基于SWMM的低影响开发污染削减效果模拟研究

江 炜，楼宇锋

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)

0 引言

近些年来，在极端气候变化和城市快速发展的共同作用下，我国内涝现象频发，洪涝灾害给社会造成了巨大的经济损失，严重威胁了人们的生命和财产安全[1]。2014年2月，习近平总书记在《住房和城乡建设部城市建设司2014工作要点》中明确指出，要督促各地加快雨污水分流改造，提高城市排涝水平，大力推行低影响开发，加快建设海绵型城市建设的政策措施[2]。“海绵城市”建设是指在建设的过程中，优先根据其原有的生态系统，建设生态排水设施，推广采用低影响开发(LID)建设模式，从源头上对雨水的吸纳、渗和缓解作用，使得城市水温特性和开发建设前相近，从而实现缓解城市内涝、削减城市径流总量和径流污染、节约水资源、保护和改善城市生态环境的目的[3]。LID是海绵城市建设中的重要组成，LID能尽可能减少对自然系统的冲击恶化破坏、从源头上实现降雨径流和污染控制，让开发建设后尽量和开发建设前的水文状态相近[4-5]。LID技术能去除雨水中的营养物质、重金属和病原体等物质，渗入地下的雨水可以补给河湖，减少土地开发对生态环境影响，对于改善生态环境起到了积极作用。

LID把雨水作为一种资源而不是“废物”，不能由于项目的开发而随意直接流失，要在源头维持和保护原有的水文功能，缓解不透水面积所带来的影响[6-7]。生物滞留池、雨水花园、绿色屋顶、植草沟、透水铺装、雨水桶和下凹式绿地被认为是主要的LID措施，具有环境效益、经济效益和社会效益3方面的作用[8]。不同的地方进行LID控制的时候有多种选择，LID尺寸、LID位置布局和LID组合等都是需要考虑的因素，其中LID布局在未来的研究中具有重要意义[9-10]。

SWMM是著名的动态水文、水力和水质模拟软件，广泛应用于世界各地的合流、污水管道和其他排水系统的规划设计等，可以用于径流水量和水质单一事件或长期模拟。目前的SWMM含有LID模块，LID模拟过程是通过垂直层的组合表示的。SWMM复杂度适中，广泛应用于暴雨径流规划、研究和设计[11-12]。本研究拟采用SWMM模型，进行LID布局模拟研究。

1 研究区域概况

本研究区域的用地类型包括公共绿地、人行道、道路、公共建筑、广场、建筑道路、建筑间水泥空地、建筑绿地、建筑用地、景观水、居民建筑和开发地块。根据地形地势和用地类型，结合排水管网分布，将汇水区划分为118个子汇水区，每个子汇水区就近排入相应的排水节点。由于研究区域面积小于2 km2，假定在整个汇水区范围内降雨是均匀的。

子汇水区包括的参数有面积，坡度，不透水性，汇水区宽度等。通过ArcGIS计算子汇水区的折点坐标，面积，坡度和不透水性，大大提高了SWMM模型的输入精度和效率，避免了人为输入带来的可能性误差。在进行水量计算时，根据下垫面性质，分为有洼蓄量的不透水面积，无洼蓄量的不透水面积和透水面积三种类型。在进行水质计算时，采用公共绿地、人行道、道路、公共建筑、广场、建筑道路、建筑间水泥空地、建筑绿地、建筑用地、景观水、居民建筑和开发地块等11种用地类型进行污染物累积和冲刷计算(模型见图1)。

2 不同方案模型研究

通过建立的SWMM水文水质模型，设计了不同的LID布局方案，计算不同LID布局方案的径流削减量、内涝削减量、溢流污染削减量和污染物径流峰值削减量。未设置LID设施的情况为基础情景，不同的LID布局方案为不同的情景，模拟不同情景下的径流削减量、内涝削减量、溢流污染削减量和污染物径流峰值削减量等，主要的设计的情景为：

(1)基础情景：研究区现状情况，未设置LID设施。

(2)方案1：LID设施布置在流域的前端，只在前端子汇水区设置LID，模拟该情景下的节点冒溢量、节点TSS、COD、TP和氨氮溢流量和削减量。

(3)方案2：LID设施布置在流域的中段，只在中段子汇水区设置LID，模拟该情景下的节点冒溢量、节点TSS、COD、TP和氨氮溢流量和削减量。

(4)方案3：LID设施布置在流域的末端，只在后端子汇水区设置LID，模拟该情景下的节点冒溢量、节点TSS、COD、TP和氨氮溢流量和削减量。

2.1 基础情景模拟

基础情景指的是现有的排水管网和汇水区，没有设置任何LID措施和管网改造的情景。通过2010年的降雨数据对全年的排水节点径流和污染物冒溢量进行模拟计算，得到的计算结果如表1所示。

通过模型计算，2010年节点冒溢量为351 682 m3，节点冒溢TSS为89 842.31 kg，节点冒溢COD为47 908.50 kg，节点冒溢TP为169.42 kg，节点冒溢TN为1 776.91 kg，节点冒溢氨氮为981.44 kg。

以芝加哥雨型为边界条件输入到模型中，计算降雨量为一年一遇，三年一遇，五年一遇时的排水节点径流和污染物冒溢量，得到的结果如表2所示。

2.2 不同低影响开发布局设置情景

根据子汇水区流入排水管网的先后顺序，将子汇水区分为前端子汇水区、中端子汇水区和末端子汇水区，通过在前端、中段和末端子汇水区设置不同的低影响开发措施，研究不同低影响开发措施对径流削减量，节点内涝，节点溢流污染物量，污染物外排削减量的研究，子汇水区划分如图2所示。

(1)LID前端布置情景

LID前端布置情景是只在前端的子汇水区设置生物滞留池、雨水花园、透水铺装、植草沟等低影响开发措施，研究在前端的子汇水区设置了低影响开发措施后节点径流和污染物冒溢量的削减情况，LID前端布置如图3(a)所示。

(2)LID中段布置情景

在中段子汇水区设置125个面积为100 m2的生物滞留池，LID中段布置情景是只在中段的子汇水区设置生物滞留池、雨水花园、透水铺装、植草沟等低影响开发措施，研究在中段的子汇水区设置了低影响开发措施后节点径流和污染物冒溢量的削减情况，LID中端布置如图3(b)所示。

(3)LID末端布置情景

在末端子汇水区设置125个面积为100 m2的生物滞留池，LID末端布置情景是只在中端的子汇水区设置生物滞留池、雨水花园、透水铺装、植草沟等低影响开发措施，研究在末端的子汇水区设置了低影响开发措施后节点径流和污染物冒溢量的削减情况，LID末端布置如图3(c)所示。

3 不同LID布局措施削减效果比较

3.1 生物滞留池不同布局比较

通过模型计算结果，汇总了生物滞留池在不同年重现期降雨情况下，分别设置在前端、中段和末端情况下的排水节点COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削减量。对于节点内涝削减量，从图中可以看出，在一年一遇降雨量情况下，生物滞留池前端布置削减量和中段布局相近，高于末端布置；在三年和五年一遇降雨量情况下，生物滞留池中端布置削减量略高于前端布置，高于末端布置。对于TSS、COD、TP和氨氮溢流量削减量，从下图可以看出，生物滞留池前端布置略高于中段布置，高于末端布置。生物滞留池在不同年重现期降雨情况下，分别设置在前端、中段和末端情况下的排水节点COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削减百分比和削减量具有一致的规律，如图4所示。

3.2 透水铺装不同布局比较

通过模型计算结果，汇总了透水铺装在不同年重现期降雨情况下，分别设置在前端、中段和末端情况下的排水节点COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削减量。通过观察可以发现，对于内涝削减量、COD、TP和氨氮溢流量削减量，透水铺装中端设置高于前端设置，高于末端设置；对于TSS，五年一遇的降雨情况下，透水铺装前端设置削减量略高于中段布局，高于末端设置，一年和三年一遇降雨的情况下和透水铺装TSS削减规律其他污染物一致。除了透水铺装在不同年重现期降雨情况下，设置在前端、中段或末端情况下的排水节点COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削减百分比和削减量规律相似，削减百分比：中段设置>前端设置>末端设置，如图5所示。

3.3 植草沟不同布局比较

通过模型计算结果，汇总了植草沟在不同年重现期降雨情况下，分别设置在前端、中端和末端情况下的排水节点COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削减量。通过观察可以发现，对于内涝削减量、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削减量，植草沟中段设置高于前端设置，高于末端设置。植草沟在不同年重现期降雨情况下，设置在前端、中段或末端情况下的排水节点COD、TSS、COD、TP和氨氮溢流量削减百分比和削减量规律相似，削减百分比：中段设置>前端设置>末端设置，如图6所示。

4 结论与建议

本文通过借鉴国内外先进的雨水管理理念，根据本地区的排水管网和用地类型等数据，建立了水文水力模型，通过模型模拟了不同低影响开发措施在不同布局情况下的节点内涝和节点污染物溢流量的情况，研究结果表明低影响开发布局对节点内涝和节点污染物溢流削减量具有重要影响，主要结论如下：

(1)对于生物滞留池，研究结果表明，生物滞留池年节点内涝和节点污染物溢流削减效果：前端布局>中段布局>末端布局；

(2)对于透水铺装，研究结果表明，透水铺装年节点内涝削减效果：前端布局>中段布局>末端布局；透水铺装年节点TSS和COD溢流削减效果：前端布局>中段布局>末端布局；透水铺装年节点TN、TP和氨氮溢流削减效果：前端布局>中段布局>末端布局；

(3)对于植草沟，研究结果表明，植草沟年节点内涝和节点污染物溢流削减效果：中段布局>前端布局>末端布局。

本文研究表明不同布局LID布局对节点内涝和节点污染物溢流削减具有重要影响。因此有必要深入研究不同区域不同LID布局对节点内涝和节点污染物溢流削减规律及其内在机理，为低影响开发建设LID布局提供更为详细的指导。另外，本文仅对前端布局、中段布局、末端布局和均匀布局进行了相关研究，后面可以与人工智能、三维可视化等理论技术结合，建立全套的LID优化布局集成系统，指导我国海绵城市低影响开发建设研究。