基于SWMM模型的LID措施年SS总量去除率计算

2018-10-08吴海春胡爱兵任心欣

水资源保护 2018年5期

吴海春，胡爱兵，任心欣

(深圳市城市规划设计研究院有限公司，广东深圳 518000)

随着大家对海绵城市认识的不断深入，由降雨引起的非点源污染也越来越受人们的关注。目前，由于雨水下渗过程的复杂性，普遍利用SWMM(storm water management model)模型计算年径流总量控制率(K)和年SS总量去除率(S)，由于SWMM模型在对污染物进行模拟时并未考虑LID措施对污染物的净化作用，致使模型法在S值计算中存在较大误差[1-3]。鉴于此，研究基于SWMM模型并考虑LID措施净化作用的S值计算方法就显得十分必要和迫切。本文以深圳市玉田河流域为例，建立SWMM模型，介绍其在S值计算中考虑LID措施净化作用的方法，并对K值和S值的关系进行研究。

1 SWMM模型计算原理

SWMM模型为美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency, USEPA)在1971年与梅特M&E有限公司、美国水资源与水环境有限公司(Water Resource and Environment，WRE)和美国佛罗里达大学3家单位联合开发的一个动态的降雨径流模拟软件[4]。经过几十年的发展升级，SWMM模型已经升级至5.1版本，可以模拟水文、水力、水质情况，能实现LID措施对排水系统的影响效果评估、LID措施对暴雨径流滞留与径流污染控制效果评价以及LID设施结构尺寸的设计等方面的功能。

1.1 LID措施计算原理

SWMM模型将LID措施概化为一个蓄水池，不同的LID措施由不同的层组成。本研究以生物滞留池(图1)为例，介绍LID计算原理。其他LID措施类似，可参看文献[1]、[4]。

图1 生物滞留池概化图

生物滞留池包括表层、土壤层、蓄水层和排水层，其中蓄水层和排水层可选，各层层内蓄水水深和土壤含水量等通过水量平衡方程计算，具体各层之间水量交换概化方式如下：①表层与溢流之间，当下渗速率小于进水速率时，表层水深开始增加，当表层水深达到表层厚度时，LID措施开始通过表层向外溢水；②表层与土壤层之间，随着表层雨水向土壤层下渗，土壤层土壤含水量开始逐步增加，当达到所设置的饱和含水量时，土壤中水分开始向蓄水层下渗；③土壤层与蓄水层之间，随着土壤层雨水向蓄水层下渗，蓄水层水深开始增加；④蓄水层与潜流之间，随着蓄水层水深的增加，当达到所设置的溢流水深时，蓄水层开始向外排水。

1.2 污染物计算原理

SWMM模型在计算污染物时，将子汇水区划分为若干下垫面，针对每种下垫面将污染物模拟分为人工清扫、污染物累积和污染物冲刷3个过程。其中人工清扫过程需设置清扫时间间隔、可清除比例、模拟时间距上次清扫时间等参数。为确定每个子汇水区中各下垫面面积，需输入每个子汇水区各下垫面所占比例。污染物累积过程以时间为自变量，污染物累积量为因变量，累积量分别为时间的幂函数、指数函数、饱和函数、外部时间序列等4种累积形式逼近最大累积量[5]。污染物冲刷过程提供了指数函数、径流特性冲刷曲线和次降雨平均浓度法3种冲刷函数。其中，径流特性冲刷曲线和次降雨平均浓度法仅考虑了径流量对冲刷过程的影响，指数函数冲刷方程是唯一同时考虑污染物累积量和降雨径流量对冲刷过程影响的方程，故一般常用指数函数方程。

2 考虑LID措施净化作用的思路

LID措施可从两个方面削减污染物：①LID措施促进雨水下渗或蓄存部分雨水，径流量减少，而径流量中携带有污染物，径流量减少导致污染物减少；②LID措施对雨水水质有净化作用，可使溢流雨水中污染物浓度降低，致使溢流雨水污染物总量减少。SWMM模型在对污染物进行模拟时仅考虑了前者，未考虑到后者。冲刷参数中BMP(best management practices)去除效率主要指LID措施对污染物的去除效率，欲实现考虑LID措施对雨水水质的净化作用的污染物模拟，需新建LID下垫面，并设置对应的BMP去除效率，调整对应下垫面比例。如假设某子汇水区未添加LID措施时下垫面划分及所占比例为道路30%、屋顶40%、绿地30%，进行LID改造，将50%的屋顶改造为绿色屋顶，需新建绿色屋顶下垫面，绿色屋顶与屋顶的参数除BMP去除率外其他均保持一致，绿色屋顶BMP去除率取75%。考虑LID措施净化作用后的下垫面所占比例分别为道路30%、屋顶20%、绿地30%、绿色屋顶20%。

3 SWMM模型构建

3.1 研究区域概况

研究区域为玉田河流域，位于国家低影响开发示范区——深圳市光明新区，玉田河为茅洲河上游一级支流，总面积13.6 km2，属海洋性热带季候风区，盛行季风，夏、秋季节常受台风影响。年均气温22℃，多年平均相对湿度79%，年均水面蒸发量为1 345.7 mm。年降雨量约为1 700～2 000 mm，降雨量季节分配极不均衡，主要集中在4—9月，这几个月的降雨量占全年降水的85%以上。

3.2 模型构建

根据研究区域管网图提取检查井和管网，但考虑到雨水篦子仅具有收水功能，较多短管则模型易不稳定，故将雨水篦子删除，并合并较短管网[4,6]。根据研究区域地形图、道路、管线及建筑物分布等对其进行子汇水区划分，由于研究区域地势平坦，在子汇水区划分过程中更加重视街道和社区单元的分布情况，将较小子汇水区调整合并共划分为194个子汇水区、186个节点、185根管道。

子汇水区参数主要可分为确定性参数和不确定性参数，如坡度、面积、下垫面比例等为确定性参数，不确定性参数可参考相同或相近地区其他学者所做的研究。根据地形图等资料计算各子汇水区的平均坡度，并结合遥感影像图提取各子汇水区道路、屋顶和绿地等下垫面所占比例，计算确定性参数。因玉田河流域紧邻鹅颈水流域，不确定性参数参考吴亚男等[7]在鹅颈水流域所做研究，具体水动力参数和SS模拟参数见表1和表2。

表1 水动力参数取值

表2 不同下垫面SS模拟参数

表3 各类建设项目LID设施比例

根据《深圳市海绵城市规划要点和审查细则》，玉田河流域位于深圳市西部雨型区，采用深圳市西部地区年降雨数据和蒸发数据进行计算。各类建设项目LID设施比例见表3。

4 S值计算

4.1 初期冲刷现象

初期冲刷效应受多种因素影响，雨水径流初期累积输送的污染物占该场次降雨输送污染物负荷总量的比例大于累积输送径流量占该场次降雨输送径流总量的比例时，即认为存在初期冲刷现象。车伍等[8]对上百场降雨事件进行统计，发现83.3%的降雨事件都发生了初期冲刷现象；李明远等[9]研究发现存在初期冲刷的情况下，30%～40%雨水径流携带了50%～70%污染负荷；李春林等[10]研究发现大约有50%～90%的降雨事件产生初期冲刷现象；Hall等[11]研究发现大约有60%～80%的降雨事件产生初期冲刷现象。国内外对初期冲刷效应的判定方法较多，但大多采用无量纲累积M(V)曲线方法(式(1))。以该场次累积径流量与径流总量之比为横坐标，以污染物累积负荷与污染物负荷总量之比为纵坐标作图，绘制无量纲曲线图(图2)，当M(V)曲线在45°对角线之上时，则发生初期冲刷现象，反之不存在初期冲刷现象[12]。

图2 M(V)曲线示意图

(1)

式中：M(t)为t时刻降雨过程排放的污染负荷量，mg；V(t)为t时刻降雨过程排放的径流量，L；Q(t)为t时刻的瞬时径流量，L/min；C(t)为t时刻的瞬时污染物浓度，mg/L；T为从降雨产生径流开始至降雨径流结束持续时间，min。

4.2 初期冲刷现象对S值的影响

2014年10月住建部颁布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》中明确提到“年SS总量去除率等于年径流总量控制率乘以低影响开发设施对SS的平均去除率”[13]，该法默认S值与K值之间存在比例关系，所以得出的结果S值必然小于K值。但事实上，S值和K值之间并无该比例关系，SS的去除率为一个相对概念，等于LID截留部分乘以LID措施蓄满时的质量初期雨水冲刷强效应指数MFF[14]，该指数是基于M(V)曲线法提出的。采用的LID措施比例越大，则S值越大。而K值主要为下渗雨量加上LID控制雨量，除了和采用的LID措施比例有关外，还与透水下垫面下渗雨水量等有关，透水下垫面下渗雨水量和LID措施比例之和越高则K值就越大，具体如图3所示。因为LID主要截留初期中小降雨，若考虑初期冲刷效应，则单个地块S值可能大于K值。车伍等[8]研究也发现，若初期冲刷明显，S值可能会大于K值；若初期冲刷不明显，则S值小于K值。

(a) K值

(b) S值

4.3 玉田河流域S值计算

添加透水铺装、绿色屋顶、下沉绿地等3种LID措施分别用于改造道路、屋顶、绿地，新建透水铺装、绿色屋顶、下沉绿地等LID下垫面，其水质参数除BMP去除率与未改造前下垫面水质参数不同外，其他均与未改造前下垫面水质参数相同。依据相关参考文献[15]和《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》，取透水铺装、绿色屋顶和下沉绿地对SS的去除率即BMP去除率分别为85%、75%、60%。按前文所述方法计算考虑和不考虑LID净化作用两种情况计算S值，可得到在不考虑LID净化作用的情况下，S值为23.2%；在考虑LID净化作用的情况下，S值为30.1%，后者为前者的1.3倍。