從“大截排”到清源和低影響開發(fā)——基于水質(zhì)目標(biāo)約束的情景模擬與規(guī)劃

王 石,陳麗媛,孫 翔*,陳 良,黃章镕,姚煥玫

?

從“大截排”到清源和低影響開發(fā)——基于水質(zhì)目標(biāo)約束的情景模擬與規(guī)劃

王 石1,陳麗媛1,孫 翔1*,陳 良2,黃章镕3,姚煥玫1

(1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院,廣西南寧530004；2.廣西大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院,廣西南寧 530004；3.廣西大學(xué)計算機(jī)與電子信息學(xué)院,廣西南寧 530004)

運(yùn)用SWMM模型,以深圳市茅洲河流域光明片區(qū)為例,以管網(wǎng)密度、距離及環(huán)境容量為約束條件,提出雨污分流改造和海綿城市改造的情景方案和決策判定依據(jù).研究結(jié)果表明:海綿城市的建設(shè)中低影響開發(fā)面積改造比例與污染物削減率之間存在指數(shù)關(guān)系,9個雨污分流改造的研究小區(qū)中有鵝頸玉田、茅洲大凼和公明大凼區(qū)域需要匹配海綿城市改造,改造面積比例建議分別為30%、85%和20%.當(dāng)某一研究小區(qū)與已建污水處理廠的距離小于27.25km時,投資建設(shè)污水管網(wǎng)與已建污水處理廠處理比新建污水處理廠更具有經(jīng)濟(jì)可行性,超過這個距離,新建一座污水處理廠比建設(shè)長距離污水管網(wǎng)更劃算.對于本文研究案例,在只考慮污水處理廠節(jié)省的雨水處理成本下,各研究小區(qū)進(jìn)行雨污分流改造的回本時間為27~64a.本研究提出的決策判定思路和依據(jù)能為城市建成區(qū)消除內(nèi)澇和內(nèi)河黑臭提供新的方法學(xué)視角,能為深圳市以及其他同類地區(qū)水環(huán)境整治規(guī)劃提供決策信息參考.

雨污分流；低影響開發(fā)；城市內(nèi)澇；城市黑臭河道；SWMM

城市建成區(qū)河流黑臭與內(nèi)澇災(zāi)害是制約當(dāng)前中國大部分城市現(xiàn)代化進(jìn)程的關(guān)鍵問題,如何防治內(nèi)澇并同時改進(jìn)城區(qū)內(nèi)河水質(zhì)是目前水科學(xué)、水環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點和難點問題.深圳是中國改革開放的前沿陣地,城市化水平高,城市化進(jìn)程快,水系發(fā)達(dá),城市化過程內(nèi)澇和河流黑臭所帶來的水環(huán)境風(fēng)險隱患問題十分突出[1],為消除隱患問題,深圳市政府實施了大截排工程方略,通過箱涵收集城市建成區(qū)混排的雨水和生活污水送下游污水處理廠處理,但是大截排工程實施后雨污混合的廢水給污水處理廠造成了很大的沖擊,來水量波動幅度大,暴雨時污水處理廠不堪重負(fù),少雨時污水處理廠則來水不足造成污水處理廠設(shè)施的閑置與規(guī)模浪費(fèi),最重要的是一般雨水只有前15min的初期雨水污染較大,建大規(guī)模污水處理廠應(yīng)對雨水處理實際并不劃算,另外由于上游雨水收集送下游處理導(dǎo)致上游生態(tài)補(bǔ)水嚴(yán)重不足影響了區(qū)域水生態(tài)平衡.為應(yīng)對大截排的問題,不少專家學(xué)者提出清源(雨污分流)改造,但改造的經(jīng)濟(jì)成本和社會成本很大,而且初期雨水就地排放如不加以控制會造成局部區(qū)域水環(huán)境惡化.到底應(yīng)該在什么片區(qū)實施雨污分流改造,空間上應(yīng)該如何布局,雨污分流與雨污合流該如何取舍,海綿城市又該如何搭配,是一個需要博弈的難點現(xiàn)實問題,這需要一個量化的數(shù)學(xué)框架來尋求解決,但是目前仍未在思路與模型上達(dá)成共識.

SWMM是由美國環(huán)保署開發(fā)的城市暴雨管理模型.可用于城市降雨產(chǎn)流、地表匯流、管道匯流、各類蓄水設(shè)施模擬、地表污染物的累計沖刷模擬等[2-9].通過對比分析TRRL、UCURM和SWMM模型對桑坦德市降雨水質(zhì)的預(yù)測結(jié)果,顯示3種模型模擬結(jié)果相似,模型預(yù)測結(jié)果的可信度較高[10],同時集合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對SWMM的運(yùn)行參數(shù)的靈敏度做了分析研究[11].除此之外,該模型還曾結(jié)合地理信息系統(tǒng)和傳感網(wǎng)絡(luò)等手段升級為多平臺集成,得到了實時排水模型系統(tǒng)[12].SWMM模型在國內(nèi)的應(yīng)用也十分廣泛,從模擬天津市地表徑流產(chǎn)生過程來表明該模型在構(gòu)建城市排水管網(wǎng)模型方面有很好的適用性[13].在詳細(xì)參考了深圳實際規(guī)劃案例后,該模型也被考慮進(jìn)實際使用的選擇中[14].以上SWMM模型的拓展與應(yīng)用為本研究的開展奠定了很好的方法基礎(chǔ).

本研究旨在為雨污混排與箱涵截排的老城區(qū)進(jìn)行雨污分流、海綿城市聯(lián)合改造提供系統(tǒng)和量化的判定分析思路,提出待改造集水分析單元主干管網(wǎng)離污水處理廠的空間距離與改造回本時間之間的函數(shù)關(guān)系,對比各分析單元的單獨改造和多種聯(lián)合改造情景下的回本時間差異,給出根據(jù)預(yù)設(shè)回本周期目標(biāo)限制下最合理的空間改造布局方案.在確定雨污分流改造單元后,為緩解雨水就地排放可能對環(huán)境的不利影響,本研究提出通過海綿城市改造來削減城市面源污染,研究分析海綿城市不同面積比例改造與污染物削減率的量化關(guān)系,并提出根據(jù)水環(huán)境容量計算污染物削減量和進(jìn)一步反推海綿城市改造面積比例的決策思路,以期為城市建成區(qū)水環(huán)境治理和水安全保障提供支撐依據(jù).

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

深圳屬于亞熱帶海洋性氣候,暴雨發(fā)生頻率高、影響面廣、危害大.平均每年降雨量1966.6mm,降雨日數(shù)144d,暴雨日數(shù)9d,大暴雨日數(shù)2.2d.近年來,每逢下雨,深圳就會出現(xiàn)“小雨小淹、大雨大淹”,以及關(guān)外逢暴雨必有大內(nèi)澇的狀況,內(nèi)澇已經(jīng)成為制約深圳城市發(fā)展不可回避的問題.

茅洲河位于深圳市西北角,屬寶安區(qū)境內(nèi),與東莞市交界,主要包括寶安區(qū)的石巖鎮(zhèn)、光明街道、公明鎮(zhèn)、松崗鎮(zhèn)、沙井鎮(zhèn)與東莞市長安鎮(zhèn),控制流域面積為344.23km2,其中,深圳境內(nèi)流域面積266.85km2,東莞境內(nèi)面積77.38km2.由于城市化水平高,人口密度大,排水基礎(chǔ)設(shè)施不完善,該區(qū)域面臨著城區(qū)河流黑臭與內(nèi)澇雙重問題.研究區(qū)為茅洲河流域在光明片區(qū)的范圍,總面積146.14km2,片區(qū)由1條干流及13條一級支流、17宗水庫組成(圖1).

研究區(qū)域目前采取的水安全治理工程主要包括防洪、排澇、排水3部分,現(xiàn)有的防洪體系主要遵循“以泄為主,以蓄為輔”的原則,其中干流段大部分已完成河道綜合整治,部分支流已經(jīng)進(jìn)行過整治,但整治岸生態(tài)性較差,澇片主要采用“高水高排、低水抽排”的治理原則,通過排水管涵、渠道收集雨水,通過閘、涵封閉澇片,澇水通過泵站外排,海綿城市設(shè)計不足.研究區(qū)目前排水管道較為復(fù)雜,老城區(qū)的地下雨水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)亂接現(xiàn)象嚴(yán)重,未形成完整的排污體系.研究區(qū)實際使用的污水處理廠包括光明(處理A區(qū)污水)和燕川(處理B區(qū)污水)2個污水處理廠,片區(qū)內(nèi)地下管網(wǎng)復(fù)雜,分流及混流設(shè)施均存在,并且在茅洲河干流兩側(cè)設(shè)有截留箱涵,污水和雨水均通過箱涵接入2處污水處理廠.

圖1 研究區(qū)域概況

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究使用的高程數(shù)據(jù)為http://srtm.csi.cgiar. org網(wǎng)站的90m分辨率DEM數(shù)據(jù);土地利用數(shù)據(jù)來自深圳市2016年5月1日Landsat 8遙感數(shù)據(jù)解譯,解譯使用基于專家知識的決策樹方法;管網(wǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)《深圳市城市總體規(guī)劃2010- 2020》道路管網(wǎng)分布圖矢量化得到;光明片區(qū)2016年常住人口數(shù)據(jù)來源于《深圳市統(tǒng)計年鑒》[15],2016年光明片區(qū)人口密度空間數(shù)據(jù)則根據(jù)2010年光明片區(qū)人口密度空間分布數(shù)據(jù)(2010年第六次人口普查統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行空間網(wǎng)格化得到)、2016遙感數(shù)據(jù)解譯得到的商居用地空間數(shù)據(jù)、光明片區(qū)2016年常住人口數(shù)據(jù)進(jìn)行近似調(diào)整估算修正得到.

圖2 研究小區(qū)和集水分析單元劃分

1公明大凼集水區(qū);2樓村木墩集水區(qū);3茅洲大凼集水區(qū);4木墩東坑集水區(qū)集水區(qū);5鵝頸玉田集水區(qū);6東坑鵝頸集水區(qū);7新坡頭樓村集水區(qū);8大凼玉田集水區(qū);9白沙西田集水區(qū);10大集水區(qū)

本研究將整個研究區(qū)域按照河流水系分割成10塊研究小區(qū)(其中標(biāo)注為10序號的研究小區(qū)主要是林地生態(tài)系統(tǒng),無人口居住,不作為分析對象,只分析9塊研究小區(qū),分別為白沙西田集水區(qū)、茅洲大凼集水區(qū)、新坡頭樓村集水區(qū)、樓村木墩集水區(qū)、公明大凼集水區(qū)、木墩東坑集水區(qū)、東坑鵝頸集水區(qū)、大凼玉田集水區(qū)、鵝頸玉田集水區(qū)),進(jìn)一步細(xì)分出235塊子集水分析單元,如圖2所示.

2 研究方法

2.1 地表徑流模型

本研究首先構(gòu)建徑流模擬模型,模型運(yùn)行參數(shù)參考相關(guān)研究文獻(xiàn)[2-4,16-31],以深圳市特征年降雨為降雨時間序列,進(jìn)行模擬,得出在特征年降雨下研究區(qū)面源污染量.該模型將地面分為3種類型:洼蓄透水面積1(m2)、洼蓄不透水面積2(m2)、無洼蓄不透水面積3(m2)3部分區(qū)域.雨水降落在地表后,在1區(qū)產(chǎn)生下滲,在2區(qū)產(chǎn)生積水,在3區(qū)直接產(chǎn)生徑流.在子匯水區(qū)域的總徑流量R計算見式(1).子匯水區(qū)產(chǎn)流后,通過地表匯流,流入管道或者該區(qū)域的出水口.地面匯流量(m3/min)的計算公式見式(2).

通過管網(wǎng)匯流的雨水,在管道中也有相應(yīng)的匯流過程,管網(wǎng)匯流量(m3/s)的計算公式見式(3).

式中:為降雨量,mm;為蒸發(fā)量,mm;為洼蓄量,mm;0為潛在洼蓄量;1為匯水子區(qū)域?qū)挾?為曼寧粗糙系數(shù);y為匯水子區(qū)域的洼蓄量,mm;為匯水子區(qū)域坡度,m/m;為地表徑流的平均水深,m; i為凈雨量,mm/min.為管道平均流速,m/min;為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;為重力加速度,取9.8m/s;為靜水壓頭,m; F為摩擦阻力.

2.2 污染物累計沖刷模型

在城市中,地表徑流中的污染物主要來自空氣中的污染物沉降累計,在降雨時被雨水沖刷,使得地表徑流中存在一定量的污染物.一般對于地表污染物的增長過程,常分為線性和非線性兩大類累積方式,本研究中選用非線性的指數(shù)函數(shù)累計式,通過沖刷所產(chǎn)生的污染物產(chǎn)量如式(4)所示.

式中:為被沖刷的地表污染因子的濃度,kg/m3;為徑流率,m3/s;為子排水區(qū)域面積,km2; CONV為單位轉(zhuǎn)化系數(shù);R為沖刷系數(shù);為在時間t時刻的子匯水區(qū)域單位面積徑流率,mm/h;P為時刻剩余地表污染因子的量,kg/hm2.曼寧粗糙系數(shù)、沖刷系數(shù)等參數(shù)主要來自于經(jīng)過實測驗證的有關(guān)深圳地區(qū)城市地表徑流和污染物沖刷輸出研究的成果[32-36].

2.3 生活污水污染物估算模型

利用生活污水產(chǎn)量計算公式(5)進(jìn)行估算:

d=′d′′365 (5)

式中:d為日生活污水產(chǎn)量,m3;為選取生活污水變化系數(shù),取值1.2;為生活污水產(chǎn)生量系數(shù)[取值185L/(人×d)]或者污染物產(chǎn)生系數(shù)[COD產(chǎn)生系數(shù)取值為79g/(人×d)];為1.2章節(jié)中述及的2016年光明片區(qū)人口密度空間分布與各研究小區(qū)單元面積相乘得到的每個分析單元人口數(shù).據(jù)此計算得到9個研究小區(qū)的生活污水年產(chǎn)量及COD年產(chǎn)量.

2.4 多情景方案雨污分流改造污染物削減效益、投入回本期與空間距離的相關(guān)分析

2.4.1 情景方案說明 現(xiàn)狀(大截排):本研究片區(qū)所有分析單元現(xiàn)狀是地下雨水和污水管網(wǎng)錯亂布局,把雨水和生活污水混合收集排放到大箱涵送污水處理廠處理,在這種情景下污水處理廠不僅要對生活污水進(jìn)行處理,而且還要對雨水進(jìn)行處理,增加了污水處理廠的處理費(fèi)用;另外,由于箱涵截留了雨水,存在局部區(qū)域生態(tài)需水難以滿足的問題.

未來情景假設(shè)(雨污分流):(1)雨污分流改造已列入深圳市政府的中長期規(guī)劃,假設(shè)目前混排的地下管網(wǎng)保留用于雨水管網(wǎng)(不需要重復(fù)投資建設(shè)),收集雨水就近排入附近茅洲河或其支流,不僅不產(chǎn)生新的投資,還節(jié)約了污水處理廠處理每個研究小區(qū)單元送過來的雨水量(Y)所產(chǎn)生的成本(COSTY),另外初期雨水一般污染物濃度高,城市雨水徑流沖刷產(chǎn)生的污染物輸入如超過該段河流水環(huán)境容量,則會產(chǎn)生雨季水質(zhì)超標(biāo)的問題,在這種可能的超標(biāo)情況下,需要根據(jù)最小削減量設(shè)計低影響開發(fā)(LID)改造工程(即海綿城市工程);(2) 投資新建一套生活污水管網(wǎng)(包括連接各居住小區(qū)單元的支網(wǎng)以及匯集送污水處理廠的主管網(wǎng))送污水處理廠處理,相比大截排污水處理廠處理的生活污水量以及成本沒有變化,但是新增加了管網(wǎng)的投資,假設(shè)支管網(wǎng)的投資為COST支,主管網(wǎng)的投資為COST主,合計為COSTw;(3)原大箱涵放棄不再使用;(4)雨污分流一般有單獨改造和聯(lián)合改造的方式,如示意圖3所示.

圖3 各分析單元雨污分流改造距離分析示意

A、B、C 3個分析小區(qū)目前是雨污混流或者合流,3個分析小區(qū)與下游污水處理廠距離依次增加,要進(jìn)行雨污分流改造和海綿城市改造;單獨改造就是指單獨對A、B、C進(jìn)行改造;聯(lián)合改造是指對A、B、C同時聯(lián)合改造,即首先對距離污水處理廠較近的A、B進(jìn)行改造后再對C進(jìn)行改造;如果A、B沒有進(jìn)行雨污分流改造而直接對C進(jìn)行單獨雨污分流改造,很顯然需要投資建造穿越A、B的主干排水管,C的改造成本很高;而如果對A、B、C同時聯(lián)合改造,即首先對距離污水處理廠較近的A、B進(jìn)行改造后再對C進(jìn)行改造,C區(qū)通向污水處理廠的主干管網(wǎng)投資將會被A、B、C平攤,從而改造的回本期相較單獨改造會有所縮短,但存在邊際收益拐點效應(yīng).

2.4.2 回收周期和環(huán)境效益計算 進(jìn)行雨污分離改造必然能減少污水處理廠的負(fù)擔(dān),使其穩(wěn)定運(yùn)行,并且降低運(yùn)行成本.以污水處理廠減少的水量所對應(yīng)的年運(yùn)行成本減少量,核算雨污分流改造的成本抵消年限.其計算公式為:

式中:為成本回本周期;w為生活污水管網(wǎng)投資建設(shè)的成本;Y為改造后污水處理廠節(jié)約處理雨水的成本;E為環(huán)境效益(如減少污染物排放的價值、海綿城市設(shè)計減少內(nèi)澇的經(jīng)濟(jì)損失以及增加生態(tài)需水的環(huán)境效益貨幣化價值).而單位投資污染物削減效益則是污染物削減量與雨污分流改造成本投入的比值.

3 結(jié)果與討論

3.1 現(xiàn)狀污染分析結(jié)果

表1 現(xiàn)狀模擬結(jié)果

續(xù)表1

研究區(qū)生活源和面源污染情況模擬結(jié)果如表1所示.因為區(qū)域有2個污水處理廠,收集對應(yīng)的區(qū)域范圍污水,所以根據(jù)2個污水處理廠的服務(wù)范圍劃分為2個大區(qū)域:污控一區(qū)和污控二區(qū),污控一區(qū)生活源COD總量為4266.15t,面源COD量為1094.75t;污控二區(qū)生活源COD總量為1775.47t,面源COD量為3033.28t.面源污染占了生活源的34.84%,若不經(jīng)過海綿城市工程設(shè)計對面源污染加以削減處理,會對流域局部區(qū)域水環(huán)境產(chǎn)生污染影響.

3.2 改造情景分析

進(jìn)行雨污分流改造時,分為兩種情景:

以每投資千元的COD削減量為指數(shù),分析各段在2種情景下的效益,如表2所示.

表2 不同情境改造模擬結(jié)果

效益:每花費(fèi)千萬元能削減的COD量(萬t).

用表2中效率與距離進(jìn)行線性擬合,結(jié)果顯示線性相關(guān)度不高(單獨改造時2=0.3858,聯(lián)合改造2=0.1703).分析各研究區(qū)內(nèi)生活污水產(chǎn)量、人口數(shù)、人口密度、研究區(qū)面積、管網(wǎng)長度、管網(wǎng)密度、單位人口管網(wǎng)長度、單位面積面源污染物量、徑流量9個因素的影響.發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)密度(GW)對效率和距離的擬合存在限定作用,且當(dāng)GW= 0.0028時,存在分割現(xiàn)象,擬合結(jié)果如圖4所示.

從擬合結(jié)果看,使用GW=0.0028進(jìn)行分割后,線性擬合能得到較好的擬合曲線,2分別為0.9774、0.8039、0.8740、0.2669(聯(lián)合改造情境下,當(dāng)GW大于0.0028時,區(qū)域擬合結(jié)果較差,后文中將分析原因).單獨改造情境下,當(dāng)GW小于0.0028時,區(qū)域改造單位投入所削減的COD量隨距離減少量要高于GW大于0.0028的區(qū)域分別為1.3681和0.4352[萬t/(千萬元×km)];聯(lián)合改造情景下,GW的分割情況同上,削減量變化率分別為1.1124和0.11522 [萬t/(千萬元×km)].在管網(wǎng)密度大于0.0028的區(qū)域進(jìn)行雨污改造,不論是單獨改造還是聯(lián)合改造,由于距離而產(chǎn)生的單位投入污染物削減量都要高于小于0.0028的區(qū)域.區(qū)域的管網(wǎng)密度是影響改造效率的關(guān)鍵因素.

3.3 雨污改造成本分析

進(jìn)行雨污分離改造必然能減少污水處理廠的負(fù)擔(dān),使其穩(wěn)定運(yùn)行,并且降低運(yùn)行成本.以污水處理廠減少的水量所對應(yīng)的年運(yùn)行成本減少量,核算雨污分流改造的成本抵消年限.結(jié)果如圖5所示.從擬合結(jié)果看,兩種情景下,最小的回收年份為新坡頭樓村區(qū)域的聯(lián)合改造情景,年份為27a;最大的回收年份為白沙西田區(qū)域的單獨改造情景,年份為64a.在GW大于0.0028時,單獨改造投資回收周期隨著距離增加其增長率大于聯(lián)合改造,分別為0.0026a/m(單獨改造)和0.0005a/ m(聯(lián)合改造);在GW小于0.0028時,單獨改造投資回收周期隨著距離增加率大于和聯(lián)合改造,分別為0.9480和0.8737(a/m).聯(lián)合改造后隨距離增加的改造成本回收年份要比單獨改造的短.

3.4 邊際效應(yīng)分析和污水處理廠服務(wù)最大范圍確定

將前段已改造(聯(lián)合改造)和前段未改造(單獨改造)的單位投入做差,結(jié)合污染物削減量,得出聯(lián)合改造后的效率增長率,分析其與該區(qū)域到污水處理廠的距離關(guān)系,擬合結(jié)果如圖6所示.

從擬合結(jié)果看,前段距污水處理廠的距離與效率比增長率存在邊界效應(yīng)現(xiàn)象,二次擬合結(jié)果為:=-0.20842+5.7941-3.152,2=0.9507,計算得出在前段距離污水處理廠的距離為13.90km時存在邊界效應(yīng)點,在該范圍內(nèi),聯(lián)合改造所產(chǎn)生的效率增長率為正,即在處理等量污染物的前提下,聯(lián)合改造節(jié)省的成本隨距離增加而增加;超過這個距離后,聯(lián)合改造所節(jié)省的成本和單獨改造情景相比,差距縮小.在距離為27.25km時,兩種情景改造的花費(fèi)相當(dāng),超過27.25km后,單獨改造要比聯(lián)合改造節(jié)省成本,給出的啟示是污水處理廠的服務(wù)范圍不應(yīng)該超過27.25km(以此距離為半徑的圓面積2332.83km2).

圖6 距離效應(yīng)與效率比增長率關(guān)系

進(jìn)行雨污分流改造后,面源污染物需要單獨進(jìn)行處理.此時先對照各段水系的污染物容量,超出其容量的則需進(jìn)行低影響開發(fā)改造處理.當(dāng)前海綿城市工程中LID設(shè)施有多孔路面、生物滯留網(wǎng)絡(luò)、滲渠、雨桶以及下沉式綠地.由于城市內(nèi)僅有部分區(qū)域可進(jìn)行改造,本文將研究區(qū)域內(nèi)可進(jìn)行海綿城市工程的面積設(shè)置為總面積的60%.LID改造面積也是在總面積的60%基礎(chǔ)上進(jìn)行判定的.本文以鵝頸玉田區(qū)域為例,模擬了LID設(shè)施為生物滯留網(wǎng)絡(luò)下不同面積比例的COD削減量曲線,如圖7所示,隨LID設(shè)施面積增加,污染物的削減量也隨之增加.

各個小區(qū)中只有茅洲大凼、公明大凼和鵝頸玉田區(qū)3個小區(qū)的面源污染物直排量超出對應(yīng)河段的環(huán)境容量,根據(jù)圖7污染物削減率與LID改造面積比例關(guān)系,這幾個小區(qū)對應(yīng)需要進(jìn)行LID改造的面積比例分別為85%、20%和30%(表3).

圖7 污染物削減率與LID面積關(guān)系

表3 區(qū)域環(huán)境容量及需設(shè)置LID比例

4 結(jié)論

4.1 城市建成區(qū)的雨污分流改造投入很高,需要考慮經(jīng)濟(jì)可行性和成本效益比問題,雨污分流改造的成本效益比會受到改造區(qū)域距污水處理廠的距離、改造區(qū)管網(wǎng)密度及改造方式的影響,而且存在距離和改造效率比的邊界效應(yīng)現(xiàn)象. 本研究案例計算結(jié)果表明,污水處理廠的服務(wù)范圍不應(yīng)超過27.25km,即當(dāng)改造小區(qū)單元與已有污水處理廠的距離超過27.25km時,新建一座污水處理廠比建設(shè)長距離雨污分流管網(wǎng)更劃算.

4.2 海綿城市的建設(shè)中LID設(shè)置比例與污染物削減率之間存在指數(shù)關(guān)系.雨污分流改造使得各單元雨水就近排放入水體,在規(guī)劃中需要比較特定排污單元城市面源污染直排量和水環(huán)境容量關(guān)系,如果排放量超過容量的,需要計算污染物削減率,并根據(jù)海綿城市的建設(shè)中LID設(shè)置比例與污染物削減率之間存在指數(shù)關(guān)系求算特定改造單元最小海綿城市改造空間面積比例.

4.3 對于本文研究案例,在只考慮污水處理廠節(jié)省的雨水處理成本下,各研究小區(qū)進(jìn)行雨污分流改造的回本時間在27~64年間.

[1] 王金南,于 雷,萬 軍,等.長江三角洲地區(qū)城市水環(huán)境承載力評估 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2013,33(6):1147-1151.

[2] 董 欣,杜鵬飛,李志一,等. SWMM模型在城市不透水區(qū)地表徑流模擬中的參數(shù)識別與驗證[J]. 環(huán)境科學(xué), 2008,9(6):1495- 1501.

[3] 石赟赟,萬東輝,陳 黎,等.基于GIS和SWMM的城市暴雨內(nèi)澇淹沒模擬分析[J]. 水電能源科學(xué), 2014,32(6):57-60.

[4] 黃國如,黃 維,張靈敏,等.基于GIS和SWMM模型的城市暴雨積水模擬[J]. 水資源與水工程學(xué)報, 2015,26(4):1-6.

[5] Campbell C W, Sullivan S M. Simulating time-varying cave flow and water levels using the Storm Water Management Model [J]. Engineering Geology, 2002,65(2/3):133-139.

[6] Burian S J, Streit G E, Mcpherson T N, et al. Modeling the atmospheric deposition and stormwater washoff of nitrogen compounds [J]. Environmental Modelling & Software, 2001, 16(5):467-479.

[7] Davis J R F J F N. The experiences of using a decision support system for nutrient management in Australia [J]. Water Scei Technol., 1998,37(3):209-216.

[8] 尚蕊玲,王 華,黃寧俊,等.城市新區(qū)低影響開發(fā)措施的效果模擬與評價[J]. 中國給水排水, 2016,32(11):141-146.

[9] 李彥偉,尤學(xué)一,季 民,等.基于SWMM模型的雨水管網(wǎng)優(yōu)化[J]. 中國給水排水, 2010,26(23):40-43.

[10] Marsalek J D T M W. Comparative evaluation of three urban runoff models [J]. Water Resources Bulletin, AWRA., 1975, 11(2):306-328.

[11] Zaghloul N A M A A K. Neural network solution of inverse parameters used in the sensitivity-calibration analyses of the SWMM model simulations [J]. 2001,32(7):287-595.

[12] Kim K U H H S J. Construction of a real-time Urban Inundation Analysis System based on UIS using SWMM [C]. 2007:28-46.

[13] 劉 俊.城市雨洪模型研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報, 1997,25(6): 22-26.

[14] 董 欣,杜鵬飛,李志一,等. SWMM模型在城市不透水區(qū)地表徑流模擬中的參數(shù)識別與驗證[J]. 環(huán)境科學(xué), 2008,9(6):1495- 1501.

[15] 深圳市統(tǒng)計局.深圳統(tǒng)計年鑒(2011-2016) [S].

[16] 史 蕊.基于GIS和SWMM的城市洪水模擬與分析[D]. 昆明理工大學(xué), 2010.

[17] 親耀民,李懷恩.基于降雨事件監(jiān)測的非電源污染對灞河水質(zhì)的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(15):1173-1180.

[18] 陳元增,劉德兒,袁顯貴,等.基于GIS和SWMM的帶權(quán)雨水網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[J]. 測繪科學(xué), 2017,(8):1-9.

[19] 鐘力云.基于SWMM的上海市某城市小區(qū)排除地面積水能力校核[J]. 城市道橋與防洪, 2014,1(1):78-80.

[20] 黃國如,張靈敏,雒 翠,等. SWMM模型在深圳市民治河流域的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué), 2015,33(4):10-14.

[21] 程 江,楊 凱,黃民生,等.下凹式綠地對城市降雨徑流污染的削減效應(yīng)[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(6):611-616.

[22] 丁程程,劉 健.中國城市面源污染現(xiàn)狀及其影響因素[J]. 中國人口×資源與環(huán)境. 2011,21(3):86-89.

[23] 謝繼鋒,胡志新,徐 挺,等.合肥市不同下墊面降雨徑流水質(zhì)特征分析[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2012,32(6):1018-1025.

[24] 孫艷偉.城市化和低影響發(fā)展的生態(tài)水文效應(yīng)研究[D]. 楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué), 2011.

[25] 劉明欣,代色平,周天陽,等.濕熱地區(qū)簡單式屋頂綠化的截流雨水效應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2016,28(2):1-10.

[26] 傅新忠. SWMM在城市雨洪模擬中的應(yīng)用研究——以金華市城北某區(qū)塊為例 [D]. 金華:浙江師范大學(xué), 2012.

[27] 周力寧.基于SWMM的城市內(nèi)澇風(fēng)險識別研究[D]. 成都:西南交通大學(xué), 2016.

[28] 歐陽威,王 瑋,郝芳華,等.北京城區(qū)不同下墊面降雨徑流產(chǎn)污特征分析[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(9):1249-1256.

[29] 王浩昌,杜鵬飛,趙冬泉,等.城市降雨徑流模型參數(shù)全局靈敏度分析[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2008,28(8):725-729.

[30] 黃金良,杜鵬飛,何萬謙,等.城市降雨徑流模型的參數(shù)局部靈敏度分析[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2007,27(4):549-553.

[31] 周 毅,余明輝,陳永祥.SWMM子匯水區(qū)域?qū)挾葏?shù)的估算方法介紹[J]. 中國給水排水, 2014,30(22):61-64.

[32] 林佩斌.深圳地區(qū)污水截流倍數(shù)研究[D]. 重慶:重慶大學(xué), 2006.

[33] 趙劍強(qiáng),孫奇清.城市道路路面徑流水質(zhì)特性及排污規(guī)律[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2002,22(2):21-23.

[34] 黃紀(jì)萍.城市排水管網(wǎng)水力模擬及內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)研究 [D]. 廣州:華南理工大學(xué), 2014.

[35] 林森斌.參數(shù)自適應(yīng)的半分布式城市降雨徑流及污染模擬系統(tǒng) [D]. 北京:清華大學(xué), 2010.

[36] 王雯雯.基于SWMM的低沖擊開發(fā)模式水文效應(yīng)模擬評估 [D]. 北京:北京大學(xué), 2011.

From rainwater and sewage interception to separation system combined with low impact development reconstruction in urban built-up area: A water quality constrained scenario stimulation and programming.

WANG Shi1, CHEN Li-yuan1, SUN Xiang1*, CHEN Liang2, HUANG Zhang-rong3, YAO Huan-mei1

(1.College of Resources, Environment and Materials, Guangxi University, Nanning 530004, China；2.College of Mathematics and Information Science, Guangxi University, Nanning 530004, China；3.School of Computer, Electronics and Information, Guangxi University, Nanning 530004, China)., 2017,37(10)：3981~3990

In this study, SWMM model was coupled with scenario analysis approach to simulate urban rainfall-runoff and water quality under the dual constraints of water safety and quality at Guangming District of the Maozhou River Basin. The analysis results showed that there was an exponential relationship between the area of LID reformation and the pollutant reduction rate. In order to address the issue of the negative impacts of surface storm water run-off pollution on local river water quality, 30%, 85% and 20% of the total area were recommended to implement LID reconstruction at Ejing-yutian Unit, Maozhou-dadang Unit and Gongming-dadang Unit, respectively. Compared with building new sewage treatment plant, construction of sewage pipes to direct sewage water into existing sewage treatment plant had more economic benefits if the distance between the existing sewage treatment plant and the research area is less than 27.25km., and vice versa. In this study, the break-even time cost of rainwater and sewage separation reconstruction was between 27 and 64years. The proposed decision-making framework in this research has brought a new methodological perspective to treating waterlogging and black-odor in built-up area. It also can provide supplementary and useful information to the planning of water-environment management in Shenzhen and other similar areas.

rainwater and sewage separation system；low impact development；waterlogging；urban black-odors river；SWMM

X143

A

1000-6923(2017)10-3981-10

王 石(1992-)男,甘肅隴南人,廣西大學(xué)碩士研究生,主要從事流域生態(tài)、流域水文等研究工作.

2017-02-13

2017年度教育部人文社會科學(xué)研究青年基金(17YJCZH153);廣西大學(xué)科研基金(xgz150300)

* 責(zé)任作者, 副教授, sunxiangphd@gxu.edu.cn