城市雨水徑流污染及LID控制效果模擬

陳 莎，陳曉宏

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東 廣州 510275； 2.華南地區(qū)水循環(huán)和水安全廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275；3.廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州，510275)

過去幾十年，中國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，導(dǎo)致城市下墊面不透水率增加，水循環(huán)模式發(fā)生變化，對(duì)城市的徑流過程造成影響[1]。城市雨水徑流沖刷草地、屋頂、道路等不同下墊面，攜帶各種污染物如營養(yǎng)鹽、重金屬、懸浮固體等進(jìn)入水體，造成非點(diǎn)源污染，導(dǎo)致城市水體污染加劇[2]。

國內(nèi)外對(duì)城市非點(diǎn)源污染管理措施展開了大量的研究，比較顯著的研究成果有美國的最佳管理措施(best management practices，BMPs)、英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)(sustainable urban drainage system，SUDS)、新西蘭的低影響開發(fā)(low impact development，LID)技術(shù)等。其中，LID提倡采用工程措施和非工程措施作為非點(diǎn)源污染的削減措施，非工程措施一般是采取一系列的管理措施控制污染，工程措施是通過工程設(shè)施的建立控制和削減污染，減少雨水徑流中污染物的濃度和排放總量[3]，常見的有綠色屋頂、透水鋪裝、雨水花園等，這些控制措施在不同降雨條件下對(duì)城市雨水徑流及污染物作用效果不同。國內(nèi)外許多學(xué)者采用暴雨雨水管理模型(storm water management model，SWMM)對(duì)城市雨水徑流及水質(zhì)進(jìn)行模擬，模擬效果較好[3-9]。本文采取SWMM模型，研究在不同降雨重現(xiàn)期和不同雨型條件下LID措施對(duì)城市雨水徑流及污染物的削減效果，以期為城市海綿城市工程建設(shè)提供參考。

1 研究方法

1.1 SWMM模型

SWMM是20世紀(jì)70年代由麥特卡夫-埃迪有限公司、佛羅里達(dá)大學(xué)和美國水資源有限公司3個(gè)單位聯(lián)合研制的一個(gè)綜合性數(shù)學(xué)模型，可以用來模擬完整的城市降雨徑流和污染物的運(yùn)動(dòng)過程[4]。SWMM模型是應(yīng)用最為廣泛的城市雨洪模型，其排水管網(wǎng)模型的模擬過程主要由3部分構(gòu)成，即地表徑流模擬、地表污染物模擬和管網(wǎng)傳輸系統(tǒng)模擬。

地表徑流模擬過程包括了從降雨開始到進(jìn)入排水管道之前的水文過程，由產(chǎn)流模型和匯流模型兩部分組成。產(chǎn)流過程就是降雨扣除損失形成凈雨的過程，模型根據(jù)下墊面及地表排水狀況，將研究區(qū)域劃分為若干個(gè)子匯水區(qū)，子匯水區(qū)的下墊面分為有洼蓄量的不透水地表、無洼蓄量的不透水地表和透水地表，3種類型的下墊面分別進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，子匯水區(qū)的出流量為3個(gè)部分出流量之和。地表匯流演算是把各個(gè)子流域的凈雨過程轉(zhuǎn)化成流域的出流過程，在SWMM模型中，每個(gè)子匯水區(qū)都被看成是一個(gè)非線性水庫，其容量就是最大的洼蓄量，當(dāng)“水庫”的水深超過了最大洼蓄量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生徑流，如圖1所示。

圖1 子匯水區(qū)非線性水庫模型

地表污染物模擬包括污染物累積模型和沖刷模型，累積模型包括冪函數(shù)累積模型、指數(shù)函數(shù)累積模型和飽和函數(shù)累積模型，沖刷模型包括指數(shù)模型、流量特性沖刷曲線模型和次降雨平均濃度模型[7]。

管網(wǎng)傳輸系統(tǒng)模擬一般將排水系統(tǒng)概化為由節(jié)點(diǎn)連接起來的一系列的管道。主要是通過輸送模塊和擴(kuò)展輸送模塊來進(jìn)行排水系統(tǒng)的流量演算，由求解圣維南方程組得到。

1.2 LID控制措施

LID技術(shù)是采用植被洼地、植草溝、雨水花園、滯留槽和可滲透地表等措施減小集水區(qū)的不可滲透地表的影響，或?qū)⑦@些措施直接連接到區(qū)域內(nèi)的雨水系統(tǒng)中[3]。本研究涉及的LID控制措施有雨水花園、透水鋪裝、綠色屋頂。

a. 雨水花園通常是由具有吸收能力的工程性或本地土壤基質(zhì)、覆蓋層和灌木、花草等植物構(gòu)成的茶碟狀或者淺挖的景觀洼地?？捎糜跁簳r(shí)儲(chǔ)蓄和處理來自落水管、排水管、人行道等產(chǎn)生的雨水徑流，并滲透到土壤層中[10]。雨水花園對(duì)應(yīng)的LID措施的參數(shù)包括表面層參數(shù)：蓄水深度為200 mm，植被覆蓋率為0.15，表面粗糙系數(shù)及表面坡度為0；土壤層參數(shù)：厚度為800 mm，孔隙率為0.479，產(chǎn)水能力為0.371，枯萎點(diǎn)為0.251，導(dǎo)水率為0.5 mm/h，導(dǎo)水率坡度為15，吸水頭為290 mm；蓄水層參數(shù)：高度為300 mm，孔隙比為0.5，導(dǎo)水率為250 mm/h，堵塞因子為0；暗渠層的參數(shù)率定都為0。

b. 透水鋪裝是指將透水性好、孔隙率高的基建材料鋪設(shè)在道路或者廣場(chǎng)等開放空間的面層或基層，使雨水徑流暫時(shí)儲(chǔ)存在基層中，可以滲入周圍土地土壤層或者通過排水暗管匯入市政管網(wǎng)，從而達(dá)到控制徑流的作用。透水鋪裝對(duì)應(yīng)的LID措施的參數(shù)包括表面層參數(shù)：蓄水深度為60 mm，植被覆蓋率為0.6，表面粗糙系數(shù)為0.15，表面坡度為0.4；路面層參數(shù)：厚度為150 mm，孔隙比為0.18，不滲透表面小數(shù)為0，滲透性為200 mm/h，堵塞因子為0；蓄水層參數(shù)：高度為300 mm，孔隙比為0.5，導(dǎo)水率為250 mm/h，堵塞因子為0；暗渠層的參數(shù)率定都為0。

c. 綠色屋頂是將植物種植于建筑物頂部，不與自然土壤直接接壤的雨水控制設(shè)施。綠色屋頂對(duì)應(yīng)的LID措施的參數(shù)包括表面層參數(shù)：蓄水深度為40 mm，植被覆蓋為0.2，表面粗糙系數(shù)和表面坡度為0；土壤層參數(shù)：厚度為150 mm，孔隙率為0.479，產(chǎn)水能力為0.371，枯萎點(diǎn)為0.251，導(dǎo)水率為0.5 mm/h，導(dǎo)水率坡度為15，吸水頭為290 mm；蓄水層參數(shù)：高度為300 mm，孔隙比為0.5，導(dǎo)水率為250 mm/h，堵塞因子為0；暗渠層的參數(shù)率定都為0[11]。

2 實(shí)例應(yīng)用

選取佛山市新城片區(qū)的依云水岸小區(qū)為研究對(duì)象，研究區(qū)域面積為134 270 m2。佛山市位于珠江三角洲腹部，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充足。年降雨量1 600～1 700 mm，年平均降雨日140 d，在時(shí)間分布上，降水主要集中在3—9月。佛山新城片區(qū)位于佛山市順德區(qū)樂從鎮(zhèn)北部，北臨東平水道，東至華陽路，南沿裕和路、富華路，西沿汾江路。研究區(qū)域下墊面及管網(wǎng)等信息來自《佛山新城市政規(guī)劃專項(xiàng)規(guī)劃說明書》和《雨水工程現(xiàn)狀圖》，降雨數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)井水深來自于實(shí)際監(jiān)測(cè)。模型涉及的設(shè)計(jì)降雨量按照佛山市2011年編制的單一重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算，設(shè)計(jì)雨型根據(jù)芝加哥雨型計(jì)算。

2.1 模型參數(shù)率定

SWMM模型中包含水文模塊和水質(zhì)模塊兩部分。水文模塊參數(shù)確定分為兩部分，一部分根據(jù)物理意義直接獲得，還有一部分需要率定得到。水質(zhì)模塊包括污染物累積模型和沖刷模型，本研究選取飽和函數(shù)累積模型和指數(shù)沖刷模型，模型參數(shù)參考國內(nèi)研究[7-9,12-13]得到，見表1和表2。

表1 累積模型參數(shù)

表2 沖刷模型參數(shù)

2.1.1 模型參數(shù)率定的誤差分析與效率檢驗(yàn)準(zhǔn)則

Nash與Suteliffe在1970年提出了模型效率系數(shù)(確定性系數(shù))來評(píng)價(jià)模型模擬的精度，它直觀地體現(xiàn)了實(shí)測(cè)與模擬的擬合程度的好壞[7]。本研究采用3個(gè)目標(biāo)函數(shù)作為評(píng)價(jià)實(shí)測(cè)與模擬的擬合程度好壞的指標(biāo)，分別是反映節(jié)點(diǎn)水深精度的相對(duì)誤差Re，反映節(jié)點(diǎn)水深過程與實(shí)測(cè)水深過程吻合程度的模型效率系數(shù)NS和相關(guān)系數(shù)R2，3個(gè)評(píng)級(jí)指標(biāo)的計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

2.1.2 水文參數(shù)率定

根據(jù)《佛山市雨水工程現(xiàn)狀圖》對(duì)研究區(qū)域排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)概化，提取研究區(qū)域管網(wǎng)及節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，其中包括代表管道圖形要素的空間位置、檢查井的埋深、管道的長(zhǎng)度、流向、管徑等屬性信息，得到研究區(qū)域的排水管網(wǎng)概化圖(圖2)。根據(jù)用地屬性的不同劃分為5個(gè)排水小區(qū)，其中ZHS58和ZHS59是居住小區(qū)，ZHS83、ZHS84和ZHS85是道路；根據(jù)檢查井位置確定4個(gè)節(jié)點(diǎn)；根據(jù)雨水管道的布設(shè)確定4條管道；根據(jù)雨水排放口確定1個(gè)雨水出口。雨量站位置位于ZHS58樓頂，采用J104檢查井水深作為模型的校檢數(shù)據(jù)。

圖2 研究區(qū)排水管網(wǎng)概化圖

根據(jù)降雨監(jiān)測(cè)資料，選取2017年9月4日10:00～13:00的降雨過程作為模型模擬的降雨序列，前期干旱天數(shù)為5 d。由于SWMM模型中敏感的參數(shù)有子匯水區(qū)寬度、不滲透性粗糙系數(shù)、滲透性粗糙系數(shù)、不滲透性洼地蓄水、滲透性洼地蓄水以及無洼地蓄水不滲透性，因此需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行率定[4,7]，模型中土壤滲透模型參數(shù)參考《佛山市海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市申報(bào)實(shí)施方案》，采用Green-Ampt入滲模型，參數(shù)吸入水頭為210 mm、導(dǎo)水率為0.46 mm/h，經(jīng)過參數(shù)的不斷調(diào)整，最終率定結(jié)果見表3，計(jì)算得到參數(shù)調(diào)整后模型的NS為0.93、R2為0.96、Re為-19.4%，模型模擬結(jié)果較好。

表3 水文參數(shù)率定結(jié)果

2.2 模型驗(yàn)證

選取2017年9月4日16:10～17:00的降雨過程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，此次降雨歷時(shí)為50 min，將降雨數(shù)據(jù)輸入到建立好的SWMM模型中，進(jìn)行時(shí)間長(zhǎng)度為3 h的模擬，得到的模擬結(jié)果見圖3。計(jì)算得到模型的NS、R2和Re分別為0.88、0.91和14%，模型模擬精度較好。

圖3 模型驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)深度過程線

3 結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)降雨

為綜合分析不同降雨條件下采取LID措施對(duì)雨水徑流及污染物的削減效果，本研究設(shè)定以下4種降雨強(qiáng)度：1年一遇、3年一遇、5年一遇和10年一遇，降雨歷時(shí)為2 h，根據(jù)《佛山新城市政專項(xiàng)規(guī)劃說明書》，1年一遇、3年一遇、5年一遇和10年一遇的降雨量按照佛山市2011年編制的單一重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算，分別見式(4)～(7)，設(shè)計(jì)雨型根據(jù)芝加哥雨型計(jì)算，見式(8)。

q=3 189.598/t+11.9980.728

(4)

q=2 969.154/t+10.4230.652

(5)

q=2 890.678/t+9.8410.624

(6)

q=2 791.429/t+9.0990.587

(7)

(8)

式中：q為歷時(shí)t內(nèi)的平均雨強(qiáng)，mm/min；I為瞬時(shí)降雨強(qiáng)度，mm/min；t1為峰前歷時(shí)，min；t2為峰后歷時(shí)，min；r為雨峰系數(shù)；A、n、b為參數(shù)[4]。r的取值決定降雨峰值出現(xiàn)時(shí)間，從而決定降雨類型。本研究設(shè)定8種降雨雨型，r分別取值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，大致分為前鋒型、中鋒型和后峰型降雨。芝加哥雨型的缺點(diǎn)是雨峰過于尖瘦，特別當(dāng)暴雨公式中A、n、b值較小時(shí)，因此本文中采用5 min時(shí)間間隔計(jì)算降雨強(qiáng)度。根據(jù)上述分析，分兩種典型降雨情景研究：情景一是重現(xiàn)期相同，r值不同，由于海綿城市建設(shè)適用于高頻率小雨強(qiáng)，因此研究重現(xiàn)期為1年一遇時(shí)8種不同雨型下的雨水徑流及污染物的削減效果；情景二是r值相同，重現(xiàn)期不同，由于國內(nèi)大量統(tǒng)計(jì)資料表明，大部分地區(qū)r值介于0.3～0.5之間[4]，因此研究r值為0.4時(shí)4種不同重現(xiàn)期下的雨水徑流及污染物的削減效果。兩種情景下的降雨過程見圖4。

3.2 LID控制措施削減效果分析

3.2.1 總量削減效果分析

參考《佛山市海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市申報(bào)實(shí)施方案》，一般情況下居住小區(qū)的下墊面構(gòu)成為綠地占30%，建筑占30%，道路及鋪裝占40%，其他用地參照此標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際情況確定。采取的徑流污染控制措施以雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝為主，不同LID措施的地塊指標(biāo)比例見表4。

a. 不同雨型總量削減效果分析。模擬情景一下未采取LID措施和采取LID措施兩種情況，并計(jì)算采取LID措施對(duì)雨水徑流及污染物的削減率，結(jié)果見圖5。

(a) 情景一 (b) 情景二

LID措施對(duì)應(yīng)下墊面條件不同下墊面條件下LID措施對(duì)應(yīng)的比例/%占地塊比例/%LID措施面積/m2雨水花園綠地601824169透水鋪裝道路及人行道、停車場(chǎng)、廣場(chǎng)903648337綠色屋頂建筑(屋頂)601824169

圖5 情景一下徑流量及污染物削減率與r值關(guān)系

由圖5可知，在平均降雨強(qiáng)度不變的情況下，隨著r值的增大，LID措施下的子匯水區(qū)出口處的雨水徑流量以及污染物濃度的削減率呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，與降雨量隨雨峰系數(shù)的變化趨勢(shì)一致，說明削減效果與降雨量密切相關(guān)。在r值較小或較大時(shí)，采取LID措施下的削減率小于雨峰系數(shù)位于中間時(shí)候，在r值為0.3～0.5時(shí)，雨水徑流量以及污染物削減率達(dá)到最大，這與r=0.5時(shí)雨量最小有關(guān)[15]。相對(duì)于污染物的削減率變化，雨水徑流量隨r值的變化幅度較小，并且當(dāng)r值較小時(shí)，即前鋒或者中鋒時(shí)，雨水徑流及污染物的削減率較高，隨r值變化幅度較小，而當(dāng)r值較大時(shí)，即后峰型降雨時(shí)，削減率下降幅度變大，尤其是污染物濃度。

b. 不同重現(xiàn)期總量削減效果分析。模擬情景二下未采取LID措施和采取LID措施兩種情況，并計(jì)算采取LID措施對(duì)雨水徑流及污染物的削減率，結(jié)果見圖6。

圖6 情景二下徑流量及污染物削減率與重現(xiàn)期關(guān)系

由圖6可知，當(dāng)r值相同，隨重現(xiàn)期的增大，采取LID措施下的子匯水區(qū)出口處的雨水徑流量以及污染物的削減率變化規(guī)律相同，均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即雨水徑流及污染物的削減率與重現(xiàn)期呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。在降雨強(qiáng)度較小時(shí)，采取LID措施對(duì)子匯水區(qū)的徑流及污染物呈現(xiàn)較好的削減效果，與海綿城市建設(shè)適用于高頻率小雨強(qiáng)相對(duì)應(yīng)。相對(duì)于污染物的削減率變化，雨水徑流量隨r值的變化幅度較小，相對(duì)r值對(duì)雨水徑流及污染物削減率的影響，重現(xiàn)期對(duì)削減率的影響更大。

3.2.2 徑流峰值削減效果分析

a. 不同雨型徑流峰值削減效果分析。模擬情景一下未采取LID措施和采取LID措施兩種情況，計(jì)算采取LID措施對(duì)雨水徑流峰現(xiàn)時(shí)間的延遲和對(duì)峰值的削減率，徑流峰值及其削減率與r值的關(guān)系見圖7，不同r值下采取LID措施前后的徑流與污染物峰現(xiàn)時(shí)間見表5。

圖7 徑流峰值削減率與r值關(guān)系

由圖7可見，當(dāng)重現(xiàn)期不變時(shí)，子匯水面出口處的徑流峰值均隨雨峰系數(shù)的增大，呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在采取LID措施后，對(duì)徑流峰值有明顯的削減作用，削減率隨r值的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，與3.2.1中情景一下徑流量削減率隨r值的變化關(guān)系一致。在中鋒型降雨時(shí)，LID措施對(duì)徑流量峰值的削減效果最明顯，削減率最大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與中鋒型降雨峰值小于前鋒型降雨和后峰型降雨有關(guān)。

表5 不同r值下采取LID措施前后的徑流與污染物峰現(xiàn)時(shí)間 min

表6 不同重現(xiàn)期下采取LID措施前后徑流與污染物的峰現(xiàn)時(shí)間 min

由表5可見，當(dāng)r為某一定值時(shí)，采取LID措施后的徑流峰現(xiàn)時(shí)間始終滯后未采取LID措施，說明采取LID措施對(duì)徑流峰現(xiàn)時(shí)間有很好的延時(shí)作用，且延時(shí)效果隨r值的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)重現(xiàn)期不變，徑流量的峰現(xiàn)時(shí)間隨著r值的增大逐步后移，與降雨峰值及徑流量峰值隨r值的變化趨勢(shì)一致。

b. 不同重現(xiàn)期徑流峰值削減效果分析。模擬情景二下未采取LID措施和采取LID措施兩種情況，計(jì)算采取LID措施對(duì)雨水徑流及污染物峰現(xiàn)時(shí)間的延遲和對(duì)峰值的削減率，不同重現(xiàn)期下采取LID措施前后徑流與污染物的峰現(xiàn)時(shí)間見表6，徑流峰值及其削減率與重現(xiàn)期的關(guān)系見圖8。

由表6可見，當(dāng)重現(xiàn)期為某一定值時(shí)，采取LID措施后的徑流及污染物峰現(xiàn)時(shí)間始終滯后未采取LID措施，說明采取LID措施對(duì)徑流峰值有很好的延時(shí)作用，尤其在降雨重現(xiàn)期較小時(shí)尤為明顯，延時(shí)效果隨重現(xiàn)期的增大呈現(xiàn)較小的趨勢(shì)。當(dāng)r值不變，部分污染物的峰現(xiàn)時(shí)間隨重現(xiàn)期增加呈現(xiàn)前移的趨勢(shì)，其中TP表現(xiàn)最為明顯。

圖8 徑流峰值及其削減率與重現(xiàn)期關(guān)系

由圖8可見，當(dāng)r值不變時(shí)，未采取LID措施和采取LID措施兩種情況下，子匯水面出口處的徑流峰值均隨重現(xiàn)期的增大而增大，這與降雨強(qiáng)度隨重現(xiàn)期的增大而增大有關(guān)。在采取LID措施后，對(duì)徑流峰值有明顯的削減作用，削減率隨重現(xiàn)期的增大而減小，與3.2.1中情景二下的子匯水區(qū)徑流量削減率與重現(xiàn)期的變化關(guān)系一致。在重現(xiàn)期較小時(shí)，對(duì)徑流峰值有較好的削減作用，這可能因?yàn)橹噩F(xiàn)期較小時(shí)，降雨量較小，產(chǎn)生的污染物少，LID措施對(duì)污染物處理效果較好。而隨著重現(xiàn)期增大，降雨量也隨著增大，產(chǎn)生的污染物增多，LID措施對(duì)污染物的處理效果降低有關(guān)。徑流量過程和徑流峰值隨重現(xiàn)期的變化一致，這可能是LID措施下徑流量和徑流峰值削減率與重現(xiàn)期的相關(guān)關(guān)系一致的原因。

4 結(jié) 論

采取LID措施對(duì)雨水徑流及污染物的總量和峰值均有削減作用，對(duì)峰現(xiàn)時(shí)間有延遲作用。雨水徑流及污染物的削減率隨雨峰系數(shù)r值的增大呈先增大后較小的變化趨勢(shì)，在r值為0.3～0.5時(shí)削減率達(dá)到最大。雨水徑流及污染物的削減率隨重現(xiàn)期的增大而減小，在降雨強(qiáng)度較小時(shí)，LID措施對(duì)子匯水區(qū)的徑流及污染物呈現(xiàn)較好的削減效果。峰現(xiàn)時(shí)間的延遲效果與r值和重現(xiàn)期均呈負(fù)相關(guān)，徑流峰值削減率隨r值的增大呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，隨重現(xiàn)期的增大而減小，與徑流量與降雨條件的變化關(guān)系一致。相對(duì)雨峰系數(shù)，重現(xiàn)期對(duì)徑流量及污染物的削減率、峰現(xiàn)時(shí)間延遲以及徑流峰值削減率的影響更顯著。