LID措施對(duì)城南河流域水質(zhì)改善效果研究

周文琦， 俞芳琴， 劉 俊， 嚴(yán)一晨

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.南京市浦口區(qū)水務(wù)局， 江蘇 南京 211800)

與自然河湖生態(tài)系統(tǒng)相比，城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的干擾日漸增加[1]。從水文過程來看，由于城市下墊面硬化，雨水匯流時(shí)間大大降低，缺乏土壤和植被降解水體污染的過程，對(duì)河湖水體造成污染[2-4]。為降低雨水徑流造成的污染，修復(fù)傳統(tǒng)“快排”模式所破壞的“降水—下滲—徑流—滯蓄—蒸騰”自然水文循環(huán)鏈[5]。研究以城南河流域?yàn)槔?，因地制宜布設(shè)低影響開發(fā)(LID)措施，模擬LID措施對(duì)流域內(nèi)各河道污染物的削減效果，以期研究LID措施對(duì)水質(zhì)的改善效果的影響因素。

1 研究區(qū)域現(xiàn)狀

城南河流域位于南京市浦口區(qū)境內(nèi)，流域面積約81.6 km2。城南河流域分為上游丘陵段、中游城區(qū)段、下游圩區(qū)段，上游丘陵段主要為城南河?xùn)|西支、雨山河及上游支流，中游城區(qū)段為城南河主河段，下游圩區(qū)段主要有豐字河、東方紅河、南農(nóng)河、芝麻河[6]。

近年來，浦口區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，城市建設(shè)活動(dòng)頻繁[7]。一方面，城南河流域下墊面不透水率增加，導(dǎo)致流域入滲、蒸散發(fā)、徑流等水文要素發(fā)生變化，從而引起流域產(chǎn)匯流的變化。另一方面，隨著人口高度密集化，城市下墊面硬化比例不斷提高，大量的城市地表污染物隨降雨徑流進(jìn)入受納水體，導(dǎo)致城南河流域整體水質(zhì)較差，水生態(tài)環(huán)境整體較脆弱。

2 LID措施布局

對(duì)于研究區(qū)域下墊面硬化造成的降雨徑流污染問題，在2年一遇、5年一遇降雨條件下進(jìn)行LID措施布局，結(jié)合《南京海峽兩岸科技工業(yè)園海綿園區(qū)建設(shè)規(guī)劃》(2016—2030)要求，各匯水分區(qū)按照各自下墊面類型及所占面積布設(shè)LID措施。丘陵區(qū)建議通過開展山區(qū)水土流失治理，開展生態(tài)林建設(shè)與保護(hù)，改善丘陵區(qū)水源涵養(yǎng)功能，進(jìn)一步提高丘陵山區(qū)生態(tài)環(huán)境；城區(qū)下墊面類型以硬質(zhì)化道路、廣場、屋頂為主，布設(shè)下凹式綠地、綠色屋頂、雨水花園、透水鋪裝等LID設(shè)施。各匯水分區(qū)LID布設(shè)方案見表1。

表1 各匯水分區(qū)LID布設(shè)方案

3 LID水質(zhì)模擬

本次研究選用SWMM模型進(jìn)行海綿城市LID措施的效果模擬。SWMM模型有較完備的LID和水質(zhì)模擬功能，SWMM5.0版本專門增加了LID模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)8種LID設(shè)施的模擬，還可以對(duì)不同土地利用的下墊面進(jìn)行污染物累積和沖刷的模擬。

3.1 匯水分區(qū)

河網(wǎng)概化過程中以骨干河道為基礎(chǔ)，進(jìn)行合理的河道概化并劃分匯水分區(qū)，見圖1。

圖1 城南河流域河網(wǎng)及匯水分區(qū)圖

3.2 設(shè)計(jì)暴雨

本次模擬城南河流域產(chǎn)匯流過程,根據(jù)《江蘇省暴雨參數(shù)圖集》的研究成果，選用24 h設(shè)計(jì)暴雨，確定點(diǎn)暴雨量、折算系數(shù)和時(shí)程分配表。得出浦口區(qū)在2年一遇、5年一遇情況下的逐小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型，見圖2。

圖2 浦口區(qū)24 h設(shè)計(jì)暴雨雨型

3.3 參數(shù)設(shè)置

劃分研究區(qū)域下墊面，包括屋頂及非道路鋪裝(村莊、建筑、構(gòu)筑物及硬化面)、綠化(草地、林地、農(nóng)田園地)及道路及工地(道路、工地及堆掘地)。根據(jù)研究區(qū)域水體較為關(guān)注的水質(zhì)指標(biāo)，以地表徑流主要污染因子COD、NH3-N、TP作為研究對(duì)象。天然雨水中的污染物取值COD為20 mg/L、NH3-N為1.0 mg/L、TP為0.02 mg/L。根據(jù)該研究區(qū)的土地類型、降雨強(qiáng)度等直接影響因子，結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)狀，地表污染物的累積過程采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，主要設(shè)置參數(shù)如表2。各LID措施設(shè)置參數(shù)見表3。

表2 不同類型地表模擬參數(shù)

表3 LID措施參數(shù)設(shè)置

4 計(jì)算結(jié)果分析

考慮降雨對(duì)面源污染的沖刷效應(yīng)，對(duì)2年一遇、5年一遇情況下各河道污染物濃度變化進(jìn)行模擬。在現(xiàn)狀條件上加入LID措施，城南河干流及各支流COD、NH3-N、TP濃度的峰值及污染物削減率見表4。污染物削減率為相較于現(xiàn)狀條件的污染物濃度峰值削減率。

根據(jù)表4分析繪得2年一遇和5年一遇降雨條件下實(shí)施LID措施對(duì)各河道不同污染物峰值濃度的削減效果，見圖3。

實(shí)施LID措施后，兩年一遇降雨條件下，各河道COD的峰值削減率大于44%，NH3-N的峰值削減率大于14%，TP的峰值削減率大于10%，東方紅河COD、NH3-N、TP的峰值削減率均最大，分別為63.69%、33.12%、37.97%。

5年一遇降雨條件下，各河道COD的峰值削減率大于52%，NH3-N的峰值削減率大于27%，TP的峰值削減率大于15%。東方紅河COD、TP峰值削減率最大，分別為70.69%、48.10%，豐字河NH3-N峰值削減率最大，為38.67%。

LID措施在2a和5a的降雨條件下，對(duì)各河道COD的峰值削減率大于44%，NH3-N的峰值削減率大于14%，TP的峰值削減率大于10%，表明在LID措施條件下的污染物濃度削減率有較大提高，LID措施對(duì)COD的削減效果明顯。

表4 污染物削減效果

圖3 實(shí)施LID措施后水質(zhì)改善情況

各河道污染物峰值濃度在不同重現(xiàn)期下削減率，以及5年一遇削減率與2年一遇削減率的差值，見表5。

表5 不同重現(xiàn)期下污染物濃度削減率及差值

LID措施對(duì)COD的削減率幾乎全部超過1/2，對(duì)NH3-N的削減率幾乎全部超過1/5，對(duì)TP的削減率幾乎全部超過1/10，LID措施對(duì)降雨時(shí)COD的峰值的削減率大于對(duì)NH3-N和TP峰值的削減率。除東方紅河(遭遇2年一遇、5年一遇降雨)與芝麻河(遭遇5年一遇降雨)外，LID措施對(duì)降雨時(shí)NH3-N的峰值削減率效果均大于對(duì)TP峰值的削減率。LID措施對(duì)東方紅河TP的峰值削減作用效果大于對(duì)NH3-N峰值削減作用，可能與東方紅河的TP污染嚴(yán)重有關(guān)，LID措施有效降低了雨水沖刷帶來的TP污染。綜上表明，現(xiàn)狀污染物濃度越高，LID對(duì)污染物濃度的削減率越大

根據(jù)表5數(shù)據(jù)繪得實(shí)施LID措施后2年一遇和5年一遇降雨條件下各河道污染物濃度的削減情況，見圖4。

由圖4可知，污染物濃度削減率總體隨著降雨重現(xiàn)期的增大而提高。LID措施可以穩(wěn)定削減低重現(xiàn)期降雨時(shí)的污染物峰值濃度。

對(duì)COD而言，城南河、芝麻河、南農(nóng)河、東方紅河和豐字河5年一遇污染物濃度削減率高于2年一遇。

對(duì)NH3-N而言，城南河和芝麻河5年一遇削減率高于2年一遇；南農(nóng)河、豐字河和東方紅河5年一遇削減率低于2年一遇。

對(duì)TP而言，城南河、芝麻河、東方紅河、豐字河5年一遇削減率高于2年一遇；南農(nóng)河5年一遇削減率低于2年一遇。

根據(jù)表5的最后一列削減率差，得出各河道污染物峰值濃度在不同重現(xiàn)期下削減率差值，見圖5。

圖5表明，LID措施對(duì)整體水質(zhì)改善效果整體隨著重現(xiàn)期的提高而提升，城南河及各支流的COD峰值濃度削減率均隨著重現(xiàn)期的提高而提升。LID措施對(duì)城南河干流和芝麻河的三種污染物的峰值削減率隨著重現(xiàn)期的提高而提升，芝麻河和城南河的提升效果隨著重現(xiàn)期的提高而提高的最為明顯，其中芝麻河各污染物削減率提升均超過20%。LID措施對(duì)東方紅河、南農(nóng)河和豐字河的COD的峰值削減率隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，但NH3-N與TP的削減率隨著重現(xiàn)期的提高而降低或提升幅度不大。

LID措施對(duì)水質(zhì)的改善主要是通過改造下墊面，延長雨水匯流路徑，增加雨水滯留時(shí)間，減輕雨水沖刷下墊面帶來的雨水徑流污染。因此，LID措施對(duì)雨期水體污染物濃度峰值的削減率受降雨影響，在低重現(xiàn)期降雨條件下，LID措施持續(xù)發(fā)揮滲蓄、滯流、凈化的作用，污染物濃度削減率隨降雨重現(xiàn)期的提高而提升。

5 結(jié) 論

在遭遇低重現(xiàn)期降雨時(shí)，LID措施對(duì)城南河干流及各支流的污染物濃度峰值有明顯的削減作用，削減率的大小受降雨重現(xiàn)期、現(xiàn)狀污染物濃度等因素影響：

(1)低重現(xiàn)期降雨條件下，LID措施對(duì)污染物的削減率隨重現(xiàn)期提高而提高，LID措施2年一遇削減率總體上低于5年一遇削減率。

圖4 各河道COD、NH3-N、TP質(zhì)量濃度削減效果對(duì)比

圖5 不同重現(xiàn)期污染物濃度峰值削減率差

(2)現(xiàn)狀污染物濃度越高，LID措施對(duì)該污染物濃度的削減率就越大，污染物濃度削減率從高到低依次是COD、NH3-N、TP。