基于SWMM模型的LID措施年SS總量去除率計(jì)算

吳海春，胡愛兵，任心欣

(深圳市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著大家對海綿城市認(rèn)識的不斷深入，由降雨引起的非點(diǎn)源污染也越來越受人們的關(guān)注。目前，由于雨水下滲過程的復(fù)雜性，普遍利用SWMM(storm water management model)模型計(jì)算年徑流總量控制率(K)和年SS總量去除率(S)，由于SWMM模型在對污染物進(jìn)行模擬時(shí)并未考慮LID措施對污染物的凈化作用，致使模型法在S值計(jì)算中存在較大誤差[1-3]。鑒于此，研究基于SWMM模型并考慮LID措施凈化作用的S值計(jì)算方法就顯得十分必要和迫切。本文以深圳市玉田河流域?yàn)槔?，建立SWMM模型，介紹其在S值計(jì)算中考慮LID措施凈化作用的方法，并對K值和S值的關(guān)系進(jìn)行研究。

1 SWMM模型計(jì)算原理

SWMM模型為美國環(huán)境保護(hù)局(United States Environmental Protection Agency, USEPA)在1971年與梅特M&E有限公司、美國水資源與水環(huán)境有限公司(Water Resource and Environment，WRE)和美國佛羅里達(dá)大學(xué)3家單位聯(lián)合開發(fā)的一個(gè)動態(tài)的降雨徑流模擬軟件[4]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展升級，SWMM模型已經(jīng)升級至5.1版本，可以模擬水文、水力、水質(zhì)情況，能實(shí)現(xiàn)LID措施對排水系統(tǒng)的影響效果評估、LID措施對暴雨徑流滯留與徑流污染控制效果評價(jià)以及LID設(shè)施結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)等方面的功能。

1.1 LID措施計(jì)算原理

SWMM模型將LID措施概化為一個(gè)蓄水池，不同的LID措施由不同的層組成。本研究以生物滯留池(圖1)為例，介紹LID計(jì)算原理。其他LID措施類似，可參看文獻(xiàn)[1]、[4]。

圖1 生物滯留池概化圖

生物滯留池包括表層、土壤層、蓄水層和排水層，其中蓄水層和排水層可選，各層層內(nèi)蓄水水深和土壤含水量等通過水量平衡方程計(jì)算，具體各層之間水量交換概化方式如下：①表層與溢流之間，當(dāng)下滲速率小于進(jìn)水速率時(shí)，表層水深開始增加，當(dāng)表層水深達(dá)到表層厚度時(shí)，LID措施開始通過表層向外溢水；②表層與土壤層之間，隨著表層雨水向土壤層下滲，土壤層土壤含水量開始逐步增加，當(dāng)達(dá)到所設(shè)置的飽和含水量時(shí)，土壤中水分開始向蓄水層下滲；③土壤層與蓄水層之間，隨著土壤層雨水向蓄水層下滲，蓄水層水深開始增加；④蓄水層與潛流之間，隨著蓄水層水深的增加，當(dāng)達(dá)到所設(shè)置的溢流水深時(shí)，蓄水層開始向外排水。

1.2 污染物計(jì)算原理

SWMM模型在計(jì)算污染物時(shí)，將子匯水區(qū)劃分為若干下墊面，針對每種下墊面將污染物模擬分為人工清掃、污染物累積和污染物沖刷3個(gè)過程。其中人工清掃過程需設(shè)置清掃時(shí)間間隔、可清除比例、模擬時(shí)間距上次清掃時(shí)間等參數(shù)。為確定每個(gè)子匯水區(qū)中各下墊面面積，需輸入每個(gè)子匯水區(qū)各下墊面所占比例。污染物累積過程以時(shí)間為自變量，污染物累積量為因變量，累積量分別為時(shí)間的冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、飽和函數(shù)、外部時(shí)間序列等4種累積形式逼近最大累積量[5]。污染物沖刷過程提供了指數(shù)函數(shù)、徑流特性沖刷曲線和次降雨平均濃度法3種沖刷函數(shù)。其中，徑流特性沖刷曲線和次降雨平均濃度法僅考慮了徑流量對沖刷過程的影響，指數(shù)函數(shù)沖刷方程是唯一同時(shí)考慮污染物累積量和降雨徑流量對沖刷過程影響的方程，故一般常用指數(shù)函數(shù)方程。

2 考慮LID措施凈化作用的思路

LID措施可從兩個(gè)方面削減污染物：①LID措施促進(jìn)雨水下滲或蓄存部分雨水，徑流量減少，而徑流量中攜帶有污染物，徑流量減少導(dǎo)致污染物減少；②LID措施對雨水水質(zhì)有凈化作用，可使溢流雨水中污染物濃度降低，致使溢流雨水污染物總量減少。SWMM模型在對污染物進(jìn)行模擬時(shí)僅考慮了前者，未考慮到后者。沖刷參數(shù)中BMP(best management practices)去除效率主要指LID措施對污染物的去除效率，欲實(shí)現(xiàn)考慮LID措施對雨水水質(zhì)的凈化作用的污染物模擬，需新建LID下墊面，并設(shè)置對應(yīng)的BMP去除效率，調(diào)整對應(yīng)下墊面比例。如假設(shè)某子匯水區(qū)未添加LID措施時(shí)下墊面劃分及所占比例為道路30%、屋頂40%、綠地30%，進(jìn)行LID改造，將50%的屋頂改造為綠色屋頂，需新建綠色屋頂下墊面，綠色屋頂與屋頂?shù)膮?shù)除BMP去除率外其他均保持一致，綠色屋頂BMP去除率取75%。考慮LID措施凈化作用后的下墊面所占比例分別為道路30%、屋頂20%、綠地30%、綠色屋頂20%。

3 SWMM模型構(gòu)建

3.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)橛裉锖恿饔?，位于國家低影響開發(fā)示范區(qū)——深圳市光明新區(qū)，玉田河為茅洲河上游一級支流，總面積13.6 km2，屬海洋性熱帶季候風(fēng)區(qū)，盛行季風(fēng)，夏、秋季節(jié)常受臺風(fēng)影響。年均氣溫22℃，多年平均相對濕度79%，年均水面蒸發(fā)量為1 345.7 mm。年降雨量約為1 700～2 000 mm，降雨量季節(jié)分配極不均衡，主要集中在4—9月，這幾個(gè)月的降雨量占全年降水的85%以上。

3.2 模型構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)域管網(wǎng)圖提取檢查井和管網(wǎng)，但考慮到雨水篦子僅具有收水功能，較多短管則模型易不穩(wěn)定，故將雨水篦子刪除，并合并較短管網(wǎng)[4,6]。根據(jù)研究區(qū)域地形圖、道路、管線及建筑物分布等對其進(jìn)行子匯水區(qū)劃分，由于研究區(qū)域地勢平坦，在子匯水區(qū)劃分過程中更加重視街道和社區(qū)單元的分布情況，將較小子匯水區(qū)調(diào)整合并共劃分為194個(gè)子匯水區(qū)、186個(gè)節(jié)點(diǎn)、185根管道。

子匯水區(qū)參數(shù)主要可分為確定性參數(shù)和不確定性參數(shù)，如坡度、面積、下墊面比例等為確定性參數(shù)，不確定性參數(shù)可參考相同或相近地區(qū)其他學(xué)者所做的研究。根據(jù)地形圖等資料計(jì)算各子匯水區(qū)的平均坡度，并結(jié)合遙感影像圖提取各子匯水區(qū)道路、屋頂和綠地等下墊面所占比例，計(jì)算確定性參數(shù)。因玉田河流域緊鄰鵝頸水流域，不確定性參數(shù)參考吳亞男等[7]在鵝頸水流域所做研究，具體水動力參數(shù)和SS模擬參數(shù)見表1和表2。

表1 水動力參數(shù)取值

表2 不同下墊面SS模擬參數(shù)

表3 各類建設(shè)項(xiàng)目LID設(shè)施比例

根據(jù)《深圳市海綿城市規(guī)劃要點(diǎn)和審查細(xì)則》，玉田河流域位于深圳市西部雨型區(qū)，采用深圳市西部地區(qū)年降雨數(shù)據(jù)和蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。各類建設(shè)項(xiàng)目LID設(shè)施比例見表3。

4 S值計(jì)算

4.1 初期沖刷現(xiàn)象

初期沖刷效應(yīng)受多種因素影響，雨水徑流初期累積輸送的污染物占該場次降雨輸送污染物負(fù)荷總量的比例大于累積輸送徑流量占該場次降雨輸送徑流總量的比例時(shí)，即認(rèn)為存在初期沖刷現(xiàn)象。車伍等[8]對上百場降雨事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)83.3%的降雨事件都發(fā)生了初期沖刷現(xiàn)象；李明遠(yuǎn)等[9]研究發(fā)現(xiàn)存在初期沖刷的情況下，30%～40%雨水徑流攜帶了50%～70%污染負(fù)荷；李春林等[10]研究發(fā)現(xiàn)大約有50%～90%的降雨事件產(chǎn)生初期沖刷現(xiàn)象；Hall等[11]研究發(fā)現(xiàn)大約有60%～80%的降雨事件產(chǎn)生初期沖刷現(xiàn)象。國內(nèi)外對初期沖刷效應(yīng)的判定方法較多，但大多采用無量綱累積M(V)曲線方法(式(1))。以該場次累積徑流量與徑流總量之比為橫坐標(biāo)，以污染物累積負(fù)荷與污染物負(fù)荷總量之比為縱坐標(biāo)作圖，繪制無量綱曲線圖(圖2)，當(dāng)M(V)曲線在45°對角線之上時(shí)，則發(fā)生初期沖刷現(xiàn)象，反之不存在初期沖刷現(xiàn)象[12]。

圖2 M(V)曲線示意圖

(1)

式中：M(t)為t時(shí)刻降雨過程排放的污染負(fù)荷量，mg；V(t)為t時(shí)刻降雨過程排放的徑流量，L；Q(t)為t時(shí)刻的瞬時(shí)徑流量，L/min；C(t)為t時(shí)刻的瞬時(shí)污染物濃度，mg/L；T為從降雨產(chǎn)生徑流開始至降雨徑流結(jié)束持續(xù)時(shí)間，min。

4.2 初期沖刷現(xiàn)象對S值的影響

2014年10月住建部頒布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》中明確提到“年SS總量去除率等于年徑流總量控制率乘以低影響開發(fā)設(shè)施對SS的平均去除率”[13]，該法默認(rèn)S值與K值之間存在比例關(guān)系，所以得出的結(jié)果S值必然小于K值。但事實(shí)上，S值和K值之間并無該比例關(guān)系，SS的去除率為一個(gè)相對概念，等于LID截留部分乘以LID措施蓄滿時(shí)的質(zhì)量初期雨水沖刷強(qiáng)效應(yīng)指數(shù)MFF[14]，該指數(shù)是基于M(V)曲線法提出的。采用的LID措施比例越大，則S值越大。而K值主要為下滲雨量加上LID控制雨量，除了和采用的LID措施比例有關(guān)外，還與透水下墊面下滲雨水量等有關(guān)，透水下墊面下滲雨水量和LID措施比例之和越高則K值就越大，具體如圖3所示。因?yàn)長ID主要截留初期中小降雨，若考慮初期沖刷效應(yīng)，則單個(gè)地塊S值可能大于K值。車伍等[8]研究也發(fā)現(xiàn)，若初期沖刷明顯，S值可能會大于K值；若初期沖刷不明顯，則S值小于K值。

(a) K值

(b) S值

4.3 玉田河流域S值計(jì)算

添加透水鋪裝、綠色屋頂、下沉綠地等3種LID措施分別用于改造道路、屋頂、綠地，新建透水鋪裝、綠色屋頂、下沉綠地等LID下墊面，其水質(zhì)參數(shù)除BMP去除率與未改造前下墊面水質(zhì)參數(shù)不同外，其他均與未改造前下墊面水質(zhì)參數(shù)相同。依據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[15]和《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》，取透水鋪裝、綠色屋頂和下沉綠地對SS的去除率即BMP去除率分別為85%、75%、60%。按前文所述方法計(jì)算考慮和不考慮LID凈化作用兩種情況計(jì)算S值，可得到在不考慮LID凈化作用的情況下，S值為23.2%；在考慮LID凈化作用的情況下，S值為30.1%，后者為前者的1.3倍。

5 結(jié) 論

a.S值與K值之間并無直接比例關(guān)系。K值主要與透水下墊面下滲能力及LID措施截留總徑流量有關(guān)；S值為相對概念，與LID措施截留的污染物量及初期沖刷效應(yīng)有關(guān)。因?yàn)長ID措施主要影響初期中小降雨，在考慮初期沖刷效應(yīng)的情況下，單個(gè)地塊S值有可能會大于K值。

b. 以玉田河流域?yàn)槔M(jìn)行模擬，在不考慮LID凈化作用的情況下，S值為23.2%；在考慮LID凈化作用的情況下，S值為30.1%，后者為前者的1.3倍。