李連文，代張路，李 昂，劉加強，蘇林萌

[1.徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 221111；2.濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責(zé)任公司徐州分公司，江蘇 徐州 221007；3.江蘇瑞杰項目管理顧問有限公司徐州分公司，江蘇 徐州221007]

0 引言

“十三五”期間，我國污染防治攻堅戰(zhàn)和生態(tài)系統(tǒng)整治取得了重大成效，但挑戰(zhàn)壓力仍在。我國對黑臭水體進行了綜合整治，但治理后城市內(nèi)河出現(xiàn)大量返黑返臭的現(xiàn)象[1]。在我國點源污染已基本被控制的情況下，城市面源污染的治理成為水環(huán)境治理的主要對象及新挑戰(zhàn)[2]。城市面源污染是地表累積的污染物隨著降雨徑流，經(jīng)排水系統(tǒng)進入受納水體，造成城市水體污染。其時空分布離散、污染途徑隨機、成分復(fù)雜多變的特點使其治理難度較大。城市面源污染控制技術(shù)由原來的圍繞末端處理設(shè)施過渡到現(xiàn)在的重視源頭控制技術(shù)，當(dāng)前推崇采用低影響開發(fā)源頭削減措施來治理城市徑流污染[3]。《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）中規(guī)定“用于分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制的雨水調(diào)蓄設(shè)施的設(shè)計應(yīng)按當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)規(guī)劃確定的年徑流總量控制率、年徑流污染控制率等目標(biāo)計算調(diào)蓄量，并應(yīng)以源頭減排設(shè)施為主”[4]。本文以徐州市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)房亭河水環(huán)境綜合整治工程為研究對象，探討單一LID措施及組合措施在城市面源污染控制上的實際應(yīng)用及削減效果，為下一步工程設(shè)計及實施提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究對象為徐州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)三八河排水片區(qū)，排水區(qū)面積約為12.8 km2，三八河匯水區(qū)屬于已建成區(qū)，排水分區(qū)范圍內(nèi)徐海路以北建筑密度高，徐海路以南為金龍湖生態(tài)風(fēng)景區(qū)，建筑密度相對較低。三八河匯水區(qū)范圍圖如圖1所示。

圖1 三八河匯水區(qū)范圍圖

區(qū)域內(nèi)排水體制采用雨污分流制，雨水管道及管渠材質(zhì)為鋼筋混凝土，施工質(zhì)量較好，雨水管道管徑為d400～d2000，管渠尺寸介于B×H=2 m×2 m～5 m×4 m之間，基本上能夠滿足2年重現(xiàn)期要求，雨水管道（渠）數(shù)據(jù)來源于最新管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)。排水管網(wǎng)普查圖如圖2所示。

圖2 排水管網(wǎng)普查圖

2 SWMM模型構(gòu)建

2.1 子匯水區(qū)劃分

首先利用ArcGIS軟件對研究區(qū)進行子匯水區(qū)劃分，然后根據(jù)道路分布及雨水管道情況進行手動調(diào)整，得到子匯水區(qū)491個，節(jié)點524個（包含排出口），結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 S WMM概化圖

圖4 建筑圖層s hp

2.2 不滲透系數(shù)計算

不滲透系數(shù)根據(jù)子匯水區(qū)內(nèi)不同的下墊面性質(zhì)加權(quán)平均得出。對研究區(qū)內(nèi)測量資料進行分析，將其下墊面性質(zhì)分為道路、建筑、其他及綠地四種，根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）和文獻研究成果[5]得到道路、建筑、其他及綠地綜合徑流系數(shù)取值分別為0.75、1、0.3、0.2，然后利用ArcGIS軟件進行加權(quán)平均計算。

2.3 模型參數(shù)取值

因研究內(nèi)容為城市面源污染削減，需搭建水文模型和水質(zhì)模型。

（1）水文模型：地表產(chǎn)流模型采用Horton下滲模型，匯流模型采用非線性水庫模型；（2）水質(zhì)模型：污染物累積模型采用EXP累積方程，污染物沖刷模型采用EXP沖刷方程。

根據(jù)SWMM模型用戶手冊及文獻研究[6-9]，SWMM模型水文參數(shù)獲取方法及取值表、SWMM模型水質(zhì)參數(shù)取值表見表1、表2。

表1 S WMM模型水文參數(shù)獲取方法及取值表

表2 S WMM模型水質(zhì)參數(shù)取值表

2.4 降雨數(shù)據(jù)

降雨數(shù)據(jù)采用合成數(shù)據(jù)，采用芝加哥雨型與徐州市暴雨強度公式合成降雨數(shù)據(jù)，降雨歷時取180 min，雨峰系數(shù)取為0.4，分別模擬重現(xiàn)期為1 a、2 a、3 a、5 a和10 a五種不同重現(xiàn)期的降雨，降雨過程如圖5所示。徐州市暴雨強度公式如式（1）：

圖5 不同重現(xiàn)期下降雨過程線

式中：q為暴雨強度，（L/s）/ha；P為設(shè)計重現(xiàn)期，a；

t為降雨歷時，min。

2.5 模型率定

選用20210820、20210901兩場降雨進行模型率定與驗證，降雨數(shù)據(jù)及徑流數(shù)據(jù)均來源于經(jīng)開區(qū)水務(wù)處，CODCr濃度數(shù)據(jù)來源于課題組實驗檢測數(shù)據(jù)，其結(jié)果分別如圖6、圖7所示。兩場降雨模擬和實測峰值偏差分別為5.13%、6.38%，峰現(xiàn)時間分別相差7 min、9 min，根據(jù)《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和應(yīng)用規(guī)程》（T/CECS647—2019），模型結(jié)果具有可信度[10]。

圖6 20210901徑流模擬—實測曲線

圖7 20210820 CODCr模擬—實測曲線

3 LID措施的設(shè)置

3.1 LID措施選取及參數(shù)設(shè)置

結(jié)合相關(guān)研究文獻以及工程實際[11-12]，考慮到研究區(qū)域為已建成區(qū)，進行滲透路面等改造較為復(fù)雜且施工困難，因此擬采用綠色屋頂、生物滯留設(shè)施、雨水花園三種常見的LID措施進行研究。根據(jù)SWMM中文手冊及查閱相關(guān)文獻，綠色屋頂、生物滯留設(shè)施、雨水花園具體參數(shù)設(shè)置見表3、表4、表5。

表3 綠色屋頂參數(shù)設(shè)置一覽表

表4 生物滯留設(shè)施參數(shù)設(shè)置一覽表

表5 雨水花園設(shè)施參數(shù)設(shè)置一覽表

3.2 LID措施設(shè)置原則

LID措施應(yīng)用中，采用雨水花園應(yīng)用于對現(xiàn)狀綠地進行改造，生物滯留設(shè)施應(yīng)用于對現(xiàn)狀裸露地表進行改造，綠色屋頂應(yīng)用于對建筑屋面進行改造?？紤]LID措施的可實施性，需要對各子匯水區(qū)的現(xiàn)狀綠地、裸露地表面積和建筑面積進行計算，計算步驟如下（以建筑面積計算為例）：（1）將“建筑”用地性質(zhì)徑流系數(shù)定義為100，其它所有的用地性質(zhì)徑流系數(shù)定義為1；（2）采用子匯水區(qū)綜合徑流系數(shù)計算方法計算出該種情況下各個子匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)；（3）利用如下公式計算出“建筑”圖層的面積在各個子匯水區(qū)中所占比例。

式中：X為用地性質(zhì)所占子匯水區(qū)的比例；C為此種情況下的綜合徑流系數(shù)。

采用同樣的方法計算出現(xiàn)狀綠地、裸露地表兩種用地性質(zhì)所占各個子匯水區(qū)的比例，結(jié)果見表6。

表6 不同用地性質(zhì)所占各子匯水區(qū)的比例（部分）

生物滯留設(shè)施、雨水花園與綠色屋頂對應(yīng)的改造比例分別設(shè)置20%、40%、60%、80%四種情況。

4 模擬結(jié)果與分析

在進行徑流污染控制效果分析時，污染物削減率以污染物排放總量來進行計算，污染物排放濃度以EMC（場次降雨平均濃度）表示，以便與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中各類水體標(biāo)準(zhǔn)進行對比。

4.1 單一LID措施削減效果分析

將生物滯留設(shè)施、雨水花園與綠色屋頂三種LID措施設(shè)置在SWMM模型中，按面積占比分別為20%、40%、60%、80%，模擬1 a、2 a、3 a、5 a、10 a降雨情況下的污染物削減與排放情況，其結(jié)果如圖8至圖10所示（以COD削減率及排放平均濃度為例）。

圖8 生物滯留設(shè)施COD削減率及排放平均濃度

圖9 雨水花園COD削減率及排放平均濃度

圖10 綠色屋頂COD削減率及排放平均濃度

根據(jù)結(jié)果可知，生物滯留設(shè)施、雨水花園與綠色屋頂面積占比越高，即改造面積越大，COD、TN污染物削減率越高。改造比例分別為20%、40%、60%、80%時，生物滯留設(shè)施不同重現(xiàn)期下的COD平均污染物削減率介于42.50%～57.10%之間，TN平均污染物削減率介于48.09%～54.93%之間；雨水花園不同重現(xiàn)期下的COD平均污染物削減率介于31.92%～36.71%之間，TN平均污染物削減率介于27.02%～33.33%之間；綠色屋頂不同重現(xiàn)期下的COD平均污染物削減率介于24.77%～41.03%之間，TN平均污染物削減率介于19.48%～33.76%之間。

在同一重現(xiàn)期條件下，LID措施改造面積占比越高，COD、TN污染物排放平均濃度越低。在1 a一遇降雨強度時，分別設(shè)置生物滯留設(shè)施、雨水花園與綠色屋頂措施后，COD污染物排放平均濃度分別在19.51～26.31 mg/L、31.92～47.67 mg/L、33.77～59.68 mg/L，TN污染物排放平均濃度分別在0.97～1.60 mg/L、1.58～1.68 mg/L、1.73～2.03 mg/L；在10 a一遇降雨強度時，COD污染物排放平均濃度分別在19.51～26.31 mg/L、28.48～44.79 mg/L、25.89～44.29 mg/L，TN污染物排放平均濃度在1.06～1.49 mg/L、1.50～1.57 mg/L、1.36～1.44 mg/L。COD、TN污染物排放平均濃度也均高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅲ水體COD、TN的污染物指標(biāo)值。

根據(jù)以上對單一生物滯留設(shè)施、雨水花園與綠色屋頂徑流污染效果分析可知，污染物控制效果生物滯留設(shè)施＞雨水花園/綠色屋頂，雨水花園與綠色屋頂污染物控制效果相近，隨著改造面積的增大，雨水花園污染物控制效果變化率相較更小。

4.2 組合LID措施削減效果分析

根據(jù)單一LID措施污染物削減效果，單一LID措施無法達到III類水體排放標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)置兩種組合措施方案進行削減效果研究。方案一：改造比例為60%的生物滯留設(shè)施+8 mm調(diào)蓄量的調(diào)蓄池，調(diào)蓄池設(shè)置位置、原則詳見其他研究成果；方案二：改造比例為60%的生物滯留設(shè)施+改造比例為40%的綠色屋頂+改造比例為20%雨水花園，其模擬結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 組合方案COD削減率及排放平均濃度

圖12 組合方案TN削減率及排放平均濃度

由圖11、圖12可知，在暴雨重現(xiàn)期分別為1 a、2 a、3 a、5 a、10 a時，方案一的COD污染物削減率分別為77.45%、72.11%、70.38%、68.95%、67.93%，TN污染物削減率分別為75.70%、67.74%、64.68%、61.99%、60.02%；方案二的COD污染物削減率分別為70.61%、67.45%、64.71%、64.88%、64.77%，TN污染物削減率分別為63.64%、58.20%、56.21%、54.85%、54.10%。隨著降雨強度的增加，COD、TN污染物的削減率隨之減少。

在不同暴雨重現(xiàn)期時，方案一組合措施下的COD污染物排放平均濃度在14.45～17.99 mg/L之間，TN污染物排放平均濃度在0.55～0.84 mg/L之間；方案二組合措施下的COD污染物排放平均濃度在15.60～19.93 mg/L之間，TN污染物排放平均濃度在0.71～0.92 mg/lL之間。

經(jīng)組合方案一與組合方案二對徑流污染物進行削減后，其排放水質(zhì)能夠達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅲ水體COD、TN的污染物指標(biāo)值。組合方案一污染物削減效果要高于組合方案二，這是因為多種源頭控制措施同時使用具有效果遞減效應(yīng)，源頭控制措施+末端控制措施往往能夠達到更高的削減效果。

5 結(jié)論

（1）徑流污染受降雨強度影響較大，降雨強度越大，徑流污染物總量越高；但隨著降雨量增加，排入受納水體的水量也隨之增加，降雨量增加率要高于污染物增加率，即降雨強度越小，排放水質(zhì)污染物濃度越高。

（2）單一LID控制措施較難達到地表III類水體排放標(biāo)準(zhǔn)的控制目標(biāo)，需要對LID控制措施進行組合使用。生物滯留設(shè)施污染物削減效果要優(yōu)于雨水花園和綠色屋頂，故在組合措施方案使用時，建議以生物滯留設(shè)施為主。

（3）源頭控制措施同時使用時，污染物削減效果要優(yōu)于單一LID控制措施，但其具有效果遞減效應(yīng)，當(dāng)排水水質(zhì)要求較高時，建議采用源頭控制措施+末端控制措施組合使用，以達到更高的污染物削減效果。