建筑技术丨基于SWMM的老城区河道面源污染控制研究

城市面源污染是指在降雨的条件下，雨水径流冲刷城市地面，携带大量污染物进入受纳水体引起的环境问题。城市面源污染物种类复杂、毒性大，由城市面源污染引起的水环境问题已成为当前城市水环境综合治理中亟待解决的主要问题之一。我国南北方城市污染存在很大的差异性，南方水乡之地，老城区内河道密布，河岸开发建设频繁，建筑密集，绿地和可渗透性地面较少，河道面源污染更为严重。20世纪80年代，国外发达国家在大量实测数据的支持下，开发了著名的CRMAMS（Chemicals,RunoffandErosionfromAgriculturalManagementSystems）,SWMM（StormWaterManagementModel）,SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）等模型用于城市面源污染机理与机制的研究，在这些研究的基础上，最佳管理措施（BMPs），可持续排水系统（SUDS）、低环境影响开发技术（LID）等城市面源污染控制措施得到广泛认可应用；90年代以来，计算机技术和3S技术的高速发展与应用加快了面源污染的模拟、预测分析，同时也提升了城市面源污染的定量化研究。我国早期的城市面源污染研究集中于数据测量、概率统计分析、建立经验公式等方面。近年来，随着面源污染问题关注度不断提高，涌现出大量的研究成果。但目前对于城市面源污染尤其是城市中的老城区面源污染的相关研究缺乏系统性和创新性。本文以位于无锡老城区的环城古运河及其周边地区为研究对象，结合现状土地利用，创新性将河岸缓冲区与LID设施布设统筹考虑，在不同缓冲区范围内，合理布置LID设施，利用SWMM模型进行模拟研究，进而分析不同重现期下面源污染控制效果，以期为老城区河道面源污染控制提供技术支持。1、研究区SWMM模型构建1.1研究区域概化古运河纵贯无锡市中心老城核心区。研究区以古运河为中心，总面积为7.8 k㎡。区域内主要土地利用类型分为居住区、商业用地、公园绿地、道路广场及河道水系等几大类。按照SWMM模型对数据的要求，结合研究区土地利用现状、规划资料、市政雨水管网资料、地形地貌数据及实地考察情况，利用泰森多边形法将研究区划分为171个子汇水区，概化雨水管道共计1 776条，汇节点1 797个（图1）。图1研究区汇水分区及排水管网概化示意1.2缓冲区分析河岸缓冲带是保护河流水质的一道天然屏障。在美国，河岸缓冲带作为控制面源污染物进入河流的最佳管理措施（BMPs）得到了广泛应用。它能够通过滞留、过滤、渗透、吸收和沉积等作用控制面源污染。大量研究表明，河岸缓冲带对水体的净化效率与其宽度密切相关。本文利用GIS软对古运河做100 m,200 m,300 m的缓冲区信息提取，获得相应汇水区范围内的土地利用类型（划分为居住区、商业区、道路广场、公园绿地、河道水系），进行进一步分析研究。1.3LID措施选取、布设及主要参数选择SWMM模型中的LID模块提供了多种设施，包括生物滞留网格、雨水桶、渗透铺装、绿色屋顶、雨水花园等的模拟研究，下凹式绿地等其他没有涉及到的设施通过改变相似设施的参数进行研究。结合老城区的实际情况，充分分析研究区土壤特性、坡度、汇水面积等特征，参考各LID措施的特点与适用范围，本次研究布置下凹式绿地、生物滞留网格、雨水桶、透水铺装四种LID设施并进行模拟分析。结合汇水区土地利用现状，用地类型为居住区，布设雨水桶与下凹式绿地。用地类型为商业区，布设雨水桶与透水铺装。用地类型为公园绿地与道路广场分别布设生物滞留与透水铺装。假设各汇水区不同土地利用类型中各有50%面积的雨水能够汇集于海绵化设施中，计算出各汇水区中各项LID措施的适建面积。LID参数的选取根据模型用户手册及参考其他文献设置。1.4模型相关参数选取本次研究基于SWMM模型进行老城区降雨径流及水质模拟分析。1.4.1水量参数选取及确定各子汇水区中均包含不同面积占比的下垫面，模型中汇水区参数不渗透面积比例根据不同土地利用面积加权平均计算获得，坡度数据信息利用GIS中的坡度提取功能，从DEM数据中获得。曼宁系数、洼蓄量取值参考相关文献及模型用户手册。下渗模型选择Horton下渗模型。管网汇流模拟采用动力波法，相关节点参数管内底标高和最大水深，管网参数入流节点、出流节点、管道形状、最大深度、管长等主要由实测的管道与河道资料确定，管道糙率取0.013。本次研究利用综合径流系数法调试校准模型参数，最终模型参数取值见表1。表1模型参数取值1.4.2水质参数确定研究区内不同下垫面进行降雨径流水质模拟，水质指标选取TSS,COD,TN,TP。污染物积累、冲刷模型均选择指数模型，相关模型参数通过调查研究区内污染物的特点、参考目前国内外研究成果获得。1.5设计暴雨研究区域设计暴雨强度公式为：式中：q为设计暴雨强度（L/s×h㎡）；t为降雨历时（min）；T为重现期（y）。本次研究采用芝加哥雨型，设计重现期为0.5,1,2,3,5（y）一遇，降雨历时为2 h。设计降雨量分别为42.81,53.21,63.61,69.68,77.35（mm）。2、结果分析2.1雨水径流量模拟结果分析本次研究分别模拟了现状条件及以古运河为中心，向两岸分别延伸100 m,200 m,300 m缓冲区并布设LID设施后的雨水径流量控制效果。相比于现状条件，在100 m,200 m,300 m缓冲区布设LID设施后，不同重现期下，研究区内雨水径流量都有不同程度降低，且随着缓冲区控制范围的逐渐增大，径流量不断减小；但不同范围缓冲区下径流峰值发生时间并没有发生明显的变化。通过模型对研究区域模拟计算，得到研究区域不同重现期下降雨径流控制率计算结果（表2），其中：100 m缓冲区径流控制率、200 m缓冲区径流控制率、300 m缓冲区径流控制率是指各缓冲区布置LID设施后，整个研究区降雨径流控制率。表2不同控制条件下研究区降雨径流控制率

%相同重现期下，不同范围缓冲区布置LID设施后，研究区雨水的径流控制率都有明显的提高。以0.5y一遇降雨重现期条件为例，100,200,300（m）缓冲区布置LID设施后，研究区雨水的径流控制率分别达到36%,46%,53%。布置LID设施的缓冲区范围从100 m增大200 m，较缓冲区从200 m增大到300 m，研究区内降雨量径流控制及污染物总量控制提升幅度较大。以0.5年一遇降雨重现期为例，缓冲区范围从100 m增大200 m，雨水径流控制率增加了10%，而缓冲区范围从200 m增大到300 m，雨水径流控制率仅增加了7%。同一缓冲区内，随着重现期增大，现状土地利用条件及100,200,300（m）围缓冲区范围布置LID施后，研究区雨水径流控制率逐渐降低。但随着重现期增大，相对于现状条件下研究区的降雨径流控制率，不同范围缓冲区内布置LID设施后，研究区的雨水径流控制率的降低幅度均有所减小。2.2雨水径流水质模拟结果分析雨水径流水质模拟结果如图2所示。（a）（b）（c）（d）图2不同条件下径流污染模拟结果（a）TSS模拟结果；（b）CDD模拟结果；（c）TN模拟结果；（d）TP模拟结果图2中表明：随着降雨重现期增大，现状条件及不同范围缓冲区布设LID设施后，研究区域TSS,COD,TN,TP等污染物总量均呈现逐渐增加的趋势。同一重现期下，不同范围缓冲区布设LID设施后，研究区域的污染物总量明显降低，且随着缓冲区范围逐渐增大，污染物总量降低越多。根据模拟结果数据，计算出不同范围缓冲区布设LID措施后总污染负荷削减情况，可以看出，同一降雨重现期下，100~300 m缓冲区范围内布置LID设施后，TSS削减率约从11%增长到45%；COD削减率约从11%增长到42%；TN削减率约从11%增长到43%；TP削减率约从12%增长到50%。由此表明，LID措施对污染物负荷具有较好的去除效果，可以有效降低面源污染，改善河流水质状况。根据模拟结果可以看出，LID措施对4种污染物的削减效果的顺序为TP>SS>TN>COD。而在不同降雨重现期下，各缓冲区对应的污染物削减率变化不大，进一步证明LID设施对污染物去除效率相对较为稳定。3、结论本次研究以无锡市老城区古运河区域为研究对象，构建了研究区SWMM模型，并在此基础上进行了不同降雨事件、不同范围缓冲区LID开发模式下雨水径流量和径流污染负荷削减的模拟分析。结果表明：LID措施对城市雨水径流量、污染物总负荷均有明显削减作用。（1）相同降水重现期下，在100,200,300（m）围缓冲区范围布置LID措施后，研究区雨水的径流控制率都有明显的提高。同时，不同范围缓冲区布设LID设施后，研究区雨水径流量控制提升幅度总体呈先升高后降低的趋势。同一土地开发情景下，随着降雨重现期增大，雨水径流控制率逐渐降低，但布设LID设施后缓冲区降雨径流控制率降低幅度相对现状土地利用条件下降雨径流控制率均减小。（2）同一降雨重现期下，不同范围缓冲区布设LID设施后，研究区域产生的污染物总量相较于现状土地利用条件下产生的污染物总量明显降低，且缓冲区范围越大，污染物总量降低越多。说明LID措施对污染物负荷具有较好的去除效果，可以有效降低面源污染，改善河流水质状况。现状条件及不同范围缓冲区布设LID设施后，研究区域TSS,COD,TN,TP等污染物总量削减率不随着降雨重现期增大发生明显变化。（3）老城区开发建设强度大，人群密集，管网纵横，面源污染严重。基于缓冲区的河道面源污染控制是一种有效的河道面源污染控制方法。缓冲区控制范围越大，面源污染控制效果越明显，但经济投入亦增加。研究结果表明，布置LID设施的缓冲区范围从100 m增大200 m，相较缓冲区从200 m增大到300 m范围，研究区内降雨量径流控制及污染物总量控制提升幅度较大，因此应根据实际情况，综合考虑整治目标、经济因素、环境现状条件、及社会影响等各方面因素，制定合理的缓冲区控制范围，经济有效控制河道