SWMM的校园区降雨径流污染及LID控制模拟

周明来,潘 璐,李泽实,刘瑞芬

(1 湖北工业大学土木建筑与环境学院,河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，湖北 武汉 430068；2 武汉鹏森环境科技有限公司,湖北 武汉 430000)

长江经济带建设是国家发展的重大战略，武汉市作为长江经济带中游区域的特大城市，对长江生态环境的保护具有重要作用。作为“龙腰”的武汉有着独厚的区位优势，市内江河纵横，湖泊交织，全境水域覆盖率达26%，素有“江城”、“百湖之市”的美誉。但随着快速城市化的发展，武汉市也面临着水体污染严重、水质整体下降、水生态恶化等问题。针对这些问题，武汉市出台了《武汉市主城区污水全收集全处理五年行动计划》、“四水共治”等政策，并积极推进水生态文明和海绵城市建设，开展城市水环境治理。武汉市有82所高校，在城市中面积占比不少，校园区污染负荷排放在武汉市水环境污染防治与保护中扮演着重要的角色，特别是由降雨径流引起的非点源污染负荷的排放对水环境的影响，值得引起人们的关注[1-4]。Storm Water Management Model (SWMM)是美国环境保护署开发的城市雨洪管理模型，是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟某单一降水事件或长期连续降雨条件下的水量和水质过程。近年来，SWMM模型在我国城市雨洪分析与管理中的应用越来越广泛[5-7]，特别是对城市典型居住区雨洪模拟应用较多，但对于城市的重要组成部分校园区研究较少。2014年在该模型的5.0版本中增设了LID (Low Impact Development)模块，可以模拟海绵改造各种工程措施，如绿色屋顶、透水路面、生物滞留池等的降雨径流管理效果，但如何利用模型有针对性的进行海绵体改造、进行LID措施布控，在我国仍处于探索阶段。

本次研究选取武汉市南湖排水片区内湖北工业大学及巡司河为例，研究武汉市校园区降雨径流污染负荷及其控制措施对城市通江河流水环境的治理作用。在对校园区各典型下垫面进行降雨径流过程监测的基础上，建立基于SWMM的降雨径流水量水质模型，估算各典型年内校园区入河污染负荷，并设置校园区海绵改造情景，评估实施LID措施后校园区入河污染削减效果。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

武汉市南湖排水片区内的降雨径流问题一直备受关注。片区内巡司河长约16 km,河宽约为30 m，西连长江南接汤逊湖，是武汉城区最大的排污明渠。据近年来水质监测数据显示[8]，巡司河整体为劣五类水质，水体表面漂浮大量腐殖质，呈现黑臭状态，对巡司河水环境治理刻不容缓。湖北工业大学位于巡司河西岸，总占地面积达107万 m2，校园区生活污水及雨水经管渠收集后直接入河，属直泄式合流制排水体系。随着武汉市治水政策的推行，校园内的生活污水将随截留管进入市政污水厂进行处理后排放，点源污染会得到有效控制，而由降雨所产生的非点源污染还未引起关注，所做研究正是基于此展开。

图1 研究区具体位置

1.2 校园区SWMM模型构建

1.2.1 校园区排水系统概化根据湖北工业大学校内地形和排水特性，利用学校地形地貌图、排水管网图、高程图等资料，将校内分为101个子汇水区，96个节点，30个排放口，SWMM模型概化结果见图2。同时，将校园区分为五种下垫面类型，分别为路面、屋面、绿地、庭院/广场、操场等(图3)，各下垫面面积分别占全校区面积的9.84%、32.43%、20.23%、29.22%、7.52%，不透水面积比率高达79.02%。

图2 校园区排水管网分布

图3 校园区下垫面类型分布

1.2.2SWMM模型水量参数选取及确定SWMM模型产流模拟为非线性水库模型，地表径流量Q可以通过曼宁公式(式1)计算得出：

(1)

式中：Q为径流量，m3/s；W为子汇水区集水宽度，m；n为曼宁糙率系数；d为蓄水池深度，m；dp为最大洼蓄深度，m；S为子汇水区坡度。

由于各子汇水区中均包含不同比例的下垫面类型，子汇水区参数由各下垫面参数按面积加权平均后求得。各下垫面的曼宁系数、洼蓄量预估值取值参考相关文献、模型用户手册[9-14]，曼宁系数n取值范围为0.011-0.5，洼蓄量dp取值均为2.5 mm。下渗模型选择Horton方程[15]，相关参数根据校园区地貌特点赋予相同初始值，如最大下渗率取40 mm/h，最小下渗率取2.7 mm/h，衰减系数2.7 h-1等。管网汇流模拟采用运动波法进行汇流计算[9]，相关参数包括节点与管网信息，节点信息为管内底标高和最大水深，管网信息为入流节点、出流节点、管道形状、最大深度、管长、管道曼宁系数等，均根据已有校园区排水管网图进行概化。

参考有关文献对SWMM参数敏感性分析的结果[17-18]，上述参数中对模型模拟结果影响较大的是曼宁系数及洼蓄量，本文采用实测降雨事件对此二参数进行率定。选取2017/9/29日的降雨事件，对路面、庭院/广场、屋面等下垫面降雨径流过程进行率定。率定通过比较SWMM模型流量模拟值与实测值之间的差值，使差值尽可能降低做为参数调整的依据。

以路面下垫面率定结果为例(图4)，在不同时刻SWMM模型的流量模拟值与实测值之间的平均误差为2.29%。模拟的流量过程线与时间轴所组成的面积即为模拟的径流总量，而通过径流公式(2)也可估算本场降雨径流总量。2017/9/29日降雨为2.4 mm，路面集水区面积约为130 m2，径流系数取0.9，则由径流公式所估算的径流总量为0.28 m3。径流总量估算值与模型模拟值的误差为8.0%。选取2017/10/17日的降雨事件对上述路面水文参数进行验证，其结果见图5。该数据表明平均误差为19.4%，在可接受范围内(≤|±20%|)，故认为率定的水量参数较为合理可信。

(2)

式中：Q为径流量，m3/s；C为径流系数；i为降雨强度，mm/s；A为集水区面积，m2。

图4 2017/9/29日水量参数率定

图5 2017/10/17日水量参数验证

屋面、庭院/广场下垫面降雨径流过程率定均按上述步骤进行，径流量和径流总量的平均误差分别为4.37%、16.20%，最终此三种下垫面所率定的不透水区曼宁系数取值范围为0.013～0.15，不透水区洼蓄量取值范围为3.0～5.5 mm。因天气原因导致降雨监测事件过少，其它两种下垫面绿地与操场的水文参数借鉴前人研究成果[18]。

1.2.3SWMM模型水质参数确定对校园区内的路面、屋面、绿地、庭院/广场、操场等下垫面进行降雨径流水质模拟，水质指标涉及TSS、TN、TP、CODMn。其中污染物积累模型选用饱和模型，冲刷模型选择指数模型，相关参数通过调查校园污染物特点、借鉴国内外研究[10-12]，TSS最大积累量取值范围为60～270 kg/m2，冲刷系数取值范围为0.004～0.008 mm-1，冲刷指数取值范围为1.2-1.8，清扫去除率取值范围为0～70%；CODMn最大积累量取值范围为30～80 kg/m2，冲刷系数取值范围为0.0035～0.007 mm-1，冲刷指数取值均为1.8，清扫去除率取值范围为0～70%；TN最大积累量取值范围为4～10 kg/m2，冲刷系数取值范围为0.002～0.004 mm-1，冲刷指数取值范围为1.2-1.7，清扫去除率取值范围为0～70%；TP最大积累量取值范围为0.2～0.6 kg/m2，冲刷系数取值范围为0.001～0.002 mm-1，冲刷指数取值范围为1.2-1.7，清扫去除率取值范围为0～70%。该五种下垫面的半饱和积累时间取值均为10 kg/m2。

2 结果与讨论

2.1 校园区入河污染总负荷预测

地表径流污染负荷是指在一场或是一年中多场降雨事件中引起的地表径流污染物的总量，一场降雨中径流排放的污染物总量称之为次降雨径流污染负荷，亦称为次污染负荷；而在一年中由多场降雨事件所引起的地表径流污染物排放总量称之为年污染负荷。由于地表径流排污具有较强的随机性，大大削弱了次降雨径流污染负荷的代表性，因而通常采用年污染负荷作为降雨径流污染对受纳水体影响的评价标准。基于以上所构建的SWMM模型，预测在不同来水情况下校园区年降雨径流负荷，并结合生活污水排放规律预测校园区入巡司河污染总负荷。

2.1.1 典型年降雨径流污染负荷模拟根据武汉市1962—2015年的年降雨数据，通过目估适线法完成降雨序列的皮尔逊Ⅲ型概率分布曲线，其结果见图6。

图6 武汉市降雨皮尔逊Ⅲ型概率分布

根据图6，并结合2009—2015年武汉市逐日降雨数据，选定三个典型年，分别为2010年(丰水年，1551.5 mm)、2013年(平水年，1228.0 mm)、2011年(枯水年，980.0 mm)，此三年的逐日降雨分布见图7。

(a)2010年(丰水年)日降雨量

(b)2011年(枯水年)日降雨量

(c)2013年(平水年)日降雨量图7 武汉市典型年日降雨量分布

利用所构建的SWMM模型对校园区各典型年进行年降雨径流污染模拟，汇总30个入河排水口的污染负荷，其结果见表1。由表可知，武汉市校园区各典型年降雨径流负荷存在一定差异，即丰水年>平水年>枯水年。在负荷总量最大的丰水年中，TSS、CODMn、TN、TP的年污染负荷分别达到51.02 t、14.64 t、1.44 t、0.064 t。

表1 校园区典型年降雨径流污染负荷 t

2.1.2 校园区入河污染物总量预测校园区入巡司河污染物总量预测除了考虑降雨径流污染负荷之外，还需考虑校园区内生活污水的排放。选择沿河某一合流制管道排放口，其管径为500 mm，集水面积约为4000 m2，于无雨日2017/10/28日进行采样分析，采样时段为8:00—16:00，每2 h取样一次，其水量水质结果见图8。

图8 校园区生活污水水量水质排放情况

由图8可知，随着人类活动的开始，生活污水的水量及其水质在8:00—10:00呈现上升趋势，之后出现了一定程度的波动，其中波动幅度较小的是TP和CODMn；同时，TSS含量及污水水量的变化趋势较为一致，但在8:00—12:00期间，TN含量波动幅度较明显，而在12:00—16:00时段内相对趋于稳定。经测，出口处的TSS的浓度范围为34.00～73.33 mg/L，CODMn的浓度范围为17.58～53.63 mg/L，TP的浓度范围为2.50～3.38 mg/L，TN的浓度范围为18.67～57.66 mg/L，污染物浓度过高，说明点源污染对巡司河水质恶化有着较为严重的影响。在估算生活污水排放量时，将全天分为6个时间段，把0:00—8:00及16:00—24:00作为两个较长的时间段，而8:00—16：00中的其余时间段以2 h为时间间隔划分为4个时间段，每个时间段的生活污水污染负荷量均按固定浓度值与流量的乘积得出，其中0:00—8:00的污染物浓度取8:00时刻的浓度值，16:00—24:00的污染物浓度取16:00时刻的浓度值，其余时间浓度见图8。根据面积成比例法完成全校区全年段生活污染负荷的估算。估算可得，校园区生活污水中TSS、CODMn、TN、TP的年污染负荷分别为192.29 t、110.38 t、86.50 t、8.66 t。将平水年降雨径流污染与该生活污染年负荷做比较，可知校园区降雨径流污染物TSS、CODMn、TN、TP分别占其生活污水排放量的22.17%、11.09%、1.43%、0.67%，可见对校园区降雨径流污染的控制应重点考虑对TSS与CODMn的削减。

2.2 校园区降雨径流污染控制对策

2.2.1 降雨径流污染影响因素及控制措施降雨径流污染与多种因素有关，如下垫面类型的选择、污染物的种类及其富集的程度、雨量强弱及雨型。据调查，目前对降雨径流污染的管控多分为3部分：源头削减、过程控制及末端治理。在源头削减多采用增加路面清扫、大气沉降控制、改造下垫面材料等措施。LID是我国海绵城市建设中大力推行的一种以源头控制为核心，实现水环境保护和城市可持续发展的雨洪管控策略，于20世纪90年代在美国马里兰州开始实施，被认为能够有效解决传统雨洪资源排泄及运输系统所引起的水资源、水环境问题[19]。LID工程措施主要包括绿色屋顶、雨水花园、植草沟、透水铺装、生物滞留池等，对降低城市降雨径流污染有较好效果。

绿色屋顶对径流总量削减率达15.3%～40.0%，延缓产流时间达7～21 min，对径流峰值削减率为18.0%～62.3%，能一定程度缓解城市内涝[20]；可拦截径流中80.2%的硝酸盐，67.5%的磷酸盐，并且污染物的截流能力随时长而增加[21]。透水铺装对径流总量削减率在40%～90%之间，对径流峰值可削减20%～80%[22]，对于TP的削减率达65%～85%[23]，但对TN的削减率仅为4.87%～28.54%[24]。生物滞留池的径流总量削减率在12%～48%之间[25]，径流峰值削减率65%～86%[26]，TSS削减率达90%以上，COD削减率达35%～91.4%，TN削减率22%～45.4%，TP削减率68%～80%[27]。本研究拟采用上述LID技术(绿色屋顶、透水铺装、生物滞留池)对校园区进行海绵改造，以达到削减降雨径流负荷，对巡司河水环境治理提供技术支撑。

2.2.2LID措施设置根据《武汉市海绵城市设计规划导则》、《武汉市绿色建筑管理试行办法》、《室外给排水设计规范》等导则，利用现场调研、校园区地形图等资料，对校园区内三种占地面积较大的下垫面屋面、绿地、庭院/广场各设置LID技术，总面积达8.09万m2，占校园总面积7.56%。设置情景见表2，并在构建好的SWMM模型中输入相应LID措施的相关参数[28]。

表2 LID措施于校园子汇水区内的分布

2.2.3 水量水质动态模拟根据武汉市典型降雨事件一年一遇和十年一遇的降雨(降雨时长2 h，降雨量分别为34.43 mm和88.84 mm)，对校园区进行降雨径流水量模拟，并比较有无LID措施情况下入河径流的变化，其结果见图9。设置了LID措施后，校园区降雨径流峰值及总量都发生了较大幅度的下降。其中，在十年一遇的降雨事件中，对比LID措施设置前后，校园区径流峰值由20.41 m3/s降至10.65 m3/s，峰值削减率达47.82%；径流总量由80278.75 m3下降至51 595.69 m3，削减率达到35.73%。尽管LID的设置使校园区在应对十年一遇降雨时径流系数由0.93减小至0.60，但没有改变径流出现时间。而在一年一遇的降雨事件中，LID措施设置前后校园区径流峰值由5.60 m3/s下降至2.45 m3/s，削减率为56.25%；径流总量由26 237.49 m3下降至14 894.68 m3，削减率达到43.23%。设置LID使校园区在应对一年一遇降雨时径流系数由0.78减小至0.45，径流出现时间推后5 min，说明LID措施对小强度降雨事件的径流过程有更好的削减效果。

图9 校园区LID水文过程控制效果

以TSS为例，说明校园区有无LID措施情况下，在一年一遇和十年一遇降雨事件时入河污染物浓度和负荷变化情况，结果见图10。设置了LID措施后，对应于一年一遇降雨事件，校园区降雨径流入河TSS浓度峰值由340.73 mg/L下降至227.00 mg/L，削减率达33.37%，污染负荷由4.47 t降至2.55 t，削减率42.99%(图10a)；而对应于十年一遇降雨事件，TSS浓度峰值由433.97 mg/L降至304.92 mg/L，削减率达29.74%，污染负荷由6.73 t降至4.63 t，削减率31.18%。尽管在两种降雨事件中，LID措施对污染物的负荷削减作用明显，但对于浓度削减效果随时间有所波动，具体表现为当TSS浓度峰值出现后，LID措施改造情景对比于未改造情景，TSS浓度有增加现象，这在十年一遇降雨事件表现明显(图10b)。这说明在应对大强度降雨事件时，所设置的LID措施情景当入河污染物达到浓度峰值后其对污染物浓度的削减作用消失。其他污染物浓度和负荷变化规律与TSS类似。最终结果显示，对于一年一遇降雨事件，各污染物的浓度峰值削减率范围为31.08%～41.01%，负荷削减率范围为42.31%～43.95%；对于十年一遇降雨事件，各污染物的浓度峰值削减率范围为28.81%～41.26%，负荷削减率范围为30.61%～36.63%，实施LID措施对校园区降雨径流污染物负荷有较好的削减作用。

(a) 一年一遇有无LID措施对TSS的控制效果

(b) 十年一遇有无LID措施对TSS的控制效果图10 有无LID措施对TSS的控制效果

3 结论

以武汉市南湖排水片区内湖北工业大学及巡司河为例，研究武汉市校园区降雨径流污染负荷及其控制措施对城市通江河流水环境的影响，在海绵城市建设、长江大保护的时代背景下有着积极的意义及应用价值。相关结论如下：

1)在实地监测校园区内不同下垫面类型降雨径流过程的基础上，构建SWMM模型模拟各典型年校园区降雨径流污染负荷。各典型年径流负荷存在差异，丰水年>平水年>枯水年。校园区平水年TSS、CODMn、TN、TP降雨径流污染负荷分别为42.64 t、12.24 t、1.24 t、0.058 t，分别占其生活污水污染负荷的22.17%、11.09%、1.43%、0.67%。对校园区降雨径流污染物TSS和CODMn需要重点关注。

2)对校园区内三种面积百分比较大的(>20%)下垫面屋面、绿地、庭院/广场进行LID措施设置，包括绿色屋顶、透水路面、生物滞留池，改造面积占校园总面积的7.56%。改造后，一年一遇降雨事件(雨量34.43 mm，历时2 h)降雨径流峰值削减率达56.25%，径流总量削减率达43.23%，各污染物负荷削减率均超过40%；十年一遇降雨事件(雨量88.84 mm，历时2 h)降雨径流峰值削减率达47.82%，径流总量削减率达35.73%，各污染物负荷削减率均超过30%。措施改造情景对比于未改造情景，TSS浓度有增加现象，这在十年一遇降雨事件表现明显(图10)。这说明在应对大强度降雨事件时，所设置的LID措施情景当入河污染物达到浓度峰值后其对污染物浓度的削减作用消失。其他污染物浓度和负荷变化规律与TSS类似。最终结果显示，对于一年一遇降雨事件，各污染物的浓度峰值削减率范围为31.08%～41.01%，负荷削减率范围为42.31%～43.95%；对于十年一遇降雨事件，各污染物的浓度峰值削减率范围为28.81%～41.26%，负荷削减率范围为30.61%～36.63%，说明实施LID措施对校园区降雨径流污染物负荷有较好的削减作用。