場次降雨平均濃度）表示，以便與《地表水環境質量標準》中各類水體標準進行對比。

4.1 單一LID措施削減效果分析

將生物滯留設施、雨水花園與綠色屋頂三種LID措施設置在SWMM模型中，按面積占比分別為20%、40%、60%、80%，模擬1 a、2 a、3 a、5 a、10 a降雨情況下的污染物削減與排放情況，其結果如圖8至圖10所示（以COD削減率及排放平均濃度為例）。

圖8 生物滯留設施COD削減率及排放平均濃度

圖9 雨水花園COD削減率及排放平均濃度

圖10 綠色屋頂COD削減率及排放平均濃度

根據結果可知，生物滯留設施、雨水花園與綠色屋頂面積占比越高，即改造面積越大，COD、TN污染物削減率越高。改造比例分別為20%、40%、60%、80%時，生物滯留設施不同重現期下的COD平均污染物削減率介于42.50%～57.10%之間，TN平均污染物削減率介于48.09%～54.93%之間；雨水花園不同重現期下的COD平均污染物削減率介于31.92%～36.71%之間，TN平均污染物削減率介于27.02%～33.33%之間；綠色屋頂不同重現期下的COD平均污染物削減率介于24.77%～41.03%之間，TN平均污染物削減率介于19.48%～33.76%之間。

在同一重現期條件下，LID措施改造面積占比越高，COD、TN污染物排放平均濃度越低。在1 a一遇降雨強度時，分別設置生物滯留設施、雨水花園與綠色屋頂措施后，COD污染物排放平均濃度分別在19.51～26.31 mg/L、31.92～47.67 mg/L、33.77～59.68 mg/L，TN污染物排放平均濃度分別在0.97～1.60 mg/L、1.58～1.68 mg/L、1.73～2.03 mg/L；在10 a一遇降雨強度時，COD污染物排放平均濃度分別在19.51～26.31 mg/L、28.48～44.79 mg/L、25.89～44.29 mg/L，TN污染物排放平均濃度在1.06～1.49 mg/L、1.50～1.57 mg/L、1.36～1.44 mg/L。COD、TN污染物排放平均濃度也均高于《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中Ⅲ水體COD、TN的污染物指標值。

根據以上對單一生物滯留設施、雨水花園與綠色屋頂徑流污染效果分析可知，污染物控制效果生物滯留設施＞雨水花園/綠色屋頂，雨水花園與綠色屋頂污染物控制效果相近，隨著改造面積的增大，雨水花園污染物控制效果變化率相較更小。

4.2 組合LID措施削減效果分析

根據單一LID措施污染物削減效果，單一LID措施無法達到III類水體排放標準。本文設置兩種組合措施方案進行削減效果研究。方案一：改造比例為60%的生物滯留設施+8 mm調蓄量的調蓄池，調蓄池設置位置、原則詳見其他研究成果；方案二：改造比例為60%的生物滯留設施+改造比例為40%的綠色屋頂+改造比例為20%雨水花園，其模擬結果如圖11、圖12所示。

圖11 組合方案COD削減率及排放平均濃度

圖12 組合方案TN削減率及排放平均濃度

由圖11、圖12可知，在暴雨重現期分別為1 a、2 a、3 a、5 a、10 a時，方案一的COD污染物削減率分別為77.45%、72.11%、70.38%、68.95%、67.93%，TN污染物削減率分別為75.70%、67.74%、64.68%、61.99%、60.02%；方案二的COD污染物削減率分別為70.61%、67.45%、64.71%、64.88%、64.77%，TN污染物削減率分別為63.64%、58.20%、56.21%、54.85%、54.10%。隨著降雨強度的增加，COD、TN污染物的削減率隨之減少。

在不同暴雨重現期時，方案一組合措施下的COD污染物排放平均濃度在14.45～17.99 mg/L之間，TN污染物排放平均濃度在0.55～0.84 mg/L之間；方案二組合措施下的COD污染物排放平均濃度在15.60～19.93 mg/L之間，TN污染物排放平均濃度在0.71～0.92 mg/lL之間。

經組合方案一與組合方案二對徑流污染物進行削減后，其排放水質能夠達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中Ⅲ水體COD、TN的污染物指標值。組合方案一污染物削減效果要高于組合方案二，這是因為多種源頭控制措施同時使用具有效果遞減效應，源頭控制措施+末端控制措施往往能夠達到更高的削減效果。

5 結論

（1）徑流污染受降雨強度影響較大，降雨強度越大，徑流污染物總量越高；但隨著降雨量增加，排入受納水體的水量也隨之增加，降雨量增加率要高于污染物增加率，即降雨強度越小，排放水質污染物濃度越高。

（2）單一LID控制措施較難達到地表III類水體排放標準的控制目標，需要對LID控制措施進行組合使用。生物滯留設施污染物削減效果要優于雨水花園和綠色屋頂，故在組合措施方案使用時，建議以生物滯留設施為主。

（3）源頭控制措施同時使用時，污染物削減效果要優于單一LID控制措施，但其具有效果遞減效應，當排水水質要求較高時，建議采用源頭控制措施+末端控制措施組合使用，以達到更高的污染物削減效果。