基于在線和人工檢測的海綿道路效果模擬評價

余健 ，鄧蕓 ，胡雙

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學(xué)設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410006）

在城市雨水徑流污染中，城市道路雨水徑流污染較為嚴重，初期徑流污染程度甚至高于生活污水［1-2］.現(xiàn)有實踐和研究表明，海綿城市設(shè)施可以利用“土壤-植物-微生物”的聯(lián)合作用，在一定程度上促進雨水徑流的滲透、凈化和儲存［3-6］.因此，在城市道路上建設(shè)海綿城市設(shè)施，以控制道路徑流雨水排放量和削減徑流污染是十分必要的.

目前，國內(nèi)外對海綿城市設(shè)施在城市徑流雨水和徑流污染控制的效果開展了一些評估研究.比如，Bardhipur［7］通過SWMM 模擬，探討了生物滯留池和雨水桶兩種海綿設(shè)施存在的情況下美國俄亥俄州帕爾馬市某住宅區(qū)的水文性能.Zeng 等［8］將SWMM 應(yīng)用于低影響開發(fā)后的某社區(qū)的水文效應(yīng)模擬，對初期雨水沖刷效應(yīng)進行了定量分析.基于雨量、水質(zhì)監(jiān)測與模擬聯(lián)合法，王貴南等［9］、國小偉等［10］分別對住宅小區(qū)和校園海綿城市改造項目的建設(shè)效果進行了分析評估.然而，這些評估多以建筑小區(qū)類海綿項目作為研究對象進行建設(shè)效果的評價［7-10］，涉及污染削減效果的評價指標僅限于SS 在線監(jiān)測一項［9-12］，不能完全反映海綿項目對各類污染物的削減效果.而且，現(xiàn)有海綿城市的水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備往往存在監(jiān)測指標單一、檢測結(jié)果不穩(wěn)定［13］、可靠性低的問題［14］，不利于準確評價海綿城市設(shè)施對徑流污染的實際控制效果.

本文擬以某市海綿城市道路為研究對象，采用人工水質(zhì)檢測和SWMM 模擬相結(jié)合的方法，評估在幾種典型降雨條件下海綿城市道路對徑流總量、徑流污染（分別以SS、COD、TP、NH3-N 計）和排水防澇的控制效果［15-16］，為合理、全面地定量評價海綿城市道路的建設(shè)效果提供參考.

1 研究對象概況與水量水質(zhì)監(jiān)測

1.1 研究對象概況

研究對象為長沙市望城區(qū)某典型海綿城市道路建設(shè)項目，該路東、西兩端分別與雷鋒大道和瀟湘大道相接.道路全長756 m，規(guī)劃紅線寬度26 m，其中北側(cè)人行、非機動車混合道寬度5 m，機動車道寬度 14 m，南側(cè)人行、非機動車混合道寬度7 m.南、北兩側(cè)現(xiàn)狀分別為公園、開發(fā)建設(shè)用地.道路地面高程高于南、北兩側(cè)的公園與建設(shè)用地，周邊雨水不能匯入.

該海綿道路于2017 年9 月竣工，其設(shè)計標準為年徑流總量控制率不低于75%，面源污染負荷（按SS計）削減60%及以上，內(nèi)澇防治標準為遭遇20 年一遇降雨時，至少一條車道的積水深度不超過15 cm.排水系統(tǒng)采用雨污分流制，雨水干管按3 年一遇設(shè)計標準設(shè)計，其管徑為DN1500，管長645 m.海綿城市設(shè)施主要有：3 m寬的生態(tài)滯留草溝640 m、生態(tài)樹池38 座、混凝土透水鋪裝5 364 m2、溢流雨水口（井）29 座.該海綿道路平面布置見圖1，徑流組織路徑如圖2所示.

圖1 海綿道路平面布置Fig.1 Layout of the sponge road

圖2 海綿道路徑流組織路徑Fig.2 Runoff organization path of the sponge road

1.2 在線監(jiān)測與采樣檢測

為滿足海綿城市項目考核需要，望城區(qū)于2019年3 月在海綿道路的東端雨水外排口處（見圖1）安裝了1 臺雨量計和1 臺超聲波多普勒流量計，用以監(jiān)測降雨量和該海綿道路的外排雨水徑流量.目前已獲得1 年以上“時間-流量”序列監(jiān)測數(shù)據(jù).為詳細考察該海綿道路對徑流污染物的控制效果，在雨水排放口處進行人工水質(zhì)采樣.從產(chǎn)生管道徑流開始，前20 min 內(nèi)，間隔5 min 取樣；20～60 min內(nèi)，間隔10 min 取樣；60～100 min 內(nèi)，間隔20 min 取樣；100 min 后，間隔30 min 取樣，具體取樣根據(jù)實際徑流產(chǎn)生情況進行調(diào)整，采集15 個樣品.檢測指標為SS、COD、TP 和NH3-N，檢測方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4 版）》［17］.為模擬評價的需要，本文選取了4 次降雨事件數(shù)據(jù)，見表1.

表1 降雨記錄數(shù)據(jù)Tab.1 Rainfall record data

2 SWMM 模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概化

海綿道路總匯水面積為22 074 m2，主要含道路和綠地2 類下墊面，其中不透水區(qū)域主要為機動車道瀝青路面，面積為12 467.8 m2，占總匯水面積的56.48%；海綿城市設(shè)施包括生物滯留草溝，面積為1 920 m2，混凝土透水鋪裝5 364 m2，生態(tài)樹池326.8 m2，分別占總匯水面積的8.7%、24.3%、1.5%.綜合考慮海綿城市設(shè)施、雨水管道和豎向高程等因素，將研究區(qū)域概化為24 個子匯水區(qū)、16 條雨水管段、16 個雨水井節(jié)點以及1個集中排放口，如圖3所示.

圖3 海綿道路SWMM模型概化界面Fig.3 SWMM generalization interface of study area

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

水文模塊中采用Horton 模型模擬下滲過程，設(shè)置最大入滲速率為76 mm/h，最小入滲速率為13 mm/h，衰減系數(shù)取4/h.模型中平均每月的日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)采用長沙月蒸發(fā)量.水力模塊采用動力波進行模擬.水質(zhì)模塊中污染物的累計和沖刷分別選用飽和函數(shù)模型和指數(shù)模型模擬，地表徑流沖刷污染物以SS、COD、TP、NH3-N四種指標進行模擬分析.天然雨水中各污染物質(zhì)量濃度根據(jù)長沙市雨水采樣檢測結(jié)果取值［18］：SS 為15 mg/L、COD 為50 mg/L、TP 為0.1 mg/L、NH3-N 為0.6 mg/L.海綿城市設(shè)施參數(shù)根據(jù)海綿道路施工圖、SWMM 用戶手冊以及有關(guān)文獻取值［19-20］，如表2所示.

表2 海綿城市設(shè)施參數(shù)取值Tab.2 Parameter values of sponge facility

為研究海綿設(shè)施對徑流污染物的削減或控制效果，需模擬研究對象未建海綿設(shè)施時徑流污染排放情況，因此構(gòu)建傳統(tǒng)道路SWMM 模型.建立該模型時，假設(shè)其水文、水力和水質(zhì)參數(shù)與海綿道路的設(shè)定一致，而將原人行、非機動車混合道的透水鋪裝區(qū)域改為不透水下墊面，將生態(tài)滯留草溝和生態(tài)樹池區(qū)域改為不具海綿城市設(shè)施結(jié)構(gòu)的一般透水下墊面.

2.3 模型率定與驗證

選擇納什效率系數(shù)NSE（Nash-Sutcliffe Effi?ciency index）作為模型質(zhì)量的評判依據(jù)，當NSE＞0.5時，說明模型可靠［21-22］.以2020年7月27日降雨的流量和SS 監(jiān)測數(shù)據(jù)分別對模型的水文、水力和水質(zhì)參數(shù)進行率定.

模型水文、水力參數(shù)率定后透水區(qū)和不透水區(qū)曼寧系數(shù)分別為0.1 和0.017，透水區(qū)和不透水區(qū)填洼量分別為7.5 mm 和2.5 mm，無洼不透水區(qū)面積比為60%.水質(zhì)參數(shù)率定后取值見表3.

表3 不同土地利用類型的水質(zhì)參數(shù)值Tab.3 Parameter values of water quality for different land uses

模型經(jīng)率定后，再以2020 年5 月29 日降雨的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型水文、水力參數(shù)的驗證，結(jié)果如圖4 所示.模型模擬流量與實測流量高度吻合，算得的NSE 為0.846，說明模型水文、水力模擬結(jié)果的可靠性高.

圖4 流量模擬值和監(jiān)測值對比Fig.4 Comparison of flow between the simulated and the monitored

最后，以2021 年9 月19 日的人工水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)進行水質(zhì)參數(shù)的驗證，結(jié)果如圖5 所示，SS、COD、TP、NH3-N 四種污染物質(zhì)量濃度對應(yīng)的NSE 分別為0.670、0.679、0.548、0.577，其均值為0.619，說明模型水質(zhì)模擬結(jié)果比較可靠.

圖5 污染物濃度模擬值和實測值對比Fig.5 Comparison of pollutant concentration between the simulated and the monitored

3 海綿道路效果評價

3.1 徑流總量控制效果評價

3.1.1 場次降雨條件下監(jiān)測結(jié)果評價

海綿道路的年徑流總量控制率設(shè)計標準為75%，對應(yīng)設(shè)計降雨量為24.14 mm.根據(jù)《海綿城市建設(shè)評價標準》（GB/T 51345—2018）［23］有關(guān)規(guī)定，監(jiān)測項目年徑流總量控制率的評價應(yīng)篩選至少2 場與設(shè)計降雨量下浮不超過10%，且與前場降雨的時間間隔［24］大于設(shè)施設(shè)計排空時間［25-26］的實際降雨.本文篩選表1中顯示的前3場實際降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，以分析海綿道路對場次降雨徑流總量的控制效果能否滿足規(guī)范設(shè)計要求.分析結(jié)果如表4所示.

表4 場次降雨徑流總量控制監(jiān)測分析結(jié)果Tab.4 Monitoring and analysis results of total runoff control in rainfall events

從表4 可知，三場降雨徑流總量控制率均值為91.23%.2020 年5 月25 日降雨事件的累積降雨量為23.3 mm，小于設(shè)計降雨量24.24 mm，根據(jù)《海綿城市建設(shè)評價標準》［23］，此條件下外排口應(yīng)無溢流排泄，或外排量應(yīng)為經(jīng)設(shè)施下滲、凈化處理后的排泄流量.經(jīng)模型模擬可知該場降雨下經(jīng)各海綿設(shè)施下滲、凈化處理的排放量均為零.但實際上，此次降雨實際監(jiān)測到外排量為41.5 m3，這可能是因為在該道路兩端與傳統(tǒng)道路交叉處設(shè)有的4 個雨水篦子接入了未經(jīng)海綿設(shè)施處理的徑流雨水所致.

3.1.2 典型平水年連續(xù)模擬結(jié)果

由于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)覆蓋的降雨場次有限，故利用率定后的模型對典型平水年降雨進行長歷時連續(xù)模擬，評估項目可能實現(xiàn)的年徑流總量控制率.以望城區(qū)近50 年（1972—2021 年）的降雨統(tǒng)計數(shù)據(jù)推求出年平均降雨量為1 853 mm，再從近10 年（2012—2021 年）的資料中選取全年累積雨量接近多年平均值的2020 年（雨量為1 919 mm）作為典型平水年［19，27］.將該年的逐小時降雨量數(shù)據(jù)輸入海綿道路模型進行模擬.為便于對照，對傳統(tǒng)道路也進行了模擬.模擬結(jié)果見表5.

表5 典型平水年連續(xù)模擬水量平衡統(tǒng)計Tab.5 Statistics of continuous simulated water balance in typical normal year

從表5 可知，與傳統(tǒng)道路相比，海綿道路的蒸發(fā)量將減少15.90%，下滲量將增加93.81%，徑流量將減少87.86%.若市政道路建設(shè)成海綿道路，在典型平水年內(nèi)年徑流總量控制率將由47.80% 增加到94.20%，年徑流總量控制效果顯著.

3.2 徑流污染控制效果評價

3.2.1 場次降雨條件下模擬結(jié)果

滿足設(shè)計條件的3 場降雨事件同3.1 節(jié)，根據(jù)模擬結(jié)果統(tǒng)計4 種污染物質(zhì)在各場降雨事件中的負荷總量，結(jié)果見表6.在場次降雨條件下海綿道路相對于傳統(tǒng)道路，SS、COD、TP、NH3-N 各項污染物負荷總量均得到大幅削減，削減率均大于80%，說明海綿道路對徑流污染控制效果良好.

表6 場次降雨徑流污染負荷總量Tab.6 Total runoff pollution load in rainfall events

3.2.2 典型平水年降雨連續(xù)模擬結(jié)果

將典型平水年（2020 年）逐時降雨數(shù)據(jù)輸入模型，對全年進行連續(xù)模擬，結(jié)果如表7 所示.相對于傳統(tǒng)道路，海綿道路對SS、COD、TP 和NH3-N 的年負荷削減率分別為88.5%、88.3%、86.7%和88.5%，說明該海綿道路能夠有效削減或控制各污染物的負荷總量.值得指出的是，海綿道路上雨水徑流中的SS、COD、TP 和NH3-N 的最大質(zhì)量濃度反而比傳統(tǒng)道路大28.62%、25.61%、11.54%和41.81%.分析模型模擬報表，發(fā)現(xiàn)發(fā)生最大質(zhì)量濃度的場次是2020年5月4日降雨事件，最大雨強為8.69 mm/h，降雨量36.38 mm，在此之前已連續(xù)4 d下雨，因此推測原因可能是經(jīng)連續(xù)下雨后海綿設(shè)施換填土層吸附飽和，強降雨將吸附的污染物淋洗至下滲的雨水中并隨著滲管進入雨水總管［28-29］，致使外排徑流的污染物最大質(zhì)量濃度比傳統(tǒng)道路高.

表7 典型平水年連續(xù)模擬外排水質(zhì)結(jié)果Tab.7 Drainage quality under continuous simulation of normal year

3.3 排水防澇效果評價

徑流峰值削減效果根據(jù)短歷時降雨模擬結(jié)果反映.采用望城區(qū)暴雨強度公式［如式（1）所示］，選用芝加哥雨型［30］，雨峰系數(shù)r設(shè)為0.4，降雨歷時為120 min.

式中：q為暴雨強度，L/（s·hm2）；T為降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min.

降雨重現(xiàn)期分別取3 a、5 a、10 a、20 a時，降雨量分別為88.40 mm、96.94 mm、108.53 mm、120.13 mm，峰值降雨強度分別為158.99 mm/h、174.35 mm/h、195.20 mm/h、216.06 mm/h.經(jīng)模型模擬分析（結(jié)果見圖6），3 年一遇、5 年一遇、10 年一遇和20 年一遇暴雨時，海綿道路的峰值徑流量分別為0.108 m3/s、0.123 m3/s、0.143 m3/s 和0.164 m3/s，而傳統(tǒng)道路的峰值徑流量分別為0.396 m3/s、0.464 m3/s、0.562 m3/s 和0.662 m3/s，對應(yīng)的徑流峰值削減率分別為72.7%、73.5%、74.6%和75.2%.由此可見，海綿道路能有效降低徑流峰值，有利于減少雨水管排水壓力和城市防洪排澇，且峰值削減率對降雨重現(xiàn)期的敏感度較小.

圖6 傳統(tǒng)開發(fā)和海綿道路排水流量過程線對比Fig.6 Comparison of drainage hydrograph between traditionally-developed and sponge road

內(nèi)澇防治效果采用長歷時降雨事件模擬結(jié)果來說明.根據(jù)《湖南省暴雨洪水查算手冊》，可查得降雨重現(xiàn)期為50 a 時望城區(qū)1～24 h 內(nèi)各小時的降雨數(shù)據(jù)，總降雨量為232.54 mm，峰值小時降雨強度為97.18 mm/h.模擬結(jié)果顯示，DN1000雨水干管內(nèi)最大水深僅為0.25 m，地面無積水，海綿道路對雨水起到了很好的消納作用［31-32］.

4 結(jié)論

采用人工水質(zhì)采樣檢測和在線監(jiān)測相結(jié)合的方法模擬和評價市政海綿道路的建設(shè)效果是可行的.水質(zhì)人工檢測具有指標更多、數(shù)據(jù)準確可靠且污染削減評價更全面的優(yōu)勢，可克服水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備存在的監(jiān)測指標單一、結(jié)果不穩(wěn)定、可靠性低的問題.項目場次監(jiān)測結(jié)果徑流總量控制率和典型平水年徑流總量控制率模擬結(jié)果分別為91.2%和94.2%；SS、COD、TP、NH3-N 相應(yīng)徑流污染削減率的典型水平年模擬結(jié)果分別為88.5%、88.3%、86.7%和88.5%；在3 年、5 年、10 年、20 年一遇短歷時暴雨條件下，海綿道路的徑流峰值削減率分別為72.7%、73.5%、74.6%和75.2%，系統(tǒng)排水壓力大幅緩解，削峰能力對降雨重現(xiàn)期的敏感度較?。?0 年一遇長歷時暴雨情景下，DN1000 雨水干管內(nèi)最大水深僅為0.25 m，地面無積水.生態(tài)樹池、透水混凝土鋪裝和生態(tài)型滯留草溝等海綿城市設(shè)施對市政道路的徑流總量、徑流污染和排水防澇的控制效果十分顯著.