王 雷 張 杰 王小龍

(1.河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001；2.河北省巖土工程安全與變形控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 滄州 061001；3.河北省高校水利自動(dòng)化與信息化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 滄州 061001)

我國(guó)現(xiàn)處于城鎮(zhèn)化高速發(fā)展時(shí)期，不滲透下墊面增加，異常天氣頻發(fā)，降水量明顯增多，城市內(nèi)澇問(wèn)題嚴(yán)重，傳統(tǒng)的“快排式”防洪排澇方法已無(wú)法解決日益突出的內(nèi)澇問(wèn)題。海綿城市基于低影響開(kāi)發(fā)理論，能夠使雨水得到吸納、蓄滲和緩釋?zhuān)苡行Ь徑獬鞘袃?nèi)澇，降低非點(diǎn)源污染，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

雨水計(jì)算模型是研究雨水管理以及低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)的一項(xiàng)重要方法。20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始利用計(jì)算模型從事雨水管理研究[3]，1993年岑國(guó)平等[4]開(kāi)發(fā)了我國(guó)第一個(gè)完整的城市雨水管道計(jì)算模型，它兼顧了雨水管道的設(shè)計(jì)、城市雨洪的控制、污染物的防治等功能。隨后，國(guó)內(nèi)其他學(xué)者也進(jìn)行了類(lèi)似研究，宋耘等[5]通過(guò)構(gòu)建SWMM模型，利用快速推算最大積水深度法很好地模擬了南京“7·18”暴雨積水過(guò)程；高曼等[6]采用邊際效益法和成本效益法，研究了山地小區(qū)LID 設(shè)施的組合比例規(guī)律；向代鋒等[7]采用修正的Morris篩選法和互信息法，分析了不同重現(xiàn)期洪峰流量、徑流系數(shù)對(duì)SWMM參數(shù)的敏感性；周冠南等[8]建立SWMM模型研究了萍鄉(xiāng)市西南片區(qū)的水文響應(yīng)和成本效益問(wèn)題，對(duì)海綿城市的建設(shè)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。然而，國(guó)內(nèi)專(zhuān)門(mén)研究透水路面調(diào)控雨水水量與水質(zhì)問(wèn)題的成果并不多，更鮮有研究透水路面投入使用后的阻塞問(wèn)題。因此，本文以滄州中歐綠色產(chǎn)業(yè)園為例，構(gòu)建了SWMM模型，模擬計(jì)算透水路面對(duì)徑流總量和兩種常見(jiàn)污染物TP、TN的削減效果，探究了透水路面受設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期和路面阻塞因子影響的變化規(guī)律，可為透水路面的設(shè)計(jì)、建設(shè)與管理提供一定理論支撐和技術(shù)參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)闇嬷葜袣W綠色產(chǎn)業(yè)園，地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°27′4″～117°27′20″，北緯38°24′11″～38°24′29″，該地區(qū)屬暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，年平均氣溫為12.5℃，年平均降水量581mm，夏季受太平洋副熱帶高壓影響，極易形成強(qiáng)降雨。研究區(qū)域建設(shè)總面積約11hm2，硬化程度較高，其中屋頂面積達(dá)到55.3%，道路和綠地面積占比分別為22.5%和22.2%。

2 SWMM模型構(gòu)建

借助研究區(qū)域平面布置圖，依據(jù)園區(qū)建筑、道路、場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)及雨水管線分布情況，按照就近排放原則，將研究區(qū)域劃分為55個(gè)子匯水區(qū)、106個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)排放口。模擬過(guò)程中設(shè)置為封閉邊界，四周沒(méi)有入流，排放口邊界條件設(shè)置為自由出流，初始地表無(wú)積水。子匯水區(qū)布設(shè)情況見(jiàn)圖1。

圖1 子匯水區(qū)布設(shè)情況

2.1 參數(shù)輸入與率定

本區(qū)域在構(gòu)建模型時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料、工作手冊(cè)確定面積、特征寬度等參數(shù)，下滲速率、曼寧系數(shù)等不確定性參數(shù)需通過(guò)率定確定。因該科技園區(qū)剛建立，尚無(wú)實(shí)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)常采用劉興坡等[9-10]提出的徑流系數(shù)法經(jīng)多次調(diào)整迭代校準(zhǔn)模型參數(shù)。本研究區(qū)域不透水面積比例為77.8%，屬于城鎮(zhèn)建筑密集居住區(qū)，綜合徑流系數(shù)為0.6～0.8，見(jiàn)表1。迭代調(diào)整后，重現(xiàn)期為1年時(shí)的計(jì)算徑流系數(shù)為0.713，在 0.6～0.8之間，滿足要求。

表1 綜合徑流系數(shù)[11]

為了驗(yàn)證模型在常見(jiàn)重現(xiàn)期下的穩(wěn)定性，繼續(xù)選取重現(xiàn)期為2年和3年進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)重現(xiàn)期為2年時(shí)，徑流系數(shù)為0.771；當(dāng)重現(xiàn)期為3年時(shí)，徑流系數(shù)為0.796，說(shuō)明本研究采用的參數(shù)具有較高的穩(wěn)定性。研究區(qū)域模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)域模型參數(shù)

透水路面設(shè)置為半透水路面，路面參數(shù)取值見(jiàn)表3[12]。

表3 透水路面設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 暴雨強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)相關(guān)水文氣象資料，滄州市暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中:q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·m2);t為降雨歷時(shí)，min;P為重現(xiàn)期,年。

經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[13]，了解到所在地區(qū)降雨峰值較為靠前，確定峰值比例r為0.4，降雨歷時(shí)為120min，重現(xiàn)期選用1年、2年和3年，降雨量分別為45.95mm、59.47mm和67.62mm，利用芝加哥雨型建立研究區(qū)域降雨過(guò)程曲線,見(jiàn)圖2。

圖2 1年、2年、3年重現(xiàn)期降雨過(guò)程曲線

3 分析研究

3.1 透水路面對(duì)徑流的影響

節(jié)點(diǎn)和積水點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表4，由表4可知，透水路面改造前，1年重現(xiàn)期時(shí)無(wú)積水節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明研究區(qū)域基本滿足1年重現(xiàn)期設(shè)計(jì)要求；當(dāng)重現(xiàn)期為2年時(shí)，有20個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生積水，積水量為21.0萬(wàn)m3；重現(xiàn)期達(dá)到3年時(shí)，積水節(jié)點(diǎn)最多，達(dá)到23個(gè)，積水量達(dá)到45.5萬(wàn)m3，說(shuō)明該區(qū)域應(yīng)對(duì)極端降雨能力不足，容易出現(xiàn)區(qū)域內(nèi)澇。設(shè)計(jì)透水路面后，2年重現(xiàn)期情況下未出現(xiàn)積水情況，當(dāng)重現(xiàn)期為3年時(shí)，有2個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)積水，積水量為0.3萬(wàn)m3，說(shuō)明設(shè)置透水路面使內(nèi)澇情況得到明顯緩解，能夠提高區(qū)域防洪能力，但是隨著重現(xiàn)期增加，透水路面的削減效果有所減弱，這是因?yàn)殡S著雨量的增大，透水路面蓄水層達(dá)到飽和狀態(tài)，降雨量大于蓄水層外排量，地表開(kāi)始產(chǎn)生大量徑流。

表4 節(jié)點(diǎn)和積水點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

在不同重現(xiàn)期條件下，研究區(qū)域排放口的徑流隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖3，由圖3可知，1年重現(xiàn)期時(shí)，徑流總量削減39.37%，峰值削減33.78%，峰現(xiàn)時(shí)間延緩1min；2年重現(xiàn)期時(shí)，徑流總量削減38.18%，峰值削減31.61%，峰現(xiàn)時(shí)間延緩3min；3年重現(xiàn)期時(shí)，徑流總量削減37.69%，峰值削減24.27%,峰現(xiàn)時(shí)間延緩5min，說(shuō)明透水路面在削減徑流總量、峰值流量方面具有很好的效果，延緩峰現(xiàn)時(shí)間方面表現(xiàn)一般。同時(shí)，隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增大，控制效果逐漸降低。

圖3 不同重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度及徑流時(shí)間過(guò)程曲線

透水路面改造前后徑流控制情況見(jiàn)表5，由表5可以看出，透水路面改造后，研究區(qū)域的總體下滲量增加1倍，且徑流量削減約40%；加LID措施后，徑流系數(shù)均控制在0.5以下。

表5 透水路面改造前后徑流控制情況

3.2 污染物TP、TN濃度的影響分析

本文選取雨前的干旱時(shí)間為5天，天然雨水中TN濃度取值為1.00mg/L,TP濃度取值為0.02mg/L[14]，不同土地利用類(lèi)型的積累及沖刷參數(shù)見(jiàn)表6[15-16]。

表6 地表物累計(jì)及沖刷參數(shù)

1年、2年、3年重現(xiàn)期兩種污染物濃度變化情況見(jiàn)圖4～圖6，由圖4～圖6可知，在1年、2年和3年重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨條件下，透水路面改造前，TP濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻分別為降雨后54min、降雨后55min、降雨后55min；設(shè)置透水路面后，TP濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻分別為降雨后56min、降雨后57min、降雨后57min，污染物TP濃度峰值削減率分別為25.00%、19.23%、14.98%。透水路面改造前，TN濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻分別為降雨后55min、降雨后51min、降雨后53min；設(shè)置透水路面后，TN濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻分別為降雨后57min、降雨后53min、降雨后55min，污染物TN濃度峰值削減率分別為11.66%、6.48%、3.39%。由此可見(jiàn)，透水路面對(duì)于TP、TN兩種污染物濃度峰現(xiàn)時(shí)間的影響均不敏感，對(duì)削減濃度峰值有較大貢獻(xiàn)，對(duì)TP的濃度峰值削減率最大達(dá)到25.00%，TN最大達(dá)到11.66%，但隨著重現(xiàn)期的增大，濃度峰值削減率有較大程度的降低。

圖4 1年重現(xiàn)期兩種污染物濃度變化

圖5 2年重現(xiàn)期兩種污染物濃度變化

圖6 3年重現(xiàn)期兩種污染物濃度變化

透水路面對(duì)污染物TP、TN的影響見(jiàn)表7，由表7可知，設(shè)置透水路面后，在1年重現(xiàn)期下，排放口中污染物TP總量削減率達(dá)到50.72%，污染物TN總量削減率達(dá)到41.60%。透水路面對(duì)于兩種污染物總量的削減率要優(yōu)于峰值削減率。

表7 透水路面對(duì)污染物TP、TN的影響

3.3 路面阻塞對(duì)徑流的影響分析

透水路面投入使用后，路面孔隙會(huì)被塵土顆粒、垃圾等物質(zhì)阻塞，隨著物質(zhì)的積累，透水路面的滲水能力會(huì)逐漸降低。本文設(shè)置阻塞因子為200%[17]，模擬透水路面嚴(yán)重阻塞后對(duì)研究區(qū)域徑流量和污染物濃度的影響規(guī)律，見(jiàn)表8。

由表8可以看出，在設(shè)置透水路面條件下，在重現(xiàn)期1～30年時(shí)，路面阻塞對(duì)徑流系數(shù)沒(méi)有影響，但對(duì)大重現(xiàn)期(50年)降雨的徑流控制效果影響明顯，徑流系數(shù)增加1.1%，這是由于路面滲透速率降低，雨水的下滲減少，路面出現(xiàn)積水。重現(xiàn)期為1年時(shí)，路面阻塞對(duì)TP、TN的削減率沒(méi)有影響；重現(xiàn)期10年以后，由于阻塞的影響，TP、TN的削減率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。為避免以上現(xiàn)象，應(yīng)定期對(duì)路面進(jìn)行清掃維護(hù)，保持路面滲水能力，減少地表徑流。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文構(gòu)建了滄州中歐綠色產(chǎn)業(yè)園區(qū)地表徑流和非點(diǎn)源污染模型，評(píng)估了該研究區(qū)域防洪能力，即僅滿足1年重現(xiàn)期設(shè)計(jì)，在極端降雨時(shí)易出現(xiàn)區(qū)域內(nèi)澇。進(jìn)行透水路面改造后，透水路面在削減徑流總量、峰值流量方面具有很好的效果，最大削減率分別達(dá)到39.37%和33.78%。但是，透水路面延緩峰現(xiàn)時(shí)間能力欠佳，隨著降雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期增大，徑流削減效果均有所減弱。在處理非點(diǎn)源污染方面，透水路面對(duì)于TP、TN兩種污染物濃度峰現(xiàn)時(shí)間的影響均不敏感，對(duì)削減濃度峰值、總量有較大貢獻(xiàn)，TP峰值削減率和總量削減率分別達(dá)到25.00%和50.72%，TN達(dá)到11.66%和41.60%，隨著重現(xiàn)期的增大，濃度洪峰削減率、總量削減率有較大幅度下降。同時(shí)，路面阻塞對(duì)透水路面發(fā)揮滲透能力有較大影響。因此，由于透水路面在延緩峰現(xiàn)時(shí)間方面效果較差，在進(jìn)行海綿化改造時(shí)，透水路面應(yīng)配合其他LID設(shè)施使用，且應(yīng)定期清洗和維護(hù)。研究成果可為海綿科技園區(qū)的推廣以及透水路面的設(shè)計(jì)運(yùn)維提供一定理論支持。