海綿城市中LID設(shè)施對降雨徑流及非點源污染的控制研究

張泉榮，姚允龍，陳 鑫

（江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

0 引言

隨著城市化進程的逐步加快，城市可滲透性地表面積越來越小，隨降水徑流而產(chǎn)生的非點源污染突發(fā)性高、沖擊性強，已成為構(gòu)成水環(huán)境惡化的重要原因之一。2014年4月，習(xí)近平總書記在關(guān)于保障水安全重要講話中指出，要根據(jù)資源環(huán)境承載能力構(gòu)建科學(xué)合理的城鎮(zhèn)化布局，盡可能減少對自然的干擾和損害，節(jié)約集約利用土地、水、能源資源，解決城市缺水問題，必須順應(yīng)自然，建設(shè)自然積存，自然滲透、自然凈化的“海綿城市”。

海綿城市起源于低影響開發(fā)（LID），低影響開發(fā)模式（LID）以盡可能地模擬自然水文條件為設(shè)計策略，近年來廣泛應(yīng)用于發(fā)達國家雨洪控制利用中[1-3]。一般來講，海綿城市建設(shè)的作用：一是可以減少徑流，減少暴雨天氣期間城市排水管網(wǎng)和排澇設(shè)施的壓力；二是通過源頭控制，減少初期雨水污染，達到減排的效果。

對于鎮(zhèn)江而言，LID是一個全新的理念和技術(shù)，作為目前城市雨水管理措施的最新研究成果，它是否是一種真正可以實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境低影響的措施，是人們目前最關(guān)心的問題。因此，本文對鎮(zhèn)江市海綿城市試點區(qū)域虹橋港片區(qū)展開研究，定性定量分析LID設(shè)施實施前后區(qū)域降雨徑流及非點源污染的變化情況，進而建立適用于研究區(qū)域的海綿城市績效評價指標體系，為考核部門提供技術(shù)支撐，也可為區(qū)域水資源優(yōu)化配置提供相關(guān)建議。

1 SWMM概述

暴雨洪水管理模型（SWMM模型）是美國環(huán)保局為設(shè)計和管理城市雨洪而研制的一個綜合性數(shù)學(xué)模型，是一個運用相當廣泛的城市暴雨徑流水量、水質(zhì)模擬和預(yù)報模型。SWMM模型作為分布式、連續(xù)模擬模型，在城市非點源污染中得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。

SWMM模型中利用曼寧公式進行產(chǎn)流量計算：

式中：W為匯水區(qū)特征寬度，m；n為曼寧系數(shù)；d為降雨水深，m；dp為地表滯蓄水深，m；S為匯水區(qū)地面坡度，m/m；Q為地表產(chǎn)流量，m3/s。

模型采用圣維南方程組（Saint-Venant）對管網(wǎng)匯流系統(tǒng)進行演算求解：

式中：Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；ν為管內(nèi)流速，m/s；h為管內(nèi)水深，m；t為時間，s；x為距離，m；Sf為摩阻坡度；S0為底坡；q為單位長度旁側(cè)入流量，m3/s。

2 研究區(qū)域模型構(gòu)建

本文選取鎮(zhèn)江虹橋港片區(qū)作為模擬匯水范圍，現(xiàn)狀虹橋港片區(qū)內(nèi)LID措施主要有綠色屋頂、透水鋪裝、雨水花園、下凹式綠地、生態(tài)樹池和雨水回用設(shè)施。根據(jù)《鎮(zhèn)江市海綿城市建設(shè)試點城市實施方案》，研究區(qū)域的LID設(shè)施布置圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域海綿城市LID設(shè)施布局圖

本次研究區(qū)域內(nèi)海綿城市改造區(qū)域面積為277.28 ha，其中綠色屋頂面積為46865.50 m2，雨水花園總面積為180090 m2，透水鋪裝總面積119451 m2，雨水回用設(shè)施8131 m3。

2.1 匯水分區(qū)及排水系統(tǒng)概化

以《鎮(zhèn)江市海綿城市建設(shè)試點城市實施方案》為基礎(chǔ)，將研究區(qū)域細化成為46個子匯水區(qū)域。對規(guī)劃管網(wǎng)進行分析、概化后，本次模擬共設(shè)雨水管渠33段，檢查井33座。根據(jù)管網(wǎng)分布以及現(xiàn)狀實地調(diào)查，區(qū)塊內(nèi)設(shè)置5座雨水排口。

2.2 模型參數(shù)率定

根據(jù)2017年片區(qū)水量水質(zhì)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行水動力和水質(zhì)參數(shù)率定。

（1）參數(shù)選取

結(jié)合現(xiàn)有的資料條件和模型原理，將研究區(qū)土地利用類型分為屋面、綠地、交通道路3類。分別選用Horton模型、非線性水庫模型以及運動波方程模擬降雨時片區(qū)產(chǎn)匯流過程；同時針對SS、COD、氨氮和總磷4種主要污染物，利用飽和函數(shù)、指數(shù)函數(shù)分別模擬污染物非雨期的累積和雨期的沖刷過程；并根據(jù)目前對水文水力參數(shù)的相關(guān)研究[6-7]以及研究片區(qū)的現(xiàn)狀初步確定水量水質(zhì)初始參數(shù)的選取范圍。

（2）參數(shù)率定

根據(jù)上文建立的SWMM模型和選取的計算參數(shù)，按照2017年對排口的實測數(shù)據(jù)，對SWMM模型參數(shù)進行水量水質(zhì)率定。將模型模擬計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖2所示。

圖2 主要監(jiān)測斷面模型計算值與實測值對比圖

由圖2可知，主要監(jiān)測排放口水量水質(zhì)模型計算值與實測值之間吻合較好，相對誤差在30%之內(nèi)，說明建立的SWMM模型以及選用的水量水質(zhì)參數(shù)符合該區(qū)域污染物非雨期的累積和雨期的沖刷過程。參數(shù)率定結(jié)果如表1～3所示。

表1 水量參數(shù)率定結(jié)果表

表2 不同土地利用類型的各類污染物累積參數(shù)

表3 不同土地利用類型的各類污染物沖刷參數(shù)

2.3 降雨雨型確定

根據(jù)《鎮(zhèn)江市城市設(shè)計暴雨雨型研究與應(yīng)用》成果，鎮(zhèn)江市新暴雨強度公式如下：

式中：q為設(shè)計暴雨強度，L/（s.hm2）；T為設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，年；t為設(shè)計暴雨歷時，mm。

采用K.C法的雨型成果作為鎮(zhèn)江市區(qū)設(shè)計暴雨雨型。設(shè)計短歷時強降雨雨型，其重現(xiàn)期為1、5和10年，降雨歷時為2 h，雨峰系數(shù)為0.354，生成逐分鐘降雨歷時曲線。

3 虹橋港片區(qū)非點源污染控制效益分析

根據(jù)上文建立的SWMM模型和選取的參數(shù)，分別模擬1年一遇降雨、5年一遇降雨以及10年一遇降雨2 h短歷時降雨的狀況下，分析LID設(shè)施建設(shè)前后，降雨產(chǎn)生的地表徑流變化及其攜帶的污染物量的變化。

3.1 徑流變化分析

根據(jù)SWMM模型研究各重現(xiàn)期海綿城市建設(shè)前后對降雨徑流量的影響變化。各排放口徑流變化曲線如圖3～5所示。

圖3 重現(xiàn)期1年各排放口徑流變化曲線圖

圖4 重現(xiàn)期5年各排放口徑流變化曲線圖

圖5 重現(xiàn)期10年各排放口徑流變化曲線圖

表4 LID設(shè)施調(diào)控前后降雨徑流所含污染物總量表

由圖3～5可得：

（1）不同的降雨重現(xiàn)期，隨著降雨強度的增加，徑流量峰值呈增大趨勢。

（2）不同的降雨重現(xiàn)期，LID設(shè)施的建設(shè)對地表徑流量均有不同程度的削減作用，主要體現(xiàn)在峰值削弱上。重現(xiàn)期為1年，各排放口徑流峰值削弱最大為81.5%，最小為17.09%；重現(xiàn)期為5年，各排放口徑流峰值削弱最大為76.81%，最小為6.61%；重現(xiàn)期為10年，各排放口徑流峰值削弱最大為75.95%，最小為2.51%。

3.2 主要污染物總量分析

根據(jù)SWMM模型研究各重現(xiàn)期海綿城市建設(shè)前后對降雨徑流所含污染物總量的變化情況，如表4所示。

由表4可得：

（1）據(jù)污染物總量表分析，虹橋港片區(qū)，LID設(shè)施在有效控制徑流量的同時，對雨水徑流中的污染物截留也有一定的作用。

（2）重現(xiàn)期為1年，LID方案對地表徑流水量的削減達到58.69%，COD削減量54.02%，氨氮削減量55.86%，TP削減量58.18%。

（3）重現(xiàn)期為5年，LID方案對地表徑流水量的削減達到57.57%，COD削減量53.70%，氨氮削減量55.55%，TP削減量57.55%。

（4）重現(xiàn)期為10年，LID方案對地表徑流水量的削減達到57.18%，COD削減量53.35%，氨氮削減量55.43%，TP削減量57.71%。

4 結(jié)論分析

本文以鎮(zhèn)江虹橋港為例，建立了相應(yīng)的暴雨洪水管理模型，并在3種降雨重現(xiàn)期下對研究片區(qū)內(nèi)海綿城市的建設(shè)效果進行了定性和定量分析。通過模型模擬對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在海綿城市建設(shè)低影響開發(fā)下，虹橋港片區(qū)地表徑流峰值削弱明顯，同時徑流量總量和徑流污染物量也得到削減，削減率超過50%。

在短歷時降雨條件下，研究區(qū)域內(nèi)LID措施的實施對于區(qū)域降雨徑流和城市非點源污染的控制具有一定的正效應(yīng)，對徑流所產(chǎn)生的污染物入河量的控制效益是較為明顯的。