周 昕,高玉琴,吳 迪

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

隨著城市化進(jìn)程的加快，極端暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇問(wèn)題不斷加劇，低影響開發(fā)(low impact development, LID)理念逐漸在現(xiàn)代城市建設(shè)中得以實(shí)踐[1-2]。LID提倡因地制宜，常采用綠色屋頂、植被淺溝、下凹綠地、滲渠、生物滯留等設(shè)施對(duì)雨水徑流進(jìn)行生態(tài)化、低能耗處理,盡可能模擬雨水自然循環(huán)過(guò)程，對(duì)改善城市的生態(tài)環(huán)境具有重要作用和意義。Pyke等[3]對(duì)波士頓南部某重建區(qū)域進(jìn)行了雨水模擬分析，指出LID設(shè)施能提高社區(qū)適應(yīng)降水變化的能力；Danfoura等[4]評(píng)估了舊金山市某滲渠設(shè)施的雨水徑流氧化還原狀況，結(jié)果表明滲渠設(shè)施可以有效降低地下水污染；Ercolani等[5]在城市流域尺度上分析了綠色屋頂對(duì)緩解城市化水文影響的作用，表明建造綠色屋頂是減少城市排水系統(tǒng)流量的有效方法；Matos等[6]研究了LID對(duì)UIAD校園的水文影響，結(jié)果表明LID設(shè)施可使峰值流量降低68%～95%；常曉棟等[7]以北京市清河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在各種重現(xiàn)期降水方案下對(duì)不同LID設(shè)施組合進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明LID組合措施對(duì)高頻暴雨的洪峰流量和徑流總量削減率可高達(dá)66.2%和49.4%；李靜思等[8]以西安市某轄區(qū)為例，模擬分析了不同降雨頻率下匯流單元協(xié)同改造的效果，結(jié)果表明匯流單元的協(xié)同改造可有效削減不同降雨頻率下的徑流洪峰，降低徑流總量，減小區(qū)域整體徑流系數(shù)?？梢?jiàn)LID設(shè)施對(duì)緩解城市內(nèi)澇、改善地下水水質(zhì)、削減城市雨水徑流量起到積極作用。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對(duì)不同重現(xiàn)期降雨下，不同LID設(shè)施組合對(duì)城市地表徑流、排水管網(wǎng)溢流及污染物排放情況的改善作用進(jìn)行模擬研究。

為了研究不同LID設(shè)施組合對(duì)區(qū)域雨洪調(diào)控效果的影響，以南京市雨花臺(tái)區(qū)一區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，建立暴雨徑流管理模型(storm water management model, SWMM)，模擬4種不同LID設(shè)施組合下研究區(qū)的地表徑流、排水管網(wǎng)溢流及污染物排放情況，以期為該區(qū)域的雨洪控制方案制定提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省南京市雨花臺(tái)區(qū)，總面積約9.94 hm2，如圖1所示。研究區(qū)內(nèi)整體地勢(shì)平坦，平均坡度2.69%，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量為1 090.4 mm，年內(nèi)降水分布不均，5—9月為汛期，其中6、7月梅雨季為全年降雨集中時(shí)期，易形成洪澇災(zāi)害。

圖1 研究區(qū)示意圖

研究區(qū)主要以住宅建筑群、小區(qū)道路、停車場(chǎng)等不透水硬質(zhì)下墊面為主，也包括綠地、裸露地面等軟質(zhì)透水地面，其中不透水地面面積占總面積的78.9%，無(wú)天然或人工水系發(fā)揮雨水調(diào)蓄作用，遭遇暴雨時(shí)仍采用快速排放模式，不能有效解決內(nèi)澇問(wèn)題。研究區(qū)內(nèi)部建設(shè)有比較完備的排水管網(wǎng)。

2 模型構(gòu)建與模擬方案設(shè)計(jì)

SWMM是美國(guó)環(huán)保局為解決城市排水問(wèn)題而推出的暴雨徑流管理模型，該模型可對(duì)單場(chǎng)暴雨產(chǎn)生的徑流進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，進(jìn)而解決城市排水系統(tǒng)存在的相關(guān)水量和水質(zhì)問(wèn)題。模型中的LID模塊可結(jié)合水文模塊和水質(zhì)模塊模擬LID設(shè)施對(duì)地表徑流、排水管網(wǎng)溢流及污染物排放情況的影響。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

研究區(qū)雨洪模型構(gòu)建所涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有：實(shí)測(cè)降雨資料及對(duì)應(yīng)降雨下研究區(qū)出口水量和水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)、排水系統(tǒng)布置圖、土地利用數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)(表1)，其中出口水質(zhì)數(shù)據(jù)主要為TSS、COD、TN和TP這4項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)。

表1 研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1研究區(qū)概化

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的綜合管網(wǎng)布置圖及實(shí)際檢測(cè)和勘察數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)域排水管網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)概化。借助ArcGIS軟件的空間分析及數(shù)據(jù)采集處理功能，結(jié)合研究區(qū)域DEM圖、土地利用圖和排水系統(tǒng)布置圖，利用泰森多邊形法和人工局部調(diào)整相結(jié)合的方法對(duì)匯水區(qū)進(jìn)行劃分。整個(gè)研究區(qū)共劃分為54個(gè)子匯水區(qū)，概化后的排水管道有78條，管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)78個(gè)，管網(wǎng)末端出水口1個(gè)，如圖2所示。

2.2.2設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/min；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min；A1、C、b、n為參數(shù)。研究區(qū)地處南京市，A1、C、b、n取值分別為64.172、0.837、32.9和1.011。采用芝加哥雨型法設(shè)計(jì)暴雨，降雨歷時(shí)2 h，降雨雨峰相對(duì)位置取0.4，由式(1)計(jì)算得到設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為2 a、3 a、5 a和10 a的2 h降雨強(qiáng)度過(guò)程線如圖3所示。

(a) 排水管網(wǎng)概化及子匯水區(qū)劃分

圖3 不同重現(xiàn)期暴雨的降雨強(qiáng)度過(guò)程線

2.3 模型參數(shù)

研究區(qū)的子匯水區(qū)面積大小、特征寬度、平均坡度、不透水面積比例、管徑大小、管長(zhǎng)、管道形狀、節(jié)點(diǎn)高程等可由下墊面信息和排水管網(wǎng)信息得到，本文主要通過(guò)GIS軟件和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取。

2.3.1水文模塊的參數(shù)設(shè)置

水文模塊主要模擬地表徑流的產(chǎn)流和匯流過(guò)程。參考SWMM用戶手冊(cè)[9]，地表產(chǎn)流采用Horton入滲模型來(lái)模擬研究區(qū)的產(chǎn)流入滲過(guò)程，研究區(qū)內(nèi)土壤屬壤土，最大下滲率為78 mm/h，最小下滲率為5.5 mm/h，衰減系數(shù)為3 h-1。管段進(jìn)出口及平均損失系數(shù)取0.012，由于研究區(qū)地表情況復(fù)雜，均勻性差，無(wú)洼不透水區(qū)面積占比取為25%。地表匯流需要率定的參數(shù)初值：不透水區(qū)洼蓄量 1.5 mm，透水區(qū)洼蓄量7.5 mm，不透水區(qū)曼寧系數(shù)0.015，透水區(qū)曼寧系數(shù)0.18，管段曼寧系數(shù)0.13。

2.3.2水質(zhì)模塊的參數(shù)設(shè)置

參考GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，選取TSS、TN、TP、COD共4種非點(diǎn)源污染物作為水質(zhì)模擬的主要污染物指標(biāo)，模擬其在研究區(qū)排水管網(wǎng)末端出水口處的排放狀況。根據(jù)研究區(qū)域特點(diǎn)，將下墊面分為屋面、道路、綠地3種土地利用類型，各子匯水區(qū)根據(jù)實(shí)際情況分別賦予3種下墊面相應(yīng)的面積比。不同下墊面均選取指數(shù)函數(shù)進(jìn)行污染物的累積與沖刷模擬，參考SWMM用戶手冊(cè)提供的參考值以及查閱相關(guān)的研究資料[11]，選取參數(shù)初值如表2所示。

表2 污染物累積與沖刷參數(shù)初值

2.4 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

分別采用2017年7月21日和8月24日兩場(chǎng)降雨研究區(qū)排水管網(wǎng)末端出水口的實(shí)測(cè)流量及各污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來(lái)率定和驗(yàn)證模型參數(shù)。這兩場(chǎng)降雨雨量適中，形成較大徑流，監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)用性良好。選取決定系數(shù)R2和Nash系數(shù)ENS[10-11]評(píng)價(jià)模型的模擬效果。

采用2017年7月21日降雨對(duì)模型進(jìn)行率定，模型參數(shù)率定結(jié)果見(jiàn)圖4，可以看出：研究區(qū)排水管網(wǎng)末端出水口流量和各污染物質(zhì)量濃度模擬值與實(shí)測(cè)值擬合程度較好，R2值與ENS值均高于0.81。

(a) 排水管網(wǎng)末端出水口流量

采用2017年8月24日降雨對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，模擬結(jié)果中的研究區(qū)排水管網(wǎng)末端出水口流量及各污染物質(zhì)量濃度與實(shí)測(cè)值的擬合程度及變化趨勢(shì)吻合良好，R2值與ENS值均高于0.84，表明模型對(duì)研究區(qū)的適用性好，滿足要求，因此模型參數(shù)的取值為上述水文、水質(zhì)模塊參數(shù)設(shè)置中的初值。

2.5 模擬方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)場(chǎng)地條件的實(shí)地勘察和分析，初步選取LID設(shè)施為：綠色屋頂、生物滯留設(shè)施、雨水花園、植草溝、滲渠、透水鋪裝和雨水桶。根據(jù)模型模擬得到研究區(qū)當(dāng)前的排水管網(wǎng)運(yùn)行情況，在溢流點(diǎn)所在區(qū)間加大LID設(shè)施面積的布置比例。參考相關(guān)研究成果及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)[12-19]，對(duì)7種LID設(shè)施進(jìn)行組合設(shè)定了4種方案。

a. 方案1。按照最基本的LID布置方式，布置最常見(jiàn)、建設(shè)簡(jiǎn)單、成本較低的植草溝、滲渠和雨水桶(收集利用雨水)。大體設(shè)計(jì)方案為：小區(qū)內(nèi)道路兩邊的雨水溝采用植草溝或滲渠來(lái)傳輸、調(diào)蓄雨水；適宜的建筑周邊使用雨水桶收集屋面雨水。共布置雨水桶196.5 m2、植草溝4 000 m2、滲渠2 000 m2。

b. 方案2。采用雨水桶、雨水花園、生物滯留設(shè)施、綠色屋頂、透水鋪裝這5種LID設(shè)施。布置方案如下：小區(qū)內(nèi)道路周邊綠地設(shè)置生物滯留設(shè)施；在景觀水體或其他水系以及地勢(shì)低洼處建設(shè)雨水花園或生物滯留設(shè)施；在未設(shè)置雨水桶的住宅建筑屋面建造綠色屋頂；在停車場(chǎng)、人行道等載重負(fù)荷較小的小區(qū)道路布設(shè)透水鋪裝。共布置雨水桶78.6 m2、生物滯留設(shè)施1 120 m2、雨水花園1 040 m2、綠色屋頂 6 750 m2、透水鋪裝9 020 m2。

c. 方案3。選用全部7種LID設(shè)施，布置方案如下：小區(qū)內(nèi)道路兩邊的雨水溝采用植草溝來(lái)轉(zhuǎn)輸、調(diào)蓄雨水，并搭配滲渠共同發(fā)揮作用；其他幾類LID設(shè)施的布置形式與方案2大致相同。共布置雨水桶39.3 m2、植草溝2 600 m2、滲渠1 300 m2、生物滯留設(shè)施960 m2、雨水花園800 m2、綠色屋頂5 750 m2、透水鋪裝8 000 m2。

d. 方案4。考慮到透水鋪裝建造時(shí)需要破壞原有道路，選用除透水鋪裝外的6種LID設(shè)施。方案布置大致參照方案3，共布置雨水桶170.3 m2、植草溝6 000 m2、滲渠2 000 m2、生物滯留設(shè)施800 m2、雨水花園720 m2、綠色屋頂4 000 m2。

在SWMM的LID模塊中分別按照上述方案添加不同LID設(shè)施組合，結(jié)合水文、水質(zhì)模塊模擬不同重現(xiàn)期降雨條件下研究區(qū)4種LID方案的地表徑流、排水管網(wǎng)溢流以及污染物排放情況，以此分析各方案的雨洪控制效果。

表3 雨水入滲量及地表徑流量模擬結(jié)果

表4 節(jié)點(diǎn)溢流情況模擬結(jié)果

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 地表徑流

在不同重現(xiàn)期的降雨條件(P=2 a、3 a、5 a、10 a時(shí)研究區(qū)2 h降水量分別為59.2 mm、66.2 mm、75.0 mm 和86.9 mm)下，4種LID方案下研究區(qū)雨水入滲量及地表徑流量模擬結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，相同重現(xiàn)期降雨條件下，不同LID方案均對(duì)雨水起到一定的滯蓄作用。方案2的雨水入滲量最大，徑流量最小，對(duì)雨水的滯蓄效果最好。當(dāng)P=5 a時(shí)，方案2較現(xiàn)狀情況可使研究區(qū)降雨入滲量增大10.594 mm，徑流量減小22.978 mm，削減率達(dá)38.4%；徑流系數(shù)減小0.306。當(dāng)P=10 a時(shí)，方案2較現(xiàn)狀情況可使研究區(qū)降雨入滲量增大12.453 mm，徑流量減小25.274 mm，削減率達(dá)35.8%；徑流系數(shù)減小0.291。

3.2 排水管網(wǎng)溢流

由表4可知，對(duì)于P=2 a、3 a的降雨，研究區(qū)內(nèi)相應(yīng)的檢查井節(jié)點(diǎn)均沒(méi)有溢流情況出現(xiàn)，管道也無(wú)超載情況，說(shuō)明4種設(shè)計(jì)方案均可使排水系統(tǒng)重現(xiàn)期提升至3 a。對(duì)于P=5 a的降雨，4種LID方案均無(wú)節(jié)點(diǎn)溢流，方案1內(nèi)有3條管道出現(xiàn)超載，超載狀態(tài)持續(xù)時(shí)間均在5 min以內(nèi)，其他方案無(wú)管道超載。當(dāng)P=10 a時(shí)，4種LID方案均有節(jié)點(diǎn)溢流情況發(fā)生，溢流情況相比現(xiàn)狀明顯改善，溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)減少，最大溢流時(shí)間縮短，可緩解當(dāng)前研究區(qū)的排水壓力。其中方案2中溢流點(diǎn)為3個(gè)，減少75%；溢流時(shí)間為9.0 min，縮短75.8%；對(duì)節(jié)點(diǎn)溢流情況改善效果最好。

3.3 污染物排放

4種LID方案下各污染物排放量削減率見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，4種LID方案對(duì)研究區(qū)排水管網(wǎng)末端出水口處4種污染物的排放量有明顯削減作用，該作用總體上隨重現(xiàn)期的增大而減小，衰減幅度較小。方案2削減效果最佳，削減率在60%左右。

4 結(jié) 論

a. 建立了以南京市雨花臺(tái)區(qū)一區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)的暴雨徑流管理模型，對(duì)研究區(qū)排水管網(wǎng)末端出水口流量及各污染物質(zhì)量濃度進(jìn)行模擬，驗(yàn)證結(jié)果表明模型適用性好，滿足要求。

表5 污染物排放量削減率

b. 在不同重現(xiàn)期降雨條件下，4種LID方案對(duì)研究區(qū)均有減小徑流量、緩解節(jié)點(diǎn)溢流和削減污染物排放量的作用。但LID設(shè)施也具有一定的局限性，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，對(duì)研究區(qū)的雨洪控制效果降低。

c. 以綠色屋頂和透水鋪裝為主，并布置了適當(dāng)比例的生物滯留設(shè)施與雨水花園的方案2對(duì)研究區(qū)的雨洪控制效果較好。