基于Digital Water的初期雨水径流污染控制措施研究

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(青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

1 研究背景

城市化的发展导致城市的不透水性增加，硬化的下垫面使得降雨径流总量增加，城市密集程度增加的同时，下垫面污染物积累量增加，积累速率加大。污染物通过雨水及人工冲刷后经由城市排水管网进入受纳水体，致使初期雨水面源污染成为城市水环境最大的威胁。初期雨水中包含降雨过程空气中的颗粒物质、重金属和径流过程中散落在下垫面上的污染物，这些污染物来源于大气干湿沉降、机动车排放物和固体碎屑等[1]。美国环保署研究发现以初期雨水为主的城市非点源污染在河湖污染中所占的比例越来越高，已由20世纪90年代的9%提高到了18%[2-3]。城市初期雨水污染来源较为复杂，污染的形成具有潜伏性，污染的程度不确定性大，所以研究和控制难度比相对集中的点源污染要大很多[4]，初期雨水污染是目前亟待解决的环境问题。

2 初期雨水径流污染控制措施

初期雨水径流污染控制措施从控制位置上分为源头削减、过程控制和末端控制。分别从地表径流开始前、雨水进入管网中和雨水排放前对初期雨水污染进行控制和调节，以期达到在雨水进入受纳水体前削减污染物总量和污染物浓度的目的。

2.1 初期雨水的源头控制

初期雨水的源头削减主要以低影响开发(Low Impact Development,LID)为主，目前该方法已在国内外得到应用[5]。LID采用因地制宜的方法，尽可能地减少开发建设对生态环境的影响，采用生物滞留池、绿色屋顶、渗渠、透水路面、雨水花园和植被草沟等方式[6]，改变下垫面条件，使下垫面具有减少径流量削减污染物的功能。LID相较初期雨水截流设施及调蓄池等有增加下垫面透水性、美观、管理方便和不影响污水系统的优势，但在一些已建成的建筑屋顶和行车道上无法实施应用，而屋面及路面的污染程度相较绿地等下垫面污染程度更高[7-8]。

2.2 初期雨水的过程控制

初期雨水的过程控制主要是指初期雨水的截流控制，即在雨水管网中设置初期雨水截留装置，利用装置将污染较为严重初期雨水分离出来进入城市污水处理厂等处理单位进行处理，后期较洁净的雨水进行收集或排放。初期雨水截流设施主要设置在屋面落水管下方、道路雨水口内或雨水管网排放口处[9]，截流设施按照截流方式分为定容式、定速式和定量式，部分设施可完全利用水力控制启闭，不需要电力。截流设施可以设置在已经建好的建筑落水管和道路雨水口上，以替代LID设施设置条件限制的问题，且占地面积小，可以用于已建成且城市化高度发展的地区。

2.3 初期雨水的末端控制

初期雨水的末端控制主要是指在雨水管网排水口附近设置调蓄池或滞蓄池，传统的雨水调蓄设施是为了削减洪峰流量而设置的，现有的调蓄池具有截留污染物的作用。徐贵泉等[10]研究发现，增加净化作用的调蓄池对COD的去除率可达60%，通过设置调蓄池的孔板可以适应不同的暴雨强度。调蓄池或滞蓄池一般设置在受纳水体附近，有较为充足的建设和改造空间，且维护管理方便。

3 下垫面污染物积累与初期雨水冲刷

初期雨水的污染物浓度与下垫面的污染物积累程度有关。Digital Water是由清控人居环境研究院开发的具有排水管网设施数据收集与编辑、降雨水文水力水质模拟的二次开发软件。Digital Water中污染物的积累由幂增长、指数增长和饱和增长3种积累函数来模拟，这3种函数均通过一定的积累速度达到最大积累量。积累速度可以通过修订相关参数来确定，降雨前的最大积累量与干旱天数、积累速率、道路清扫和土地利用类型有关。污染物积累函数对比见表1。

表1 污染物积累函数对比Table 1 Comparison of pollutant accumulation functions

注：C1为最大积累值,C2为积累速率常数,C3为时间指数,C4为半饱和常数

初期雨水的冲刷是指在降雨过程中通过侵蚀和溶解，将污染物从下垫面带入雨水管网的过程，初期径流污染最严重,而后污染物浓度随降雨趋于稳定[11]。Digital Water通过指数函数、等级曲线函数和事件平均浓度来模拟污染物的冲刷过程[12]，其中只有指数函数涉及了污染物积累量的影响，也是应用最广泛的函数模型[13]。污染物冲刷函数对比见表2。

表2 污染物冲刷函数对比Table 2 Comparison of pollutant washout functions

注：C1为冲刷系数,C2为冲刷指数

4 初期雨水污染控制模拟分析

Digital Water中已经有LID及调蓄池的相关模拟，国内外对初期雨水截流设施研究较少，还未有相关模拟模块。利用Digital Water针对LID与调蓄池的组合方案展开研究，在研究区域加入生物滞留池、雨水花园和透水路面3种LID措施，雨水管网排放口前加入调蓄池，期望达到削减初期雨水污染的问题。Digital Water将GIS技术与EPA SWMM相结合，提供了CAD及excel管网数据信息导入、管网拓扑关系查询、降雨时间序列自动输入、动态模拟和结果动态表达、多模拟情景对比等功能，将管网普查、数据整合、管网模拟等集为一体。可进行管网现状评估、风险分析、清淤分析、事故分析、设计分析、内涝分析和雨洪分析等，可操作性强[14]。Digital Water与其他降雨排水模拟软件对比见表3。

表3 排水模拟软件对比Table 3 Comparison of drainage simulation software

4.1 研究区域概况

选择青岛市某雨水管网系统进行研究，研究区域总面积约1 322.74 ha(1 ha=104m2)，下垫面主要为屋面、路面及绿地，不透水面积占总面积的62.75%，管网信息概化后包括192个节点、192条管段、183个子汇水区面积，如图1所示。

图1 管网概化图Fig.1 Generalization of pipe network

4.2 模拟参数选定

图2 降雨时间序列Fig.2 Time series of rainfall

Digital Water水文参数包括：子集水区坡度、不透水率、非渗透N值、渗透性N值等。根据国内外相关文献资料和研究区域相关测绘资料、土地利用情况等，确定不同子集水区坡度取值范围为0.1～0.5、不透水率取值25%、非渗透N值和渗透性N值分别取值0.01和0.1。

本研究选择4种污染物指标(COD，TSS，TN，TP)为研究对象，根据监测数据对模型进行拟合，发现指数函数可以较好地模拟污染物变化情况。目前多数研究结果表明，指数函数考虑了污染物积累对冲刷的影响，可以较好地模拟实际情况，能较好地拟合城市污染物变化情况，并根据实测数据的0～30 min内的变化情况，率定其参数。COD，TSS，TN和TP四种污染物浓度属于水体水质常用指标，基本可以显示汇水区域污染物的动态变化。

将汇水区域按照实际情况划分为绿地、屋面和道路3种土地利用类型。雨水冲刷模型采用指数函数，根据不同的土地利用类型，冲刷系数取0.05～0.01，冲刷指数取1.8～2.2。对污染物积累函数参数进行率定，选取绿地、屋面和道路3种土地利用类型的最大积累量和积累速率常数6个参数进行扰动分析，其结果如表4所示。

表4 污染物积累函数参数率定结果Table 4 Calibrated parameters of pollutantaccumulation function

2016年6月23日6时至24日6时降雨期间对某排放口的流量和COD浓度进行实时监测，将监测数据与模拟结果进行比对，可以发现模拟获得的流量和COD浓度与实测值具有相似的变化规律，误差均控制在18%以内，参数设置较为准确，模拟值可信，如图3所示。

图3 流量和COD变化曲线Fig.3 Curves of flow rate and COD against time

4.3 研究区域的开发设计

采用雨水花园和透水路面2种LID措施与调蓄池组合的方案对研究区域进行模拟，研究方案对污染物削减的作用。

由调蓄池在管网中设置位置的不同可以分为中部调蓄池和末端调蓄池。中部调蓄池设置在管网中部，由调蓄池将管网分割为数个小系统；末端调蓄池设置在管网末端雨水出水口前，可以调节整个管网的水质水量。本研究根据研究区域的实际情况选择末端调蓄池，末端调蓄池建设在出水口河道附近的空地上，造价较低，施工方便，可以直接调蓄整个系统。由Guo等[15]提出的水质控制体积(water quality capture volume，WQCV)是在没有充足资料的条件下估算调蓄池容积的简单方法，计算得总水质控制量为8 653 m3，取调蓄池容积为9 000 m3。

雨水花园和透水路面设置方式较为简单，有充足的改造条件，较适合老城居住区的低影响开发。开发区域设计图如图4所示。

图4 开发区域设计图Fig.4 Design of the development region

表5 开发前后模拟结果Table 5 Simulation results before and after development

注：削减率为开发后的方案相对于开发前方案的减少率；LID贡献率为增加LID方案的削减率除以组合方案的削减率的百分数

4.4 研究区域的开发结果与讨论

经模拟得出排放口在未开发、仅增加LID设施和增加LID设施与末端调蓄池组合方案后径流量及污染物浓度的变化曲线，如图5所示。

图5 开发前后各参数的变化曲线Fig.5 Variation of parameters before and after development

由图5(a)可知，增加雨水花园和透水路面2种LID设施在降雨初期可以明显削减径流量，但在后期2种设施的蓄水能力达到极限，无法对雨水进行储蓄。降雨初期径流域水还未到达末端调蓄池，调蓄池对径流的削减作用很小；而降雨后期末端调蓄池对水量的调蓄作用明显，可在LID设施蓄水能力饱和后起到大幅削减峰值流量和径流总量的作用，可见组合方案对径流量的削减作用十分显著。

由图5(b)—图5(e)可以看出，设置雨水花园和透水路面2种LID措施与调蓄池组合后研究区域污染物浓度削减明显。降雨初期污染物削减主要源于LID设施，后期调蓄池的削减作用明显，二者组合应用效果较好，对污染物总量的削减效果显著。

通过初期雨水的LID源头控制措施和调蓄池的末端控制措施组合，综合雨水径流量和污染物浓度削减结果，各个污染物总量的削减率均在50%以上，其中雨水花园和透水路面2种LID措施对污染物削减的贡献率在70%以上。雨水平均流量削减率达30%以上，LID措施和调蓄池的削减作用平分秋色，最大流量的削减率约为60%，其中LID措施的贡献率>70%。径流系数削减率为13.71%。开发前后的模拟结果见表5。

5 结 论

初期雨水的污染问题已经得到国内外的重视，但是实际应用方面还有待研究。借助Digital Water对研究区域进行开发研究，在添加雨水花园和透水路面2种LID措施与调蓄池后对径流量及污染物浓度进行比对。研究发现：

(1)以LID为主的初期雨水的源头控制措施和以调蓄池为主的初期雨水的末端控制措施对径流量和污染物浓度的削减率很高，且组合效果比单纯采用一种污染控制措施要好，2种措施在不同时期起着削减径流量和污染物的作用，应在未来的工程建设中予以推广。而以初期雨水截留设施为主的初期雨水的过程控制措施研究还不是很多，尚未有雨水系统模拟软件可以模拟初期雨水截留设施，这也是未来研究和开发的方向。

(2)在控制初期雨水径流污染的问题上，应从多个方面组合开发，才能达到理想的径流量及污染物削减率，以保障城市水环境安全。