黃 明，陳 帥，潘邦龍

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院，安徽 合肥 230000)

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，市政排水和水利防澇正緊密結(jié)合共同應(yīng)對復(fù)雜的水安全問題[1-2]，但城市擴(kuò)張帶來的人口和土地使用類型的變化造成了嚴(yán)重的水環(huán)境問題。徑流雨水?dāng)y帶著城市地區(qū)產(chǎn)生的地表污染物包括固體懸浮顆粒(TSS)、有機(jī)物(COD)和營養(yǎng)物(氮磷)等進(jìn)入水體，造成水體污染[3-4]。徑流雨水因?yàn)榉植夹詮V、隨機(jī)性大，使用數(shù)學(xué)模型對估算污染物負(fù)荷具有顯著優(yōu)勢[5-6]。為此，本文通過構(gòu)建研究區(qū)域面源污染SWMM模型，利用多年降雨數(shù)據(jù)和單場降雨數(shù)據(jù)模擬研究海綿改造后將對校園徑流雨水污染物負(fù)荷和受納水體水質(zhì)產(chǎn)生的控制效果。

1 研究方法

1.1 SWMM模型概述

暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，簡稱SWMM模型)，是由美國環(huán)保署(USEPA)委托美國水資源有限公司、梅特卡夫有限公司和佛羅里達(dá)大學(xué)共同研發(fā)的一款動態(tài)降雨-徑流模型，用于模擬單一或長期降雨事件下城市水量和水質(zhì)變化情況，SWMM模型包括水文、水力和水質(zhì)模塊。水文模塊主要為水力模塊提供各種水文數(shù)據(jù)，包括匯水區(qū)域降雨、蒸發(fā)、積雪融雪和降雨下滲對地下水補(bǔ)給等。水力模塊是SWMM模型的核心模塊，包括檢查井、管渠和各種附屬設(shè)施(調(diào)蓄池、孔口和溢流堰等)，用于模擬徑流雨水在水力組件中的非恒定流情況。水質(zhì)模塊是SWMM模型的擴(kuò)展模塊，包括不同土地使用類型下污染物累積和沖刷參數(shù)、天然雨水中污染物含量和晴天時街道清掃對污染物的去除率等，用于模擬旱季地表污染物累積和雨季地表污染物的沖刷情況，并且通過添加相應(yīng)的LID設(shè)施可以模擬海綿城市設(shè)計(jì)理念對場地徑流雨水水量和水質(zhì)的控制效果。

1.2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于安徽省合肥市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，占地面積約53hm2，土地利用類型主要為綠地、屋面、道路、公共用地和水體，如圖1所示。校園采取分流制排水系統(tǒng)將大部分徑流雨水排至人工湖，小部分雨水排至市政雨水管道。

圖1 研究區(qū)域影像圖

1.3 規(guī)劃目標(biāo)和模型構(gòu)建

根據(jù)《合肥市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃(2016—2030年)》的規(guī)定，合肥市城市面源污染TSS削減率在2020年達(dá)到50%和2030年達(dá)到60%。使用ArcGIS和SWMM軟件建立研究區(qū)域現(xiàn)狀面源污染SWMM模型，包括161個檢查井，161條雨水管道和61個子匯水區(qū)，如圖2a所示。在現(xiàn)狀模型基礎(chǔ)上添加下沉式綠地、雨水花園、透水鋪裝和綠色屋頂四種LID設(shè)施，構(gòu)建海綿改造后面源污染SWMM模型，包括161個檢查井，161條雨水管道和88個子匯水區(qū)，如圖2b所示。

1.4 模型參數(shù)

1.4.1 水文參數(shù)

圖3 多年逐日降雨和蒸發(fā)數(shù)據(jù)圖

多年氣象數(shù)據(jù)選用合肥市氣象局提供的2017.12.1—2019.12.1逐日降雨和蒸發(fā)數(shù)據(jù)(mm)，如圖3所示。單場降雨事件降雨量等級劃分依據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]，分別以2019年4月21日24 h降雨量9.3 mm(小雨)；2019年6月29日24 h降雨量21.3 mm(中雨)；2018年5月1日24 h降雨量46.6 mm(大雨)和2018年7月5日24 h降雨量90.5 mm(暴雨)為例，使用安徽江河水文水利設(shè)計(jì)院編制的新版合肥暴雨強(qiáng)度公式(1-1)將24 h降雨量處理為1 min間隔的降雨量(mm)，如圖4所示。

圖4 不同降雨強(qiáng)度下24 h降雨過程線圖

(1-1)

式中

q=暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)

P=重現(xiàn)期，a(年)

t=時間，min。

1.4.2 水力參數(shù)

水力組件包括雨水檢查井、雨水管和附屬設(shè)施(調(diào)蓄池和排放口)的實(shí)際位置和屬性信息通過查詢基礎(chǔ)資料和基于遙感影像特征信息提取方式獲得，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(霍頓系數(shù)、曼寧系數(shù)和最大洼地蓄水深度)等參考模型用戶手冊推薦值，并根據(jù)綜合徑流系數(shù)法率定水力參數(shù)使研究區(qū)域雨水徑流模擬結(jié)果接近實(shí)際產(chǎn)匯流狀況。

1.4.3 水質(zhì)參數(shù)

選擇TSS、COD、TN和TP作為特征污染物，研究區(qū)域緊鄰合肥市工業(yè)區(qū)，考慮大氣對天然雨水的污染，各污染物在天然雨水中的濃度分別為10 mg/L、10 mg/L、1 mg/L和0.1 mg/L。根據(jù)土地利用類型和污染物的不同，估算污染物累積和沖刷參數(shù)，道路清掃去除率70%，模型水質(zhì)參數(shù)來自實(shí)測數(shù)據(jù)和相關(guān)參考文獻(xiàn)[8-11]，具體參數(shù)見表1。

表1 污染物累積和沖刷參數(shù)

2 模擬和討論

2.1 多年降雨下污染物負(fù)荷削減情況

從圖5a～b可以看出，在不考慮末端調(diào)蓄的情況下，研究區(qū)域?qū)嵭泻＞d改造前年均面源污染TSS控制率為22%，海綿改造后年均面源污染TSS控制率為34%，低于合肥市面源污染近期規(guī)劃目標(biāo)要求。從圖5c～d可以看出，在考慮末端調(diào)蓄的情況下，研究區(qū)域?qū)嵭泻＞d改造前年均面源污染TSS控制率為70%，海綿改造后年均面源污染TSS控制率為77%，滿足合肥市面源污染遠(yuǎn)期規(guī)劃目標(biāo)要求。

2.2 單場降雨下污染物負(fù)荷削減情況

圖5 多年降雨下污染物負(fù)荷削減情況圖

單場降雨下污染物負(fù)荷削減情況以雨水中最常見且和其他污染物具有協(xié)同關(guān)系的TSS污染物分析為例，從圖6a可以看出，研究區(qū)域海綿改造前伴隨降雨強(qiáng)度的變化，TSS污染物變化范圍分別是綠地凈化1.8%～12%、人工湖收納2.2%～34%、市政管外排1.2%～37%和地表附著17%～94.8%。從圖6b可以看出，研究區(qū)域海綿改造后伴隨降雨強(qiáng)度的變化，TSS污染物變化范圍分別是綠地(含LID設(shè)施)凈化3.8%～34%、人工湖收納2.4%～29%、市政管外排1.2%～22%和地表附著15%～93%。

2.3 入湖污染物濃度變化情況

圖6 單場降雨下TSS負(fù)荷削減情況圖

圖7 單場降雨下人工湖TSS濃度變化情況圖

從圖7可以看出，在各降雨雨型峰值時間出現(xiàn)了人工湖TSS濃度變化，小雨事件對地表附著TSS污染物沖刷強(qiáng)度低，海綿改造前后均維持在初始濃度45 mg/L左右，伴隨降雨強(qiáng)度增大，被沖刷到人工湖的TSS污染物逐漸增多，海綿改造前人工湖TSS濃度最高為55 mg/L，對應(yīng)海綿改造后人工湖TSS濃度最高為50 mg/L。

3 結(jié)論

1)LID設(shè)施在蓄存徑流雨水同時能夠降低徑流雨水污染物負(fù)荷，考慮末端調(diào)蓄后校園面源污染TSS控制率達(dá)到77%，滿足合肥市面源污染遠(yuǎn)期規(guī)劃目標(biāo)要求。

2)校園海綿改造后伴隨降雨強(qiáng)度變化，LID設(shè)施對徑流雨水污染物負(fù)荷TSS、COD、TN和TP分別削減2%～22.8%、2.3%～18.5%、2.2%～13.8%和1.6%～12.5%。

3)校園海綿改造后伴隨降雨強(qiáng)度增大，入湖污染物濃度削減效果逐步提高，對人工湖水質(zhì)起到改善作用。