基于SWMM模型的城市雨水徑流污染負(fù)荷控制與年削減效果研究

中圖分類號：X522

文章編號：1674-6139（2025）06-0105-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Control ofUrban RainwaterRunoffPollution Load and AnnualReductionEffectBasedon SWMMModel

XingFengxial，Xie Hui2

（1.Puyang Municipal Facilities Affairs Center，Puyang 457OoO，China; 2.Sichuan Central Inspection Technology Inc.，Zigong 6430oo，China）

Abstract：Thepolltionproblemofubanainwaterunofisapidlyincreasingndtheproportionofplutionisgaduallceas ing.Inordertoachieethefectofplltantreduction，tesudytakesacoastalcityinastChinaasanexampletosimulatestheban rainwater load control through the rainstorm flood management model．Theresults showed that acombination of 10% permeable pavement， 20% ecological grass ditch，and 10% rainwater bucket was randomly designed in the study area，and the quality and volume control ratio of rainwaterperformed the best.At anannual runoff control rate of 60% ，the annual reduction rates of permeable pavement，ecological grass ditch，and rainwater bucket reach 80.0% ， 69.9% ，and 53.6% ，respectively.Can ensure the annual reduction effect and keep the load control above 90% .The results provide feasible technical solutions and management strategies for urban rainwater management，providing reference for promoting urban ecological construction and sustainable development.

Keywords：rainwater runoff；pollution；load control；SWMM；permeable pavement

前言

隨著城市化進(jìn)程的加快，地表徑流污染問題日漸嚴(yán)峻。暴雨導(dǎo)致污染入河，本質(zhì)是降水產(chǎn)生的城市徑流附著在地表的各類污染物進(jìn)入水體。城市徑流是城市化造成雨水的地表徑流，是許多城市化地區(qū)水污染的主要來源[1]。在強降水中，如瀝青、水泥、混凝土等不透水表面和屋頂阻隔了土壤對污水的下滲過濾，造成地下水補給變少，地下水位降低。被阻隔的污水流入下水道，最終流入地表水體，導(dǎo)致地表水量增加，從而引發(fā)洪水。中國城市雨污收集和處理系統(tǒng)建設(shè)尚不完全，城市雨水徑流污染占總污染負(fù)荷約在 10% 左右[2]。隨著城市發(fā)展對點污染治理的重視，雨水徑流污染負(fù)荷比例逐步上升。暴雨洪水管理模型（StormWaterManagementModel，SWMM）是動態(tài)水文-水力水質(zhì)模擬模型，用于單事件或長期連續(xù)模擬主要城市地區(qū)的徑流數(shù)量和質(zhì)量。對于研究設(shè)計變量為年徑流總量控制率有一定幫助，但目前對于多種設(shè)施控制的區(qū)域研究較少[3]。因此，研究通過SWMM對城市雨水負(fù)荷控制情況進(jìn)行模擬，量化分析透水鋪裝、生態(tài)草溝和雨水桶等措施的控制效果，旨在凈化和控制雨水和改善水污染環(huán)境，為城市雨水管理提供科學(xué)依據(jù)。

1基于SWMM模型的城市雨水徑流污染負(fù)荷控制方案

1.1 SWMM區(qū)域模型

由于SWMM能考慮不同地區(qū)的特點和條件，對不同地區(qū)的降水和污染負(fù)荷進(jìn)行模擬和分析，選擇華東沿海某城市總面積為 4000m² 的區(qū)域搭建模型。根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r，當(dāng)降雨歷時 t?120 時，暴雨強度 i 公式如式（1）：

式（1）中， P 為設(shè)計暴雨重現(xiàn)期。SWMM模型模擬城市雨水徑流與下滲，設(shè)計重現(xiàn)期 120min ，峰值比0.42。采用芝加哥雨型覆蓋0.5至10年重現(xiàn)期。下滲用霍頓模型，最小／最大入滲率 5/25mm/h ，衰減系數(shù)5，干燥期7天。利用曼寧公式模擬雨水徑流的流速，雨水總積水量 V 公式如式（2）：

式（2）中， k 為轉(zhuǎn)換常數(shù)， n 為糙率， R_h 為水力半徑，S為明渠的坡度。透水區(qū)與不透水區(qū)的曼寧系數(shù)差異 ）及不透水區(qū)的洼蓄量（ 4mm 影響雨水徑流特性。研究區(qū)域廣闊，涵蓋 243hm² ，內(nèi)含多樣土地類型，建筑與綠地、道路比例各異。為應(yīng)對城市化帶來的水污染，研究包含就地措施、設(shè)計末端措施及無措施的三種雨水管理策略，并模擬不同年徑流總量控制率下的效果。

核心設(shè)施包括生態(tài)草溝、透水鋪裝和雨水桶，以減少雨水徑流污染。生態(tài)草溝作為模擬自然水體的線性景觀，通過植被截留、土壤過濾與生物降解，去除雨水中的TSS、TP及部分重金屬，同時美化環(huán)境，促進(jìn)生物多樣性。透水鋪裝利用多孔材料鋪設(shè)，快速滲透雨水至地下，通過物理截留、吸附過濾及生物作用，降低 TSS、TN、TP含量，控制徑流，減輕洪澇。雨水桶作為小型分散收集裝置，通過初步過濾、自然沉淀及生物降解，減少初期雨水懸浮[4-5]

1.2 雨水徑流污染負(fù)荷控制方案設(shè)計

利用SWMM控制編輯器模塊進(jìn)行場次及多年降雨模擬，自動調(diào)控孔口、堰與泵機。關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)為TSS（總懸浮物）、 TN （總氮）與TP（總磷）。TSS通過過濾稱重測定，TN與TP則分別代表水體中氮與磷的總量[6。分析采用負(fù)荷與體積控制率之比，特別關(guān)注MV（質(zhì)量與體積）控制比，即在控制 1% 徑流體積時，能否同步控制 1% 的污染物質(zhì)量，衡量控制策略的有效性。 MV 控制比的公式如式（3）：

式（3）中， φ_M 為污染物質(zhì)量的百分比 為相同控制措施削減總的徑流體積的百分比[7]。通過明確 MV 控制比，可控制城市降雨徑流中的污染物負(fù)荷，保護(hù)城市水環(huán)境和水資源。計算生態(tài)草溝、透水鋪裝和雨水桶設(shè)施的每平方米有效容積 V_s ，公式如式（4）：

V_s=V₁-V₂+V₃

式（4）中， V₁，V₂，V₃ 分別為滯留層體積、植被在蓄水部分所占體積、結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙體積。生態(tài)草溝、透水鋪裝和雨水桶設(shè)施的每平方米 V_s 分別為 0.659m³ /0.263m³?0.659m³ 。因此，設(shè)計 65.9cm 桶高的雨水桶。計算末端措施即為水處理廠和調(diào)蓄池，水處理廠對污水進(jìn)行集中處理，去除水中污染物。調(diào)蓄池的體積以容積法設(shè)計體積大小 V_P ，公式如式（5）所示：

式（5）中， t₀ 為調(diào)蓄時間， Q_in 和 Q_out 為入流、出流流量。調(diào)蓄池深度均設(shè)置為 10m_c 排水工作在停正降水、蓄水 5m 以上并且停泵 24h 以上時，開啟水泵。

2城市雨水徑流污染負(fù)荷控制和年削減效果模擬與分析

模擬不同設(shè)計規(guī)模的雨水徑流污染物控制情況，分析不同措施的年削減率。其中調(diào)蓄池排水措施為降雨 24h 后以每天2.16萬噸的排水流量排水，多年平均降雨模擬結(jié)果，見圖1。

如圖1所示，在 60% 年徑流控制率下，透水鋪裝、生態(tài)草溝、雨水桶污染物削減率分別為 80% 、69.9% （20 ，53.6% ，優(yōu)于水處理廠（ 59.9% ）和調(diào)蓄池1 52% ）。雨水桶效果較低因物理處理，隨控制率增，各措施削減率升。透水鋪裝懸浮物削減最佳，90% 控制率下達(dá) 90% 以上，次為生態(tài)草溝。研究模擬 4km² 區(qū)域不同規(guī)模設(shè)施場景。在不同年徑流總量控制率下，透水鋪裝就地措施和末端措施MV控制比，見圖2。

圖2（a）顯示，年徑流控制率增，就地措施MV控制比減（1.11.7）。低控制率下，就地措施減雨效果更佳。降雨重現(xiàn)期升，透水鋪裝控洪更顯著。圖2（b）中，末端措施在 85% 90% 控制率下，不同重現(xiàn)期MV控制比穩(wěn)定，表明控水效果穩(wěn)定。在不同體積控制率下，透水鋪裝就地措施和末端措施MV控制比，同時不同組合設(shè)施對MV控制比的影響見圖3。

圖3展示不同雨水管理措施在不同雨水徑流體積控制率下對洪水控制及COD、氨氮去除效果的影響。隨著控制率增加，透水鋪裝就地措施的MV控制比逐漸減小，表明高控制率下洪水控制效果減弱，且COD去除率也受維護(hù)管理影響而下降。末端措施在 40%～60% 控制率內(nèi)對短期洪水及COD去除效果穩(wěn)定，但超過此范圍則效果減弱。生態(tài)草溝、透水鋪裝與雨水桶以 1：2：1 比例組合時，綜合表現(xiàn)最佳，通過各自優(yōu)勢協(xié)同作用，不僅提高了洪水控制效率，還增強COD和氨氮的去除能力，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

某城市公園位于城市中心區(qū)域，周邊被高樓大廈包圍，雨水徑流快速且量大，導(dǎo)致公園內(nèi)湖泊水質(zhì)惡化，TSS、TN（總氮）、TP（總磷）等污染物濃度超標(biāo)。不同設(shè)施的污染物削減能力，見表1。

表1顯示，透水鋪裝在TSS削減上表現(xiàn)卓越，削減量高達(dá) 80mg/L ，有效去除雨水懸浮物及部分氮磷。多孔結(jié)構(gòu)與滲透性能是關(guān)鍵，減少入湖污染物。項目實施后，透水鋪裝實際削減量超表1數(shù)據(jù)，驗證其水質(zhì)凈化能力。湖泊水質(zhì)因此改善，雖氮磷去除不如TSS顯著，但長期作用有助于防止富營養(yǎng)化。此外，透水鋪裝控制雨水徑流，減輕排水壓力，補充地下水，能改善環(huán)境。

3結(jié)束語

研究SWMM模擬雨水污染顯示，隨著年徑流總量控制率的提高，城市雨水徑流的污染物削減效果隨之增強。生態(tài)草溝和透水鋪裝均達(dá)到污染物預(yù)期控制率， 60% 年徑流總量控制率時，可控制 60% 以上的污染物。其中，透水鋪裝在 90% 年徑流總量控制率下，年削減率超過 90% ，表現(xiàn)出較高的污染物削減效果。透水鋪裝對TSS、TN、TP的削減量較高，分別為 80mg/L.70mg/L.50mg/L ，原因在于下滲結(jié)構(gòu)能控制雨水徑流的體積和污染物。對比設(shè)計的調(diào)蓄池，設(shè)置在就地的雨水桶具有污染物控制效果。而水處理廠的污染物控制效果也比雨水桶好，但三種設(shè)施都沒有下滲結(jié)構(gòu)的設(shè)施好。采用透水鋪裝、生態(tài)草溝、雨水桶等設(shè)施，能控制雨水徑流的污染，促進(jìn)城市綠化、改善生態(tài)環(huán)境。

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