基于暴雨洪水管理模型的海綿道路非點(diǎn)源污染負(fù)荷削減效果評(píng)估

陶文華，李元松*，冉小青，占森方，陳 陣

1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢建工集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430073

近年，受國(guó)外學(xué)者對(duì)城市非點(diǎn)源污染研究的影響，國(guó)內(nèi)也越來(lái)越重視城市的非點(diǎn)源污染，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)暴雨洪水管理模型（storm water management model，SWMM），設(shè)置低影響開發(fā)措施（low impact development，LID）對(duì)城市非點(diǎn)源污染進(jìn)行模擬研究。吳忠等［1］研究了小區(qū)在實(shí)施3種單項(xiàng)LID措施下對(duì)雨水的截污減排能力；蔡甜等［2］研究了校園在不同的重現(xiàn)期、雨峰系數(shù)、前期干旱天數(shù)等氣象條件下，污染物濃度的變化情況。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)研究人員運(yùn)用SWMM模型多數(shù)集中于小區(qū)、校園等中尺度區(qū)域進(jìn)行模擬研究，這需對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行高度概化，難以真實(shí)反映土地利用現(xiàn)狀，并且多數(shù)研究于城市內(nèi)澇方面，對(duì)城市非點(diǎn)源污染方面研究較少［3］，因此，對(duì)土地利用方式相對(duì)單一的小尺度區(qū)域的模擬研究更能精確地反應(yīng)實(shí)際情況，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確信。

本文對(duì)小尺度區(qū)域的某條城市次干道進(jìn)行系統(tǒng)的水質(zhì)模擬研究，基于前期研究成果和工程提供的數(shù)據(jù)資料，通過(guò)SWMM模型，重點(diǎn)模擬2、10和100 a重現(xiàn)期下城市道路中的非點(diǎn)源污染負(fù)荷在不同海綿措施方案下的遷移過(guò)程和削減情況，評(píng)估海綿道路對(duì)污染負(fù)荷的影響，可進(jìn)一步推動(dòng)城市非點(diǎn)源污染的研究。

1 SWMM模型概述

SWMM模型是一種降雨徑流模型，主要有水文模塊、水力模塊和水質(zhì)模塊，3種模塊分別對(duì)應(yīng)3種模擬過(guò)程［4］，具體模擬過(guò)程如下：

水文過(guò)程模擬中地表產(chǎn)流是由有洼蓄、無(wú)洼蓄不透水區(qū)和透水區(qū)組成，透水區(qū)的下滲模型包括霍頓模型（應(yīng)用最廣泛，效果較好）、格林-安普特模型（適用于具有濕潤(rùn)鋒的土壤層，對(duì)土壤資料要求較高）和徑流曲線法（主要適用于大尺度區(qū)域）。

水力過(guò)程模擬中管網(wǎng)匯流采用水動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，包括穩(wěn)定流法（適用于枝狀的管網(wǎng)中）、動(dòng)力波法（時(shí)間長(zhǎng)度較短，適用于短期模擬）和運(yùn)動(dòng)波法（時(shí)間步長(zhǎng)較長(zhǎng)，適用于長(zhǎng)期模擬）［5］。

水質(zhì)過(guò)程模擬是SWMM模型通過(guò)污染物的累積和沖刷過(guò)程模擬非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生和傳輸過(guò)程［6］，具體過(guò)程如圖1所示，而所采用的計(jì)算函數(shù)有累積增長(zhǎng)函數(shù)（包括無(wú)增長(zhǎng)、冪增長(zhǎng)、指數(shù)增長(zhǎng)以及飽和增長(zhǎng)）和沖刷函數(shù)（包括無(wú)增長(zhǎng)、指數(shù)函數(shù)、性能曲線）等［7］。

圖1 水質(zhì)模擬過(guò)程Fig.1 Water quality simulation process

根據(jù)研究區(qū)域的地質(zhì)資料及現(xiàn)狀信息，該研究區(qū)域?yàn)樾〕叨攘饔蚯也痪哂袧駶?rùn)鋒的土壤層，因此水文下滲模型選擇霍頓模型；根據(jù)工程所提供的管網(wǎng)資料及要求，管網(wǎng)的傳輸形狀呈枝狀但要求短期模擬，因此，水力模擬方法選擇動(dòng)力波法；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的污染物累積及沖刷規(guī)律，在水質(zhì)模擬中增長(zhǎng)函數(shù)和沖刷函數(shù)分別選擇飽和函數(shù)和指數(shù)函數(shù)。具體飽和函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的表達(dá)式分別如式（1）和式（2）所示。

式（1）中：B為污染物積累量（kg）；t為降雨歷時(shí)（s）；C1為單位流域內(nèi)的最大污染物積累量（kg）；C2為半飽和常數(shù)。

式（2）中：Wt時(shí)間t時(shí)污染物的沖刷量；E3為沖刷指數(shù)；I為降雨強(qiáng)度（mm/h）；t為降雨時(shí)間（h）；Vt為t時(shí)間內(nèi)地表徑流量（m3）；Bt為t時(shí)間內(nèi)污染物的累積量（kg）。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域是一條工業(yè)路，位于武漢市青山區(qū)，該道路呈南北走向，南邊連接友誼大道，北邊連接和平大道，地勢(shì)整體北高南低。道路占地面積約6.91 hm2，綠化率31.22%，土地利用類型主要為混凝土、綠地、人行道，如圖2所示。道路海綿改造全長(zhǎng)1 203.172 m，紅線寬50 m。該區(qū)的降雨多集中于5月至8月且近幾年全年降雨平均總量為1 107.3 mm。

圖2 工業(yè)路橫斷面圖Fig.2 Cross section of industrial road

3 SWMM模型建立

3.1 研究區(qū)域概化

武漢市青山區(qū)工業(yè)路根據(jù)土地利用現(xiàn)狀、地面高程、坡度和管網(wǎng)分布等原則進(jìn)行劃分，將工業(yè)路分為83條雨水管道，173個(gè)子匯水區(qū)，78個(gè)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)排水口，如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域概化圖Fig.3 Generalized figure of study area

3.2 模型參數(shù)的選擇及驗(yàn)證

SWMM模型在運(yùn)行前需要設(shè)置水文水力參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)［8］，這些參數(shù)可以根據(jù)工程所提供的數(shù)據(jù)資料和SWMM模型應(yīng)用手冊(cè)［9］及文獻(xiàn)［10-11］選擇。模型的精度決定了模擬結(jié)果的可信性與準(zhǔn)確性，前期對(duì)參數(shù)設(shè)置的越精細(xì)，所得的模擬結(jié)果越符合實(shí)際，因此，在選擇模型參數(shù)后需對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證［12］，驗(yàn)證結(jié)果滿足要求，即可確定模型參數(shù)最終的選擇結(jié)果。

3.2.1 模型參數(shù)選擇水文、水力模塊中參數(shù)包括子匯水面積、節(jié)點(diǎn)、管道等屬性參數(shù)和LID措施參數(shù)。根據(jù)對(duì)研究區(qū)域的分析及參考SWMM手冊(cè)取值范圍，對(duì)其中曼寧粗糙率、地表洼蓄量和Horton模型參數(shù)等不確定的屬性參數(shù)進(jìn)行選擇，選擇結(jié)果如表1所示，其他屬性參數(shù)可根據(jù)工程提供的資料和CAD測(cè)量獲取；根據(jù)研究區(qū)的土地利用類型，選取的LID措施有下凹式綠地及透水鋪裝，其中透水磚采用陶瓷透水磚，透水路面采用透水瀝青混凝土，透水系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不可低于0.1 mm/s［13］，連續(xù)孔隙率的標(biāo)準(zhǔn)不可低于15%，具體LID參數(shù)根據(jù)工程改造要求、文獻(xiàn)［14-15］和SWMM手冊(cè)進(jìn)行選擇，選擇結(jié)果如表2所示。

表1 水文水力參數(shù)Tab.1 Hydrological and hydraulic parameters

表2 LID措施參數(shù)Tab.2 LID measure parameters

水質(zhì)模塊中的主要參數(shù)包括增長(zhǎng)參數(shù)、沖刷參數(shù)和污染因子的初始濃度。根據(jù)一般徑流中污染物指標(biāo)，選取懸浮物（suspended solids，SS）、化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、總氮量（total nitrogen，TN）、總磷量（total phosphorus，TP）4種污染物作為主要的污染因子，采用的增長(zhǎng)函數(shù)和沖刷函數(shù)分別為飽和函數(shù)和指數(shù)函數(shù)，根據(jù)武漢市相關(guān)研究資料，具體飽和函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的參數(shù)值如表3所示，并將飽和函數(shù)中的半飽和時(shí)間參數(shù)定為5 d。根據(jù)郭琳等［16］對(duì)地表累積物特性的研究成果，結(jié)合武漢市實(shí)際情況，模型清掃1次/d，地表累積物去除效率為50%。

表3 污染因子增長(zhǎng)和沖刷參數(shù)Tab.3 Pollution factors growth and scouring parameters

考慮到大氣會(huì)對(duì)天然雨水的污染，經(jīng)降雨實(shí)測(cè)分析4種污染因子在天然雨水中的初始質(zhì)量濃度分別取10、20、1和0.02 mg/L，在下墊面中污染因子本底的初始含量分別取109、105、2.8和0.58 kg/hm2。

選取研究區(qū)2019年7月內(nèi)實(shí)測(cè)的降雨事件，將選擇的參數(shù)輸入SWMM模型對(duì)污染因子SS、COD、TN、TP的負(fù)荷進(jìn)行模擬，選用納什系數(shù)ENS作為評(píng)價(jià)模型的指標(biāo)，系數(shù)在0.65以上，模型質(zhì)量較好［17］。4種污染因子的模型參數(shù)選擇結(jié)果如圖4（a－d）所示，可以看出模擬的污染負(fù)荷過(guò)程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度良好，4個(gè)模型ENS值均大于0.65，表明模型可靠。

圖4 SS模型參數(shù)選擇結(jié)果（a）和驗(yàn)證結(jié)果（e），COD模型參數(shù)選擇結(jié)果（b）和驗(yàn)證結(jié)果（f），TN模型參數(shù)選擇結(jié)果（c）和驗(yàn)證結(jié)果（g），TP模型參數(shù)選擇結(jié)果（d）和驗(yàn)證結(jié)果（h）Fig.4 Selection results（a）and verified results of SSmodel parameter（e），selection results（b）and verified results of COD model parameter（f），selection results of TN model parameter（c）and verified results（g），selection results（d）and verified results（h）of TPmodel parameter

3.2.2 模型參數(shù)驗(yàn)證為了模型的穩(wěn)定，需對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行驗(yàn)證，選擇研究區(qū)2019年8月內(nèi)實(shí)測(cè)的降雨事件進(jìn)行驗(yàn)證，污染因子SS、COD、TN、TP的負(fù)荷模擬驗(yàn)證結(jié)果如圖4（e-h）所示，其擬合程度較好，4個(gè)ENS值均大于0.7，表明模型參數(shù)的選擇符合模擬要求，可用于水質(zhì)過(guò)程模擬。

3.3 降雨選擇

模型所需的降雨數(shù)據(jù)可通過(guò)實(shí)測(cè)或合成獲取，本研究選擇通過(guò)合成獲取。通常合成的降雨過(guò)程線由雨型和暴雨強(qiáng)度公式來(lái)確定［18］，雨型選取目前應(yīng)用最廣泛的芝加哥雨型［19］，暴雨強(qiáng)度公式選取中南市政設(shè)計(jì)院編制的公式［式（3）］。降雨時(shí)長(zhǎng)為2 h最佳，時(shí)間間隔為1 min，峰值系數(shù)r取0.45。合成的降雨過(guò)程線如圖5所示。

圖5 不同重現(xiàn)期暴雨曲線Fig.5 Rainstorm curves in different return period

式（3）中：q為平均暴雨強(qiáng)度（mm/min）；P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期（a）；t為設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)（min）。

3.4 海綿道路方案設(shè)計(jì)

根據(jù)土地利用現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)要求，將原道路中的綠化帶、人行道和非機(jī)動(dòng)車道分別改造為下凹式綠地、透水人行道和透水路面?？紤]到機(jī)動(dòng)車道荷載量大，而透水鋪裝會(huì)減少路面的承載能力，機(jī)動(dòng)車道不采用LID措施。通過(guò)對(duì)下凹式綠地和透水鋪裝進(jìn)行組合搭配，選出3組LID措施方案進(jìn)行模擬：方案I，單獨(dú)采用下凹綠地；方案II，在方案I的基礎(chǔ)上增設(shè)透水磚；方案III，在方案II的基礎(chǔ)上增設(shè)透水路面。具體方案規(guī)模如表4所示。當(dāng)采用上述3種LID方案時(shí)，行車道與人行道上的雨水經(jīng)產(chǎn)匯流及下滲最終都匯入下凹式綠化帶中，當(dāng)遇到暴雨時(shí)，下凹綠地蓄水完全飽和，水位會(huì)上升至高于下凹綠地的雨水口，并溢流入市政管道系統(tǒng)。

表4 海綿道路方案設(shè)計(jì)Tab.4 Plan design of sponge road

4 結(jié)果與討論

水質(zhì)模擬過(guò)程中，也可同時(shí)得出排水口流量的變化情況。因此通過(guò)SWMM模型模擬計(jì)算出在2、10、100 a下傳統(tǒng)方案及LID措施組成的3組方案的流量及污染負(fù)荷的遷移過(guò)程，如圖6～圖10所示，污染負(fù)荷對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 場(chǎng)降雨條件下排放口污染負(fù)荷模擬結(jié)果Tab.5 Pollution load simulation results of field drop rain outlets kg

圖6 不同重現(xiàn)期排放口流量變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.6 Discharge outlet flow curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

圖7 不同重現(xiàn)期SS負(fù)荷變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.7 SSload curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

圖10 不同重現(xiàn)期TP負(fù)荷變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.10 TPload curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

圖8 不同重現(xiàn)期COD負(fù)荷變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.8 COD load curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

圖9 不同重現(xiàn)期TN負(fù)荷變化曲線：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 aFig.9 TN load curves in different return periods：（a）2 a，（b）10 a，（c）100 a

在重現(xiàn)期2、10和100 a降雨條件下，方案I與傳統(tǒng)方案相比，排出口SS負(fù)荷分別減少24.46%、22.28%和21.28%；COD負(fù)荷分別減少20.32%、16.33%和15.31%；TN負(fù)荷分別減少20.31%、13.85%和11.61%；TP負(fù)荷分別減少18.39%、14.00%和13.13%。

方案II與傳統(tǒng)方案相比，排出口SS負(fù)荷分別減少48.25%、42.98%和40.52%；COD負(fù)荷分別減少45.51%、38.40%和35.71%；TN負(fù)荷分別減少46.38%、37.10%和33.07%；TP負(fù)荷分別減少39.38%、28.40%和24.77%。

方案III與傳統(tǒng)方案相比，排出口SS負(fù)荷分別減少50.70%、39.04%和26.89%；COD負(fù)荷分別減少49.57%、37.75%和27.48%；TN負(fù)荷分別減少51.23%、38.88%和29.07%；TP負(fù)荷分別減少44.75%、29.62%和17.57%。

5 結(jié) 論

（1）3組城市道路LID方案相比于傳統(tǒng)方案對(duì)污染負(fù)荷和徑流峰值的削減均具有顯著效果，但是隨著暴雨強(qiáng)度的增加，道路表面沖刷加劇，海綿道路對(duì)各污染負(fù)荷和徑流量的控制效果越來(lái)越弱，因此，海綿道路方案更適合于小降雨事件。且對(duì)SS、COD、TN和TP負(fù)荷削減率分別提高了21.28%～50.70%、15.31%～49.57%、11.61%～51.23%、13.13%～44.75%。

（2）3組城市道路LID方案中，方案II和方案III對(duì)污染負(fù)荷的削減效果明顯優(yōu)于方案I，而方案III較方案II多設(shè)計(jì)了透水路面，但兩組方案對(duì)污染負(fù)荷的控制效果接近，說(shuō)明透水路面對(duì)于污染負(fù)荷的控制效果較差。