建筑小區(qū)尺度下徑流控制率與非點(diǎn)源污染負(fù)荷削減率協(xié)同關(guān)系研究

欒廣學(xué)，侯精明，馬 鑫，李東來，楊 露，杜穎恩，王潔瑜，劉 園

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

城市非點(diǎn)源污染是指城市地表污染物在降雨徑流的淋溶沖刷作用下以分散、廣域的形式進(jìn)入河湖引發(fā)的水體污染[1]。降雨是城市非點(diǎn)源污染形成的動力因素,而降雨形成的徑流是非點(diǎn)源污染物遷移的載體。因此，狹義上的城市非點(diǎn)源污染即城市降雨徑流污染，它是城市非點(diǎn)源污染的最主要形式[2]。

國外城市非點(diǎn)源污染研究起步較早[3]，很多國家在20世紀(jì)70年代就對城市地表徑流開展了大量測試及研究[4-5]。目前，我國城市化比例不斷增加，市區(qū)不透水面積比例不斷增大，導(dǎo)致降雨徑流量增加，城市非點(diǎn)源污染問題日漸突出[6-9]。利用模型進(jìn)行水文水質(zhì)模擬是研究城市暴雨徑流污染管理和控制的重要手段[1-2,10]。暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)采用一系列可以對參數(shù)進(jìn)行校核的經(jīng)驗(yàn)方程對非點(diǎn)源污染的發(fā)生、遷移及排放過程進(jìn)行動態(tài)模擬[11-12]。我國很多學(xué)者也基于SWMM對城市非點(diǎn)源污染開展了研究[13]：李立青等[14]研究了兩場降雨時間間隔對城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響；蔣春博等[15]研究了雨水花園對降雨徑流的影響，并認(rèn)為徑流控制率與污染負(fù)荷削減率具有很高的相關(guān)關(guān)系；馬曉宇等[16]研究了不同重現(xiàn)期對城市非點(diǎn)源負(fù)荷的影響；陳莎等[17]研究了低影響開發(fā)(low impact development，LID)措施對城市雨水徑流污染的影響。相對而言，針對不同降雨條件下徑流控制率與污染負(fù)荷削減率的定量協(xié)同關(guān)系的研究并不多[18]。因此，本文設(shè)計了不同重現(xiàn)期和雨峰系數(shù)的降雨條件，基于SWMM研究了徑流控制率與污染負(fù)荷削減率的協(xié)同關(guān)系，以期為城市非點(diǎn)源污染研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

天福和園小區(qū)[19]位于陜西省西安市西咸新區(qū)，東靠豐信路，西鄰灃西新城咸戶路，南連公園大街，北接尚雅路。多年平均降水量為520 mm[20]，降水多集中在汛期7—9月，且夏季發(fā)生暴雨的頻率較高，易引發(fā)內(nèi)澇。小區(qū)占地面積約3.67 hm2，小區(qū)內(nèi)布設(shè)有雨水花園和透水鋪裝兩種LID措施，分別占小區(qū)總面積的7.92%和14.34%。管網(wǎng)數(shù)據(jù)和下墊面數(shù)據(jù)由CAD圖紙獲取，降雨數(shù)據(jù)為氣象站實(shí)測降雨數(shù)據(jù)，水文模型數(shù)據(jù)通過率定得到，水質(zhì)模型數(shù)據(jù)根據(jù)SWMM用戶手冊及參考相近地區(qū)水質(zhì)模型參數(shù)得到。西安城區(qū)短歷時暴雨集中，以單峰型居多，因此，選用芝加哥雨型作為設(shè)計降雨，暴雨強(qiáng)度公式[21]為

(1)

式中：q為降水強(qiáng)度，L/(s?hm2)；P為重現(xiàn)期，a；t為暴雨歷時，min。

為增加模擬結(jié)果的可信度，本文選取9種重現(xiàn)期及5種不同雨峰系數(shù)條件下共45場降雨的模擬結(jié)果對小區(qū)尺度徑流控制率與非點(diǎn)源污染負(fù)荷削減率的協(xié)同關(guān)系進(jìn)行分析，重現(xiàn)期分別取1 a、2 a、3 a、5 a、10 a、20 a、30 a、50 a和100 a，雨峰系數(shù)r分別取0.20、0.35、0.50、0.65和0.80，暴雨歷時均采用120 min，時間步長為5 min。不同重現(xiàn)期和雨峰系數(shù)下的設(shè)計降雨如圖1所示。

(a) 不同重現(xiàn)期

(b) 不同雨峰系數(shù)圖1 不同重現(xiàn)期和雨峰系數(shù)的設(shè)計降雨Fig.1 Design rainfall with different return periods and rainfall peak coefficients

2 研究方法

2.1 數(shù)值模型

SWMM是美國環(huán)保署開發(fā)的一款動態(tài)降雨徑流模擬軟件[22]。模型可對不同設(shè)計降雨條件下的水量和水質(zhì)進(jìn)行模擬、預(yù)測和評估[23]。因?yàn)镾WMM具有界面友好、開源獲取、建模簡便和管網(wǎng)模擬功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)[24]，本文選用SWMM軟件對降雨徑流進(jìn)行模擬研究，模型包括水文水動力模塊和水質(zhì)模塊[22,25]。

水文水動力模塊包括地表產(chǎn)匯流及管道匯流模擬[26]。SWMM將研究區(qū)域劃分為多個子匯水區(qū)，地表產(chǎn)流和匯流過程計算分別在相應(yīng)子匯水區(qū)內(nèi)進(jìn)行[27]。子匯水區(qū)由3部分組成，分別為透水區(qū)、無洼蓄的不透水區(qū)和有洼蓄的不透水區(qū)[28]。SWMM的產(chǎn)流模擬方法包括霍頓(Horton)公式法、格林-安普特(Green-Ampt)公式法等，其中Horton公式法比較適合于城市地區(qū)[19]，故本文采用Horton公式法。采用非線性水庫法對匯流過程進(jìn)行計算[29]。SWMM的管道匯流模擬提供了恒定流、運(yùn)動波、動力波3種計算方法[30]。恒定流法和運(yùn)動波法是簡化方法，計算效率較高但應(yīng)用效果一般，動力波法基于完整的一維圣維南流量方程求解[24,31]，應(yīng)用效果最好，故本文采用動力波法。

水質(zhì)模塊根據(jù)功能區(qū)或土地利用類型定義各種地表污染物的沖刷模型和累積模型，對地表徑流中污染物的增長、沖刷、運(yùn)輸和處理過程進(jìn)行模擬[1]。本文采用指數(shù)函數(shù)沖刷模型和飽和函數(shù)累積模型。選用TN、TSS、TP、COD這4個具有代表性的雨水徑流污染指標(biāo)作為模擬對象[32]。

流量計布設(shè)于西南排口處，以獲取排口處流量過程。模型首先將研究區(qū)劃分成若干個子匯水分區(qū)，對管網(wǎng)進(jìn)行概化，再根據(jù)實(shí)際地形選擇合適的流向，經(jīng)產(chǎn)匯流過程及管網(wǎng)匯流過程，最后在出口處進(jìn)行模擬監(jiān)測[33]。根據(jù)管網(wǎng)資料[21]、LID措施布置圖及實(shí)際地形構(gòu)建SWMM，將研究區(qū)域劃分為綠地、道路、房屋3種土地利用類型[34]，面積占比分別為39.89%、22.77%和15.09%。模型共有71個子匯水分區(qū)、31段雨水管網(wǎng)、31個節(jié)點(diǎn)和1個排口。研究區(qū)域概化圖如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域概化Fig.2 Generalized map of study area

2.2 參數(shù)率定與模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)來自小區(qū)內(nèi)自動雨量站的實(shí)測降雨數(shù)據(jù)和相同時段內(nèi)西南排口的實(shí)測流量數(shù)據(jù)。雨水水質(zhì)模擬通常依賴并伴隨著水量模擬，只有水量得到正確模擬，才能保證水質(zhì)預(yù)測的可靠性。根據(jù)灃西新城2017年8月20日和9月9日兩場實(shí)測降雨徑流數(shù)據(jù)率定水文水動力參數(shù)，表1為主要參數(shù)的率定結(jié)果，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比見圖3。研究區(qū)域空間變化較小，總面積不大，故設(shè)定0.5%為各子匯水分區(qū)的平均坡度，相同屬性下墊面參數(shù)設(shè)置一致[18]。

表1 模型水文水動力參數(shù)率定結(jié)果Table 1 Calibrated redults of model hydrodynamic parameters

(a) 2017年8月20日

(b) 2017年9月9日

(c) 2017年9月16日

(d) 2017年9月26日圖3 模擬值與實(shí)測值對比Fig.3 Comparison between simulated and measured values

采用2017年9月16日和9月26日的降雨徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比見圖3。本文以納什效率系數(shù)(Ens)對模型的模擬性能進(jìn)行評估[35]。2017年8月20日、9月9日、9月16日和9月26日4場降雨事件的Ens分別為0.82、0.87、0.80和0.59，表明SWMM的水文水動力參數(shù)取值合理，所構(gòu)建模型的可靠性高。由于該研究區(qū)缺乏實(shí)測水質(zhì)監(jiān)測資料，故參考相同地區(qū)研究數(shù)據(jù)資料[36]，取得的水質(zhì)模型參數(shù)見表2。

表2 水質(zhì)模型參數(shù)Table 2 Parameters of water quality model

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果

通過對45場設(shè)計降雨進(jìn)行模擬，得到不同降雨條件下的徑流控制率以及TSS、COD、TP和TN的削減率(圖4)。由圖4可見，在不同雨峰系數(shù)設(shè)計降雨條件下，設(shè)計降雨重現(xiàn)期小于20 a時，隨著重現(xiàn)期的增大，徑流控制率與污染負(fù)荷削減率下降速度均較快，設(shè)計降雨重現(xiàn)期大于20 a時，隨著重現(xiàn)期的增大，徑流控制率與污染負(fù)荷削減率下降速度均較緩，徑流控制率與4種污染物的削減率隨重現(xiàn)期的變化趨勢基本一致，由此可推測出兩者具有較好的線性擬合關(guān)系。

(a) 徑流控制率

(b) 污染負(fù)荷削減率圖4 不同降雨條件下的徑流控制率與污染負(fù)荷削減率Fig.4 Runoff control rates and pollution load reduction rates under different rainfall conditions

3.2 徑流控制率與污染負(fù)荷削減率對不同設(shè)計降雨的響應(yīng)關(guān)系

由圖4可知，設(shè)計降雨對徑流控制率和不同污染負(fù)荷削減率的影響規(guī)律相似，故以TSS為例分析徑流控制率和污染負(fù)荷削減率對45場設(shè)計降雨重現(xiàn)期的響應(yīng)關(guān)系。不同雨峰系數(shù)對應(yīng)的徑流控制率與污染負(fù)荷削減率模擬數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可見，不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期對徑流控制率與污染負(fù)荷削減率的影響較為明顯。當(dāng)設(shè)計降雨重現(xiàn)期從1 a變化至100 a，雨峰系數(shù)為0.50時，徑流控制率與污染負(fù)荷削減率下降均最大，隨著雨峰系數(shù)增大或減小，兩者下降程度均呈減小趨勢，表明徑流控制率與污染負(fù)荷削減率有一定的協(xié)同關(guān)系。

表3 不同設(shè)計降雨條件下的徑流控制率與TSS削減率Table 3 Runoff control rates and TSS reduction rates under different design rainfall conditions

由表3可知，雨峰系數(shù)對不同重現(xiàn)期徑流控制率與污染負(fù)荷削減率趨勢相似，故以重現(xiàn)期為10 a的降雨條件為例，分析不同雨峰系數(shù)對徑流控制率與TSS、COD、TP、TN負(fù)荷削減率的影響。表4為設(shè)計降雨重現(xiàn)期為10 a時的徑流控制率與不同污染物的污染負(fù)荷削減率。

表4 設(shè)計降雨重現(xiàn)期為10 a時的徑流控制率與 不同污染物的污染負(fù)荷削減率Table 4 Runoff control rates and pollution load reduction rates of different pollutants for a design rainfall return period of 10 a

由表4可見，在重現(xiàn)期為10 a的降雨條件下，當(dāng)雨峰系數(shù)從0.20增加至0.80，徑流控制率與污染負(fù)荷削減率均呈先減小后增加的趨勢，當(dāng)雨峰系數(shù)為0.50時，徑流控制率和污染負(fù)荷削減率最小，隨著雨峰系數(shù)的增加或減小，兩者均呈增加趨勢，徑流控制率變化幅度在10%以內(nèi)，TSS、COD、TP、TN削減率變化幅度均在5%以內(nèi)，但相對于重現(xiàn)期對兩者的影響，雨峰系數(shù)對其影響較小。這進(jìn)一步表明徑流控制率與污染負(fù)荷削減率具有較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系。

3.3 徑流控制率與污染負(fù)荷削減率的協(xié)同關(guān)系

以上分析表明徑流控制率與污染負(fù)荷削減率有一定的協(xié)同關(guān)系，通過對不同重現(xiàn)期降雨條件下的徑流控制率與污染負(fù)荷削減率線性擬合，發(fā)現(xiàn)徑流控制率與污染負(fù)荷削減率具有一定的線性關(guān)系，可擬合為線性函數(shù)，不同雨峰系數(shù)條件下COD、TN、TP、TSS 4種污染物的擬合函數(shù)曲線如圖5所示，擬合方程與協(xié)同系數(shù)如表5所示。

(a) r=0.20

(b) r=0.35

(c) r=0.50

(d) r=0.65

(e) r=0.80圖5 不同雨峰系數(shù)的擬合函數(shù)曲線Fig.5 Fitted functions with different rainfall peak coefficients

由圖5和表5可見，同一雨峰系數(shù)條件下，不同污染負(fù)荷削減率與徑流控制率的擬合函數(shù)均為線性，且擬合曲線具有高度相似性，協(xié)同系數(shù)均大于0.989，表明以水量為載體的水質(zhì)遷移規(guī)律均與水量輸移規(guī)律密切相關(guān)。當(dāng)雨峰系數(shù)從0.20增至0.80時，擬合函數(shù)曲線的斜率與截距相對波動幅度較小，雨峰系數(shù)對徑流控制率與污染負(fù)荷削減率的協(xié)同關(guān)系影響不大。由于不同污染物本底特征不同，累積沖刷系數(shù)不同，故不同污染物擬合函數(shù)的斜率和截距有所不同。在不同雨峰系數(shù)條件下，污染負(fù)荷削減率均在擬合曲線附近。綜上可知，徑流控制率與污染負(fù)荷削減率擬合度較高，兩者有著高度的定量協(xié)同關(guān)系。

表5 擬合方程與協(xié)同系數(shù)Table 5 Fitting equations and correlation coefficients

4 結(jié) 論

a.重現(xiàn)期小于20 a時，隨著重現(xiàn)期的增大，徑流控制率與污染負(fù)荷削減率下降速度相對較快；重現(xiàn)期大于20 a時，隨著重現(xiàn)期的增大，徑流控制率與污染負(fù)荷削減率下降速度相對較緩，且隨著重現(xiàn)期的增大，徑流控制率與4種污染物的削減率的變化趨勢基本一致，下降速度逐漸變緩。

b.在1～100 a重現(xiàn)期設(shè)計降雨條件下，重現(xiàn)期的大小對徑流控制率與污染負(fù)荷削減率的影響較為明顯，變化幅度在30%左右。當(dāng)雨峰系數(shù)為0.50時，徑流控制率與污染負(fù)荷削減率變化程度最大，隨著雨峰系數(shù)增大或減小，兩者變化程度呈減小趨勢。

c.降雨重現(xiàn)期為10 a時，當(dāng)雨峰系數(shù)從0.20增加至0.80，徑流控制率與污染負(fù)荷削減率均呈先減少后增加趨勢。當(dāng)雨峰系數(shù)為0.50時，徑流控制率和污染負(fù)荷削減率最小，徑流控制率變化幅度在10%以內(nèi)，TSS、COD、TP、TN削減率變化幅度均在5%以內(nèi)，但相對于重現(xiàn)期對兩者的影響，雨峰系數(shù)對其影響較小。

d.基于建筑小區(qū)尺度的徑流控制率與污染負(fù)荷削減率有著高度的定量線性關(guān)系，雨峰系數(shù)對擬合函數(shù)曲線的斜率與截距影響不大，協(xié)同系數(shù)均大于0.989，擬合度較高，因此，可根據(jù)徑流控制率推算出污染負(fù)荷削減率，為城市非點(diǎn)源污染研究提供參考。