袁溪，李敏8
（北京林业大学环境科学与工程学院，水体污染源控制技术北京市重点实验室，北京 100083）
摘要：该文基于SWMM模型研究了下凹式绿地对降雨径流中污染物的削减效果，并与实验结果进行了对比。结果表明，绿地能有效削减径流中的关键性污染物(COD、SS、TN、TP)，下凹式绿地对污染物的削减率分别为SS 72,73%、COD 61.07%、TN 66.10%、TP 83.4%，削减效果总体较好。该文还对下凹式绿地的关键模型参数进行了率定，将污染物削减率的模型计算结果与实验结果对比发现，除ss误差(25.5%)较大外，TP、TN、COD削减率的误差均在5%以下，结果表明通过参数率定后的模型能较好的模拟实际情况。
关键词：SWMM模型；污染物削减率；下凹式绿地；模型参数
随着城市化进程加快，城市降雨形成的地表径流污染已成为仅次于农业面源污染的第2大污染源。城市地表积累的大量营养物（氮磷等）、微生物、重金属和有机物，易随着降雨形成的径流进入城市水体，从而导致的水体污染问题日益受到重视。降雨径流中含大量污染物，其种类、形态非常复杂，且受众多因素影响，具有随机性、长期性、滞后性、不确定性等特点。建立降雨径流面源污染的数学模型，模拟污染物的形成、迁移、转化等过程，是对城市降雨径流面源污染进行定量化研究的有效技术手段。
目前国内外影响较大的4个城市非点源水质模型是SWMM（Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型）、HSPF( Hydrological Simulation Pro-gram - Fortran，流域水文水质模拟模型)、STORM( Storage, Treatment. Overflow, Runoff Model，蓄水、处理、溢流、径流模型)、DR3M-QUAL( DistributedRouting Rainfall-Runoff Model，分布式路径降雨径流模型）。其中，HSPF模型适用于流域模拟，不适合场次暴雨尺度的模拟，在城区应用局限性较大；STORM模型适用于模拟城区水文过程和场降雨中污染物的负荷量，但结构简单无法模拟污染物迁移转化过程，不适合连续模拟；DR3M-QUAL模型是基于物理概念的分布式模型，适用于小城市降雨径流水量和水质的模拟，但不能模拟污染物间的相互作用；SWMM模型是美国环保局(USEPA)提出一个比较完善的城市暴雨水量水质预测和管理模型。SWMM模型作为分布式、连续模拟模型，在城市非点源污染中得到了广泛应用。本研究基于SWMM模型，在借鉴国内外相关研究的基础上，结合实验数据率定了部分关键性模型参数，并将模型应用于下凹式绿地对降雨径流污染物削减的计算，分析了绿地在不同降雨条件下的径流量及对不同污染物的削减效果，同时对比分析了模型模拟结果和实验结果。
1 SWMM模型概述
SWMM模型有降雨模块、统计模块、绘图模块、联合模块和执行模块等。这些模块整合了研究区域数据输入，城市水文、水力和水质模拟，模拟结果浏览等功能。其核心模块包括径流模块、输送模块、扩展输送模块、调蓄／处理模块这4个模块。可以通过输入降雨量、土壤特性条件、土地利用、污染物累积及冲刷参数等数据模拟完整的城市降雨径流过程，能输出断面的流量过程线和污染过程线。
其模拟计算过程大体如下：(1)子流域概化；(2)地表产流计算；(3)地表汇流计算；(4)排水系统演算。排水小区分为有洼蓄量的不透水地表、无洼蓄量的不透水地表和透水地表，其透水地表中的入渗模型分为Green-Ampt模型、Horton模型、SCS模型里的径流曲线数法。汇流演算是把各排水小区近似为非线性水库进行模拟，即联立求解曼宁公式[见式(1)]和连方程[见式(2)]。
式(1)~(2)中，V为子排水小区的总水量，m3；d为水深，m；f为时间，s；A为排水区表面积，mz；/为净雨强度，降雨强度扣除蒸发和下渗，mrrUs；Q为出流率，m3/s；W为子排水小区宽度，m;n为曼宁粗糙系数； dp为滞蓄深度，m；S为子排水小区坡度，m/m。
管网汇水子系统演算基于模型输送模块或扩展的输送模块进行管网汇流演算，采用圣维南方程组求解。
2基于绿地径流的SWMM模型建立
2.1研究区域概化
本研究模拟的下凹式绿地基于直径Im的圆柱形下凹式绿地模拟实验装置，已是形状规则的绿地，不需要进行概化处理。
2.2模型参数选择
研究区域的产流地面类型为透水地面，选用Green-Ampt人渗模型模拟此区域的降雨人渗。借鉴Tsihrintzis箐的降雨径流水质模拟研究成果，并根据研究区域特点，将土壤的初始湿度亏损值、土壤水力传导率、湿润前锋的毛细水头分别取0.384 mm/mm、2.3 mm/h、29.5 mm。地表汇流模型采用非线性水库模型进行模拟，透水地表和管道的曼宁系数分别取0.15、0.013，透水地表洼蓄量取5 mm。
根据一般径流中污染物指标，选取COD、SS、TP和TN 4种污染物作为主要污染因子，采用饱和函数累积模型进行模拟，其输入参数包括最大累积量、半饱和累计时间；冲刷过程输入参数包括冲刷系数和冲刷指数。根据SWMM模型应用手册和国内外相关研究对不同污染物类型的4种模型参数进行预设定，结果见表1。
2.3 LID参数确定
为将模型模拟结果和数据计算结果进行对比，需通过实验测定数据矫正文献查阅所得参数。下凹式绿地实验装置为圆形桶状下凹式绿地，草种为北方高羊茅。装置直径1m，高800 mm，雨水口高度8 cm，装填的砾石层厚450 mm，土壤层厚250 mm。具体装置见图1。
下凹式绿地需要引进LID控制措施，LID模拟类型选用生物滞留网格。具体参数见表2。
3结果与分析
3.1 下凹式绿地模型参数分析
3 .1.1模型关键性参数的确定及其影响分析
选取土壤初始湿度亏损值、湿润前锋的毛细水头、前期干旱天数、草地地表漫流曼宁N值、最大增长量、土壤水力传导率、降雨强度、降雨时长、绿地百分数、冲刷系数、冲刷指数11个参数，参考文献取值范围并结合实际情况对各参数取值。以COD为污染因子进行模拟，通过输出结果可知绿地对污染物的削减率=剩余增长量／（初始增长量+地表增长量），即为削减系数。模拟结果见表3。
参数的模拟取值均在常见取值范围内，通过计算污染物削减百分数的变化率[式(3)]，能得出模型中的参数改变对污染物削减率的影响大小，对削减率影响大的参数即为敏感参数。削减变化率见表4。
式(3)中，a为削减变化率，80和8i为参数第一次取值所得削减率和最后一次取值所得削减率。
可见，土壤水力传导率、降雨强度、降雨历时、绿地百分数、冲刷系数、冲刷指数变化对于模型敏感，是关键性参数。对6个关键性参数，分别作其削减率和峰值浓度的柱状图进行比较分析，见图2。
由图2知污染物削减率和其在径流中的峰值浓度呈负相关。水力传导率和绿地百分数对COD削减率的影响规律一致，即随着参数取值增加，COD削减率增加而峰值浓度减小；降雨强度、冲刷系数、冲刷指数对COD削减率的影响规律一致，随着参数取值增大，削减率减小而峰值浓度增加。
水力传导率影响污染物在土壤中的渗透和吸收，该参数变大时，土壤下渗性能越好，能截留更多的污染物，因此，削减率变大，同时径流污染物浓度也变小。绿地百分数为0时，地表无法截留污染物，降雨使污染物大量随径流带走，导致径流中污染物浓度很高，同时削减率很低。可见绿地对径流中的污染物具有很好的削减效果。
雨强较小时，污染物浓度峰值变化很明显，随着雨强的变大，径流中浓度峰值逼近一个最大值，冲刷带走的污染物变多，因此，污染物削减率变低。冲刷系数和指数越大，对污染物的削减越不利。因为冲刷出来的污染物越多，导致绿地截留的污染物量减少同时径流中污染物浓度变大，使削减率减小。
随着降雨历时的增大，削减率减小而径流中的峰值浓度不变。削减率随着降雨历时的增加基本上呈均匀减小的趋势。降雨历时越长，冲刷走的污染物越多，削减率越小。然而，降雨历时并不会影响径流峰值浓度，只会影响径流的结束时间。
3 .1.2下凹式绿地关键性参数的实验率定
将SWMM模型应用于下凹式绿地时需根据实验数据率定其模型中的6个关键性参数。其中，绿地百分比、降雨强度、降雨历时易通过实验条件控制，其余参数需通过实验得出。
(1)水力传导率测定：用定水头法测量土壤水力传导率。经3次平行测定取平均值得实验用土壤（北京昌平土）的水力传导率为44.64 mm/h。
(2)冲刷参数测定：冲刷指数方程如公式(4)。
式(4)中，W为冲刷负荷，质量／／J、时；Cl为冲刷系数；C2为径流率指数（冲刷指数）；q为在时间f时刻的子流域单位面积的径流率，mm/h；B为污染物增长，质量单位。将公式变形为直线lg（W/B）=C2. lgq +lgCi，由截距和斜率得冲刷系数和冲刷指数。
根据3次不同降雨条件及不同污染物负荷下的实验数据（表5、表6）得到TP、TN、COD、SS 4种污染物的拟合直线如图3—6所示。
TP冲刷拟合直线相关性大于95%，TN和COD相关性大于99%，SS第1次实验相关性仅为30%，后两次拟合度均大于60%。3次拟合数据见表7。
综合拟合数据，取SS的冲刷系数为0.000 8，冲刷指数为1.2；COD的冲刷系数为0.002 5，冲刷指数为1.04；TN的冲刷系数为0.002，冲刷指数为1.05；TP的冲刷系数为0.000 4，冲刷指数为1.23。将以上数据取代文献数据输入模型用以模拟下凹式绿地的污染物削减过程。
3.2下凹式绿地对降雨径流污染物的削减效果
为了验证模型的准确性，本文采用与以上模型参数率定时不同的降雨条件对下凹式绿地的污染物削减率进行了模拟计算，并开展相应条件下的降雨实验，以对比分析模型计算结果与实验测定结果的差异。模拟降雨条件为：3年重现期，雨强31.73 mm/h的均匀降雨，降雨时间为2h，污染物负荷高；下凹式绿地汇流面积为3.925 m2。模拟结果见表8。
据模拟结果可知，下凹式绿地对常规污染物具有明显的去除效果，尤其是对SS、TP具有较高的去除率，达到70%以上。对COD及TN去除率略低，但仍在60%以上。相同条件下的实验结果为：SS削减率97.61%，COD削减率59.29%，TN削减率67.98%，TP削减率87.49%。模型模拟结果同实验结果的比较见图7。
模型模拟结果与实验结果很接近，除SS与实验数据误差较大为25.5%外，COD与实验误差为3%，TN与实验误差为2.8%，TP与实验误差为4.7%；COD、TN、TP的模拟与实验结果基本一致，但模拟结果普遍比实验结果偏小。在实验中得到的SS数据也不理想，平行实验数据相差较大，因此，SS还需根据进一步的实验进行更为精确的模拟。总体来说，根据实验数据修正的SWMM模型能很好的模拟下凹式绿地对径流污染物的削减状况。
4结论
(1)根据污染物削减变化率确定的SWMM模型的6个关键性参数为：土壤水力传导率、绿地所占百分比、降雨时长、降雨强度、冲刷系数、冲刷指数。
(2)根据下凹式绿地的实验结果对模型参数进行率定，确定了实验用土壤的水力传导率为44.64 mm/h，SS、COD、TN、TP的冲刷系数分别为0.000 8、0.002 5、0.002、0.004，冲刷指数分别为1.2、1.04、1.05、1.23。
(3)下凹式绿地对常规污染物具有明显的去除效果，在2h雨强31.73 mm/h的降雨条件下，削减率分别为TP 83.40%、TN 66.10%、COD 61.07%、SS 72.73%;对SS、TP具有较高的去除率，达到70%以上；对COD及TN去除率略低，但仍在60%以上。SS削减率的模拟计算结果与实验数据误差较大，为25.5%，COD、TN、TP削减率的模拟结果与实验结果基本一致，误差分别为3%、2.8%和4.7%。总体由实验数据修正的SWMM模型拟合效果较好，具有良好的适用性。
