吳 濤，孫孝天

(安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230022)

近年來，隨著經(jīng)濟的快速增長，城市化進程進一步加快，環(huán)境污染問題越來越嚴重。城市面源污染已成為城市自然水污染和城市水生態(tài)破壞的源頭，引起了越來越多的關注。在歐洲，如丹麥和荷蘭，非點源污染也是一個嚴重的問題[1]。

在許多非點源污染研究中，非點源污染負荷的計算是非點源污染研究的重要環(huán)節(jié)。如何快速、準確地計算出治理區(qū)域的非點源污染負荷，對確定后續(xù)減排目標、制定減排計劃具有重要作用。

在現(xiàn)有的城市非點源污染研究中，主要涉及4個方向，即降雨徑流水質分析、降雨徑流中污染物的初始沖刷作用、城市降雨徑流水污染的影響因素和城市降雨徑流污染負荷的計算。

污染物負荷計算是污染源分析的重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)有的雨、徑流污染物負荷定量研究中，有3種計算方法，即濃度法、非點源概念模型法和統(tǒng)計模型法[2]。濃度法是以地表徑流污染為基本概念，以水質、水量同步監(jiān)測數(shù)據(jù)為支撐的計算方法。李懷恩曾用此法估算出黑河流域SS、TP、TN的總負荷量及其構成[3]。統(tǒng)計法是根據(jù)大量的測量數(shù)據(jù)建立污染負荷與相關因素之間相關性的方法。Schueler提出估算城市非點源污染負荷的計算模型。國內(nèi)一些研究者估算了南昌市的城市徑流污染負荷。有學者根據(jù)監(jiān)測雨量占年降雨量的比例估算城市徑流污染負荷[4]。Heneay等開發(fā)了一個估計年均降雨徑流污染負荷的模型，用于城市規(guī)劃和設計。除此之外，王麗還利用累積沖刷模型對江蘇省海安縣城區(qū)的污染負荷進行了計算[5]，紹蘭霞使用系數(shù)輸出模型對四平市地表徑流污染負荷進行了估算[6]，趙劍強根據(jù)公路路面徑流水質模型來估算了西安污染物徑流產(chǎn)率[7]。

目前，國內(nèi)外使用的城市非點源水質模型主要有SWMM、HSPF、STORM、DRM-Qual、MOUSE、WASP、Pollution、Wallingford等。其中，功能比較強大、應用比較廣泛的有SWMM、HSPF、DR3M-Qua22L和STORM。根據(jù)他人的總結和比較，在對4種模型在仿真過程中涉及的主要變量、仿真對象的覆蓋率和操作要求進行比較后發(fā)現(xiàn)，SWMM模型與其他3種模型相比具有很大的優(yōu)勢。因此，國內(nèi)學者經(jīng)常使用SWMM模型來量化污染負荷[8-9]。

1 SWMM模型簡介

SWMM模型包括水文過程模擬、水力過程模擬和水質過程模擬。這是一個基于水力學的降雨徑流模型。水文過程模擬是在子流域的基礎上完成的。由于受下墊面類型的影響，一般將子集水區(qū)分為透水區(qū)、有下陷的不透水區(qū)和無下陷的不透水區(qū)。整個子集水面積的輸出為3部分之和。利用連續(xù)性方程和曼寧方程，將透水面積和不透水面積近似處理為非線性水庫，計算出地表徑流。采用Horton方程、Green-AmPT模型和徑流曲線數(shù)值法計算透水面積的滲流。

SWMM模型提供了3種管道中水流的計算方法：穩(wěn)流法、運動波法和動波法。動波法通過求解完整的Saint Venant方程，包括管道中的連續(xù)性方程和動量方程以及節(jié)點處的質量守恒方程來計算匯流。動波法可以解決管道中的接頭水深和中壓水流問題，適用于任何管網(wǎng)系統(tǒng)。

當水質模塊模擬管道中水的運動時，假設管道中的水是完全混合的。利用質量平衡公式計算期末來自連接管道的污染物濃度。對其間可能發(fā)生變化的項目，如流量、管道容積等，取其期間平均值。蓄水設施節(jié)點的水質模擬方法與管道模擬方法相同。對于沒有容積型的節(jié)點，將節(jié)點處的水質降低為所有進水節(jié)點的混合濃度。

2 研究區(qū)域概況

合肥經(jīng)濟開發(fā)區(qū)地處中緯度地帶?，F(xiàn)狀屬北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，季節(jié)變化明顯。年平均氣溫16-18 ℃，年相對濕度76%，年日照時間2 000 h左右，無霜期長，平均220 d。全年主導風向為東北風。6月-9月的降雨量約占年降雨量的60%-70%，降雨季節(jié)分布不均。

合肥年平均降雨量為1 024 mm，淮河流域小于長江流域。合肥年最大降水量為1 541.1 mm，年最小降水量為694.3 mm。降水季節(jié)差異較大。春季(3月-5月)、夏季(6月-8月)、秋季(9月-11月)、冬季(12月-2月)降水量分別占全年降水量的28.1%、41.3%、19.2%和11.4%。全年中，7月降雨量最多，平均176.9 mm，12月降雨量最少，平均30.7 mm。

翡翠湖及其周邊公園(翡翠公園和翡翠湖景區(qū)，面積約1.54 km2)是合肥市重要的戶外休閑娛樂公共空間。由于城市的快速發(fā)展，翡翠湖周邊雨水的混合溢流和城市管網(wǎng)的錯接漏排直接進入湖中，導致湖水水質惡化。

3 研究區(qū)域模型建立

3.1 建模區(qū)域概況

本次建模區(qū)域位于翡翠湖的北部，其雨水排口位于翡翠湖迎賓館附近，其功能區(qū)主要由生活區(qū)、商業(yè)區(qū)和交通區(qū)組成，是翡翠湖附近商住混合區(qū)的典型代表。

3.2 管網(wǎng)系統(tǒng)的搭建

管網(wǎng)節(jié)點的全面信息包括管道的長度、直徑、高程、形狀、節(jié)點高度、節(jié)點深度。在管網(wǎng)搭建過程中，將不影響整體格局的次要管網(wǎng)剔除，將一些直徑和坡度相同的管網(wǎng)合并為一個新的管道，減少節(jié)點的分布。管網(wǎng)中的主要參數(shù)曼寧系數(shù)參考了SWMM操作手冊中提供的參考參數(shù)。迎賓館雨水口雨水分區(qū)管網(wǎng)信息如表1所示。迎賓館雨水口雨水分區(qū)節(jié)點信息如表2所示。

表1 迎賓館雨水口雨水分區(qū)管網(wǎng)信息

表2 迎賓館雨水口雨水分區(qū)節(jié)點信息

根據(jù)表1-表2中的節(jié)點管線信息，將翡翠湖迎賓館雨水排口分區(qū)劃分為25個子集水區(qū)，并概括為20個管道、20個節(jié)點、1個排水口。

3.3 子匯水區(qū)信息及參數(shù)匯總

匯水區(qū)信息及參數(shù)匯總表如表3所示。

表3 迎賓館排口雨水分區(qū)子匯水區(qū)信息與參數(shù)匯總表

3.4 水質參數(shù)的獲取

在SWMM模型中，主要是利用土地利用編輯器來定義研究面積的土地利用類型，定義它的污染物增長和沖刷特性。編輯器中分別有3個子頁General、Buildup、Washoff，分別對應污染物的常用設定，增長設定與沖刷設定。

(1)常用頁參數(shù)

常用設定除了土地名稱值外，主要為街道清掃情況。它是由清掃頻率，去除效率及模擬開始時最后一次清掃以來的天數(shù)3個參數(shù)來構成的。根據(jù)當?shù)丨h(huán)衛(wèi)部門的表現(xiàn)，清掃頻率設定為1次/d。參考郭琳等[10]在長沙市對地表污染物的研究及王志標等[8]的經(jīng)驗，地表污染物去除效率設定為70 %。

(2)增長頁參數(shù)

增長函數(shù)選用了Horton函數(shù)模型，其參數(shù)參考了祁紅英等的研究，參數(shù)整理如表4所示。

表4 地表污染物增長參數(shù)

(3)沖刷頁參數(shù)

沖刷函數(shù)采用指數(shù)沖刷函數(shù)，參數(shù)來源于王志標等的研究。沖刷參數(shù)如表5所示。

表5 地表污染物沖刷參數(shù)

3.5 模型參數(shù)的確定

調用2019年6月29日與2019年8月28日兩場降雨資料來對迎賓館排口雨水分區(qū)進行對校驗。實測降雨數(shù)據(jù)如表6所示，模擬值與實測數(shù)據(jù)對比如表7所示。

表6 實測降雨數(shù)據(jù)特征

表7 迎賓館雨水排口分區(qū)模擬值與實測數(shù)據(jù)對比

從表6和表7可以看出，模擬結果的水力水質數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)差別較大。鑒于除子匯水區(qū)寬度之外的水文水力參數(shù)都是有實際數(shù)據(jù)作為支撐，故主要對子匯水區(qū)寬度做出調整。根據(jù)韓嬌等[11]對水質參數(shù)靈敏度的分析上表明，綠地污染物的累計和污染物沖刷參數(shù)可以忽略，其靈敏度參數(shù)在于路面和屋面的沖刷累計參數(shù)，而施林超[12]的研究中發(fā)現(xiàn)，累計函數(shù)中參數(shù)靈敏值要遠遠大于沖刷函數(shù)的參數(shù)。故此次水質參數(shù)調整主要以路面累計參數(shù)為主而做出相應調整。

經(jīng)過反復調整比對，將調整過的參數(shù)輸入模型后得出新的模擬結果，將模擬結果與實際數(shù)據(jù)再次進行對比如表8所示。調整后的子江水區(qū)寬度如表9所示。調整后的污染的累計參數(shù)如表10所示。調整后的污染物沖刷參數(shù)如表11所示。SWMM模擬結果如表12所示。

表8 調整后迎賓館排口雨水分區(qū)模擬值與實測值對比

表9 調整后的子匯水區(qū)寬度(迎賓館雨水排口分區(qū))

表10 調整后的污染物累計參數(shù)(迎賓館排口雨水分區(qū))

表11 調整后的污染物沖刷參數(shù)

表12 SWMM模擬結果

4 結 語

長期以來，非點源污染負荷的計算一直是非點源污染分析的重要環(huán)節(jié)和難點。如何快速、準確地計算出相應的污染物負荷，進而確定污染負荷指標并提出相應的減排方案，一直是非點源污染控制的核心內(nèi)容。本文以城市非點源污染為背景，對污染物負荷的計算進行了研究。研究結論如下：

(1)利用ARCGIS、ENVI輔助軟件，提取了下墊面的坡度與不透水率等重要參數(shù)。相較于以往使用文獻參考的數(shù)據(jù)，研究結果提高了模型的準確性。

(2)使用分析軟件初步構建起基于SWMM模型的水質水量動態(tài)模型。通過參考兩場實際降雨所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，進一步對模型參數(shù)進行調整，使之與相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)相匹配。