建筑技術(shù)丨基于SWMM的老城區(qū)河道面源污染控制研究

城市面源污染是指在降雨的條件下，雨水徑流沖刷城市地面，攜帶大量污染物進入受納水體引起的環(huán)境問題。城市面源污染物種類復(fù)雜、毒性大，由城市面源污染引起的水環(huán)境問題已成為當前城市水環(huán)境綜合治理中亟待解決的主要問題之一。我國南北方城市污染存在很大的差異性，南方水鄉(xiāng)之地，老城區(qū)內(nèi)河道密布，河岸開發(fā)建設(shè)頻繁，建筑密集，綠地和可滲透性地面較少，河道面源污染更為嚴重。20世紀80年代，國外發(fā)達國家在大量實測數(shù)據(jù)的支持下，開發(fā)了著名的CRMAMS（Chemicals,RunoffandErosionfromAgriculturalManagementSystems）,SWMM（StormWaterManagementModel）,SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）等模型用于城市面源污染機理與機制的研究，在這些研究的基礎(chǔ)上，最佳管理措施（BMPs），可持續(xù)排水系統(tǒng)（SUDS）、低環(huán)境影響開發(fā)技術(shù)（LID）等城市面源污染控制措施得到廣泛認可應(yīng)用；90年代以來，計算機技術(shù)和3S技術(shù)的高速發(fā)展與應(yīng)用加快了面源污染的模擬、預(yù)測分析，同時也提升了城市面源污染的定量化研究。我國早期的城市面源污染研究集中于數(shù)據(jù)測量、概率統(tǒng)計分析、建立經(jīng)驗公式等方面。近年來，隨著面源污染問題關(guān)注度不斷提高，涌現(xiàn)出大量的研究成果。但目前對于城市面源污染尤其是城市中的老城區(qū)面源污染的相關(guān)研究缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)新性。本文以位于無錫老城區(qū)的環(huán)城古運河及其周邊地區(qū)為研究對象，結(jié)合現(xiàn)狀土地利用，創(chuàng)新性將河岸緩沖區(qū)與LID設(shè)施布設(shè)統(tǒng)籌考慮，在不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)，合理布置LID設(shè)施，利用SWMM模型進行模擬研究，進而分析不同重現(xiàn)期下面源污染控制效果，以期為老城區(qū)河道面源污染控制提供技術(shù)支持。1、研究區(qū)SWMM模型構(gòu)建1.1研究區(qū)域概化古運河縱貫無錫市中心老城核心區(qū)。研究區(qū)以古運河為中心，總面積為7.8?k㎡。區(qū)域內(nèi)主要土地利用類型分為居住區(qū)、商業(yè)用地、公園綠地、道路廣場及河道水系等幾大類。按照SWMM模型對數(shù)據(jù)的要求，結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、規(guī)劃資料、市政雨水管網(wǎng)資料、地形地貌數(shù)據(jù)及實地考察情況，利用泰森多邊形法將研究區(qū)劃分為171個子匯水區(qū)，概化雨水管道共計1?776條，匯節(jié)點1?797個（圖1）。圖1研究區(qū)匯水分區(qū)及排水管網(wǎng)概化示意1.2緩沖區(qū)分析河岸緩沖帶是保護河流水質(zhì)的一道天然屏障。在美國，河岸緩沖帶作為控制面源污染物進入河流的最佳管理措施（BMPs）得到了廣泛應(yīng)用。它能夠通過滯留、過濾、滲透、吸收和沉積等作用控制面源污染。大量研究表明，河岸緩沖帶對水體的凈化效率與其寬度密切相關(guān)。本文利用GIS軟對古運河做100?m,200?m,300?m的緩沖區(qū)信息提取，獲得相應(yīng)匯水區(qū)范圍內(nèi)的土地利用類型（劃分為居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、道路廣場、公園綠地、河道水系），進行進一步分析研究。1.3LID措施選取、布設(shè)及主要參數(shù)選擇SWMM模型中的LID模塊提供了多種設(shè)施，包括生物滯留網(wǎng)格、雨水桶、滲透鋪裝、綠色屋頂、雨水花園等的模擬研究，下凹式綠地等其他沒有涉及到的設(shè)施通過改變相似設(shè)施的參數(shù)進行研究。結(jié)合老城區(qū)的實際情況，充分分析研究區(qū)土壤特性、坡度、匯水面積等特征，參考各LID措施的特點與適用范圍，本次研究布置下凹式綠地、生物滯留網(wǎng)格、雨水桶、透水鋪裝四種LID設(shè)施并進行模擬分析。結(jié)合匯水區(qū)土地利用現(xiàn)狀，用地類型為居住區(qū)，布設(shè)雨水桶與下凹式綠地。用地類型為商業(yè)區(qū)，布設(shè)雨水桶與透水鋪裝。用地類型為公園綠地與道路廣場分別布設(shè)生物滯留與透水鋪裝。假設(shè)各匯水區(qū)不同土地利用類型中各有50%面積的雨水能夠匯集于海綿化設(shè)施中，計算出各匯水區(qū)中各項LID措施的適建面積。LID參數(shù)的選取根據(jù)模型用戶手冊及參考其他文獻設(shè)置。1.4模型相關(guān)參數(shù)選取本次研究基于SWMM模型進行老城區(qū)降雨徑流及水質(zhì)模擬分析。1.4.1水量參數(shù)選取及確定各子匯水區(qū)中均包含不同面積占比的下墊面，模型中匯水區(qū)參數(shù)不滲透面積比例根據(jù)不同土地利用面積加權(quán)平均計算獲得，坡度數(shù)據(jù)信息利用GIS中的坡度提取功能，從DEM數(shù)據(jù)中獲得。曼寧系數(shù)、洼蓄量取值參考相關(guān)文獻及模型用戶手冊。下滲模型選擇Horton下滲模型。管網(wǎng)匯流模擬采用動力波法，相關(guān)節(jié)點參數(shù)管內(nèi)底標高和最大水深，管網(wǎng)參數(shù)入流節(jié)點、出流節(jié)點、管道形狀、最大深度、管長等主要由實測的管道與河道資料確定，管道糙率取0.013。本次研究利用綜合徑流系數(shù)法調(diào)試校準模型參數(shù)，最終模型參數(shù)取值見表1。表1模型參數(shù)取值1.4.2水質(zhì)參數(shù)確定研究區(qū)內(nèi)不同下墊面進行降雨徑流水質(zhì)模擬，水質(zhì)指標選取TSS,COD,TN,TP。污染物積累、沖刷模型均選擇指數(shù)模型，相關(guān)模型參數(shù)通過調(diào)查研究區(qū)內(nèi)污染物的特點、參考目前國內(nèi)外研究成果獲得。1.5設(shè)計暴雨研究區(qū)域設(shè)計暴雨強度公式為：式中：q為設(shè)計暴雨強度（L/s×h㎡）；t為降雨歷時（min）；T為重現(xiàn)期（y）。本次研究采用芝加哥雨型，設(shè)計重現(xiàn)期為0.5,1,2,3,5（y）一遇，降雨歷時為2?h。設(shè)計降雨量分別為42.81,53.21,63.61,69.68,77.35（mm）。2、結(jié)果分析2.1雨水徑流量模擬結(jié)果分析本次研究分別模擬了現(xiàn)狀條件及以古運河為中心，向兩岸分別延伸100?m,200?m,300?m緩沖區(qū)并布設(shè)LID設(shè)施后的雨水徑流量控制效果。相比于現(xiàn)狀條件，在100?m,200?m,300?m緩沖區(qū)布設(shè)LID設(shè)施后，不同重現(xiàn)期下，研究區(qū)內(nèi)雨水徑流量都有不同程度降低，且隨著緩沖區(qū)控制范圍的逐漸增大，徑流量不斷減??；但不同范圍緩沖區(qū)下徑流峰值發(fā)生時間并沒有發(fā)生明顯的變化。通過模型對研究區(qū)域模擬計算，得到研究區(qū)域不同重現(xiàn)期下降雨徑流控制率計算結(jié)果（表2），其中：100?m緩沖區(qū)徑流控制率、200?m緩沖區(qū)徑流控制率、300?m緩沖區(qū)徑流控制率是指各緩沖區(qū)布置LID設(shè)施后，整個研究區(qū)降雨徑流控制率。表2不同控制條件下研究區(qū)降雨徑流控制率

%相同重現(xiàn)期下，不同范圍緩沖區(qū)布置LID設(shè)施后，研究區(qū)雨水的徑流控制率都有明顯的提高。以0.5y一遇降雨重現(xiàn)期條件為例，100,200,300（m）緩沖區(qū)布置LID設(shè)施后，研究區(qū)雨水的徑流控制率分別達到36%,46%,53%。布置LID設(shè)施的緩沖區(qū)范圍從100?m增大200?m，較緩沖區(qū)從200?m增大到300?m，研究區(qū)內(nèi)降雨量徑流控制及污染物總量控制提升幅度較大。以0.5年一遇降雨重現(xiàn)期為例，緩沖區(qū)范圍從100?m增大200?m，雨水徑流控制率增加了10%，而緩沖區(qū)范圍從200?m增大到300?m，雨水徑流控制率僅增加了7%。同一緩沖區(qū)內(nèi)，隨著重現(xiàn)期增大，現(xiàn)狀土地利用條件及100,200,300（m）圍緩沖區(qū)范圍布置LID施后，研究區(qū)雨水徑流控制率逐漸降低。但隨著重現(xiàn)期增大，相對于現(xiàn)狀條件下研究區(qū)的降雨徑流控制率，不同范圍緩沖區(qū)內(nèi)布置LID設(shè)施后，研究區(qū)的雨水徑流控制率的降低幅度均有所減小。2.2雨水徑流水質(zhì)模擬結(jié)果分析雨水徑流水質(zhì)模擬結(jié)果如圖2所示。（a）（b）（c）（d）圖2不同條件下徑流污染模擬結(jié)果（a）TSS模擬結(jié)果；（b）CDD模擬結(jié)果；（c）TN模擬結(jié)果；（d）TP模擬結(jié)果圖2中表明：隨著降雨重現(xiàn)期增大，現(xiàn)狀條件及不同范圍緩沖區(qū)布設(shè)LID設(shè)施后，研究區(qū)域TSS,COD,TN,TP等污染物總量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。同一重現(xiàn)期下，不同范圍緩沖區(qū)布設(shè)LID設(shè)施后，研究區(qū)域的污染物總量明顯降低，且隨著緩沖區(qū)范圍逐漸增大，污染物總量降低越多。根據(jù)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，計算出不同范圍緩沖區(qū)布設(shè)LID措施后總污染負荷削減情況，可以看出，同一降雨重現(xiàn)期下，100~300?m緩沖區(qū)范圍內(nèi)布置LID設(shè)施后，TSS削減率約從11%增長到45%；COD削減率約從11%增長到42%；TN削減率約從11%增長到43%；TP削減率約從12%增長到50%。由此表明，LID措施對污染物負荷具有較好的去除效果，可以有效降低面源污染，改善河流水質(zhì)狀況。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，LID措施對4種污染物的削減效果的順序為TP>SS>TN>COD。而在不同降雨重現(xiàn)期下，各緩沖區(qū)對應(yīng)的污染物削減率變化不大，進一步證明LID設(shè)施對污染物去除效率相對較為穩(wěn)定。3、結(jié)論本次研究以無錫市老城區(qū)古運河區(qū)域為研究對象，構(gòu)建了研究區(qū)SWMM模型，并在此基礎(chǔ)上進行了不同降雨事件、不同范圍緩沖區(qū)LID開發(fā)模式下雨水徑流量和徑流污染負荷削減的模擬分析。結(jié)果表明：LID措施對城市雨水徑流量、污染物總負荷均有明顯削減作用。（1）相同降水重現(xiàn)期下，在100,200,300（m）圍緩沖區(qū)范圍布置LID措施后，研究區(qū)雨水的徑流控制率都有明顯的提高。同時，不同范圍緩沖區(qū)布設(shè)LID設(shè)施后，研究區(qū)雨水徑流量控制提升幅度總體呈先升高后降低的趨勢。同一土地開發(fā)情景下，隨著降雨重現(xiàn)期增大，雨水徑流控制率逐漸降低，但布設(shè)LID設(shè)施后緩沖區(qū)降雨徑流控制率降低幅度相對現(xiàn)狀土地利用條件下降雨徑流控制率均減小。（2）同一降雨重現(xiàn)期下，不同范圍緩沖區(qū)布設(shè)LID設(shè)施后，研究區(qū)域產(chǎn)生的污染物總量相較于現(xiàn)狀土地利用條件下產(chǎn)生的污染物總量明顯降低，且緩沖區(qū)范圍越大，污染物總量降低越多。說明LID措施對污染物負荷具有較好的去除效果，可以有效降低面源污染，改善河流水質(zhì)狀況?，F(xiàn)狀條件及不同范圍緩沖區(qū)布設(shè)LID設(shè)施后，研究區(qū)域TSS,COD,TN,TP等污染物總量削減率不隨著降雨重現(xiàn)期增大發(fā)生明顯變化。（3）老城區(qū)開發(fā)建設(shè)強度大，人群密集，管網(wǎng)縱橫，面源污染嚴重。基于緩沖區(qū)的河道面源污染控制是一種有效的河道面源污染控制方法。緩沖區(qū)控制范圍越大，面源污染控制效果越明顯，但經(jīng)濟投入亦增加。研究結(jié)果表明，布置LID設(shè)施的緩沖區(qū)范圍從100?m增大200?m，相較緩沖區(qū)從200?m增大到300?m范圍，研究區(qū)內(nèi)降雨量徑流控制及污染物總量控制提升幅度較大，因此應(yīng)根據(jù)實際情況，綜合考慮整治目標、經(jīng)濟因素、環(huán)境現(xiàn)狀條件、及社會影響等各方面因素，制定合理的緩沖區(qū)控制范圍，經(jīng)濟有效控制河道