基于SWMM的低影響開發(fā)污染削減效果模擬研究

江 煒，樓宇鋒

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

近些年來(lái)，在極端氣候變化和城市快速發(fā)展的共同作用下，我國(guó)內(nèi)澇現(xiàn)象頻發(fā)，洪澇災(zāi)害給社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅了人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。2014年2月，習(xí)近平總書記在《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部城市建設(shè)司2014工作要點(diǎn)》中明確指出，要督促各地加快雨污水分流改造，提高城市排澇水平，大力推行低影響開發(fā)，加快建設(shè)海綿型城市建設(shè)的政策措施[2]?！昂＞d城市”建設(shè)是指在建設(shè)的過程中，優(yōu)先根據(jù)其原有的生態(tài)系統(tǒng)，建設(shè)生態(tài)排水設(shè)施，推廣采用低影響開發(fā)(LID)建設(shè)模式，從源頭上對(duì)雨水的吸納、滲和緩解作用，使得城市水溫特性和開發(fā)建設(shè)前相近，從而實(shí)現(xiàn)緩解城市內(nèi)澇、削減城市徑流總量和徑流污染、節(jié)約水資源、保護(hù)和改善城市生態(tài)環(huán)境的目的[3]。LID是海綿城市建設(shè)中的重要組成，LID能盡可能減少對(duì)自然系統(tǒng)的沖擊惡化破壞、從源頭上實(shí)現(xiàn)降雨徑流和污染控制，讓開發(fā)建設(shè)后盡量和開發(fā)建設(shè)前的水文狀態(tài)相近[4-5]。LID技術(shù)能去除雨水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、重金屬和病原體等物質(zhì)，滲入地下的雨水可以補(bǔ)給河湖，減少土地開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響，對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境起到了積極作用。

LID把雨水作為一種資源而不是“廢物”，不能由于項(xiàng)目的開發(fā)而隨意直接流失，要在源頭維持和保護(hù)原有的水文功能，緩解不透水面積所帶來(lái)的影響[6-7]。生物滯留池、雨水花園、綠色屋頂、植草溝、透水鋪裝、雨水桶和下凹式綠地被認(rèn)為是主要的LID措施，具有環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益3方面的作用[8]。不同的地方進(jìn)行LID控制的時(shí)候有多種選擇，LID尺寸、LID位置布局和LID組合等都是需要考慮的因素，其中LID布局在未來(lái)的研究中具有重要意義[9-10]。

SWMM是著名的動(dòng)態(tài)水文、水力和水質(zhì)模擬軟件，廣泛應(yīng)用于世界各地的合流、污水管道和其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)等，可以用于徑流水量和水質(zhì)單一事件或長(zhǎng)期模擬。目前的SWMM含有LID模塊，LID模擬過程是通過垂直層的組合表示的。SWMM復(fù)雜度適中，廣泛應(yīng)用于暴雨徑流規(guī)劃、研究和設(shè)計(jì)[11-12]。本研究擬采用SWMM模型，進(jìn)行LID布局模擬研究。

1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域的用地類型包括公共綠地、人行道、道路、公共建筑、廣場(chǎng)、建筑道路、建筑間水泥空地、建筑綠地、建筑用地、景觀水、居民建筑和開發(fā)地塊。根據(jù)地形地勢(shì)和用地類型，結(jié)合排水管網(wǎng)分布，將匯水區(qū)劃分為118個(gè)子匯水區(qū)，每個(gè)子匯水區(qū)就近排入相應(yīng)的排水節(jié)點(diǎn)。由于研究區(qū)域面積小于2 km2，假定在整個(gè)匯水區(qū)范圍內(nèi)降雨是均勻的。

子匯水區(qū)包括的參數(shù)有面積，坡度，不透水性，匯水區(qū)寬度等。通過ArcGIS計(jì)算子匯水區(qū)的折點(diǎn)坐標(biāo)，面積，坡度和不透水性，大大提高了SWMM模型的輸入精度和效率，避免了人為輸入帶來(lái)的可能性誤差。在進(jìn)行水量計(jì)算時(shí)，根據(jù)下墊面性質(zhì)，分為有洼蓄量的不透水面積，無(wú)洼蓄量的不透水面積和透水面積三種類型。在進(jìn)行水質(zhì)計(jì)算時(shí)，采用公共綠地、人行道、道路、公共建筑、廣場(chǎng)、建筑道路、建筑間水泥空地、建筑綠地、建筑用地、景觀水、居民建筑和開發(fā)地塊等11種用地類型進(jìn)行污染物累積和沖刷計(jì)算(模型見圖1)。

2 不同方案模型研究

通過建立的SWMM水文水質(zhì)模型，設(shè)計(jì)了不同的LID布局方案，計(jì)算不同LID布局方案的徑流削減量、內(nèi)澇削減量、溢流污染削減量和污染物徑流峰值削減量。未設(shè)置LID設(shè)施的情況為基礎(chǔ)情景，不同的LID布局方案為不同的情景，模擬不同情景下的徑流削減量、內(nèi)澇削減量、溢流污染削減量和污染物徑流峰值削減量等，主要的設(shè)計(jì)的情景為：

(1)基礎(chǔ)情景：研究區(qū)現(xiàn)狀情況，未設(shè)置LID設(shè)施。

(2)方案1：LID設(shè)施布置在流域的前端，只在前端子匯水區(qū)設(shè)置LID，模擬該情景下的節(jié)點(diǎn)冒溢量、節(jié)點(diǎn)TSS、COD、TP和氨氮溢流量和削減量。

(3)方案2：LID設(shè)施布置在流域的中段，只在中段子匯水區(qū)設(shè)置LID，模擬該情景下的節(jié)點(diǎn)冒溢量、節(jié)點(diǎn)TSS、COD、TP和氨氮溢流量和削減量。

(4)方案3：LID設(shè)施布置在流域的末端，只在后端子匯水區(qū)設(shè)置LID，模擬該情景下的節(jié)點(diǎn)冒溢量、節(jié)點(diǎn)TSS、COD、TP和氨氮溢流量和削減量。

2.1 基礎(chǔ)情景模擬

基礎(chǔ)情景指的是現(xiàn)有的排水管網(wǎng)和匯水區(qū)，沒有設(shè)置任何LID措施和管網(wǎng)改造的情景。通過2010年的降雨數(shù)據(jù)對(duì)全年的排水節(jié)點(diǎn)徑流和污染物冒溢量進(jìn)行模擬計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

通過模型計(jì)算，2010年節(jié)點(diǎn)冒溢量為351 682 m3，節(jié)點(diǎn)冒溢TSS為89 842.31 kg，節(jié)點(diǎn)冒溢COD為47 908.50 kg，節(jié)點(diǎn)冒溢TP為169.42 kg，節(jié)點(diǎn)冒溢TN為1 776.91 kg，節(jié)點(diǎn)冒溢氨氮為981.44 kg。

以芝加哥雨型為邊界條件輸入到模型中，計(jì)算降雨量為一年一遇，三年一遇，五年一遇時(shí)的排水節(jié)點(diǎn)徑流和污染物冒溢量，得到的結(jié)果如表2所示。

2.2 不同低影響開發(fā)布局設(shè)置情景

根據(jù)子匯水區(qū)流入排水管網(wǎng)的先后順序，將子匯水區(qū)分為前端子匯水區(qū)、中端子匯水區(qū)和末端子匯水區(qū)，通過在前端、中段和末端子匯水區(qū)設(shè)置不同的低影響開發(fā)措施，研究不同低影響開發(fā)措施對(duì)徑流削減量，節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇，節(jié)點(diǎn)溢流污染物量，污染物外排削減量的研究，子匯水區(qū)劃分如圖2所示。

(1)LID前端布置情景

LID前端布置情景是只在前端的子匯水區(qū)設(shè)置生物滯留池、雨水花園、透水鋪裝、植草溝等低影響開發(fā)措施，研究在前端的子匯水區(qū)設(shè)置了低影響開發(fā)措施后節(jié)點(diǎn)徑流和污染物冒溢量的削減情況，LID前端布置如圖3(a)所示。

(2)LID中段布置情景

在中段子匯水區(qū)設(shè)置125個(gè)面積為100 m2的生物滯留池，LID中段布置情景是只在中段的子匯水區(qū)設(shè)置生物滯留池、雨水花園、透水鋪裝、植草溝等低影響開發(fā)措施，研究在中段的子匯水區(qū)設(shè)置了低影響開發(fā)措施后節(jié)點(diǎn)徑流和污染物冒溢量的削減情況，LID中端布置如圖3(b)所示。

(3)LID末端布置情景

在末端子匯水區(qū)設(shè)置125個(gè)面積為100 m2的生物滯留池，LID末端布置情景是只在中端的子匯水區(qū)設(shè)置生物滯留池、雨水花園、透水鋪裝、植草溝等低影響開發(fā)措施，研究在末端的子匯水區(qū)設(shè)置了低影響開發(fā)措施后節(jié)點(diǎn)徑流和污染物冒溢量的削減情況，LID末端布置如圖3(c)所示。

3 不同LID布局措施削減效果比較

3.1 生物滯留池不同布局比較

通過模型計(jì)算結(jié)果，匯總了生物滯留池在不同年重現(xiàn)期降雨情況下，分別設(shè)置在前端、中段和末端情況下的排水節(jié)點(diǎn)COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量。對(duì)于節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇削減量，從圖中可以看出，在一年一遇降雨量情況下，生物滯留池前端布置削減量和中段布局相近，高于末端布置；在三年和五年一遇降雨量情況下，生物滯留池中端布置削減量略高于前端布置，高于末端布置。對(duì)于TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量，從下圖可以看出，生物滯留池前端布置略高于中段布置，高于末端布置。生物滯留池在不同年重現(xiàn)期降雨情況下，分別設(shè)置在前端、中段和末端情況下的排水節(jié)點(diǎn)COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減百分比和削減量具有一致的規(guī)律，如圖4所示。

3.2 透水鋪裝不同布局比較

通過模型計(jì)算結(jié)果，匯總了透水鋪裝在不同年重現(xiàn)期降雨情況下，分別設(shè)置在前端、中段和末端情況下的排水節(jié)點(diǎn)COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于內(nèi)澇削減量、COD、TP和氨氮溢流量削減量，透水鋪裝中端設(shè)置高于前端設(shè)置，高于末端設(shè)置；對(duì)于TSS，五年一遇的降雨情況下，透水鋪裝前端設(shè)置削減量略高于中段布局，高于末端設(shè)置，一年和三年一遇降雨的情況下和透水鋪裝TSS削減規(guī)律其他污染物一致。除了透水鋪裝在不同年重現(xiàn)期降雨情況下，設(shè)置在前端、中段或末端情況下的排水節(jié)點(diǎn)COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減百分比和削減量規(guī)律相似，削減百分比：中段設(shè)置>前端設(shè)置>末端設(shè)置，如圖5所示。

3.3 植草溝不同布局比較

通過模型計(jì)算結(jié)果，匯總了植草溝在不同年重現(xiàn)期降雨情況下，分別設(shè)置在前端、中端和末端情況下的排水節(jié)點(diǎn)COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于內(nèi)澇削減量、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減量，植草溝中段設(shè)置高于前端設(shè)置，高于末端設(shè)置。植草溝在不同年重現(xiàn)期降雨情況下，設(shè)置在前端、中段或末端情況下的排水節(jié)點(diǎn)COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削減百分比和削減量規(guī)律相似，削減百分比：中段設(shè)置>前端設(shè)置>末端設(shè)置，如圖6所示。

4 結(jié)論與建議

本文通過借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的雨水管理理念，根據(jù)本地區(qū)的排水管網(wǎng)和用地類型等數(shù)據(jù)，建立了水文水力模型，通過模型模擬了不同低影響開發(fā)措施在不同布局情況下的節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇和節(jié)點(diǎn)污染物溢流量的情況，研究結(jié)果表明低影響開發(fā)布局對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇和節(jié)點(diǎn)污染物溢流削減量具有重要影響，主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)于生物滯留池，研究結(jié)果表明，生物滯留池年節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇和節(jié)點(diǎn)污染物溢流削減效果：前端布局>中段布局>末端布局；

(2)對(duì)于透水鋪裝，研究結(jié)果表明，透水鋪裝年節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇削減效果：前端布局>中段布局>末端布局；透水鋪裝年節(jié)點(diǎn)TSS和COD溢流削減效果：前端布局>中段布局>末端布局；透水鋪裝年節(jié)點(diǎn)TN、TP和氨氮溢流削減效果：前端布局>中段布局>末端布局；

(3)對(duì)于植草溝，研究結(jié)果表明，植草溝年節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇和節(jié)點(diǎn)污染物溢流削減效果：中段布局>前端布局>末端布局。

本文研究表明不同布局LID布局對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇和節(jié)點(diǎn)污染物溢流削減具有重要影響。因此有必要深入研究不同區(qū)域不同LID布局對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇和節(jié)點(diǎn)污染物溢流削減規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理，為低影響開發(fā)建設(shè)LID布局提供更為詳細(xì)的指導(dǎo)。另外，本文僅對(duì)前端布局、中段布局、末端布局和均勻布局進(jìn)行了相關(guān)研究，后面可以與人工智能、三維可視化等理論技術(shù)結(jié)合，建立全套的LID優(yōu)化布局集成系統(tǒng)，指導(dǎo)我國(guó)海綿城市低影響開發(fā)建設(shè)研究。