丁 錄，李翠梅

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

隨著城市化的發(fā)展，大量的生態(tài)土地被改造為不透水下墊面，在減少了雨水下滲量，增加了地表徑流的同時(shí)也使得徑流污染物濃度明顯升高,造成了城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)、面源污染加劇的現(xiàn)象[1]。在控制徑流污染的過(guò)程中，對(duì)整場(chǎng)降雨的徑流污染進(jìn)行控制的做法既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)[2]。研究表明，降雨初期的徑流中污染物的濃度通常是較高的，此時(shí)，大量高污染物濃度的初期雨水進(jìn)入受納水體，形成初期沖刷效應(yīng)，對(duì)水環(huán)境造成污染[3]。因此，加強(qiáng)對(duì)初期沖刷效應(yīng)的控制可以更好地達(dá)到控制徑流污染的目的。

關(guān)于污染物的初期沖刷效應(yīng)，有很多研究學(xué)者[4-5]通過(guò)計(jì)算初期沖刷質(zhì)量累積比例MFFn的大小來(lái)判斷初期沖刷效應(yīng)發(fā)生的強(qiáng)弱。MFFn表示當(dāng)產(chǎn)生前n%的地表徑流時(shí)，累積污染負(fù)荷比例與累積徑流比例的比值，MFFn值含義明確且簡(jiǎn)單易懂，計(jì)算方法也相對(duì)簡(jiǎn)便，應(yīng)用較為廣泛。目前的研究常根據(jù)MFF30值的大小將初期沖刷效應(yīng)分為無(wú)沖刷、弱沖刷、強(qiáng)沖刷三個(gè)等級(jí)[6]。

海綿城市建設(shè)理念當(dāng)下常被用于緩解城市內(nèi)澇問(wèn)題以及提升城市水環(huán)境質(zhì)量，SWMM模型作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的降雨-徑流模型，可以模擬徑流及水質(zhì)輸出，以及各種海綿措施的效果。目前，針對(duì)于海綿措施的效果評(píng)估大多基于整場(chǎng)降雨過(guò)程，通過(guò)本文研究，希望可以建立SWMM模型，根據(jù)初期雨水沖刷效應(yīng)的緩解效果對(duì)不同規(guī)模的3種海綿措施做出評(píng)價(jià)，并選擇出不同海綿措施最優(yōu)的規(guī)模區(qū)間。

1 研究實(shí)例與方法

以宣城市某小區(qū)為例，構(gòu)建SWMM模型，模擬水質(zhì)水量輸出，并通過(guò)MFF函數(shù)定量識(shí)別不同重現(xiàn)期下，不同規(guī)模的三種海綿措施對(duì)于SS和COD兩種污染物的初期雨水徑流沖刷效應(yīng)的緩解效果，以達(dá)到海綿措施規(guī)模優(yōu)化的目的。

1.1 模型建立

宣城市某小區(qū)總占地面積7.52 hm2，采用雨污分流制，由36.65%的屋面、36.66%的道路及廣場(chǎng)和26.69%的綠化用地組成，總不透水面積占區(qū)域面積的73.31%。區(qū)域地勢(shì)較為平緩，平均坡度為1.8%。

根據(jù)實(shí)地考察結(jié)果，研究區(qū)域概化為16個(gè)子匯水區(qū)，其中最小的面積為0.281 4 hm2，最大的面積為0.622 0 hm2。模型中包括10條雨水管段，11個(gè)節(jié)點(diǎn)（包含1個(gè)排水口節(jié)點(diǎn)），概化結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域概化圖

根據(jù)類似研究[7-8]，采用Horton滲透模型進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算；最大入滲率、最小入滲率、衰減常數(shù)以及排干時(shí)間分別定為75.6 mm/h、3.35 mm/h、4 h-1、7 d。地表匯流模型采用非線性水庫(kù)模型，管道曼寧系數(shù)定為0.013。污染物累積模型選用飽和函數(shù)，污染物沖刷模型選用指數(shù)函數(shù)，街道清掃間隔天數(shù)為一天。具體參數(shù)設(shè)置如表1所列。

表1 水質(zhì)模塊參數(shù)

采用降雨時(shí)長(zhǎng)為2 h的模擬降雨，選用芝加哥雨型，雨峰位置R為0.4，降雨重現(xiàn)期設(shè)計(jì)為1、3、5、10 a四種。由于當(dāng)?shù)貨](méi)有暴雨強(qiáng)度公式，選用相近的蕪湖市的暴雨強(qiáng)度公式，如式（1）所示。

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

1.2 MFF定量識(shí)別方法

根據(jù)SWMM模型模擬得出的各重現(xiàn)期下布設(shè)不同規(guī)模海綿措施時(shí)的徑流曲線，計(jì)算得出產(chǎn)生前30%徑流量的時(shí)間tr，結(jié)合模擬得出的污染物曲線，以及徑流總量Q（t）和徑流污染總負(fù)荷量M（t），采用MFF30來(lái)進(jìn)行初期雨水徑流沖刷效應(yīng)的定量識(shí)別。以MFF30=1作為初期沖刷發(fā)生的定量識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，若MFF30值＜1則表示初期沖刷現(xiàn)象沒(méi)有發(fā)生；若MFF30值＞1且MFF30值＜2，則說(shuō)明弱沖刷效應(yīng)發(fā)生；若MFF30值≥2，則說(shuō)明強(qiáng)沖刷效應(yīng)發(fā)生，其具體表達(dá)式如下式中，t為徑流過(guò)程中的某一時(shí)刻，min；Ct為徑流過(guò)程中t時(shí)刻的污染物濃度，kg/L；Qt為徑流過(guò)程中t時(shí)刻的地表徑流量，L/min；M（tr）為徑流過(guò)程中至某一時(shí)刻的徑流污染總負(fù)荷，kg；M（t）為徑流過(guò)程的總污染負(fù)荷量，kg；Q（tr）為徑流過(guò)程中至某一時(shí)刻的地表徑流總量，m3；Q（t）為徑流過(guò)程的地表徑流總量，m3；n 為徑流過(guò)程中的累積徑流量比例。

1.3 LID模塊設(shè)計(jì)

研究區(qū)域土地利用類型分為屋頂、道路及廣場(chǎng)、綠化用地，分別對(duì)應(yīng)綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池三種海綿措施。為研究不同規(guī)模對(duì)于初期沖刷效應(yīng)的影響，每種海綿措施的規(guī)模以最大設(shè)計(jì)占比的10%為增長(zhǎng)步長(zhǎng)由0逐漸增長(zhǎng)到最大設(shè)計(jì)占比。根據(jù)措施特性以及研究區(qū)域條件，三種海綿措施的最大布設(shè)比例分別設(shè)計(jì)為65%、80%、50%，具體布設(shè)設(shè)計(jì)比例見(jiàn)表2。

表2 海綿措施布設(shè)比例設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠色屋頂規(guī)模下的污染物MFF30分析

四種降雨強(qiáng)度下，在研究區(qū)域布設(shè)不同規(guī)模綠色屋頂后，SS和COD的初期沖刷質(zhì)量累積比例MFF30值分別見(jiàn)表3。

表3 不同規(guī)模綠色屋頂下SS的MFF30值

由表3可以看出，當(dāng)綠色屋頂布設(shè)比例由0%增大到9.53%時(shí)，各重現(xiàn)期下SS和COD的MFF30值快速減小，并在9.53%～11.91%之間到達(dá)第一個(gè)低點(diǎn)，這表明在此范圍內(nèi)增加布設(shè)比例的效果是較好的。在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，綠色屋頂對(duì)于污染物的削減效果明顯優(yōu)于對(duì)徑流的控制效果，徑流的平均濃度較小，初期沖刷效應(yīng)得到緩解。在第一個(gè)低點(diǎn)過(guò)后，隨著布設(shè)比例的增加，MFF30值呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)并達(dá)到一個(gè)高點(diǎn)，這表明在一定范圍內(nèi)，綠色屋頂規(guī)模的增大對(duì)減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)呈負(fù)面影響。此時(shí)，綠色屋頂對(duì)于徑流的控制作用占主導(dǎo)地位，徑流平均濃度較大，初期沖刷效應(yīng)增強(qiáng)。在高點(diǎn)過(guò)后，MFF30值隨著布設(shè)比例的增加而減小，逐漸趨向于1，此時(shí)，綠色屋頂對(duì)于污染物的削減效果和徑流的控制效果均較為良好，初期沖刷效應(yīng)減弱。當(dāng)重現(xiàn)期為1 a時(shí)，23.83%為綠色屋頂同時(shí)避免SS和COD初期沖刷效應(yīng)的最小的設(shè)計(jì)規(guī)模。但是同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)因素，在各重現(xiàn)期下，綠色屋頂布設(shè)的最佳規(guī)模區(qū)間應(yīng)為SS和COD的MFF30值均處于低點(diǎn)的9.53%～11.91%。此外，在此區(qū)間內(nèi)，MFF30值均小于2，說(shuō)明發(fā)生弱沖刷效應(yīng)，這表明，此規(guī)模綠色屋頂?shù)牟荚O(shè)雖然無(wú)法完全避免，但可以大大減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)的發(fā)生。

2.2 不同滲透性鋪裝規(guī)模下的污染物MFF30分析

四種降雨強(qiáng)度下，在研究區(qū)域布設(shè)不同規(guī)模滲透性鋪裝后，SS和COD初期沖刷質(zhì)量累積比例MFF30值見(jiàn)表4。

表4 不同規(guī)模滲透性鋪裝下SS和COD的MFF30值

由表4可知，當(dāng)滲透鋪裝布設(shè)比例由0%增大到11.73%時(shí)，各重現(xiàn)期下SS和COD的MFF30值快速減小，這表明在此范圍內(nèi)增加布設(shè)比例的效果是較好的。當(dāng)布設(shè)比例處于11.73%～14.66%，MFF30值會(huì)到達(dá)第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：MFF30值幾乎不隨著布設(shè)比例的增加而改變。這表明在一定范圍內(nèi)，布設(shè)規(guī)模的增大對(duì)減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)沒(méi)有影響，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，滲透性鋪裝對(duì)污染物的削減作用和徑流的控制作用成比例增加，此時(shí)徑流平均污染物濃度變化不大，初期沖刷效應(yīng)沒(méi)有受到緩解。當(dāng)布設(shè)比例增加到20.53%～23.46%，MFF30值會(huì)到達(dá)第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：MFF30值隨著布設(shè)比例的增加而減小，逐漸趨向于1。此時(shí)滲透性鋪裝對(duì)于徑流的控制作用可能已經(jīng)達(dá)到飽和，而對(duì)于污染物的削減作用還在增強(qiáng)，因此初期沖刷效應(yīng)減弱。當(dāng)重現(xiàn)期為1 a時(shí)，29.34%的布設(shè)規(guī)?？梢酝瑫r(shí)避免SS和COD初期沖刷效應(yīng)。但是同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)因素，滲透鋪裝布設(shè)的最佳規(guī)模區(qū)間為11.73%～14.66%。

2.3 不同生物滯留池規(guī)模下的污染物MFF30分析

四種不同降雨強(qiáng)度下，在研究區(qū)域布設(shè)不同規(guī)模生物滯留池后，SS和COD初期沖刷質(zhì)量累積比例MFF30值見(jiàn)表5。

表5 不同規(guī)模生物滯留池下SS和COD的MFF30值

由表5可知，各重現(xiàn)期下，SS和COD的MFF30值隨著生物滯留池規(guī)模的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這表明污染物的初期沖刷效應(yīng)隨著生物滯留池規(guī)模的增大而減小。隨著規(guī)模增大，生物滯留池對(duì)于污染物的削減作用和徑流量的控制作用都有良好的效果，徑流的污染物濃度逐漸降低，初期沖刷效應(yīng)得到緩解。當(dāng)重現(xiàn)期為1 a時(shí)，13.35%的布設(shè)規(guī)?？梢酝瑫r(shí)避免SS和COD的初期沖刷效應(yīng)。當(dāng)重現(xiàn)期大于1 a時(shí)，當(dāng)布設(shè)比例達(dá)到10.68%，MFF30值均處于1～2之間，說(shuō)明發(fā)生弱沖刷效應(yīng)，這表明，生物滯留池的布設(shè)雖然無(wú)法完全避免，但可以減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)的發(fā)生。生物滯留池的最優(yōu)規(guī)模13.35%。

2.4 不同海綿措施規(guī)模優(yōu)化分析

當(dāng)重現(xiàn)期為1 a時(shí)，綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池同時(shí)避免SS和COD的初期沖刷效應(yīng)的最小設(shè)計(jì)規(guī)模為23.83%、29.34%、13.35%，生物滯留池同時(shí)避免SS和COD初期沖刷所需的設(shè)計(jì)比例為后兩者的56.02%和45.50%。重現(xiàn)期大于1 a時(shí)，以最大規(guī)模分別布設(shè)三種海綿措施時(shí)，仍均不能完全避免污染物的初期沖刷效應(yīng)，但是可以看到同等規(guī)模布設(shè)海綿措施時(shí)，布設(shè)生物滯留池時(shí)的SS和COD的MFF30值最低，因此，綜合各重現(xiàn)期，生物滯留池對(duì)于減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)效果最佳。

結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益后，綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池的最優(yōu)規(guī)模分別為9.53%～11.91%、11.73%～14.66%、13.35%，所對(duì)應(yīng)的 MFF30值分別處于 1.15～1.6、1.25～1.6、0.9～1.2 之間。因此，MFF30=1 并不是唯一判斷依據(jù)，對(duì)于不同的海綿措施，判斷的標(biāo)準(zhǔn)也不同，應(yīng)同時(shí)結(jié)合海綿措施規(guī)模增加與初期沖刷效應(yīng)減緩效果來(lái)設(shè)定。

3 結(jié)論

（1）本研究認(rèn)為盲目增大海綿措施規(guī)?？赡軐?duì)減緩雨水徑流沖刷效應(yīng)有負(fù)面影響。

（2）不同海綿措施避免初期沖刷效應(yīng)的最優(yōu)規(guī)模區(qū)間不同，綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池的最優(yōu)規(guī)模分別為9.53%～11.91%、11.73%～14.66%、13.35%。綜合三種海綿措施來(lái)說(shuō)，10%～14%是最優(yōu)選擇。且當(dāng)規(guī)模受限時(shí)，優(yōu)先推薦采用生物滯留池設(shè)施。

（3）MFF值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定要因地制宜，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，本研究中評(píng)價(jià)某種海綿措施最優(yōu)規(guī)模的MFF30值對(duì)應(yīng)在1.0～1.5之間。