基于不同土地利用類型下的初期雨水徑流污染特征分析與LID措施研究

朱甜甜，于增知，于 晗，于宏兵，遲澤旭，劉曉珍，張楊帆，董斌斌

(南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350)

1 研究背景

近年來，我國的城市化發(fā)展速度明顯加快，1978-2016年全國城鎮(zhèn)化率由17.92%增長到57.35%，但城市在快速發(fā)展過程中也帶來了許多負面影響。城市建設(shè)活動改變了原有的地形、地質(zhì)、水系、氣候、植被和水文等自然屬性，導(dǎo)致不透水面增加。這使得自然水循環(huán)過程受阻，暴雨產(chǎn)匯流量增多，從而引發(fā)水質(zhì)污染、水生態(tài)惡化等一系列環(huán)境問題[1-3]。地表徑流尤其是初期雨水徑流中含有多種有機和無機污染物，常見的污染物主要包括懸浮固體(SS)、營養(yǎng)物質(zhì)(N和P)、耗氧物質(zhì)(COD)、重金屬(Pb、Cu等)以及有機污染物(多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴等)[4-5]。徑流污染物的主要污染來源有居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、城市道路區(qū)以及人類建設(shè)活動和大氣沉降等。初期雨水徑流污染屬于面源污染，具有污染物成分復(fù)雜多樣、污染源空間分布廣泛等特點，給其治理帶來巨大挑戰(zhàn)[6]。因此需要對我國的雨水徑流污染特征進行研究并提出有效的解決辦法，以減少其對城市水環(huán)境造成的污染。

國內(nèi)學(xué)者對初期雨水徑流污染的研究主要集中在特定區(qū)域或者混合土地利用類型下的污染物類型、含量、變化特征以及控制措施等。劉守城等[7]分析了南京市區(qū)3種類型的建筑屋面徑流污染特性，其結(jié)果表明初期徑流污染濃度隨降雨歷時的延長呈前高后低的變化趨勢且受降雨強度影響較大。杜玉來[8]以合肥市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)為研究區(qū)域，發(fā)現(xiàn)初期雨水污染特性除了與降雨強度有關(guān)外還與雨前干燥天數(shù)有關(guān)。柳健[9]對6類道路雨水徑流污染物含量的監(jiān)測結(jié)果顯示，各監(jiān)測點徑流中含有的部分污染物含量遠超地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。孫志康等[10]用SWMM(storm water management model)對LID(low impact development)控制下徑流水文水質(zhì)進行模擬，得出LID組合措施對SS、COD、TN的控制效果。但運用SWMM模型從定量角度分析不同土地利用類型下的初期雨水徑流污染含量的研究相對較少，從而不能定量分析徑流污染物含量變化與用地類型之間的關(guān)系。

鑒于此，本文以天津市河西區(qū)解放南路試點區(qū)域中的郁江道分區(qū)為例，首先對研究區(qū)的landsat 8衛(wèi)星影像進行圖像預(yù)處理，再用ArcGIS軟件對處理后的影像進行目視解譯劃分土地利用類型。在土地利用類型劃分的基礎(chǔ)上建立SWMM水質(zhì)模型，對SS徑流污染特征進行研究并評價低影響開發(fā)設(shè)施(LID)對其的削減效果，以期為我國不同土地利用類型下的初期雨水徑流污染特征研究及控制提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)簡介

天津市地處華北平原東北部，海河流域下游，東臨渤海，屬于暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)性氣候，多為地勢平坦的平原。郁江道研究區(qū)位于天津市河西區(qū)解放南路試點區(qū)之內(nèi)，其中心經(jīng)度約117°14′30″，緯度約39°4′，面積約為210.4 hm2。復(fù)興河和長泰河分別位于研究區(qū)的北部和東部，其主要功能是承擔(dān)包括研究區(qū)在內(nèi)的周邊區(qū)域的雨水排泄，同時兼具觀賞和調(diào)節(jié)氣候的作用，研究區(qū)的地理位置及水系分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置及水系分布圖

2.2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀

開展研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀分析，需要獲取該地區(qū)的影像資料。從地理空間數(shù)據(jù)云獲取天津地區(qū)的landsat 8衛(wèi)星遙感影像，其所在影像的條帶號為122，行編號為33，多光譜波段的空間分辨率為30 m×30 m，圖像的獲取時間為2018年5月份，平均云量為0.46%，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

在目視解譯前需要用ERDAS圖像處理軟件對衛(wèi)星影像進行幾何校正、圖像裁剪、圖像融合等操作，使影像包含的地物信息更易辨別，目標(biāo)區(qū)域更加突出，以增強解譯性。以《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T 21010-2017)》作為分類標(biāo)準(zhǔn)，用ArcGIS軟件對研究區(qū)衛(wèi)星影像進行目視解譯劃分土地利用類型，劃分結(jié)果如圖2所示。圖2中劃分出道路、水系、空閑地、工業(yè)用地、公園與綠地、零售商業(yè)用地、機關(guān)團體用地、商務(wù)金融用地、城鎮(zhèn)住宅用地9類二級用地類型，表1為各類土地利用類型的面積和比例。

表1 研究區(qū)各土地利用類型的面積和比例

圖2 研究區(qū)土地利用類型劃分結(jié)果

3 SWMM模型建立

3.1 SWMM概述

雨水管理模型(storm water management model)簡稱SWMM 模型，于1971年被開發(fā)推廣[11]并不斷更新升級，作為降雨-徑流動態(tài)模擬模型，其可以對城市區(qū)域單一或長期降雨條件下的水質(zhì)水量變化過程進行數(shù)值模擬。

3.2 研究區(qū)概化

對研究區(qū)進行子匯水區(qū)的合理劃分是SWMM模型建模的關(guān)鍵步驟之一，當(dāng)前主要有3種類型的劃分方法：(1)根據(jù)市政管網(wǎng)走向、建筑物和街道的規(guī)劃布局，直接人為劃分子匯水區(qū)；(2)對研究區(qū)創(chuàng)建泰森多邊形然后根據(jù)實際情況作局部調(diào)整；(3)在人工劃分大的匯水區(qū)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建泰森多邊形對其進行細分，之后人工作局部調(diào)整。因所選區(qū)域范圍不大，選用第1種方法直接人工劃分子匯水區(qū)。根據(jù)已有的土地利用類型和雨水管網(wǎng)資料等將研究區(qū)分為16個面積不等的子匯水區(qū)，概化結(jié)果如圖3所示。

圖3 研究區(qū)匯水區(qū)概化圖

3.3 SWMM基本參數(shù)選取

SWMM模型中包含水文模塊、水力模塊和水質(zhì)模塊。水文模塊模擬降雨后地表的產(chǎn)流匯流過程；水力模塊主要模擬進入城市排水管網(wǎng)的降雨在管網(wǎng)中的輸送過程；水質(zhì)模塊模擬不同土地利用類型上污染物的積累沖刷過程。在建模過程中根據(jù)研究目的選用不同的模塊組合以達到不同的模擬目的。

3.3.1 水文參數(shù) SWMM中Horton模型應(yīng)用最為廣泛，Modified Horton模型在其基礎(chǔ)上有所改進，模擬結(jié)果有所提高，故本研究采用Modified Horton下滲模型。對研究區(qū)的土壤經(jīng)勘查取土、土層分析確定其土壤類型主要為粉質(zhì)黏土，其特征是具有高徑流潛力，水在土壤中運動阻力較大，土層下滲能力較弱容易形成徑流。根據(jù)研究區(qū)土壤特性和模型手冊，Modified Horton模型中的最大入滲率、最小入滲率、衰減常數(shù)、排干時間分別設(shè)為35.1mm/h、0.508 mm/h、5 h-1和7 d，其他主要參數(shù)取值及獲取方法如表2所示。

表2 研究區(qū)部分水文參數(shù)取值及獲取方法

3.3.2 水力參數(shù) 研究區(qū)排水管網(wǎng)概化為雨水節(jié)點21個,埋深在1～2 m，雨水管段21個,管徑500～2 000 mm，管段材質(zhì)主要為塑料管和圓形水泥管，排放口1個。在本模擬中選用動態(tài)波演算模型，該演算方法能夠模擬水流在管段中的復(fù)雜運動，模擬的時間步長為30 s。

3.4 雨型設(shè)計

為了使模型模擬結(jié)果符合當(dāng)?shù)貙嶋H，需要模擬當(dāng)?shù)氐慕涤炅亢徒涤赀^程即雨型設(shè)計。在缺乏實際數(shù)據(jù)時降雨量可根據(jù)研究區(qū)暴雨強度公式計算，暴雨過程采用芝加哥降雨模型。按照天津市暴雨分區(qū)[12]，研究區(qū)所在的河西區(qū)屬于第一分區(qū)，其暴雨強度計算公式為：

(1)

式中：q為設(shè)計暴雨強度，L/(s·hm2)；P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

采用目前廣泛應(yīng)用的芝加哥降雨模型，設(shè)計重現(xiàn)期分別為1、3、5、10 a，雨峰系數(shù)r=0.4，降雨歷時為2 h，降雨量分別為54.037，73.534，82.599，94.900 mm，圖4所示為不同重現(xiàn)期下的降雨過程線。

圖4 不同重現(xiàn)期降雨過程線 圖5 不同土地利用類型上的徑流量隨時間變化曲線

4 SWMM水質(zhì)過程建模

不同土地利用類型上沉積的各種有機和無機污染物在降雨過程中被降雨不斷淋洗、沖刷進入受納水體，會對水環(huán)境造成不同程度的污染。本研究選用地表徑流中的典型污染物懸浮固體(SS)作為研究對象，模擬其降雨前在地表的累積過程和降雨中的沖刷過程。

4.1 累積過程模擬

污染物在地表的積累是一個復(fù)雜過程。SWMM模型中針對累積過程有3種方法：冪函數(shù)(power function)、指數(shù)函數(shù)(exponential function)和飽和函數(shù)(the saturation function)。本研究采用指數(shù)函數(shù)來模擬污染物的累積過程，其表達式如下：

b=Bmax(1-e-KBt)

(2)

式中：b為單位面積上的累積量，kg/hm2；Bmax為最大累積量，kg/hm2；KB為衰減常數(shù)，d-1;t為衰減時間，d。

當(dāng)單位面積上的累積量為最大累積量的99%時，即b=0.99×Bmax時，等式(2)變形為等式(3)：

(3)

4.2 沖刷過程模擬

沖刷是指在降雨中子匯水區(qū)上形成的地表徑流對下墊面淋洗或侵蝕的過程。SWMM提供3種經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠砟M地表污染物的沖刷過程：指數(shù)沖刷函數(shù)(exponential washoff),流量曲線沖刷函數(shù)(rating curve washoff),平均濃度沖刷函數(shù)(event mean concentration washoff)。因指數(shù)沖刷函數(shù)既與徑流量相關(guān)又與污染累積量相關(guān)[13]，故本研究采用該函數(shù)來表示污染物的沖刷過程，其函數(shù)表達式如下：

W=C1·qC2·B

(4)

式中：W為沖刷負荷，kg/h；C1為沖刷系數(shù)，(mm·h-1)-C2/h；q為徑流速率，mm/h；C2為沖刷指數(shù)，為某一常數(shù)；B為地表污染累積量，kg。

4.3 水質(zhì)參數(shù)設(shè)置

SWMM是以研究區(qū)內(nèi)不同的土地利用類型為基礎(chǔ)來對水質(zhì)進行模擬的。本研究在土地利用類型劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)天津市2009年6、7月份的降雨徑流資料[14]和手冊[15-17]中關(guān)于不同土地利用類型上SS產(chǎn)生量對模型水質(zhì)參數(shù)進行率定。SS累積規(guī)律參考張靜等[18]的研究結(jié)果即SS累積量基本穩(wěn)定約需要30 d，在建立模型時設(shè)定其達到最大累積量的99%所需時間在30～60 d,根據(jù)公式(3)對衰減常數(shù)進行確定。道路、工業(yè)用地、公園與綠地、零售商業(yè)用地、機關(guān)團體用地、商務(wù)金融用地、城鎮(zhèn)住宅用地的清掃模式設(shè)置為1次/d，空閑地沒有進行規(guī)劃建設(shè)所以不設(shè)置清掃模式，清掃效率為0.3～0.5。天津市全年降雨量分配不均，降雨時間一般主要集中在每年的6-9月，故前期干旱天數(shù)設(shè)置為40 d，沖刷函數(shù)和累積函數(shù)的參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 不同土地利用類型下的累積函數(shù)和沖刷函數(shù)的參數(shù)取值

4.4 低影響開發(fā)設(shè)施

低影響開發(fā)設(shè)施(LID)在降雨時發(fā)揮的主要功能有滲透、儲存、調(diào)節(jié)、攔截凈化等，其既能減少末端雨水處理成本，又能減輕對受納水環(huán)境的污染[19]。在海綿城市建設(shè)過程中要適當(dāng)選用低影響開發(fā)單項或者組合設(shè)施，增加雨水下滲及其對徑流污染的攔截、吸收、降解作用，考慮到在郁江道研究區(qū)大部分為已經(jīng)建成的區(qū)域，宜選用經(jīng)濟成本低、施工或改建方便又能增加雨水下滲、降低徑流污染物的設(shè)施。所以在研究區(qū)采用透水鋪裝和生物滯留池，基于不同用地類型上的不透水面積占比，設(shè)置子匯水區(qū)的透水鋪裝面積為9%～20%，生物滯留池面積為2%-23%，利用兩者的下滲作用和截污作用，降低徑流污染物含量。

5 結(jié)果與分析

5.1 徑流水質(zhì)分析

通過對模型相關(guān)參數(shù)的賦值和率定，對研究區(qū)不同土地利用下的徑流水質(zhì)進行模擬分析，得出徑流污染物SS的變化規(guī)律。天津城市化程度較高，不透水面積占比較大，降雨時較易在地表形成徑流，且不透水面占比越大，越容易形成徑流。不同土地利用類型上的徑流量隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可看出，降雨后很快在地表形成徑流，不同用地類型下徑流量峰值差異較大，依次分別為空閑地<城鎮(zhèn)住宅用地<商務(wù)金融用地<工業(yè)用地<零售商業(yè)用地。

不同用地類型上SS濃度變化趨勢如圖6所示，由圖6可看出，SS濃度范圍變化較大，峰值濃度依次為空閑地<商務(wù)金融用地<零售商業(yè)用地<城鎮(zhèn)住宅用地<工業(yè)用地。這主要與不同用地類型有關(guān)，工業(yè)用地不透水面積較大且工業(yè)活動產(chǎn)生的污染物比較多，導(dǎo)致初期徑流污染中SS含量濃度較大；住宅用地則是因為人類居住活動導(dǎo)致產(chǎn)生的污染物含量較多；零售商業(yè)用地和商務(wù)金融用地SS污染物除了與下墊面硬化程度較高、污染物容易積聚有關(guān)，還與各種商業(yè)活動帶來的污染有關(guān)；空閑地上的初期徑流SS含量則主要與土壤特性有關(guān)，粉質(zhì)黏土滲透性較差，很容易形成地表徑流。從圖6也可以看出，地表徑流污染物濃度均在30～60 min達到最大值，之后呈現(xiàn)下降趨勢，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值，這除了與雨峰系數(shù)[20]有關(guān)，也證實了地表徑流污染主要集中在初期雨水徑流帶來的污染上。這是因為研究區(qū)域不透水面積占比較大，在特定的干旱天數(shù)下，污染物累積到一定的數(shù)量，降雨時地表形成徑流對前期累積的污染物沖刷，降雨強度越大沖刷作用越大，徑流SS濃度越大。隨著降雨歷時的延長，地表徑流攜帶的SS不斷匯集到雨水井導(dǎo)致地表污染物總量不斷下降，所以徑流SS濃度達到某一峰值后開始呈下降趨勢，隨著降雨強度減小，SS最終穩(wěn)定在某一數(shù)值。

圖6 不同重現(xiàn)期和不同土地利用類型上的SS濃度變化趨勢

對不同重現(xiàn)期下的徑流SS濃度變化趨勢圖進行比較發(fā)現(xiàn)：隨著重現(xiàn)期的增加，子匯水面上不同用地類型的峰值SS濃度均呈現(xiàn)增大趨勢且趨勢逐漸變尖銳和陡峭，但隨著重現(xiàn)期的增加，峰值濃度增加量越來越小。這是因為隨著重現(xiàn)期增加，降雨總量增多，沖刷作用增大，污染物總量增多，且污染物總量增大作用占主導(dǎo)，使得徑流SS濃度逐漸增大，但隨著重現(xiàn)期越來越大，雖然降雨總量和污染物總量均增大，但污染物總量增大的主導(dǎo)作用減弱，降雨增多的主導(dǎo)作用增強，降雨稀釋作用增強，導(dǎo)致隨著重現(xiàn)期增加峰值濃度增加量逐漸減少。

通過對初期雨水徑流污染特征的分析，得出影響徑流污染物濃度的因素主要有以下4類：一是前期干旱天數(shù)，干旱時長越長，污染物在地表的積累量越多，降雨時淋洗沖刷下來的污染物增多，導(dǎo)致地表徑流污染物濃度增高；二是降雨，降雨本身含有的SS會對徑流水質(zhì)產(chǎn)生影響，降雨強度和降雨時長對地表污染物的影響主要體現(xiàn)在淋洗強度上，因此也會影響地表污染物的沖刷；三是下墊面的土地利用類型，其會影響不透水面積占比，而不透水面又會對污染物的累積和沖刷產(chǎn)生影響；四是人類活動，人類活動如工業(yè)活動會導(dǎo)致污染物含量增多，而街道清掃等污染物收集活動又會降低污染物含量。

5.2 LID削減效果分析

在研究區(qū)不同子匯水面上各布設(shè)一定比例的透水鋪裝和生物滯留池，其主要作用是增加雨水下滲和對初期雨水徑流污染物的截留，不同重現(xiàn)期下排放口SS濃度在有、無LID設(shè)施時的變化趨勢如圖7所示。由圖7可以看出，在布設(shè)低影響開發(fā)設(shè)施(LID)之前，排放口處的SS在不同重現(xiàn)期下的濃度變化趨勢為：隨著降雨時間延長，排放口污染物濃度逐漸增加達到最大值后又逐漸下降，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值，其峰值在80 ～100 mg/L之間變化，且變化趨勢與子匯水面上的徑流污染物濃度變化趨勢基本一致，說明排放口處SS也具有初期雨水徑流污染特征。在布設(shè)LID設(shè)施后，排放口SS濃度和未布設(shè)LID之前的變化趨勢類似，峰值濃度在50 ～65 mg/L之間變化，出口處SS濃度下降明顯，消減效率為35%～38%。這是因為LID設(shè)施發(fā)揮源頭凈化作用，使得雨水在進入管網(wǎng)系統(tǒng)前已經(jīng)得到凈化處理，所以出口處的SS濃度變化趨勢也具有和子匯水面類似的初期雨水徑流污染特征，只是濃度水平相比未布設(shè)LID設(shè)施之前有下降。

圖7 不同重現(xiàn)期下排放口SS濃度在有、無LID設(shè)施時的變化趨勢

表4為布設(shè)兩種LID后不同重現(xiàn)期下的SS產(chǎn)生總量和去除率。由表4可以看出，在滲透鋪裝和生物滯留池布設(shè)比例一定的情況下，隨著重現(xiàn)期增加，LID設(shè)施對徑流SS消減量增加，去除效率也隨之增加，由20.4%增加到27.9%。這是因為一方面生物滯留池能對雨水徑流進行預(yù)處理，增加雨水下滲并能去除部分大顆粒污染物；另一方面滲透鋪裝之間有縫隙且下層為吸水性底料，攜帶污染物的地表徑流經(jīng)滲透鋪裝時，會通過透水鋪裝間的縫隙向下層入滲，同時吸水性底料也能在雨水下滲的過程中攔截部分污染物。

表4 布設(shè)兩種LID后不同重現(xiàn)期下的SS產(chǎn)生總量和去除率

但隨著重現(xiàn)期增大，去除率增速變緩，這是因為降雨強度變大，沖刷作用增強，徑流中攜帶的SS含量增多，而LID對SS有一定的去除能力，達到其去除上限后對SS的去除效果就會不明顯。因此LID控制措施對初期雨水徑流SS尤其是對小重現(xiàn)期下的徑流SS污染控制消減效果明顯，能在一定程度上減少其對受納水體的污染，保護水體生態(tài)環(huán)境。

6 結(jié) 論

(1)在對landsat 8衛(wèi)星影像處理的基礎(chǔ)上對郁江道研究區(qū)進行土地利用類型劃分，分為道路、水系、空閑地、工業(yè)用地、公園與綠地、零售商業(yè)用地、機關(guān)團體用地、商務(wù)金融用地、城鎮(zhèn)住宅用地9類二級用地類型。

(2)基于相關(guān)文獻和SWMM模型手冊中水質(zhì)模擬的參考資料，建立研究區(qū)的SWMM模型并對水文、水力和水質(zhì)模塊進行參數(shù)設(shè)置和率定。其中子匯水區(qū)的劃分主要基于土地利用類型和搜集到的雨水管網(wǎng)資料；水質(zhì)模塊中污染物累積方式選用指數(shù)累積函數(shù)，衰減常數(shù)以達到最大累積量的99%所需要天數(shù)來確定；沖刷方式選用能反映污染物濃度變化過程的指數(shù)沖刷函數(shù)。

(3)通過模擬不同匯水區(qū)上的徑流污染物SS濃度變化趨勢，發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型下的徑流SS峰值濃度差異較大，且模擬結(jié)果符合已有的初期雨水徑流污染理論，并對造成徑流污染特征的原因進行分析。

(4)針對初期雨水徑流的污染特征，采用滲透鋪裝和生物滯留池兩種LID措施，LID設(shè)施能夠在小重現(xiàn)期下增加雨水下滲并攔截一定量的SS污染物，但隨著重現(xiàn)期增加，其處理能力達到上限后則效果不明顯。

(5)徑流水質(zhì)模擬本身具有一定程度的不準(zhǔn)確性，而導(dǎo)致這種不確定性的因素有物理、化學(xué)、生物以及數(shù)據(jù)獲取和模型參數(shù)的選取等。本研究中由于缺乏不同土地利用類型上徑流污染物的實測數(shù)據(jù)，導(dǎo)致模型準(zhǔn)確性降低，這將是下一階段SWMM模型模擬水質(zhì)過程的研究重點。