基于SWMM的宿迁市非点源污染负荷模拟计算

黄德锋+路建恒+李贺

摘 要：以宿迁市中心城区非点源污染为对象，基于SWMM模型，根据降雨径流实测数据并结合相关经验参数率定模型参数，构建了基于SWMM模型的研究区非点源污染负荷计算模型，共设计了7种不同降雨情景，分析了不同降雨条件下研究区非点源污染固体悬浮物（TSS）、COD、TN、TP的入河污染物总量和入河过程线。在设计的降雨情景下：（1）在一定的降雨强度范围内，入河污染物总量随降雨强度增加而增加，高强度降雨较低强度降雨可对受纳水体造成更大的污染；（2）污染物浓度峰值出现在降雨45～50min内；（3）入河TSS、COD体现了明显的初期效应，而TN、TP没有明显的初期效应，这与氮磷的再次堆积有关。

关键词：非点源污染；SWMM；降雨径流；污染负荷

中图分类号 X522 文献标识码 A 文章编号 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

城市非点源污染是指城市屋面、路面及其他地面污染物在降雨径流的淋溶冲刷作用下以广域、分散的形式进入河湖引发的水体污染[1]。目前，随着城市化的进展，城市人口激增、不透水面积大幅度增加，使得非点源污染成为影响城市水体水质的重要因素。相关研究表明，城市化被认为是仅次于农业造成非点源污染的主要原因。城市地表径流被美国环保局列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源，全球约30%～50%的地表受到了非点源污染的影响[2]。随着城市化规模的不断增加，城市河网水体水质将面临着分点源污染的严重威胁。

对于城市非点源污染的研究始于20世纪60～70年代，一些学者通过因果分析和统计分析的方法建立了非点源污染负荷与土地利用或径流量之间的经验模型[3]。20世纪70～80年代，一些有影响的非点源污染模型不断推出，其中包括SWMM、STORM、HSPF、DR3M-QUAL等可用于城市的非点源污染模型。这些模型基于对城市降雨径流、污染物累积和冲刷、土壤侵蚀、排水管中泥沙和污染物运动过程的描述，属于经验与机理相结合的模型，能较好的模拟降雨过程中非点源污染的迁移转化。其中，STORM模型用于模拟城区水文过程及场次污染物负荷量，但模型结构简单，不能模拟污染物的迁移转化过程，不适合连续时间尺度的模拟；HSFP模型用于模拟农村和城市地区水文水质过程的非点源污染模型，缺点是不能进行管道水流的复杂计算，不适合场次暴雨尺度的模拟，在城区应用局限性较大，且模型校正时参数不唯一；DR3M-QUAL模型是可以模拟城区降雨径流水量和水质的基于物理概念的分布式模型，缺点是不能模拟污染物之间的相互作用，对地表和管道中的泥沙运动模拟能力差；SWMM模型是1971年美国国家环境保护局（EPA）为解决日益严重的城市非点源污染而推出的城市暴雨水量水质预测和管理模型。SWMM作为分布式、连续模拟模型，在城市非点源污染模拟中得到了广泛应用[4-8]。本研究采用SWMM模型，借鉴国内外相关研究的模型模拟参数，并结合当地实测数据率定模型参数，模拟分析了宿迁市马陵河流域在不同降雨条件下非点源污染负荷量及污染负荷累积变化，以期为城市降雨径流污染的控防提供科学依据。

1 SWMM模型概述

SWMM由4个计算模块和1个服务模块组成。4个计算模块分别为径流模型（Runoff）、输送模块（Transport）、扩充输送模块（Extran）及储存/处理模块（Storage/Treatment），通过计算模块的运行，SWMM可以对地面径流、排水管网以及污水处理单元等的水量水质进行动态模拟。服务模块的主要功能是进行一些计算后的处理，如统计、绘图等。

SWMM模型中径流模块、输送模块和储存/处理模块可以分别实现对城市排水系统中地表径流、管网输送和污水处理单元的模拟，这为SWMM模型对城市排水系统的整体模拟提供了可能。城市产生的污水和降雨资料作为SWMM模型的管道节点属性和降雨属性分别输入到输送模块和径流模块，这些属性数据作为模型的输入，为计算模拟提供了基础；而模拟的核心是利用SWMM中的径流模块、输送模块和储存/处理模块依次对城市排水中的地表径流、管网输送和污水处理进行模拟计算，最终得到输入城市受纳水体中的水量和水质的动态结果。

2 SWMM模型在城市非点源污染负荷研究中的应用

2.1 研究区概化 马陵河位于宿迁市宿城区，北起城北路，南至思虞路，全长4.8km，流域面积约5.8km2。该区域为宿迁市中心城区，排水管网敷设较为齐全，大部分由分流制管道组成，少量为合流制管道。根据研究区地形特点和排水管道布置，运用GIS的空间分析和数据处理功能，将研究区划分为150块排水区，各个汇水区面积不等（图1）；同时，根据研究区雨水管网数据共概化雨水管道95段，管径为300～1200mm，管道末端出水口18个。

图1 研究区部分子汇水区域

2.2 模型参数率定

2.2.1 基本参数的确定 SWMM中有许多参数需要确定，对子汇水区面积、宽度、坡度、检查井高程、检查井进出水口高程、管道标高、管道埋深、管径、管长可以通过直接测量来确定，其他一些参数需要通过实测并结合查阅资料确定。

2.2.1.1 入渗参数 在推求地表产流模型时，需要确定下渗模型，SWMM有3种入渗模型：Horton模型、Green-Ampt模型、SCS CN模型。在这里我们选用Green-Ampt模型，对于Green-Ampt中需要输入的参数，通过调查当地表层土壤主要为粉土和粉质粘土，查阅Soil Characteristics Table[56]确定Suction Head、Conductivity、Initial Deficit分别为40mm、0.5mm/hr、4%。

2.2.1.2 曼宁粗糙率 地表汇流模型中，非线性水库法需要确定透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数和管道曼宁系数。参考VassilionsA.Tsihrintzis等[21]对美国南佛罗里达州3个沿海城市的降雨径流水质模拟研究成果（见表1），并结合本区域的实际情况，当地土地利用类型为住宅区、道路用地和绿化用地。综合考虑，选取透水区曼宁系数为0.115，不透水区曼宁系数为0.012，管道曼宁系数为0.012。

表1 不同表面曼宁系数

[土地利用类型＼&透水地表

曼宁系数＼&不透水地表

曼宁系数＼&管道

曼宁系数＼&低密度住宅区＼&0.10～0.20＼&0.01～0.015＼&0.011～0.013＼&高密度住宅区＼&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＼&商务区＼&0.10～0.20＼&0.01～0.015＼&0.011～0.013＼&]

2.2.1.3 洼蓄存储 在SWMM模型中土地面积类型为：透水面积、有洼蓄不透水面积、无洼蓄不透水面积3种类别，其中不透水面积的洼蓄存储、透水面积的洼蓄存储和无洼蓄的不透水面积百分比都需要根据实地条件确定。该处地处市区中心区域，地表多为沥青表面，建筑物多为住宅区，无洼蓄的不透水面积百分比选取25%。洼蓄量是指在一块洼地未流走的或入渗的那部分水量。透水区和不透水区的洼蓄量与地表情况有关系，选取不透水区域的洼蓄存储为2mm，透水区域的洼蓄存储为5mm。

为了验证模型的准确性，于2014年10月31日于当地排口对降雨径流的水量水质进行实时监测，通过将模拟值与实测值进行比较（图2），并调整相应参数的取值使模拟值与实测值最佳匹配，选取模拟值和实测值匹配最好的一组参数作为最终的输入参数。通过相对误差（见下式1）来评价模型的可靠程度：

[RE（%）=i=1m（y1-y1y1）/m×100] （1）

式中：RE-平均相对误差；y1-实测值；m-采样次数。

图2 径流量模拟值与实测值

结果表明，径流量模拟值与实测值之间的误差为21.6%，认为在可接受的范围内，确定参数最终取值见表2。

表2 最终参数取值

[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 污染物参数的确定 为反应不同土地利用类型的地表污染物累积过程，将各子汇水区域内土地利用类型分为住宅、道路、绿地。根据研究区河道水体的水质指标，选择TSS、CODCr、TN、TP等4个产生径流冲刷地表污染物的主要污染因子。采用指数累积模型模拟污染物累积过程，该模型可以很好的反映地表污染物累积情况以及最大累积量，输入参数包括指数累积方程的最大可能累积值和累积常数；冲刷过程采用指数冲刷方程进行模拟，输入参数包括冲刷方程中的冲刷系数和冲刷指数。

仅道路有街道清扫，街道清扫间隔每天1次，每次清扫去除70%的污染物。

为了验证模型输入参数的准确性，将模拟结果与2014年10月31日的实际测量数据进行比较（见图3～6），结果表明，四种污染物TSS、COD、TN、TP实测值与模拟值得误差分别为21.4%、24.9%、29.1%、29.2%，率定的污染物参数最终取值见表3和表4。

图3 验证试验TSS实测值与模拟值

图4 验证试验COD实测值与模拟值

图5 验证试验TN实测值与模拟值

图6 验证试验TP实测值与模拟值

表3 污染物累积参数最终取值

[＼&项目＼&TSS＼&COD＼&TN＼&TP＼&道路＼&最大累积量＼&2.5＼&2＼&0.2＼&0.1＼&累积常数＼&0.2＼&0.2＼&0.012＼&0.01＼&住宅＼&最大累积量＼&2.5＼&1.5＼&0.2＼&0.1＼&累积常数＼&0.2＼&0.15＼&0.012＼&0.01＼&绿地＼&最大累积量＼&2＼&1.5＼&0.1＼&0.04＼&累积常数＼&0.1＼&0.1＼&0.01＼&0.008＼&]

表4 污染物冲刷参数最终取值

[＼&项目＼&TSS＼&COD＼&TN＼&TP＼&道路＼&冲刷系数＼&2＼&2＼&0.2＼&0.08＼&冲刷指数＼&2＼&1.8＼&0. 12＼&0. 04＼&住宅＼&冲刷系数＼&2＼&2＼&0.2＼&0.08＼&冲刷指数＼&1.8＼&1.8＼&0. 12＼&0.04＼&绿地＼&冲刷系数＼&1＼&1＼&0. 1＼&0.05＼&冲刷指数＼&1.2＼&1.2＼&0.08＼&0.03＼&]

2.3 降雨条件的确定 不同降雨情景的设定是水文水质模拟不可或缺的基本要素。根据对宿迁市3a降雨资料的统计分析，采用宿迁市暴雨公式（见式2），选取重现期为0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a、20a的重现期，降雨历时设计为120min，绘制不同重现期降雨过程线：

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

图7 降雨峰值r=0.3时不同重现期的降雨过程线

3 结果与分析

3.1 产污总量分析 对研究区域内排水系统末端排口排放的污染负荷进行统计，见表5。由表5可知，在一定的降雨强度范围内，随着降雨强度的增加，入河污染物总量不断增加，但增加到一定值后，降雨强度的增加仅使入河污染物总量以微小幅度增加。根据地表污染物的累积与冲刷规律，在旱季地表污染物不断堆积，降雨发生后，部分污染物随地表径流排放入河，随着降雨强度的增加，地表径流冲刷的污染物越多，与此同时，地表堆积的污染物不断减少，当再也没有堆积物时冲刷也就停止了，此时冲刷量达到最大，不会随降雨强度增加而增加。如表5所示，在重现期大于2a的降雨条件，入河污染物总量基本不在增加。

表5 研究区排口排放污染物总量

[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 产污过程分析 不同重现期降雨条件下，单位时间内非点源污染物入河质量过程线见图8～11，不同降雨强度下单位时间污染物入河的过程趋势是相同的。除了重现期为0.25a的降雨，其他重现期下的降雨单位时间入河污染物质量在30～40min时段内达到峰值，这主要是由于重现期为0.25a的降雨降雨量较小，达到峰值时间较晚；4种污染物中，TSS、COD的冲刷有强烈的初期效应，25%的水量（体积分数）冲刷的污染物占污染物总量的35%～50%，TN、TP的冲刷没有表现出明显的初期效应，这可能与氮、磷的再次堆积有重要的关系。

图8 不同重现期降雨条件下入河TSS质量

图9 不同重现期降雨条件下入河COD质量

图10 不同重现期降雨条件下入河TN质量

图11 不同重现期降雨条件下入河TP质量

4 结论

本文根据当前国内外对城市排水管网模拟系统的研究现状，结合ArcGIS的数据处理功能和空间分析功能，采用SWMM建立了宿迁市马陵河片区排水管网系统模型，并进行了模拟，得到了如下结论：

（1）对SWMM模型的原理进行了分析与研究，明确了SWMM对输入参数的要求，结合ArcGIS的数据处理功能和空间分析功能，获得部分模型所必需的参数。

（2）结合实测资料和经验参数最终完成模型构建，根据实测数据检验模型的可靠性，结果表明，径流量的相对误差为21.6%，4种污染物TSS、COD、TN、TP的相对误差分别为21.4%、24.9%、29.1%、29.2%；根据由芝加哥降雨合成线设计的降雨，完成了当地排水管网系统水文、水力和水质的模拟。

（3）分析了不同降雨强度下研究区域污染物的冲刷规律，入河非点源污染物总量随降雨强度的增加而增加，污染物的排放在降雨开始后45～50min后达到峰值，入河TSS、COD体现了明显的初期效应，25%的水量（体积分数）冲刷的污染物占污染物总量的35%～50%，而TN、TP没有明显的初期效应，这与氮磷的再次堆积有关。

参考文献

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