基于SWMM的城市单场降雨初期雨水污染定量评价方法

王纪恩 杨辰伟

摘要：指出了城市初期雨水污染评价是水环境治理的关键问题之一。但因为存在错峰稀释等影响因素，目前除经验参数法外，少有能较精确定量计算城市单场降雨初期雨水污染的方式。基于此，提出了一种用范围值表示城市单场降雨初期雨水污染的定量计算方法，并基于SWMM模型予以了实现。算例结果表明：采用该方法可以较科学地定量评价城市单场降雨初期雨水污染水量。

关键词：SWMM模型;初期雨水;水环境治理

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0097-04

1引言

城市初期雨水污染主要是指降雨初期地面10～15mm已形成地表径流的降水所造成的污染。因溶解了大量大氣污染物，又冲刷了大量城市下垫面沉积的地表污染物，初期雨水污染物含量较高，如果不经处理直接受纳水体，会对城市水环境造成不利影响。

初期雨水或者说城市雨水径流污染产汇流特征理论方面，国内学者进行过较广泛深入的研究。对于单雨水口的排水管网系统，在忽略沉积物冲刷情况下，可以按源头汇水面污染物冲刷规律分析雨水污染物变化特征。实际中，下垫面污染物分布不均、沉积物冲刷、排水系统复杂拓扑关系复杂等因素，导致错峰稀释和浓度波动等，从而排水口水量及污染物浓度变化特征复杂，难以定量评价。

2单场降雨初期雨水污染定量评价的计算方法

2.1水质控制容积概念

针对城市雨水径流污染产汇流过程的复杂性，发达国家提出了“水质控制容积”（wQV，water quality vol-ume）的概念，旨在科学界定径流污染水量，实现污染物总量控制。wQV指为了达到控制径流污染、保证水质目标所需控制处理的径流体积。该参数在美国各州暴雨最佳管理手册中得到广泛采用。

2.2定量评价方法基本思路

借鉴wQV的基本思想，城市单场降雨初期雨水污染定量评价方法应是综合考虑源头至末端确定单场降雨控制水量，以满足排水口排放的污染物净量在允许排量内这一约束目标。因为存在错峰稀释等作用，从源头汇水分区考虑的初期雨水污染水量理论上为较小值，从末端排水口考虑的初期雨水污染水量理论上为较大值。据此将初期雨水污染表示成一个范围值，可以在规避评价错峰稀释等复杂作用的情况下对其定量计算。以上是定量评价方法的基本思路。为讨论方便，污染物用雨水典型污染物TSS表示。

2.3较小值的计算方法

在污染物净排量约束目标的控制下，污染水量较小值是以所有汇水分区处雨水口为讨论对象，按照其瞬时流量内污染物浓度自大至小依产汇流时间排序，然后对相应瞬时流量积分，至该雨水量内包含的污染物净量满足污染物净排量的控制目标。此时的水量理论上为较小值，即：

3SWMM模型it算实现

SWMM是一种用于模拟降雨产汇流的开源综合数学模型。当前版本5.1.013内置算法可以模拟长期和单场降雨地表径流和污染物的迁汇过程，量化管网排水效果和污染物浓度变化特征。基于这些特点，本文采用SWMM模型实现上文提出的定量计算方法。

3.1针对SWMM模型特点的公式转化

SWMM模型水量水质输出结果格式是固定时长间隔的瞬时水质及流量数据集合。采用梯形法对公式（1）、（2）进行转换。

3.2基于SWMM模型的实现流程

根据公式（3）和公式（4），利用SWMM引擎进行二次开发，编制城市单场降雨初期雨水污染定量计算程序。程序的流程图见图1。

4算例应用及分析

4.1算例应用

选取文献[10]提供的Example5-exp.inp模型作为算例，该算例内模型参数已经过率定。算例平面图见图2。

模型包括7个汇水分区，1个排水口。模拟时间步长1min，模拟总时长6h，降雨重现期分别取2年，10年，100年，其余参数采用模型原有参数。限于篇幅，各汇水分区及排水口出流水量水质模拟结果不予列出。

设定污染物净量控制指标为TSS表示的径流污染净量控制率分别至少达到60%。采用公式（3）和公式（4）进行计算。结果见表1。

5结论与建议

基于水质控制容积的基本思想，提出一种用范围值表示的城市单场降雨初期雨水污染定量评价方法。并基于SWMM模型二次开发技术予以实现。算例结果表明，本文提出的方法可以较科学的估计出城市单场降雨初期雨水污染水量值。