基于SWMM的宿遷市非點(diǎn)源污染負(fù)荷模擬計(jì)算

黃德鋒+路建恒+李賀

摘 要：以宿遷市中心城區(qū)非點(diǎn)源污染為對(duì)象，基于SWMM模型，根據(jù)降雨徑流實(shí)測數(shù)據(jù)并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)率定模型參數(shù)，構(gòu)建了基于SWMM模型的研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算模型，共設(shè)計(jì)了7種不同降雨情景，分析了不同降雨條件下研究區(qū)非點(diǎn)源污染固體懸浮物（TSS）、COD、TN、TP的入河污染物總量和入河過程線。在設(shè)計(jì)的降雨情景下：（1）在一定的降雨強(qiáng)度范圍內(nèi)，入河污染物總量隨降雨強(qiáng)度增加而增加，高強(qiáng)度降雨較低強(qiáng)度降雨可對(duì)受納水體造成更大的污染；（2）污染物濃度峰值出現(xiàn)在降雨45～50min內(nèi)；（3）入河TSS、COD體現(xiàn)了明顯的初期效應(yīng)，而TN、TP沒有明顯的初期效應(yīng)，這與氮磷的再次堆積有關(guān)。

關(guān)鍵詞：非點(diǎn)源污染；SWMM；降雨徑流；污染負(fù)荷

中圖分類號(hào) X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）15-100-05

The Simulation of Non-Point Source Pollution Load based on SWWM in Suqian

Huang Defeng1 et al.

（1Construction Bureau of Nantong Economic & Technological Development Area，Nantong 22609，China）

Abstract：The study was focused on the non-point source pollution loading in Suqian. Based on the SWMM，parameters from the literature and field experiments were integrated，and a non-point source pollution calibration model was constructed .Seven different rainfall scenarios were designed to analyze the pollution loads of total suspended solids（TSS）. Under the designe rainfall conditions：（1）In a certain range of rainfall intensity，total non-point pollutants increased with the increase of the rainfall intensity，higher-intensity rainfall caused more serious pollution to receiving water bodies than the low-intensity rainfall did；（2）The emission of pollutants reached a peak after 45～50min late than the beginning of the rainfall；（3）TSS and COD emissioned into the river reflects obvious first flush effect，however，TP and TN didnt reflect obvious first flush effect and this may relate with the second accumulation.

Key words：Non-point source pollution；SWMM；Rainfall runoff；Pollution load

城市非點(diǎn)源污染是指城市屋面、路面及其他地面污染物在降雨徑流的淋溶沖刷作用下以廣域、分散的形式進(jìn)入河湖引發(fā)的水體污染[1]。目前，隨著城市化的進(jìn)展，城市人口激增、不透水面積大幅度增加，使得非點(diǎn)源污染成為影響城市水體水質(zhì)的重要因素。相關(guān)研究表明，城市化被認(rèn)為是僅次于農(nóng)業(yè)造成非點(diǎn)源污染的主要原因。城市地表徑流被美國環(huán)保局列為導(dǎo)致全美河流和湖泊污染的第三大污染源，全球約30%～50%的地表受到了非點(diǎn)源污染的影響[2]。隨著城市化規(guī)模的不斷增加，城市河網(wǎng)水體水質(zhì)將面臨著分點(diǎn)源污染的嚴(yán)重威脅。

對(duì)于城市非點(diǎn)源污染的研究始于20世紀(jì)60～70年代，一些學(xué)者通過因果分析和統(tǒng)計(jì)分析的方法建立了非點(diǎn)源污染負(fù)荷與土地利用或徑流量之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3]。20世紀(jì)70～80年代，一些有影響的非點(diǎn)源污染模型不斷推出，其中包括SWMM、STORM、HSPF、DR3M-QUAL等可用于城市的非點(diǎn)源污染模型。這些模型基于對(duì)城市降雨徑流、污染物累積和沖刷、土壤侵蝕、排水管中泥沙和污染物運(yùn)動(dòng)過程的描述，屬于經(jīng)驗(yàn)與機(jī)理相結(jié)合的模型，能較好的模擬降雨過程中非點(diǎn)源污染的遷移轉(zhuǎn)化。其中，STORM模型用于模擬城區(qū)水文過程及場次污染物負(fù)荷量，但模型結(jié)構(gòu)簡單，不能模擬污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，不適合連續(xù)時(shí)間尺度的模擬；HSFP模型用于模擬農(nóng)村和城市地區(qū)水文水質(zhì)過程的非點(diǎn)源污染模型，缺點(diǎn)是不能進(jìn)行管道水流的復(fù)雜計(jì)算，不適合場次暴雨尺度的模擬，在城區(qū)應(yīng)用局限性較大，且模型校正時(shí)參數(shù)不唯一；DR3M-QUAL模型是可以模擬城區(qū)降雨徑流水量和水質(zhì)的基于物理概念的分布式模型，缺點(diǎn)是不能模擬污染物之間的相互作用，對(duì)地表和管道中的泥沙運(yùn)動(dòng)模擬能力差；SWMM模型是1971年美國國家環(huán)境保護(hù)局（EPA）為解決日益嚴(yán)重的城市非點(diǎn)源污染而推出的城市暴雨水量水質(zhì)預(yù)測和管理模型。SWMM作為分布式、連續(xù)模擬模型，在城市非點(diǎn)源污染模擬中得到了廣泛應(yīng)用[4-8]。本研究采用SWMM模型，借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究的模型模擬參數(shù)，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)測數(shù)據(jù)率定模型參數(shù)，模擬分析了宿遷市馬陵河流域在不同降雨條件下非點(diǎn)源污染負(fù)荷量及污染負(fù)荷累積變化，以期為城市降雨徑流污染的控防提供科學(xué)依據(jù)。

1 SWMM模型概述

SWMM由4個(gè)計(jì)算模塊和1個(gè)服務(wù)模塊組成。4個(gè)計(jì)算模塊分別為徑流模型（Runoff）、輸送模塊（Transport）、擴(kuò)充輸送模塊（Extran）及儲(chǔ)存/處理模塊（Storage/Treatment），通過計(jì)算模塊的運(yùn)行，SWMM可以對(duì)地面徑流、排水管網(wǎng)以及污水處理單元等的水量水質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。服務(wù)模塊的主要功能是進(jìn)行一些計(jì)算后的處理，如統(tǒng)計(jì)、繪圖等。

SWMM模型中徑流模塊、輸送模塊和儲(chǔ)存/處理模塊可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)城市排水系統(tǒng)中地表徑流、管網(wǎng)輸送和污水處理單元的模擬，這為SWMM模型對(duì)城市排水系統(tǒng)的整體模擬提供了可能。城市產(chǎn)生的污水和降雨資料作為SWMM模型的管道節(jié)點(diǎn)屬性和降雨屬性分別輸入到輸送模塊和徑流模塊，這些屬性數(shù)據(jù)作為模型的輸入，為計(jì)算模擬提供了基礎(chǔ)；而模擬的核心是利用SWMM中的徑流模塊、輸送模塊和儲(chǔ)存/處理模塊依次對(duì)城市排水中的地表徑流、管網(wǎng)輸送和污水處理進(jìn)行模擬計(jì)算，最終得到輸入城市受納水體中的水量和水質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)果。

2 SWMM模型在城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷研究中的應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概化 馬陵河位于宿遷市宿城區(qū)，北起城北路，南至思虞路，全長4.8km，流域面積約5.8km2。該區(qū)域?yàn)樗捱w市中心城區(qū)，排水管網(wǎng)敷設(shè)較為齊全，大部分由分流制管道組成，少量為合流制管道。根據(jù)研究區(qū)地形特點(diǎn)和排水管道布置，運(yùn)用GIS的空間分析和數(shù)據(jù)處理功能，將研究區(qū)劃分為150塊排水區(qū)，各個(gè)匯水區(qū)面積不等（圖1）；同時(shí)，根據(jù)研究區(qū)雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)共概化雨水管道95段，管徑為300～1200mm，管道末端出水口18個(gè)。

圖1 研究區(qū)部分子匯水區(qū)域

2.2 模型參數(shù)率定

2.2.1 基本參數(shù)的確定 SWMM中有許多參數(shù)需要確定，對(duì)子匯水區(qū)面積、寬度、坡度、檢查井高程、檢查井進(jìn)出水口高程、管道標(biāo)高、管道埋深、管徑、管長可以通過直接測量來確定，其他一些參數(shù)需要通過實(shí)測并結(jié)合查閱資料確定。

2.2.1.1 入滲參數(shù) 在推求地表產(chǎn)流模型時(shí)，需要確定下滲模型，SWMM有3種入滲模型：Horton模型、Green-Ampt模型、SCS CN模型。在這里我們選用Green-Ampt模型，對(duì)于Green-Ampt中需要輸入的參數(shù)，通過調(diào)查當(dāng)?shù)乇韺油寥乐饕獮榉弁梁头圪|(zhì)粘土，查閱Soil Characteristics Table[56]確定Suction Head、Conductivity、Initial Deficit分別為40mm、0.5mm/hr、4%。

2.2.1.2 曼寧粗糙率 地表匯流模型中，非線性水庫法需要確定透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)和管道曼寧系數(shù)。參考VassilionsA.Tsihrintzis等[21]對(duì)美國南佛羅里達(dá)州3個(gè)沿海城市的降雨徑流水質(zhì)模擬研究成果（見表1），并結(jié)合本區(qū)域的實(shí)際情況，當(dāng)?shù)赝恋乩妙愋蜑樽≌瑓^(qū)、道路用地和綠化用地。綜合考慮，選取透水區(qū)曼寧系數(shù)為0.115，不透水區(qū)曼寧系數(shù)為0.012，管道曼寧系數(shù)為0.012。

表1 不同表面曼寧系數(shù)

[土地利用類型＼&透水地表

曼寧系數(shù)＼&不透水地表

曼寧系數(shù)＼&管道

曼寧系數(shù)＼&低密度住宅區(qū)＼&0.10～0.20＼&0.01～0.015＼&0.011～0.013＼&高密度住宅區(qū)＼&0.10～0.20＼&0.01～0.015＼&0.020～0.036＼&高速公路＼&0.10～0.20＼&0.01～0.015＼&0.011～0.013＼&商務(wù)區(qū)＼&0.10～0.20＼&0.01～0.015＼&0.011～0.013＼&]

2.2.1.3 洼蓄存儲(chǔ) 在SWMM模型中土地面積類型為：透水面積、有洼蓄不透水面積、無洼蓄不透水面積3種類別，其中不透水面積的洼蓄存儲(chǔ)、透水面積的洼蓄存儲(chǔ)和無洼蓄的不透水面積百分比都需要根據(jù)實(shí)地條件確定。該處地處市區(qū)中心區(qū)域，地表多為瀝青表面，建筑物多為住宅區(qū)，無洼蓄的不透水面積百分比選取25%。洼蓄量是指在一塊洼地未流走的或入滲的那部分水量。透水區(qū)和不透水區(qū)的洼蓄量與地表情況有關(guān)系，選取不透水區(qū)域的洼蓄存儲(chǔ)為2mm，透水區(qū)域的洼蓄存儲(chǔ)為5mm。

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，于2014年10月31日于當(dāng)?shù)嘏趴趯?duì)降雨徑流的水量水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過將模擬值與實(shí)測值進(jìn)行比較（圖2），并調(diào)整相應(yīng)參數(shù)的取值使模擬值與實(shí)測值最佳匹配，選取模擬值和實(shí)測值匹配最好的一組參數(shù)作為最終的輸入?yún)?shù)。通過相對(duì)誤差（見下式1）來評(píng)價(jià)模型的可靠程度：

[RE（%）=i=1m（y1-y1y1）/m×100] （1）

式中：RE-平均相對(duì)誤差；y1-實(shí)測值；m-采樣次數(shù)。

圖2 徑流量模擬值與實(shí)測值

結(jié)果表明，徑流量模擬值與實(shí)測值之間的誤差為21.6%，認(rèn)為在可接受的范圍內(nèi)，確定參數(shù)最終取值見表2。

表2 最終參數(shù)取值

[Mannings n＼&IDS

（mm）＼&PDS

（mm）＼&Su

（mm）＼&IMD

（mm/mm）＼&Ks

（mm/h）＼&Pipe＼&Pervious＼&Impervious＼&0.012＼&0.115＼&0.012＼&1＼&3.8＼&29.5＼&2.3＼&0.384＼&]

2.2.2 污染物參數(shù)的確定 為反應(yīng)不同土地利用類型的地表污染物累積過程，將各子匯水區(qū)域內(nèi)土地利用類型分為住宅、道路、綠地。根據(jù)研究區(qū)河道水體的水質(zhì)指標(biāo)，選擇TSS、CODCr、TN、TP等4個(gè)產(chǎn)生徑流沖刷地表污染物的主要污染因子。采用指數(shù)累積模型模擬污染物累積過程，該模型可以很好的反映地表污染物累積情況以及最大累積量，輸入?yún)?shù)包括指數(shù)累積方程的最大可能累積值和累積常數(shù)；沖刷過程采用指數(shù)沖刷方程進(jìn)行模擬，輸入?yún)?shù)包括沖刷方程中的沖刷系數(shù)和沖刷指數(shù)。

僅道路有街道清掃，街道清掃間隔每天1次，每次清掃去除70%的污染物。

為了驗(yàn)證模型輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與2014年10月31日的實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（見圖3～6），結(jié)果表明，四種污染物TSS、COD、TN、TP實(shí)測值與模擬值得誤差分別為21.4%、24.9%、29.1%、29.2%，率定的污染物參數(shù)最終取值見表3和表4。

圖3 驗(yàn)證試驗(yàn)TSS實(shí)測值與模擬值

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)COD實(shí)測值與模擬值

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)TN實(shí)測值與模擬值

圖6 驗(yàn)證試驗(yàn)TP實(shí)測值與模擬值

表3 污染物累積參數(shù)最終取值

[＼&項(xiàng)目＼&TSS＼&COD＼&TN＼&TP＼&道路＼&最大累積量＼&2.5＼&2＼&0.2＼&0.1＼&累積常數(shù)＼&0.2＼&0.2＼&0.012＼&0.01＼&住宅＼&最大累積量＼&2.5＼&1.5＼&0.2＼&0.1＼&累積常數(shù)＼&0.2＼&0.15＼&0.012＼&0.01＼&綠地＼&最大累積量＼&2＼&1.5＼&0.1＼&0.04＼&累積常數(shù)＼&0.1＼&0.1＼&0.01＼&0.008＼&]

表4 污染物沖刷參數(shù)最終取值

[＼&項(xiàng)目＼&TSS＼&COD＼&TN＼&TP＼&道路＼&沖刷系數(shù)＼&2＼&2＼&0.2＼&0.08＼&沖刷指數(shù)＼&2＼&1.8＼&0. 12＼&0. 04＼&住宅＼&沖刷系數(shù)＼&2＼&2＼&0.2＼&0.08＼&沖刷指數(shù)＼&1.8＼&1.8＼&0. 12＼&0.04＼&綠地＼&沖刷系數(shù)＼&1＼&1＼&0. 1＼&0.05＼&沖刷指數(shù)＼&1.2＼&1.2＼&0.08＼&0.03＼&]

2.3 降雨條件的確定 不同降雨情景的設(shè)定是水文水質(zhì)模擬不可或缺的基本要素。根據(jù)對(duì)宿遷市3a降雨資料的統(tǒng)計(jì)分析，采用宿遷市暴雨公式（見式2），選取重現(xiàn)期為0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a、20a的重現(xiàn)期，降雨歷時(shí)設(shè)計(jì)為120min，繪制不同重現(xiàn)期降雨過程線：

[q=-887.81（1+0.702800.1581）lgT（r+26.36）0.9999] （2）

圖7 降雨峰值r=0.3時(shí)不同重現(xiàn)期的降雨過程線

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)污總量分析 對(duì)研究區(qū)域內(nèi)排水系統(tǒng)末端排口排放的污染負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表5。由表5可知，在一定的降雨強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著降雨強(qiáng)度的增加，入河污染物總量不斷增加，但增加到一定值后，降雨強(qiáng)度的增加僅使入河污染物總量以微小幅度增加。根據(jù)地表污染物的累積與沖刷規(guī)律，在旱季地表污染物不斷堆積，降雨發(fā)生后，部分污染物隨地表徑流排放入河，隨著降雨強(qiáng)度的增加，地表徑流沖刷的污染物越多，與此同時(shí)，地表堆積的污染物不斷減少，當(dāng)再也沒有堆積物時(shí)沖刷也就停止了，此時(shí)沖刷量達(dá)到最大，不會(huì)隨降雨強(qiáng)度增加而增加。如表5所示，在重現(xiàn)期大于2a的降雨條件，入河污染物總量基本不在增加。

表5 研究區(qū)排口排放污染物總量

[污染物（kg）＼&0.25a＼&0.5a＼&1a＼&2a＼&5a＼&10a＼&20a＼&TSS＼&449.2＼&623＼&789.61＼&935.97＼&936.17＼&936.32＼&936.45＼&COD＼&396.67＼&559.2＼&712.35＼&853.23＼&857.11＼&860.4＼&861.32＼&TN＼&2.47＼&3.73＼&4.91＼&5.99＼&6.1＼&6.17＼&6.2＼&TP＼&1.05＼&1.61＼&2.12＼&2.58＼&2.64＼&2.7＼&2.71＼&]

3.2 產(chǎn)污過程分析 不同重現(xiàn)期降雨條件下，單位時(shí)間內(nèi)非點(diǎn)源污染物入河質(zhì)量過程線見圖8～11，不同降雨強(qiáng)度下單位時(shí)間污染物入河的過程趨勢是相同的。除了重現(xiàn)期為0.25a的降雨，其他重現(xiàn)期下的降雨單位時(shí)間入河污染物質(zhì)量在30～40min時(shí)段內(nèi)達(dá)到峰值，這主要是由于重現(xiàn)期為0.25a的降雨降雨量較小，達(dá)到峰值時(shí)間較晚；4種污染物中，TSS、COD的沖刷有強(qiáng)烈的初期效應(yīng)，25%的水量（體積分?jǐn)?shù)）沖刷的污染物占污染物總量的35%～50%，TN、TP的沖刷沒有表現(xiàn)出明顯的初期效應(yīng)，這可能與氮、磷的再次堆積有重要的關(guān)系。

圖8 不同重現(xiàn)期降雨條件下入河TSS質(zhì)量

圖9 不同重現(xiàn)期降雨條件下入河COD質(zhì)量

圖10 不同重現(xiàn)期降雨條件下入河TN質(zhì)量

圖11 不同重現(xiàn)期降雨條件下入河TP質(zhì)量

4 結(jié)論

本文根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)城市排水管網(wǎng)模擬系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合ArcGIS的數(shù)據(jù)處理功能和空間分析功能，采用SWMM建立了宿遷市馬陵河片區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了模擬，得到了如下結(jié)論：

（1）對(duì)SWMM模型的原理進(jìn)行了分析與研究，明確了SWMM對(duì)輸入?yún)?shù)的要求，結(jié)合ArcGIS的數(shù)據(jù)處理功能和空間分析功能，獲得部分模型所必需的參數(shù)。

（2）結(jié)合實(shí)測資料和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)最終完成模型構(gòu)建，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃裕Y(jié)果表明，徑流量的相對(duì)誤差為21.6%，4種污染物TSS、COD、TN、TP的相對(duì)誤差分別為21.4%、24.9%、29.1%、29.2%；根據(jù)由芝加哥降雨合成線設(shè)計(jì)的降雨，完成了當(dāng)?shù)嘏潘芫W(wǎng)系統(tǒng)水文、水力和水質(zhì)的模擬。

（3）分析了不同降雨強(qiáng)度下研究區(qū)域污染物的沖刷規(guī)律，入河非點(diǎn)源污染物總量隨降雨強(qiáng)度的增加而增加，污染物的排放在降雨開始后45～50min后達(dá)到峰值，入河TSS、COD體現(xiàn)了明顯的初期效應(yīng)，25%的水量（體積分?jǐn)?shù)）沖刷的污染物占污染物總量的35%～50%，而TN、TP沒有明顯的初期效應(yīng)，這與氮磷的再次堆積有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]林積泉，馬俊杰，王伯鐸，等.城市非點(diǎn)源污染及其防治研究[J].環(huán)境科學(xué)與研究，2004，15（27）：63-65.

[2]Corwin D L，Vaughan P J，Loague K.Modeling nonpoint source pollutants in the vadose zone with GIS[J]. Environmental science & technology，1997，31（8）：2157-2175.

[3]陳友媛，慧二清，金春姬，等.非點(diǎn)源污染負(fù)荷的水文估算方法[J].環(huán)境科學(xué)研究，2003，16（1）：10-13.

[4]Tsihrintzis，Hamid R.Runoff quality prediction from small urban catchments using SWMM[J].Hydrological Processes，1988，12（2）：311-329.

[5]Barco J，Wong K，Stenstorm M. Automatic calibration of the US.EPA SWMM model for a large urban catchment[J].Journal of Hydraulic Engineering，2008，134（4）：466-474.

[6]王志標(biāo).基于SWMM的棕櫚泉小區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[7]楊勇.設(shè)計(jì)暴雨條件下城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷分析[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[8]王俊松.3S技術(shù)支持下基于SWMM的城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷定量化研究[D].昆明：云南師范大學(xué)，2008.

[9]ASCE.Design & construction of urban stormwater management systems[R].New York，NY：Urban water Resource Research Council，1992.

[10]Jorge G，Larry A R，Jennifer D.Stormwater management model applications manual[R].USA：United States Environmental Projection Agency，2009. （責(zé)編：張宏民）