基于暴雨洪水管理模型的雨水工程環(huán)境效益評(píng)估方法研究*

凌文翠 范玉梅 孫長(zhǎng)虹 劉桂中

(北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100037)

近年來，隨著海綿城市建設(shè)的推進(jìn)，全國(guó)各地建設(shè)了大量的雨水工程。以北京市為例，多年北京市水務(wù)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，2011—2018年，全市雨水工程從1 706處增至2 683處，增幅達(dá)57.3%。如此大量的雨水工程建設(shè)，其雨洪控制效果和對(duì)地表水環(huán)境改善的貢獻(xiàn)受到各方關(guān)注。與此同時(shí)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)的飛速發(fā)展，不透水下墊面比例日益加大，非點(diǎn)源污染給水環(huán)境治理帶來了巨大的壓力[1-3]。當(dāng)前迫切需要對(duì)大量的雨水工程進(jìn)行環(huán)境效益評(píng)估，即評(píng)價(jià)雨水工程對(duì)所在流域非點(diǎn)源污染物的削減能力，為流域管理和目標(biāo)水體達(dá)標(biāo)規(guī)劃提供科學(xué)支撐。

當(dāng)前，已有很多學(xué)者對(duì)雨水工程進(jìn)行了徑流量模擬和雨洪控制效果評(píng)價(jià)[4]628-634,[5-8]。另外也有學(xué)者對(duì)雨水工程的污染物削減效率進(jìn)行了研究[9-13]，但是大多數(shù)研究?jī)H是從雨水工程進(jìn)水、出水的角度評(píng)價(jià)了工程的污染物削減比例，不足以對(duì)流域整體管理和規(guī)劃提供支撐。國(guó)外非點(diǎn)源污染研究起步較早，先后開發(fā)了一系列模型用于計(jì)算雨水徑流污染負(fù)荷[14-15]，其中暴雨洪水管理模型(SWMM)被廣泛用于模擬城市地表徑流污染的產(chǎn)生過程，以及排水管網(wǎng)和自然排放系統(tǒng)的水質(zhì)[16],[17]12-14,[18-19]。人工濕地在北京市農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用廣泛，因此本研究以人工濕地為代表，研究雨水工程的環(huán)境效益評(píng)估方法。利用SWMM對(duì)人工濕地匯水范圍的非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立雨污合流制下的人工濕地環(huán)境效益評(píng)估方法，并對(duì)人工濕地進(jìn)行環(huán)境效益評(píng)估，即考察人工濕地對(duì)雨水污染物的削減量，為流域環(huán)境管理和規(guī)劃提供技術(shù)支撐，同時(shí)為其他雨水工程的環(huán)境效益評(píng)估提供參考。

1 模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)楸本┦袞|北部某村莊，該村共有居民156戶，438人，居民區(qū)面積約為8.3 hm2。村內(nèi)已建成雨污合流制管網(wǎng)對(duì)村莊生活污水、雨水進(jìn)行收集。該村居民區(qū)排水管網(wǎng)共設(shè)7個(gè)排放口，其中1個(gè)排放口的雨污水進(jìn)入人工濕地處理后排放，人工濕地的匯水面積約為3.1 hm2，占全村居住面積的37.3%。匯水區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平緩，平均坡度為1.1%。區(qū)域內(nèi)土地利用類型主要為交通道路和屋面。人工濕地設(shè)計(jì)面積為400 m2，設(shè)計(jì)處理能力為46 m3/d，水力停留時(shí)間為2～4 d。人工濕地附近有天然坑塘作為其調(diào)蓄池，容積約為3 800 m3。

1.2 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

降雨數(shù)據(jù)是SWMM的主要輸入變量，本研究中采用北京市暴雨強(qiáng)度公式和暴雨雨型合成的降雨過程線來分析獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。北京市分為2個(gè)暴雨分區(qū)，研究區(qū)域所在地為Ⅱ區(qū)范圍，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度根據(jù)降雨歷時(shí)和重現(xiàn)期的不同按式(1)計(jì)算[20]。

(1)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

模型所需的水力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來自管網(wǎng)施工CAD圖、衛(wèi)星影像圖和高程數(shù)據(jù)。利用ArcGIS處理示范區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，獲得每個(gè)匯水子區(qū)域的平均坡度。

根據(jù)基礎(chǔ)資料，遵循概化原則，將該村居民點(diǎn)劃分為40個(gè)匯水子區(qū)域，其中包括管道61段，節(jié)點(diǎn)61個(gè)，排放口7個(gè)，概化圖見圖1。

圖1 研究區(qū)域管道概化圖Fig.1 The simplified graph of pipeline in the study area

研究區(qū)域內(nèi)土地利用類型分為交通道路和屋面，產(chǎn)流模型選用Horton入滲模型。本研究區(qū)域缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)匯水區(qū)域綜合徑流系數(shù)以及徑流系數(shù)模型模擬值的對(duì)比來率定水文參數(shù)[21-22]。匯水區(qū)域幾乎全部為不透水下墊面，因此選用建筑稠密中心區(qū)的綜合徑流系數(shù)0.6～0.8[23]。最大、最小入滲速率分別選用75.00、3.18 mm/h，衰減常數(shù)為4.5 h-1，匯水區(qū)域不透水區(qū)和透水區(qū)的曼寧粗糙率分別為0.014、0.030，管道曼寧粗糙率選用0.013[17]95。通過模型計(jì)算得到匯水區(qū)域內(nèi)綜合徑流系數(shù)為0.72，在0.6～0.8范圍內(nèi)，說明上述采用的參數(shù)集是合理的，可以用于研究區(qū)域的雨水污染負(fù)荷預(yù)測(cè)分析。

水質(zhì)模型參數(shù)根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)和參考文獻(xiàn)進(jìn)行選取，分別選用飽和增長(zhǎng)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)模型模擬COD的累積和沖刷過程，半飽和常數(shù)取20 d，交通道路的清掃去除率取70%。COD在交通道路、屋面的最大累積量分別為60、30 kg/hm2，交通道路、屋面的沖刷系數(shù)分別為0.006、0.007 mm-1，沖刷指數(shù)分別為1.8、1.7[24-25]。采用模型效率系數(shù)(也稱為納什效率系數(shù)(Ns)，計(jì)算方法見式(2))評(píng)價(jià)模型模擬的精度，一般認(rèn)為Ns大于0.5表示模型擬合精度比較理想[26]。本研究選取2018年9月28日11:00—13:00的降雨進(jìn)行水質(zhì)模型驗(yàn)證，計(jì)算得到模型的Ns為0.94。進(jìn)一步采用相對(duì)誤差(Re，%)來驗(yàn)證模型的合理性，計(jì)算得到Re為15%，由此可見本研究建立的水質(zhì)模型較為可靠[4]630。

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 人工濕地匯水區(qū)內(nèi)雨水污染物負(fù)荷預(yù)測(cè)

2.1.1 降雨強(qiáng)度對(duì)雨水污染物排放的影響

選擇一系列降雨重現(xiàn)期進(jìn)行徑流量和污染物濃度的變化趨勢(shì)研究，以此反映降雨強(qiáng)度對(duì)雨水污染物的影響。從模型預(yù)測(cè)結(jié)果來看，隨著重現(xiàn)期的增加，徑流量峰值越來越大，但是不同重現(xiàn)期的徑流量峰值均出現(xiàn)在50 min左右。

為了對(duì)比降雨強(qiáng)度對(duì)雨水污染物排放的影響，模擬了前期干旱日為30 d時(shí)，不同重現(xiàn)期降雨的COD濃度，并進(jìn)行了排放負(fù)荷預(yù)測(cè)。COD排放負(fù)荷指一場(chǎng)降雨從發(fā)生起開始累積排放的COD總量，即COD濃度隨降雨歷時(shí)變化的積分值。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示(見圖2)，降雨強(qiáng)度對(duì)污染物峰值的出現(xiàn)時(shí)間有影響，降雨強(qiáng)度越大，污染物峰值出現(xiàn)的時(shí)間越早。P=0.5 a時(shí)，COD質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在55 min；P=5.0 a時(shí)，則提前至45 min。這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度越大，對(duì)地面污染物沖刷強(qiáng)度越大，污染物進(jìn)入徑流所需時(shí)間越短。另外，隨著降雨強(qiáng)度的增大，污染物的峰值濃度有變小趨勢(shì)，但并不明顯。

圖2 降雨強(qiáng)度對(duì)COD質(zhì)量濃度的影響Fig.2 Influence of rainfall intensity on COD concentration

徑流污染物排放總量對(duì)流域水環(huán)境管理有重要意義，因此利用模型對(duì)降雨中的COD排放負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果見圖3。整體上，隨著降雨歷時(shí)的增加，COD排放負(fù)荷逐漸增加，30～60 min時(shí)增加速度較快，此時(shí)段正是徑流量迅速上升的階段；而在降雨后期(60～90 min)，徑流量保持在較高水平，但是COD排放負(fù)荷增加明顯變緩。對(duì)不同重現(xiàn)期的降雨進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著重現(xiàn)期的增大，COD排放負(fù)荷逐漸增加，降雨歷時(shí)為120 min，重現(xiàn)期由0.5 a增加至5.0 a時(shí)，COD排放負(fù)荷由42.7 kg增加至55.3 kg，增加了29.5%，這是降雨強(qiáng)度增大對(duì)污染物的沖刷強(qiáng)度增大導(dǎo)致的。

圖3 降雨強(qiáng)度對(duì)COD排放負(fù)荷的影響Fig.3 Influence of rainfall intensity on COD emission load

2.1.2 不同季節(jié)的降雨對(duì)雨水污染物的影響

北京市降雨有明顯的季節(jié)特征，夏季降雨集中且強(qiáng)度較大，6、7、8月集中了全年80%的雨量，春秋季降雨間隔時(shí)間較長(zhǎng)且強(qiáng)度小。因此本研究采用P=5.0 a、前期干旱日為2 d的降雨代表夏季降雨，P=0.5 a、前期干旱日為30 d的降雨代表春秋季降雨。

采用模型對(duì)不同季節(jié)降雨引起的COD污染情況進(jìn)行了模擬，結(jié)果見圖4。夏季降雨污染物濃度峰值明顯低于春秋季，夏季COD質(zhì)量濃度峰值為44 mg/L，接近于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類限值，而春秋季COD質(zhì)量濃度峰值則達(dá)到了183 mg/L，接近于生活污水。出現(xiàn)這種現(xiàn)象一是因?yàn)橄募窘涤陱?qiáng)度大，地面徑流量大，對(duì)污染物有稀釋作用，根據(jù)模擬結(jié)果，夏季徑流峰值為0.26 m3/s，春秋季則為0.17 m3/s；二是因?yàn)榇呵锛窘涤昵案珊等蛰^長(zhǎng)，地面污染物累積較多。不同季節(jié)降雨引起的COD排放負(fù)荷變化趨勢(shì)也有明顯區(qū)別，夏季降雨COD排放負(fù)荷在30～55 min期間增長(zhǎng)較快，55 min后增速明顯變緩。春秋季降雨則在45～70 min期間增長(zhǎng)較快。兩者對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，20～45 min時(shí)，夏季降雨COD排放負(fù)荷大于春秋季；由前述可知，在前期干旱日相同時(shí)，降雨強(qiáng)度越大，COD排放負(fù)荷越大，說明在此時(shí)段，降雨強(qiáng)度對(duì)COD排放負(fù)荷的影響起主導(dǎo)作用。50 min后，春秋季降雨COD排放負(fù)荷快速增加，超過夏季，降雨強(qiáng)度對(duì)COD排放負(fù)荷的影響逐漸減弱，前期干旱日影響起主導(dǎo)作用。降雨歷時(shí)達(dá)到120 min時(shí)，春秋季降雨的COD排放負(fù)荷為42.7 kg，遠(yuǎn)高于夏季的22.3 kg，是夏季的1.9倍。

圖4 不同季節(jié)降雨的污染物排放Fig.4 Pollutant emission of rainfall in different seasons

由此可以看出，以北京市為代表的北方地區(qū)，雨水徑流污染控制重點(diǎn)在春秋季的降雨污染物，特別是春季，經(jīng)過秋冬季長(zhǎng)時(shí)間的污染物積累，降雨中污染物濃度和排放負(fù)荷均較大。

2.2 雨污合流制下的人工濕地環(huán)境效益評(píng)估

人工濕地匯水區(qū)內(nèi)采用雨污合流制管網(wǎng)，考慮生活污水的排放，分春秋季和夏季兩種場(chǎng)景，預(yù)測(cè)人工濕地對(duì)雨污水污染物的削減效果，從而對(duì)不同季節(jié)時(shí)人工濕地的環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。生活污水排放量按照人均污水產(chǎn)生量64 L/d和居住人數(shù)進(jìn)行計(jì)算，COD按250 mg/L計(jì)[27]。從模擬結(jié)果(見圖5)可以看出，春秋季降雨中，雨污水COD濃度在15、55 min時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別是生活污水的排放和降雨徑流引起的。55 min后，COD濃度逐漸降低，80 min時(shí)，COD質(zhì)量濃度降至37 mg/L。在夏季降雨中，雨污水COD濃度峰值出現(xiàn)在15、45 min，55 min時(shí)，COD質(zhì)量濃度降至32 mg/L。

圖5 人工濕地對(duì)COD的削減量Fig.5 COD reduction by constructed wetland

研究區(qū)域所在流域的目標(biāo)水質(zhì)為GB 3838—2002 Ⅴ類，因此水質(zhì)優(yōu)于Ⅴ類的雨污水不進(jìn)行處理，直接溢流排放至地表水體，劣于Ⅴ類的雨污水進(jìn)入調(diào)蓄池和人工濕地進(jìn)行處理后排放。綜合考慮實(shí)際監(jiān)測(cè)和文獻(xiàn)報(bào)道，調(diào)蓄池和人工濕地對(duì)COD的總削減率取50%[28-31]。

春秋季降雨中，人工濕地需對(duì)前80 min的雨污水進(jìn)行收集處理，截至此時(shí)間點(diǎn)，匯入到人工濕地的水量達(dá)到348 m3。人工濕地總體可容納水量約為150 m3，其余水量溢流進(jìn)入調(diào)蓄池，通過人工濕地進(jìn)行錯(cuò)峰處理，可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)劣于GB 3838—2002 Ⅴ類的雨污水全收集處理。按照上述情形，在此場(chǎng)降雨中人工濕地COD削減量為18.4 kg。同理可計(jì)算出夏季降雨中，水質(zhì)劣于Ⅴ類的雨污水量約為129 m3，人工濕地可以將其全部收集處理，COD削減量為3.6 kg。

通過上述研究可以看出，北京地區(qū)春秋季降雨的污染物排放負(fù)荷較夏季更大。從水環(huán)境規(guī)劃的角度，雨水工程在春秋季需承擔(dān)更大的處理負(fù)荷。因此在實(shí)際應(yīng)用中，可以因地制宜采用收集調(diào)蓄、錯(cuò)峰處理的方案，使雨水工程發(fā)揮更大的環(huán)境效益。

3 結(jié)論與建議

本研究利用SWMM進(jìn)行了農(nóng)村居民區(qū)雨水污染預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)春秋季降雨的污染物排放負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季，春秋季降雨污染控制，特別是初期雨水治理應(yīng)引起重視。北京地區(qū)夏季和春秋季降雨中，雨水工程面臨的雨污水處理壓力有較大差別。春秋季降雨量相對(duì)較小，但是雨水工程需要承擔(dān)的雨污水處理負(fù)荷較大，夏季則相反。因此建議北京地區(qū)居民區(qū)雨水工程根據(jù)季節(jié)采用更適宜的運(yùn)行方式，提高雨水工程的利用率和處理效率。

本研究結(jié)合流域水質(zhì)控制目標(biāo)，建立了雨污合流制下的雨水工程環(huán)境效益評(píng)估方法，有利于今后的水環(huán)境精細(xì)化管理，特別是非點(diǎn)源污染清單的建立，但是仍需對(duì)不同類型、不同規(guī)模的雨水工程進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，為流域尺度非點(diǎn)源污染控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。另外本研究建立的模型仍然有需要改進(jìn)的地方，如研究區(qū)域采用雨污合流管網(wǎng)，但是模型沒有考慮雨水沖刷管網(wǎng)沉積物造成的污染排放；又如模型多采用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)在北京市內(nèi)分區(qū)域進(jìn)行模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)定水質(zhì)模型所需要的參數(shù)，建立更加精準(zhǔn)的雨水污染負(fù)荷模型。