源頭減排型海綿設(shè)施水文效應(yīng)模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比分析研究

孫慶凱，王振江，陳 波，胡 濤

(1.江蘇方洋建設(shè)工程管理有限公司，江蘇 連云港 222000；2.南京洞見環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 211899；3.江蘇華新城市規(guī)劃市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 連云港 222006)

1 概述

隨著我國城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，地塊開發(fā)強(qiáng)度不斷增加，改變了傳統(tǒng)的綠地、裸地等滲透型地表，造成不透水地表的比例大幅提高，改變了原有的徑流匯流水文特征，導(dǎo)致洪峰值增加、匯流速度加快，極易形成短時(shí)流量峰值，造成城市雨水管網(wǎng)短時(shí)排水壓力，甚至出現(xiàn)積水內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

海綿城市建設(shè)作為一種新型城市建設(shè)方式[1]，依據(jù)“源頭減排、過程控制、系統(tǒng)治理”的理念[2]，綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施[3]，對(duì)雨水就地吸納、蓄滲和緩釋，有效控制雨水徑流，實(shí)現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化[4]。海綿城市建設(shè)經(jīng)過多年試點(diǎn)，目前已進(jìn)入系統(tǒng)化全域推進(jìn)階段[5]，海綿城市建設(shè)質(zhì)量如何、是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)等問題逐漸顯現(xiàn)，海綿城市建設(shè)的后評(píng)價(jià)時(shí)期已經(jīng)來臨。

目前，針對(duì)海綿城市建設(shè)在雨洪管理、徑流控制方面的評(píng)價(jià)多采用水文水力模型模擬方式進(jìn)行，低影響開發(fā)(LID)參數(shù)選擇及模型率定缺少實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐，通過開展海綿城市源頭設(shè)施、項(xiàng)目監(jiān)測(cè)[6]，運(yùn)用數(shù)字傳感技術(shù)，采集海綿城市建設(shè)后的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)，作為模型參數(shù)率定的依據(jù)，同時(shí)，通過數(shù)據(jù)進(jìn)行海綿城市建設(shè)成效評(píng)估。

本文以某市新區(qū)人才公寓一期海綿城市建設(shè)項(xiàng)目例，以項(xiàng)目排放口及內(nèi)部典型海綿設(shè)施為監(jiān)測(cè)對(duì)象，開展降雨量、徑流量、徑流污染物等監(jiān)測(cè)，采集實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形成海綿城市監(jiān)測(cè)指標(biāo)，反應(yīng)海綿城市建設(shè)質(zhì)量；同時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)既可為模型率定提供數(shù)據(jù)支撐，也可為海綿城市專項(xiàng)設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化選擇提供參考，提高海綿城市設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目總占地面積96075.88m2，其中建筑占地面積27701.27m2，綠化占地面積35001.23m2，硬質(zhì)景觀面積33166.26m2，水面207.12m2，綠地率36.43%。

(1)豎向高程：項(xiàng)目場(chǎng)地現(xiàn)狀地形從2個(gè)層面來考量，一為道路標(biāo)高，道路在場(chǎng)地內(nèi)部高差較為平緩；二為綠地標(biāo)高，場(chǎng)地綠地范圍采用微地形手法，綠化場(chǎng)地有較大起伏，整個(gè)綠化場(chǎng)地平均綠地高差2m左右?，F(xiàn)狀高程有利于將項(xiàng)目打造成交通道路較為平緩，綠化地形豐富的空間布局。

(2)雨水排水系統(tǒng)現(xiàn)狀：本項(xiàng)目現(xiàn)狀已建成雨水排水系統(tǒng)，場(chǎng)地排水主干管網(wǎng)主要分布于小區(qū)主道路中線處，其中管網(wǎng)覆土最淺管道處為端頭位置，覆土厚度1m，覆土最深管道為與市政管網(wǎng)銜接處，覆土厚度2.6m左右。主干管網(wǎng)管徑從DN300依次遞增至DN600，主干管道以重力自流管形式與市政管網(wǎng)銜接，銜接處市政管網(wǎng)管徑為DN1200，如圖1所示。

圖1 豎向排水圖

2.2 海綿城市設(shè)計(jì)

2.2.1海綿城市設(shè)計(jì)目標(biāo)

依據(jù)《某市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》，結(jié)合場(chǎng)地現(xiàn)狀，本項(xiàng)目海綿城市的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：年徑流總量控制率為75%，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量為30.53mm，面源污染削減率50%。

2.2.2海綿城市設(shè)計(jì)內(nèi)容

本項(xiàng)目海綿城市設(shè)施設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有雨落管斷接、下凹綠地、植草溝、雨水花園、雨水調(diào)蓄池等。

本項(xiàng)目下墊面中屋面占比大，通過將雨水立管截?cái)啵⒃诹⒐芟略O(shè)置鵝卵石下凹帶，引流至生物滯留設(shè)施帶，對(duì)屋面雨水進(jìn)行滯留與凈化，多余雨水從溢流井溢流至管網(wǎng)。

在地塊較大面積的綠地內(nèi)設(shè)置雨水花園或下凹式綠地，通過局部下凹的微地形收集屋面、路面和綠地的雨水，進(jìn)行雨水的滯、蓄、凈處理及超量雨水的安全排放。

在道路兩側(cè)綠化帶適當(dāng)位置設(shè)置植草溝，將線狀道路雨水引流至面狀下凹式綠地、雨水花園等海綿設(shè)施。

小區(qū)內(nèi)部非重載道路，采用透水混凝土路面，鋪裝采用透水鋪裝，減少硬質(zhì)地面的地表徑流。

在項(xiàng)目管網(wǎng)末端，設(shè)置雨水調(diào)蓄池，在雨天進(jìn)行雨水調(diào)蓄排放，旱天將雨水進(jìn)行處理，資源化利用。

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，通過多種海綿設(shè)施的組合設(shè)計(jì)，既滿足海綿城市建設(shè)指標(biāo)要求，又實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目下墊面軟、硬搭配兼顧并與景觀完美融合，提升了項(xiàng)目建設(shè)品質(zhì)。

2.3 Infoworks ICM模型模擬分析

InfoWorks ICM軟件的全稱是城市綜合流域排水模型，不僅可以建立研究區(qū)域內(nèi)雨水管道排水模型，并且可以模擬不同工況下排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況，廣泛應(yīng)用于排水系統(tǒng)現(xiàn)狀評(píng)估、洪澇災(zāi)害評(píng)估和調(diào)蓄池設(shè)計(jì)與控制模擬等[7]，能夠模擬城市內(nèi)雨污水的產(chǎn)生、匯流、轉(zhuǎn)輸、進(jìn)入受納水體及受納水體內(nèi)水位變化的全過程。在降雨徑流總量控制與調(diào)蓄設(shè)施的模擬與設(shè)計(jì)方面，因?yàn)榈匦蔚貏?shì)的影響，排水系統(tǒng)比較復(fù)雜，不僅有重力流系統(tǒng)，還有壓力流系統(tǒng)，還存在雨水污水混接，入流和下滲等情況，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工況，只有通過模型模擬才可以確定排水管道系統(tǒng)、調(diào)蓄設(shè)施的位置與容積等信息，從而最終確定最為合適的方案。

2.3.1子匯水區(qū)劃分

根據(jù)項(xiàng)目地形及豎向分析，繪制出概化的匯水分區(qū)。匯水分區(qū)是進(jìn)行降雨徑流模擬的最小單元，在概化時(shí)通?？紤]就近排放和地形因素使其徑流盡可能地在重力作用下排放到鄰近的雨水井。通過綜合考慮建筑、地形高程和雨水井分布情況，最終將研究區(qū)分為18個(gè)匯水分區(qū)，并根據(jù)各匯水區(qū)下墊面情況，統(tǒng)計(jì)不同類型下墊面面積及綜合徑流系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 匯水分區(qū)下墊面分布表

將管道勘測(cè)數(shù)據(jù)作為模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入數(shù)據(jù)，導(dǎo)入檢查井(或雨水口)、雨水管渠和匯水區(qū)數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)連接和子集水區(qū)數(shù)據(jù)[8]。根據(jù)Infoworks ICM模型的要求，結(jié)合項(xiàng)目雨水管網(wǎng)資料，將項(xiàng)目排水系統(tǒng)概化為18個(gè)子集水區(qū)、740段管道、741個(gè)節(jié)點(diǎn)與5個(gè)出水口，概化結(jié)果如圖2所示。

圖2 Infoworks ICM建模圖

2.3.2模型參數(shù)確定

率定后的模型參數(shù)取值如下：①對(duì)于沒有添加低影響開發(fā)(LID)設(shè)施的雨水排水模型，屋面和路面徑流表面的徑流系數(shù)取0.8，草地徑流表面的徑流系數(shù)取0.15；屋面和路面徑流表面的匯流參數(shù)取0.011，草地徑流表面的匯流參數(shù)取0.2；排水管渠的曼寧粗糙值取0.015。②對(duì)于添加了LID設(shè)施的雨水排水模型，由于部分路面被改造為透水鋪裝，導(dǎo)致路面徑流表面的粗糙值增大，匯流參數(shù)增大，因此路面徑流表面的匯流參數(shù)取0.012；其他模型參數(shù)值與沒有添加LID設(shè)施雨水排水模型參數(shù)相同。

2.3.3海綿設(shè)施參數(shù)確定

利用LID模塊構(gòu)建雨水花園、下凹綠地、植草溝、透水鋪裝4種雨水處理技術(shù)，結(jié)合InfoworksICM模型的水文與水力模型，實(shí)現(xiàn)LID技術(shù)措施對(duì)場(chǎng)地徑流量與峰值流量效果的模擬，各匯水子區(qū)域中LID措施比例根據(jù)方案的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)錄入。

海綿設(shè)施的導(dǎo)入?yún)?shù)為：雨水花園表層蓄水深度為250mm，表面糙率為0.15，表面坡度為33.3%，過濾介質(zhì)層厚度為500mm，空隙率為0.42，排水層高度為300mm，空隙比為0.20，底部排水管徑為DN200mm；下凹式綠地或植草溝表層蓄水深度為150mm，表面糙率為0.15，表面坡度為33.3%，種植土層厚度為250mm，空隙率為0.42；調(diào)蓄池容積210m3。

2.3.4模型模擬分析

單場(chǎng)降雨模擬：利用連云港市暴雨強(qiáng)度公式，采用芝加哥降雨過程線模擬合成降雨量為33.53mm，降雨歷時(shí)為120min，步長(zhǎng)為5min，雨峰系數(shù)為0.38的短歷時(shí)降雨，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 單場(chǎng)降雨模擬結(jié)果

全年降雨模擬：利用連云港市2006年全年實(shí)際降雨912.3mm(接近多年平均降雨量906.8mm)進(jìn)行模擬，末端出流量19717.34m3，控制水量65967.7m3，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 全年降雨模擬結(jié)果

根據(jù)單場(chǎng)降雨及典型年全年降雨模擬，海綿設(shè)計(jì)方案滿足年徑流總量控制率達(dá)到75%的要求，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 Infoworks ICM徑流模擬表

2.4 海綿城市監(jiān)測(cè)與分析

2.4.1海綿城市監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)介

將本項(xiàng)目的排放口作為監(jiān)測(cè)設(shè)備部署點(diǎn)位，進(jìn)行降雨量、外排水量、外排水污染物濃度監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)部的典型海綿設(shè)施進(jìn)行針對(duì)性對(duì)象，選擇在11號(hào)樓后面的雨水花園作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，在溢流井設(shè)置流量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，如圖5所示。通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位匯水界面清晰，本底條件較好，總計(jì)匯水面積約2558m2，通過對(duì)項(xiàng)目排放口及設(shè)施溢流口監(jiān)測(cè)，獲取降雨量、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行海綿設(shè)施在徑流體積控制、徑流峰值延遲方面的效果，同時(shí)對(duì)項(xiàng)目整體海綿城市建設(shè)成效進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

2.4.2海綿設(shè)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

針對(duì)該設(shè)施的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇多個(gè)單場(chǎng)次降雨事件，降雨量級(jí)別包含小雨、中雨、大雨，進(jìn)行降雨量、徑流量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，形成“降雨-流量-時(shí)間”序列曲線，分析單場(chǎng)次降雨下的徑流體積控制、徑流峰值延遲的的效果，如圖6—7所示。

圖6 單場(chǎng)降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 單場(chǎng)降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2021年10月7日降雨場(chǎng)次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從監(jiān)測(cè)序列曲線可知，該場(chǎng)次降雨事件累積降雨量21.4mm，最大降雨時(shí)刻出現(xiàn)在20時(shí)20分，最大流量出現(xiàn)在20時(shí)40分，峰值流量較降雨延遲20min；根據(jù)匯水面積，該降雨事件理論出流量54.74m3，監(jiān)測(cè)到出流量7.1m3，徑流體積控制量47.64m3。

2021年10月14日降雨場(chǎng)次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從監(jiān)測(cè)序列曲線可知，該場(chǎng)次降雨事件累積降雨量39.3mm，最大降雨時(shí)刻出現(xiàn)在6時(shí)20分，最大流量出現(xiàn)在6時(shí)50分，峰值流量較降雨延遲30min；根據(jù)匯水面積，該降雨事件理論出流量100.53m3，監(jiān)測(cè)到出流量14.98m3，徑流體積控制量85.55m3。

2021年11月5日降雨場(chǎng)次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從監(jiān)測(cè)序列曲線可知，該場(chǎng)次降雨事件累積降雨量6.9mm，最大降雨時(shí)刻出現(xiàn)在19時(shí)30分，根據(jù)匯水面積，該降雨事件理論出流量17.65m3，因該場(chǎng)次累積降雨量?jī)H僅6.9mm，為小雨級(jí)別，監(jiān)測(cè)點(diǎn)未監(jiān)測(cè)到出流，全部降雨均被就地控制消納。

2022年3月25日降雨場(chǎng)次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從監(jiān)測(cè)序列曲線可知，該場(chǎng)次降雨事件累積降雨量31.2mm，最大降雨時(shí)刻出現(xiàn)在8時(shí)20分，最大流量出現(xiàn)在8時(shí)50分，峰值流量較降雨延遲30分鐘；根據(jù)匯水面積，該降雨事件理論出流量79.81m3，監(jiān)測(cè)到出流量10.55m3，徑流體積控制量69.26m3。

根據(jù)對(duì)多個(gè)單場(chǎng)次降雨事件的監(jiān)測(cè)分析，海綿設(shè)施對(duì)徑流峰值延遲時(shí)間各不相同，基本在20～30min之間，綜合平均時(shí)間為26.6min。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 單場(chǎng)次徑流峰值延遲匯總表

根據(jù)對(duì)多個(gè)單場(chǎng)次降雨事件的監(jiān)測(cè)分析，海綿設(shè)施對(duì)徑流體積控制，徑流控制率各不相同，綜合平均徑流控制率為89.73%。具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 單場(chǎng)次徑流體積控制匯總表

通過對(duì)海綿設(shè)施溢流口的持續(xù)監(jiān)測(cè)，獲得2021年10月—次年3月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合監(jiān)測(cè)到的降雨量數(shù)據(jù)、海綿設(shè)施對(duì)應(yīng)的匯水面積等數(shù)據(jù)信息，計(jì)算出理論流量，徑流體積控制量，徑流控制率等數(shù)據(jù)信息，通過統(tǒng)計(jì)獲得半年內(nèi)海綿設(shè)施的徑流總量控制率為86.44%。具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 設(shè)施徑流總量控制匯總表

2.4.3項(xiàng)目排放口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)項(xiàng)目排口流量的持續(xù)監(jiān)測(cè)，獲得項(xiàng)目外排水總量，結(jié)合項(xiàng)目的降雨量數(shù)據(jù)、項(xiàng)目占地面積等數(shù)據(jù)信息，計(jì)算出理論流量，徑流體積控制量，徑流控制率等數(shù)據(jù)信息，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，本項(xiàng)目的平均徑流總量控制率為77.42%。具體數(shù)據(jù)見表6。

表6 項(xiàng)目徑流總量控制匯總表

2.5 結(jié)論

通過對(duì)海綿城市源頭減排設(shè)施的跟蹤監(jiān)測(cè)，選擇有代表性的小雨、中雨、大雨的降雨場(chǎng)次，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果，海綿設(shè)施在場(chǎng)次降雨過程中，徑流峰值延遲作用明顯，起到了削峰、錯(cuò)峰排水的目的；同時(shí)在徑流體積控制方面，起到了徑流控制效果，基本符合海綿專項(xiàng)設(shè)計(jì)采用的指標(biāo)參數(shù)[9]。

3 結(jié)語

文章相關(guān)研究成果可以應(yīng)用到海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中，為海綿城市的建設(shè)提供科學(xué)量化依據(jù)。另外，本次監(jiān)測(cè)的樣本數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)半年，雖然監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)指標(biāo)高于模型和設(shè)計(jì)值，但樣本時(shí)長(zhǎng)較短，數(shù)據(jù)量較少，且主要集中在枯雨期，未能獲取雨季強(qiáng)降雨的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本，并不能全面代表海綿設(shè)施、項(xiàng)目完整周期年的海綿效應(yīng)。后期將持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)雨季監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形成完整的周期年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析項(xiàng)目海綿城市建設(shè)應(yīng)對(duì)不同降雨強(qiáng)度的控制效果，評(píng)估項(xiàng)目實(shí)測(cè)年徑流控制率。