基于SWMM模型的下凹式綠地污染物削減效應(yīng)分析
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袁溪，李敏8
（北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，水體污染源控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）
摘要：該文基于SWMM模型研究了下凹式綠地對(duì)降雨徑流中污染物的削減效果，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，綠地能有效削減徑流中的關(guān)鍵性污染物(COD、SS、TN、TP)，下凹式綠地對(duì)污染物的削減率分別為SS 72,73%、COD 61.07%、TN 66.10%、TP 83.4%，削減效果總體較好。該文還對(duì)下凹式綠地的關(guān)鍵模型參數(shù)進(jìn)行了率定，將污染物削減率的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除ss誤差(25.5%)較大外，TP、TN、COD削減率的誤差均在5%以下，結(jié)果表明通過(guò)參數(shù)率定后的模型能較好的模擬實(shí)際情況。
關(guān)鍵詞：SWMM模型；污染物削減率；下凹式綠地；模型參數(shù)
隨著城市化進(jìn)程加快，城市降雨形成的地表徑流污染已成為僅次于農(nóng)業(yè)面源污染的第2大污染源。城市地表積累的大量營(yíng)養(yǎng)物（氮磷等）、微生物、重金屬和有機(jī)物，易隨著降雨形成的徑流進(jìn)入城市水體，從而導(dǎo)致的水體污染問(wèn)題日益受到重視。降雨徑流中含大量污染物，其種類、形態(tài)非常復(fù)雜，且受眾多因素影響，具有隨機(jī)性、長(zhǎng)期性、滯后性、不確定性等特點(diǎn)。建立降雨徑流面源污染的數(shù)學(xué)模型，模擬污染物的形成、遷移、轉(zhuǎn)化等過(guò)程，是對(duì)城市降雨徑流面源污染進(jìn)行定量化研究的有效技術(shù)手段。
目前國(guó)內(nèi)外影響較大的4個(gè)城市非點(diǎn)源水質(zhì)模型是SWMM（Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型）、HSPF( Hydrological Simulation Pro-gram - Fortran，流域水文水質(zhì)模擬模型)、STORM( Storage, Treatment. Overflow, Runoff Model，蓄水、處理、溢流、徑流模型)、DR3M-QUAL( DistributedRouting Rainfall-Runoff Model，分布式路徑降雨徑流模型）。其中，HSPF模型適用于流域模擬，不適合場(chǎng)次暴雨尺度的模擬，在城區(qū)應(yīng)用局限性較大；STORM模型適用于模擬城區(qū)水文過(guò)程和場(chǎng)降雨中污染物的負(fù)荷量，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)法模擬污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，不適合連續(xù)模擬；DR3M-QUAL模型是基于物理概念的分布式模型，適用于小城市降雨徑流水量和水質(zhì)的模擬，但不能模擬污染物間的相互作用；SWMM模型是美國(guó)環(huán)保局(USEPA)提出一個(gè)比較完善的城市暴雨水量水質(zhì)預(yù)測(cè)和管理模型。SWMM模型作為分布式、連續(xù)模擬模型，在城市非點(diǎn)源污染中得到了廣泛應(yīng)用。本研究基于SWMM模型，在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)率定了部分關(guān)鍵性模型參數(shù)，并將模型應(yīng)用于下凹式綠地對(duì)降雨徑流污染物削減的計(jì)算，分析了綠地在不同降雨條件下的徑流量及對(duì)不同污染物的削減效果，同時(shí)對(duì)比分析了模型模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1 SWMM模型概述
SWMM模型有降雨模塊、統(tǒng)計(jì)模塊、繪圖模塊、聯(lián)合模塊和執(zhí)行模塊等。這些模塊整合了研究區(qū)域數(shù)據(jù)輸入，城市水文、水力和水質(zhì)模擬，模擬結(jié)果瀏覽等功能。其核心模塊包括徑流模塊、輸送模塊、擴(kuò)展輸送模塊、調(diào)蓄／處理模塊這4個(gè)模塊�？梢酝ㄟ^(guò)輸入降雨量、土壤特性條件、土地利用、污染物累積及沖刷參數(shù)等數(shù)據(jù)模擬完整的城市降雨徑流過(guò)程，能輸出斷面的流量過(guò)程線和污染過(guò)程線。
其模擬計(jì)算過(guò)程大體如下：(1)子流域概化；(2)地表產(chǎn)流計(jì)算；(3)地表匯流計(jì)算；(4)排水系統(tǒng)演算。排水小區(qū)分為有洼蓄量的不透水地表、無(wú)洼蓄量的不透水地表和透水地表，其透水地表中的入滲模型分為Green-Ampt模型、Horton模型、SCS模型里的徑流曲線數(shù)法。匯流演算是把各排水小區(qū)近似為非線性水庫(kù)進(jìn)行模擬，即聯(lián)立求解曼寧公式[見(jiàn)式(1)]和連方程[見(jiàn)式(2)]。
式(1)~(2)中，V為子排水小區(qū)的總水量，m3；d為水深，m；f為時(shí)間，s；A為排水區(qū)表面積，mz；/為凈雨強(qiáng)度，降雨強(qiáng)度扣除蒸發(fā)和下滲，mrrUs；Q為出流率，m3/s；W為子排水小區(qū)寬度，m;n為曼寧粗糙系數(shù)； dp為滯蓄深度，m；S為子排水小區(qū)坡度，m/m。
管網(wǎng)匯水子系統(tǒng)演算基于模型輸送模塊或擴(kuò)展的輸送模塊進(jìn)行管網(wǎng)匯流演算，采用圣維南方程組求解。
2基于綠地徑流的SWMM模型建立
2.1研究區(qū)域概化
本研究模擬的下凹式綠地基于直徑Im的圓柱形下凹式綠地模擬實(shí)驗(yàn)裝置，已是形狀規(guī)則的綠地，不需要進(jìn)行概化處理。
2.2模型參數(shù)選擇
研究區(qū)域的產(chǎn)流地面類型為透水地面，選用Green-Ampt人滲模型模擬此區(qū)域的降雨人滲。借鑒Tsihrintzis箐的降雨徑流水質(zhì)模擬研究成果，并根據(jù)研究區(qū)域特點(diǎn)，將土壤的初始濕度虧損值、土壤水力傳導(dǎo)率、濕潤(rùn)前鋒的毛細(xì)水頭分別取0.384 mm/mm、2.3 mm/h、29.5 mm。地表匯流模型采用非線性水庫(kù)模型進(jìn)行模擬，透水地表和管道的曼寧系數(shù)分別取0.15、0.013，透水地表洼蓄量取5 mm。
根據(jù)一般徑流中污染物指標(biāo)，選取COD、SS、TP和TN 4種污染物作為主要污染因子，采用飽和函數(shù)累積模型進(jìn)行模擬，其輸入?yún)?shù)包括最大累積量、半飽和累計(jì)時(shí)間；沖刷過(guò)程輸入?yún)?shù)包括沖刷系數(shù)和沖刷指數(shù)。根據(jù)SWMM模型應(yīng)用手冊(cè)和國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究對(duì)不同污染物類型的4種模型參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。
2.3 LID參數(shù)確定
為將模型模擬結(jié)果和數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)矯正文獻(xiàn)查閱所得參數(shù)。下凹式綠地實(shí)驗(yàn)裝置為圓形桶狀下凹式綠地，草種為北方高羊茅。裝置直徑1m，高800 mm，雨水口高度8 cm，裝填的礫石層厚450 mm，土壤層厚250 mm。具體裝置見(jiàn)圖1。
下凹式綠地需要引進(jìn)LID控制措施，LID模擬類型選用生物滯留網(wǎng)格。具體參數(shù)見(jiàn)表2。
3結(jié)果與分析
3.1 下凹式綠地模型參數(shù)分析
3 .1.1模型關(guān)鍵性參數(shù)的確定及其影響分析
選取土壤初始濕度虧損值、濕潤(rùn)前鋒的毛細(xì)水頭、前期干旱天數(shù)、草地地表漫流曼寧N值、最大增長(zhǎng)量、土壤水力傳導(dǎo)率、降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)長(zhǎng)、綠地百分?jǐn)?shù)、沖刷系數(shù)、沖刷指數(shù)11個(gè)參數(shù)，參考文獻(xiàn)取值范圍并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)各參數(shù)取值。以COD為污染因子進(jìn)行模擬，通過(guò)輸出結(jié)果可知綠地對(duì)污染物的削減率=剩余增長(zhǎng)量／（初始增長(zhǎng)量+地表增長(zhǎng)量），即為削減系數(shù)。模擬結(jié)果見(jiàn)表3。
參數(shù)的模擬取值均在常見(jiàn)取值范圍內(nèi)，通過(guò)計(jì)算污染物削減百分?jǐn)?shù)的變化率[式(3)]，能得出模型中的參數(shù)改變對(duì)污染物削減率的影響大小，對(duì)削減率影響大的參數(shù)即為敏感參數(shù)。削減變化率見(jiàn)表4。
式(3)中，a為削減變化率，80和8i為參數(shù)第一次取值所得削減率和最后一次取值所得削減率。
可見(jiàn)，土壤水力傳導(dǎo)率、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、綠地百分?jǐn)?shù)、沖刷系數(shù)、沖刷指數(shù)變化對(duì)于模型敏感，是關(guān)鍵性參數(shù)。對(duì)6個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，分別作其削減率和峰值濃度的柱狀圖進(jìn)行比較分析，見(jiàn)圖2。
由圖2知污染物削減率和其在徑流中的峰值濃度呈負(fù)相關(guān)。水力傳導(dǎo)率和綠地百分?jǐn)?shù)對(duì)COD削減率的影響規(guī)律一致，即隨著參數(shù)取值增加，COD削減率增加而峰值濃度減��；降雨強(qiáng)度、沖刷系數(shù)、沖刷指數(shù)對(duì)COD削減率的影響規(guī)律一致，隨著參數(shù)取值增大，削減率減小而峰值濃度增加。
水力傳導(dǎo)率影響污染物在土壤中的滲透和吸收，該參數(shù)變大時(shí)，土壤下滲性能越好，能截留更多的污染物，因此，削減率變大，同時(shí)徑流污染物濃度也變小。綠地百分?jǐn)?shù)為0時(shí)，地表無(wú)法截留污染物，降雨使污染物大量隨徑流帶走，導(dǎo)致徑流中污染物濃度很高，同時(shí)削減率很低�？梢�(jiàn)綠地對(duì)徑流中的污染物具有很好的削減效果。
雨強(qiáng)較小時(shí)，污染物濃度峰值變化很明顯，隨著雨強(qiáng)的變大，徑流中濃度峰值逼近一個(gè)最大值，沖刷帶走的污染物變多，因此，污染物削減率變低。沖刷系數(shù)和指數(shù)越大，對(duì)污染物的削減越不利。因?yàn)闆_刷出來(lái)的污染物越多，導(dǎo)致綠地截留的污染物量減少同時(shí)徑流中污染物濃度變大，使削減率減小。
隨著降雨歷時(shí)的增大，削減率減小而徑流中的峰值濃度不變。削減率隨著降雨歷時(shí)的增加基本上呈均勻減小的趨勢(shì)。降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，沖刷走的污染物越多，削減率越小。然而，降雨歷時(shí)并不會(huì)影響徑流峰值濃度，只會(huì)影響徑流的結(jié)束時(shí)間。
3 .1.2下凹式綠地關(guān)鍵性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)率定
將SWMM模型應(yīng)用于下凹式綠地時(shí)需根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)率定其模型中的6個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)。其中，綠地百分比、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)易通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件控制，其余參數(shù)需通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出。
(1)水力傳導(dǎo)率測(cè)定：用定水頭法測(cè)量土壤水力傳導(dǎo)率。經(jīng)3次平行測(cè)定取平均值得實(shí)驗(yàn)用土壤（北京昌平土）的水力傳導(dǎo)率為44.64 mm/h。
(2)沖刷參數(shù)測(cè)定：沖刷指數(shù)方程如公式(4)。
式(4)中，W為沖刷負(fù)荷，質(zhì)量／／J、時(shí)；Cl為沖刷系數(shù)；C2為徑流率指數(shù)（沖刷指數(shù)）；q為在時(shí)間f時(shí)刻的子流域單位面積的徑流率，mm/h；B為污染物增長(zhǎng)，質(zhì)量單位。將公式變形為直線lg（W/B）=C2. lgq +lgCi，由截距和斜率得沖刷系數(shù)和沖刷指數(shù)。
根據(jù)3次不同降雨條件及不同污染物負(fù)荷下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表5、表6）得到TP、TN、COD、SS 4種污染物的擬合直線如圖3—6所示。
TP沖刷擬合直線相關(guān)性大于95%，TN和COD相關(guān)性大于99%，SS第1次實(shí)驗(yàn)相關(guān)性僅為30%，后兩次擬合度均大于60%。3次擬合數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。
綜合擬合數(shù)據(jù)，取SS的沖刷系數(shù)為0.000 8，沖刷指數(shù)為1.2；COD的沖刷系數(shù)為0.002 5，沖刷指數(shù)為1.04；TN的沖刷系數(shù)為0.002，沖刷指數(shù)為1.05；TP的沖刷系數(shù)為0.000 4，沖刷指數(shù)為1.23。將以上數(shù)據(jù)取代文獻(xiàn)數(shù)據(jù)輸入模型用以模擬下凹式綠地的污染物削減過(guò)程。
3.2下凹式綠地對(duì)降雨徑流污染物的削減效果
為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，本文采用與以上模型參數(shù)率定時(shí)不同的降雨條件對(duì)下凹式綠地的污染物削減率進(jìn)行了模擬計(jì)算，并開(kāi)展相應(yīng)條件下的降雨實(shí)驗(yàn)，以對(duì)比分析模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的差異。模擬降雨條件為：3年重現(xiàn)期，雨強(qiáng)31.73 mm/h的均勻降雨，降雨時(shí)間為2h，污染物負(fù)荷高；下凹式綠地匯流面積為3.925 m2。模擬結(jié)果見(jiàn)表8。
據(jù)模擬結(jié)果可知，下凹式綠地對(duì)常規(guī)污染物具有明顯的去除效果，尤其是對(duì)SS、TP具有較高的去除率，達(dá)到70%以上。對(duì)COD及TN去除率略低，但仍在60%以上。相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：SS削減率97.61%，COD削減率59.29%，TN削減率67.98%，TP削減率87.49%。模型模擬結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較見(jiàn)圖7。
模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近，除SS與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大為25.5%外，COD與實(shí)驗(yàn)誤差為3%，TN與實(shí)驗(yàn)誤差為2.8%，TP與實(shí)驗(yàn)誤差為4.7%；COD、TN、TP的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，但模擬結(jié)果普遍比實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小。在實(shí)驗(yàn)中得到的SS數(shù)據(jù)也不理想，平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大，因此，SS還需根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更為精確的模擬。總體來(lái)說(shuō)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正的SWMM模型能很好的模擬下凹式綠地對(duì)徑流污染物的削減狀況。
4結(jié)論
(1)根據(jù)污染物削減變化率確定的SWMM模型的6個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)為：土壤水力傳導(dǎo)率、綠地所占百分比、降雨時(shí)長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度、沖刷系數(shù)、沖刷指數(shù)。
(2)根據(jù)下凹式綠地的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，確定了實(shí)驗(yàn)用土壤的水力傳導(dǎo)率為44.64 mm/h，SS、COD、TN、TP的沖刷系數(shù)分別為0.000 8、0.002 5、0.002、0.004，沖刷指數(shù)分別為1.2、1.04、1.05、1.23。
(3)下凹式綠地對(duì)常規(guī)污染物具有明顯的去除效果，在2h雨強(qiáng)31.73 mm/h的降雨條件下，削減率分別為TP 83.40%、TN 66.10%、COD 61.07%、SS 72.73%;對(duì)SS、TP具有較高的去除率，達(dá)到70%以上；對(duì)COD及TN去除率略低，但仍在60%以上。SS削減率的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大，為25.5%，COD、TN、TP削減率的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，誤差分別為3%、2.8%和4.7%�？傮w由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正的SWMM模型擬合效果較好，具有良好的適用性。
