基于SWMM模型的低影響開發(fā)與調(diào)蓄池組合設(shè)施模擬分析

劉 垟， 吳 濤

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境能源工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601)

城市水環(huán)境是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在生態(tài)調(diào)節(jié)、涵養(yǎng)水源和防洪防澇等方面起到了重要作用，水質(zhì)狀況的變化對(duì)景觀價(jià)值和生態(tài)價(jià)值有重要影響[1]。近年內(nèi)，我國(guó)城市建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，城市化進(jìn)程中逐漸暴露諸多問(wèn)題，極端暴雨和不透水面積的增加使得內(nèi)澇頻發(fā)和大量污染物溶入城市洪流，產(chǎn)生的面源污染對(duì)城市水環(huán)境的威脅和破壞日益嚴(yán)重[2]?！冻擎?zhèn)水務(wù)2035年行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》中強(qiáng)調(diào)了雨水徑流污染物總量的削減，城鎮(zhèn)降雨徑流污染已成為水體污染的主要來(lái)源之一[3-4]。

雨水調(diào)蓄池作為海綿城市的重要組成部分，在削減洪峰及控制面源污染等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。詹志威等[5]對(duì)武漢巡司河區(qū)域的模擬研究表明，箱涵和調(diào)蓄池相結(jié)合的控制措施具有較大的調(diào)蓄能力和輸水能力，在提升研究區(qū)域的徑流總量和污染物削減比例方面作用明顯。杜佐道等[6]改造研究區(qū)雨水調(diào)蓄池與渠道連接形式，由串聯(lián)改造為并聯(lián)，改建后的洪峰水位及洪峰流量削減率均大幅降低。目前為止，分散的、小規(guī)模的低影響開發(fā)措施被學(xué)者廣泛應(yīng)用于調(diào)污削峰及面源污染治理中，取得了良好效果。但在大中城市的廣泛應(yīng)用中，逐漸暴露了LID措施存在的問(wèn)題，如堵塞、材料耐受能力差等。研究表明，可以通過(guò)替換合適粒徑材料或增加輔助性設(shè)施來(lái)進(jìn)行解決，如增設(shè)初沉池、雨水調(diào)蓄池等[7]。本文以合肥市翡翠湖為研究對(duì)象，利用SWMM模型建立下墊面及管網(wǎng)模型，模擬不同LID措施與雨水調(diào)蓄池組合工藝對(duì)研究區(qū)域的水質(zhì)改善及雨洪控制效果，為巢湖流域及其他地區(qū)的洪澇防治工程提供借鑒意義。

1 項(xiàng)目概況

合肥市位于長(zhǎng)江淮河之間，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均溫15.7 ℃，年均降雨量約為1 001 mm[8]。翡翠湖位于翡翠路與繁華大道交口西側(cè)，系安徽省在冊(cè)小(一)型水庫(kù)，占地面積約134.8 hm2。湖區(qū)上游是主要匯水區(qū)，中下游僅為路面及景區(qū)內(nèi)地表徑流的雨水，整個(gè)集水區(qū)面積合計(jì)約793 hm2?，F(xiàn)有的雨水管網(wǎng)排水直接進(jìn)入湖體，造成湖水水質(zhì)惡化。

2 SWMM模型構(gòu)建

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署開發(fā)的SWMM模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)降雨-徑流模擬模型[9]。運(yùn)用模型中LID模塊對(duì)不同重現(xiàn)期下單場(chǎng)暴雨事件過(guò)程的洪峰流量、地表徑流和水質(zhì)變化進(jìn)行模擬，研究單設(shè)調(diào)蓄池、LID措施和調(diào)蓄池+LID情形下的削減效果。

2.1 模型概化

根據(jù)研究區(qū)域地形及雨水匯入管道情況，借助鴻業(yè)相關(guān)軟件及ArcGIS將其概化為44個(gè)子匯水區(qū)，雨水管網(wǎng)概化為52個(gè)連接節(jié)點(diǎn)和54條管道，地表徑流分別經(jīng)12個(gè)排放口進(jìn)入流域內(nèi)。子匯水區(qū)的概化模型圖如圖1所示。

圖1 子匯水區(qū)概化模型圖

2.2 暴雨強(qiáng)度公式及雨型

采用合肥市的暴雨強(qiáng)度公式，運(yùn)用芝加哥雨型進(jìn)行雨量的時(shí)段分配：

(1)

式中：t為降雨歷時(shí)，min；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；Q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)。

設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期分別為0.5 a、1 a、3 a、5 a，雨峰系數(shù)r為0.4，降雨歷時(shí)為120 min，降雨歷時(shí)間隔為1 min。不同重現(xiàn)期下歷時(shí)120 min的芝加哥雨型如圖2所示，降雨強(qiáng)度呈單峰型，先逐漸增加并在48 min左右達(dá)到峰值，隨后逐漸減小。

圖2 P=0.5 a、1 a、3 a、5 a設(shè)計(jì)降雨過(guò)程線

2.3 參數(shù)確定

參數(shù)包括水文和水動(dòng)力參數(shù)。本文選用Horton入滲模型，水文模塊參數(shù)主要包括入滲速率、地表坡度和寬度、非滲透面積百分比、曼寧糙率系數(shù)等[10]，水動(dòng)力模塊參數(shù)主要包括管徑和曼寧糙率系數(shù)等。子流域的面積通過(guò)ArcGIS直接生成，子流域的平均坡度通過(guò)ArcGIS中3Danalyst柵格表面坡度進(jìn)行獲取，不透水率借助ENVI軟件進(jìn)行加載獲取，子匯水區(qū)寬度通過(guò)公式計(jì)算得到，曼寧系數(shù)、衰減常數(shù)、洼蓄量及下滲速率參考SWMM操作手冊(cè)，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

水質(zhì)模擬包括累積模擬和沖刷模擬。根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況，累積模擬選擇飽和累積函數(shù)，沖刷模擬選擇指數(shù)沖刷函數(shù)[11]。將研究區(qū)下墊面分為屋面、路面和綠地3種類型。針對(duì)研究區(qū)域的水質(zhì)情況，將3種常用的水質(zhì)指標(biāo)COD、TN和TP作為污染物指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際情況和文獻(xiàn)[12]，確定研究區(qū)域的模擬參數(shù)如表1～表3所示。

表1 水文水力相關(guān)參數(shù)取值

表2 污染物累計(jì)參數(shù)取值

表3 污染物沖刷參數(shù)取值

3 SWMM模擬結(jié)果與分析

3.1 單一調(diào)蓄池模擬控制效果評(píng)估

研究區(qū)域子匯水區(qū)共有13個(gè)排口，產(chǎn)生污染物及雨洪流量最多的排口為E8、E9、E10和E12如圖3所示。釆用雨水調(diào)蓄池對(duì)4個(gè)排口初期雨水進(jìn)行截流調(diào)蓄。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50014—2006，調(diào)蓄4.0～8.0 mm初期雨水，雨水調(diào)蓄池取4 mm的初期雨水截留量。雨污管網(wǎng)利用研究區(qū)域的地形坡度進(jìn)行排除，滿足設(shè)計(jì)過(guò)水能力要求。雨水調(diào)蓄池設(shè)計(jì)：① 采用簡(jiǎn)單公式法計(jì)算大致體積；② 根據(jù)研究區(qū)域的水質(zhì)情況及不同降雨強(qiáng)度的實(shí)際情況，進(jìn)行降雨情景SWMM模型的輸入；③ 導(dǎo)入歷年降雨情景，進(jìn)行入流模擬；④ 當(dāng)雨水徑流控制指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)值后，后期雨水從輸入面源污染調(diào)蓄池轉(zhuǎn)向雨洪利用調(diào)蓄池，確定面源污染調(diào)蓄池雨水體積V1；⑤ 依次進(jìn)行歷年降雨場(chǎng)景的輸入，重復(fù)步驟③、步驟④。最終確定調(diào)蓄池的容積為V=max{V1，V2，V3，…}。雨水調(diào)蓄池具體設(shè)置參數(shù)如表4所示。

(1)

式中：V為蓄水容積，m3；hy為設(shè)計(jì)降雨厚度(降雨量)，mm；δ為初期雨水棄流量，mm；ψc為雨量徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2。

表4 調(diào)蓄池設(shè)計(jì)池體數(shù)據(jù)

圖3 現(xiàn)狀排口及匯水分區(qū)

單設(shè)調(diào)蓄池的條件下，不同重現(xiàn)期下的COD、NH3-N和TP的平均削減率分別為21.49%、18.86%和17.51%,模擬結(jié)果如圖4所示。調(diào)蓄池對(duì)于污染物的削減有顯著作用，削減率比較穩(wěn)定，并且對(duì)于不同污染物削減率不會(huì)有較大改變。

(a)TP排放量及去除率 (b)COD排放量及去除率 (c)NH3-N排放量及去除率

3.2 單一LID模擬控制效果評(píng)估

根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，擬選用4種LID措施：生物滯留措施(雨水花園)、透水鋪裝(路面)、綠色屋頂和下沉式綠地。為明確4種LID措施的具體布置面積，將3年一遇降雨作為邊界條件，對(duì)比不同面積下的單一LID措施模擬效果。結(jié)合SWMM操作手冊(cè)、國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐和有關(guān)文獻(xiàn)，明確了模型中各LID主要技術(shù)參數(shù)，具體參數(shù)如表5所示。

表5 LID設(shè)施相關(guān)參數(shù)取值

當(dāng)設(shè)置重現(xiàn)期為3 a的降雨條件下，對(duì)4種LID設(shè)施在不同的設(shè)置面積下獨(dú)立運(yùn)行模擬，設(shè)置LID的面積占總面積的1%、2%、3%、4%和5%。利用SWMM模擬設(shè)置不同面積比例LID措施后峰值流量和總徑流量的變化，如圖5所示。圖5表明在布設(shè)LID措施后，研究區(qū)的徑流流量及峰值流量均有明顯減幅。對(duì)于徑流流量和峰值流量生物滯留措施的控制效果最為顯著，在布設(shè)面積為5%的情況下，峰值流量和徑流總量的削減率分別為53.94%和47.49%。在相同布設(shè)面積條件下，對(duì)綠色屋頂進(jìn)行單獨(dú)模擬后的峰值流量和徑流總量的削減率分別達(dá)到47.78%和44.93%，置換成下沉式綠地后的峰值流量和徑流總量削減率分別達(dá)到36.25%和35.19%，同一布設(shè)情景下的透水鋪裝，峰值流量和徑流總量的削減率分別達(dá)到12.63%和13.98%。

(a)徑流流量削減率 (b)峰值流量削減率

對(duì)5種面積比例下進(jìn)行模擬，透水鋪裝路面的徑流削減效果明顯弱于其他3種LID措施。分析原因主要有兩點(diǎn)：一方面，生物滯留措施的植物及土壤層、下沉式綠地的下凹空間和綠色屋頂?shù)男钏畬泳邢喈?dāng)?shù)膬?chǔ)水功能；另一方面，透水鋪裝只能通過(guò)滲透基層增強(qiáng)雨水的滲透能力。因此，徑流洪峰方面的削減弱于其他3種措施。然而在延后洪峰流量的能力方面，透水鋪裝優(yōu)于其他LID措施。其他3種LID措施在上述5種面積比例下幾乎沒(méi)有延后洪峰作用，推測(cè)原因是布設(shè)面積過(guò)小。此外，透水鋪裝有1～4 min的推延作用，主要原因是透水鋪裝路面所特有的滲透性要優(yōu)于其他LID措施。

生物滯留措施與下沉式綠地對(duì)于雨洪控制效果明顯，但投入實(shí)際使用時(shí)會(huì)對(duì)地面原有構(gòu)造效能產(chǎn)生一定程度的影響，由于其面層及土壤層蓄水能力會(huì)對(duì)周邊構(gòu)筑物的根基造成威脅，不能大面積使用。相比于其他3種LID措施，透水鋪裝路面延后洪峰流量的能力最為明顯，可以選擇使用。下沉式綠地的景觀效果和雨洪控制效果明顯低于生物滯留措施，優(yōu)選生物滯留措施。雖然綠色屋頂有著削減徑流洪峰和節(jié)能環(huán)保的作用，但考慮到研究區(qū)域?yàn)橐呀ǔ蓞^(qū)域，布設(shè)綠色屋頂造價(jià)昂貴，且建筑物可能缺乏支撐起這樣一個(gè)大量附加重量的能力，導(dǎo)致超出負(fù)荷引起倒塌，不作為考慮。

綜上分析，確定的模型中LID設(shè)置情景如下：生物滯留措施和透水鋪裝路面分別占研究區(qū)域總面積的3.5%和4.5%，沿主要道路進(jìn)行布設(shè)，寬度隨效果進(jìn)一步調(diào)整。

3.3 組合方案控制方案效果評(píng)估

相比較獨(dú)立設(shè)置調(diào)蓄池，LID+調(diào)蓄池組合系統(tǒng)在重現(xiàn)期為0.5 a、1 a、3 a和5 a的降雨情形下，峰值流量的削減率分別為42.68%、29.26%、18.52%和12.79%，如圖6所示。隨著重現(xiàn)期的增大，削減率逐漸下降，趨近于單設(shè)調(diào)蓄池時(shí)的控制情況，因此隨著降雨重現(xiàn)期的增大，LID設(shè)施在徑流峰值的控制效果逐漸減弱。徑流總量隨重現(xiàn)期改變而變化的情況和峰值流量大致相同，P=0.5 a的條件下，削減率為32.79%；P=1 a的條件下，削減率為25.97%；P=3 a的條件下，削減率為20.41%；P=5 a的條件下，削減率為15.39%。若要進(jìn)一步提升雨洪流量削減效果與延后洪峰時(shí)間，可以通過(guò)鋪設(shè)更大面積LID措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 添加LID設(shè)施后的雨洪控制削減率

為了對(duì)比各單元對(duì)污染物削減效果，將3種常用的水質(zhì)指標(biāo)COD、NH3-N和TP作為評(píng)價(jià)污染物指標(biāo)。相比于單設(shè)調(diào)蓄池，添加LID設(shè)施后，4種重現(xiàn)期下污染物削減率均有明顯提升，如圖7所示。當(dāng)重現(xiàn)期分別為0.5 a、1 a、3 a和5 a時(shí)，COD的削減量分別提升了193.28 kg、331.39 kg、372.76 kg和396.18 kg，削減量最高提升了116.79%。此外，NH3-N和TP的削減規(guī)律和COD類似。

(a)TP污染物截留量 (b)COD污染物截留量 (c)NH3-N污染物截留量

在LID+調(diào)蓄池組合系統(tǒng)中，對(duì)兩種措施的污染物削減效果獨(dú)立對(duì)比如圖8所示。單設(shè)調(diào)蓄池時(shí)污染物截留量明顯高于組合系統(tǒng)中調(diào)蓄池污染物截留量，以NH3-N為例，當(dāng)重現(xiàn)期為0.5 a、1 a、3 a和5 a時(shí)，調(diào)蓄池污染物截留量分別由9.878 kg、12.09 kg、23.05 kg和32.65 kg下降到3.65 kg、5.16 kg、12.03 kg和20.55 kg。主要原因是地表徑流產(chǎn)生的污染物在經(jīng)調(diào)蓄池調(diào)控之前，LID措施已進(jìn)行初步處理，調(diào)蓄池的污染物截留量相較于單設(shè)時(shí)明顯下滑。此外，在組合系統(tǒng)中，LID措施的污染物截留量占主要部分。在上述4種重現(xiàn)期降雨條件下，LID措施對(duì)COD污染的削減量占總量的比例最低為56.39%，最高能達(dá)到77.29%；對(duì)于NH3-N，其削減量比例最低為59.58%，最高能達(dá)到80.29%。對(duì)于TP，其削減量比例最低為58.39%，最高能達(dá)到81.29%。因?yàn)檎{(diào)蓄池作用的是部分雨水，而LID設(shè)施作用的是完整降雨過(guò)程形成的降雨徑流，因此LID設(shè)施截留部分占系統(tǒng)的主要部分。

(a)TP污染物各單元截留量 (b)COD污染物各單元截留量 (c)NH3-N污染物各單元截留量

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)4種LID措施在1%、2%、3%、4%、5%的設(shè)置面積比例下進(jìn)行單獨(dú)模擬，根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況和模擬結(jié)果設(shè)置情景：生物滯留措施和透水鋪裝路面分別占研究區(qū)域總面積的3.5%和4.5%，沿主要道路進(jìn)行布設(shè)，寬度隨效果進(jìn)一步調(diào)整。對(duì)比單設(shè)調(diào)蓄池和LID+調(diào)蓄池2種方案對(duì)雨洪流量控制的效果。在重現(xiàn)期為0.5 a、1 a、3 a和5 a的降雨條件下，相較于單設(shè)調(diào)蓄池，組合方案中的徑流總量分別減少了32.79%、25.97%、20.41%和15.39%，洪峰流量分別減少了42.68%、29.26%、18.51%、12.79%。在延后洪峰方面無(wú)明顯效果。在LID+調(diào)蓄池組合系統(tǒng)中，獨(dú)立對(duì)比各單元對(duì)污染物的削減效果，LID削減作用明顯，在實(shí)際削減總量上的比例分別為76.62%、77.29%、64.86%和56.39%。相較于組合方案，調(diào)蓄池在單設(shè)時(shí)截污效果更加客觀。