基于SWMM的LID組合措施水文水質(zhì)模擬效果研究

孫志康，李翠梅，程 桂，朱君妍，金美華

(1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.安慶城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，安徽 安慶 246003 )

水是人類社會(huì)發(fā)展和維系的最重要的資源之一，而水循環(huán)是維持水可持續(xù)發(fā)展的基本條件。但是隨著城市化步伐的不斷加快，水體自然循環(huán)的各種功能逐漸衰弱。研究表明:現(xiàn)階段自然生態(tài)系統(tǒng)中80% 的雨水滲透到地下，20% 產(chǎn)生徑流流走[1]。當(dāng)今主要通過單一目標(biāo)的工程措施，構(gòu)建“灰色”的基礎(chǔ)設(shè)施來解決復(fù)雜、系統(tǒng)的水循環(huán)問題，結(jié)果卻使問題日益嚴(yán)重，進(jìn)入一個(gè)惡性循環(huán)。而以“海綿體”為主體的雨洪控制利用模式可以很好地解決這類問題，如雨水花園、生態(tài)滯留池、透水鋪裝等雨洪控制措施。因此，為了盡可能準(zhǔn)確地模擬城市雨水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，減少城市內(nèi)澇災(zāi)害，降低經(jīng)濟(jì)損失，及時(shí)發(fā)布精確預(yù)警，針對(duì)控制效果較好的海綿體措施，本文使用SWMM模型對(duì)研究區(qū)域由于降水事件或者連續(xù)降雨導(dǎo)致的地表徑流進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析LID組合措施對(duì)平均徑流量、入滲量等影響因素的控制作用。國(guó)內(nèi)外對(duì)該功能進(jìn)行了充分的運(yùn)用，如：Daeryong Park，Sukhwan Jang，Larry A Roesner等人以南韓蔚山某區(qū)域建立了SWMM模型，探討了各種重現(xiàn)期下調(diào)蓄池所需的規(guī)模、建筑費(fèi)用和帶來的利益[2]，徐宗學(xué)等人利用SWMM模型對(duì)北京市清河的LID效果進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)[3]。本模擬充分利用各種海綿體來加強(qiáng)水體的自然功能，在減緩城市內(nèi)澇災(zāi)害的同時(shí)降低防洪排澇基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投資，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益，并對(duì)雨水相關(guān)工程措施的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工管理具有指導(dǎo)參考價(jià)值。

1 內(nèi)容與方法

1.1 研究區(qū)域排水概況

選取宜興中心城區(qū)某區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，地處江蘇南部太湖西岸，受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，雨量充沛，氣候溫和，多年平均降雨量為1 000～1 500 mm。該研究區(qū)域上游接受大量客水，下游受太湖水位頂托，河網(wǎng)水位較高，內(nèi)澇頻繁發(fā)生，總面積為0.046 8 km2，其區(qū)域不透水系數(shù)為66.7%。其中不透水面積由屋面、道路和停車場(chǎng)構(gòu)成；透水面積主要為綠化用地，如圖1所示。

圖1 區(qū)域土地類型分布圖Fig.1 Land type distribution of the study area

1.2 子流域排水概化

結(jié)合該區(qū)域雨水管網(wǎng)平面圖及現(xiàn)狀勘查資料，將該區(qū)域排水系統(tǒng)概化為25條雨水管渠，25個(gè)節(jié)點(diǎn)及1個(gè)雨水排放口；再根據(jù)排水系統(tǒng)匯水分區(qū)圖，將研究區(qū)域劃分為32個(gè)形狀面積不相同的子匯水區(qū)域，地表徑流的產(chǎn)流模型主要分為：①透水地表；②洼地蓄水的不透水地表；③無滯留的不透水地表。在該區(qū)域內(nèi)，使用SWMM模型模擬布設(shè)滲透性鋪裝、生物滯留池、雨水花園的LID組合措施，將周圍子匯水區(qū)的匯水匯流至P1出水口，其概化結(jié)果見圖2。

1.3 模型參數(shù)率定

結(jié)合現(xiàn)有的資料條件和模型原理，通過SWMM自動(dòng)識(shí)別出子匯水面積，并通過謝瑩瑩在模擬城市排水管網(wǎng)模擬應(yīng)用中的四種計(jì)算方法[4]，選擇Width=Area/Flow Longth計(jì)算出特征寬度。本文地表徑流入滲過程在SWMM中利用Horton入滲模型[5]進(jìn)行模擬及計(jì)算，其參數(shù)設(shè)置如下所示：MaxRate為76 mm/h，Minrate為3.5 mm/h，Decay Constant為4 h-1；地表匯流的水力計(jì)算采用非線性水庫(kù)模型，其不透水洼蓄取1.5 mm、透水區(qū)洼蓄量取6 mm。地表坡度取3‰，管道曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)、透水區(qū)曼寧系數(shù)分別取0.014、0.013、0.15。

圖2 區(qū)域排水系統(tǒng)概化圖Fig.2 Generalized chart of regional drainage network

本文研究區(qū)域下墊面包括屋面、道路和停車場(chǎng)及綠化用地。根據(jù)研究區(qū)域水體較為關(guān)注的水質(zhì)指標(biāo)，以地表徑流主要污染因子SS、COD、TN、TP作為研究對(duì)象。天然雨水中的污染物取值如下：SS為10 mg/L、COD為20 mg/L、TN為 1.0 mg/L、TP為0.02 mg/L[6]。以此濃度值為SWMM模型中的水質(zhì)起始參數(shù)，再根據(jù)模型驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行率定。

根據(jù)該研究區(qū)域的土地類型、降雨強(qiáng)度等直接影響因子，結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)狀，地表污染物的累計(jì)過程采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。該函數(shù)可以較好的反應(yīng)污染物的累積過程情況以及最大累積量，適合模擬城市群地區(qū)的地表污染物累計(jì)，其主要設(shè)置參數(shù)如表1所示；與馬箐，沙曉軍，徐向陽(yáng)，劉俊研究不同的是[7]，本污染物沖刷過程模擬既考慮地表徑流量與匯水區(qū)域污染物累積量對(duì)沖刷的效果，同時(shí)也考慮到道路廣場(chǎng)下墊面的清掃程度對(duì)地表徑流污染物沖刷的影響，其主要設(shè)置參數(shù)如表2所示。

表1 不同污染物累積模擬參數(shù)[8-10]Tab.1 Parameter ofthe different pollutant accumulation simulation[8-10]

表2 不同污染物沖刷模擬參數(shù)Tab.2 Scour parameter of the different pollutant

1.4 模型驗(yàn)證

以2016年7月13號(hào)實(shí)際降雨數(shù)據(jù)為模型實(shí)例驗(yàn)證依據(jù)(如圖3所示)。其某一時(shí)間段降雨強(qiáng)度峰值達(dá)到193.2 mm/h，超出研究區(qū)域內(nèi)排水管網(wǎng)的輸水能力，發(fā)生內(nèi)澇，其降雨量與重現(xiàn)期為50年一遇的大暴雨相合，因此對(duì)重現(xiàn)期為50年的城市化后模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。

驗(yàn)證表明：該研究區(qū)域7月13號(hào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)曲線擬合較好，其真實(shí)度分別為88.89%、94.56%、96.24%、86.74%、80%，說明模型率定滿足精度要求，可用于雨水系統(tǒng)的優(yōu)化模擬。

1.5 暴雨強(qiáng)度及重現(xiàn)期的確定

為了得到研究區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間點(diǎn)變化的水文、水質(zhì)情況，本文在宜興市已有的暴雨強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)上，采用芝加哥雨型進(jìn)行雨量時(shí)程分配，芝加哥雨型強(qiáng)度公式如(1)所示：

(1)

式中：i為暴雨強(qiáng)度，mm/min；p為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

為了模擬不同重現(xiàn)期下研究區(qū)域內(nèi)雨水排放口的污染物負(fù)荷及LID組合措施對(duì)非點(diǎn)源污染物的控制效果，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期分別取3、5、10、15、50、100 a，降雨歷時(shí)設(shè)置為120 min，r=0.4，降雨時(shí)間間隔為10 min，代入式(1)得到各重現(xiàn)期下降雨2 h的出水口流量曲線，其各重現(xiàn)期下的降雨強(qiáng)度分布圖如圖4所示。

2 結(jié)果及討論

2.1 LID組合措施下模擬的水文效應(yīng)

本文將3種LID措施(滲透性鋪裝、生物滯留池、雨水花園)同時(shí)布設(shè)到研究區(qū)域內(nèi)，研究區(qū)域總布設(shè)LID組合措施面積為9 390 m2，占總面積的20.05%，如表3所示。

GAMBI G，MAGLIONICO M，TONDELLI S等人認(rèn)為L(zhǎng)ID措施適用于雨量較小的情況，對(duì)于雨量較大的情況，效果不佳[11]。因此本文重現(xiàn)期分別為3、5、10、15、50、100 a，利用SWMM模型對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行水文控制效果模擬，研究LID組合措施在雨量較大時(shí)對(duì)水文水質(zhì)的控制效果。其模擬結(jié)果如表4所示，圖5～8分別為對(duì)應(yīng)的地表徑流與入滲趨勢(shì)圖。

圖3 模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Model validation results

圖4 宜興市2 h不同重現(xiàn)期下的降雨強(qiáng)度分布圖Fig.4 Distribution of rainfall intensity about Yixing under different recurrence periods

表3 研究區(qū)域內(nèi)LID組合措施布設(shè)情況Tab.3 Layout of the LID combinationmeasures at the study area

表4 LID組合措施的水文模擬結(jié)果Tab.4 Hydrology simulationresultsof LIDcombinations

注：表中1為城市化后模擬結(jié)果，2為L(zhǎng)ID組合措施模擬結(jié)果。

圖5 城市化后徑流曲線圖Fig.5 Runoff curveafter urbanization

圖6 LID組合措施的徑流曲線Fig.6 Runoff curve of LID combinations

圖7 城市化后的入滲趨勢(shì)圖Fig.7 Infiltration trends after urbanization

圖8 LID組合措施的入滲趨勢(shì)圖Fig.8 Infiltration trend of LID combinations

由表4可知，城市化后，隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的加大，與城市化后相比在相同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下3種海綿體組合措施下平均入滲量分別增加了32.18%、31.86%、31.56%、31.55%、31.55%、31.56%；平均徑流量分別降低了20.33%、20.60%、20.88%、21.01%、21.29%、21.40%，峰值流量分別降低了16.33%、16.38%、16.31%、17.20%、17.33%、17.54%；平均徑流系數(shù)分別降低了20.25%、20.57%、20.89%、20.99%、21.24%、21.44%。其中，LID組合措施對(duì)平均入滲量的提升效果最為明顯，且在低重現(xiàn)期，雨量大的情況下，對(duì)平均入滲量的增加效果依舊明顯，減緩了管道的壓力，在一定程度上推遲了峰現(xiàn)時(shí)刻。與李家科，李亞，沈冰[12]等人研究的雨水花園海綿體措施相比，LID組合措施在重現(xiàn)期大，降雨強(qiáng)度高的條件下，其對(duì)徑流量的控制效果優(yōu)于單一海綿體-雨水花園。

根據(jù)LID組合措施下的排水管網(wǎng)模擬結(jié)果(圖9)，可知在重現(xiàn)期為3、5、10、15、50、100 a時(shí)所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)總溢流量及溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為5 m3(6個(gè))、146 m3(8個(gè))、256 m3(8個(gè))、436 m3(11個(gè))、556 m3(12個(gè))、958 m3(12個(gè))、1 213 m3(12個(gè))；城市化后的管道水量模擬在重現(xiàn)期為1、3、5、10、15、50、100 a時(shí)所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)總溢流量及溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為22 m3(6個(gè))、255 m3(9個(gè))、418 m3(9個(gè))、669 m3(12個(gè))、834 m3(12個(gè))、1 372 m3(14個(gè))、1 715 m3(14個(gè))。

圖9 溢流量與溢流節(jié)點(diǎn)圖Fig.9 Overflow and overflow node

其模擬結(jié)果與城市化后模擬結(jié)果相比可知，總溢流量與溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)在重現(xiàn)期為3、5、10、15、50、100 a時(shí)分別減少了42.75%(1個(gè))、38.76%(1個(gè))、34.83%(1個(gè))、33.33%(0個(gè))、30.17%(2個(gè))、29.27%(2個(gè))。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，LID組合措施對(duì)總溢流量及溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)有很好的控制效果，且隨著降雨強(qiáng)度的增強(qiáng)，LID組合措施對(duì)總溢流量的控制效果有略微降低，但是在降雨重現(xiàn)期為100a，降雨量很大時(shí)，LID組合措施對(duì)總溢流量的削減率可達(dá)29.27%；同時(shí)對(duì)溢流節(jié)點(diǎn)數(shù)有一定的減少，總減少量為7個(gè)，仍然能保持控制效果。

2.2 LID組合措施下模擬的水質(zhì)效應(yīng)

利用SWMM模型在研究區(qū)域添加LID組合措施來分別模擬3、5、10、15、50、100 a下的污染物累計(jì)和沖刷過程，并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)性分析，模擬結(jié)果如表5、表6所示。

表5 研究區(qū)域內(nèi)各污染因子累計(jì)量 kgTab.5 Cumulative amount of different pollution factors in the study area

表6 城市化后P1處污染物濃度 kgTab.6 Pollutant concentration at P1after urbanization

由表5可知，排放口P1的SS、COD、TN、TP累積排放量隨著降雨強(qiáng)度的增大呈正相關(guān)性變化。當(dāng)重現(xiàn)期從3 a變化到100 a時(shí)，SS、COD、TN、TP累積排放量分別增大了SS(36.52%↑)、COD(37.35%↑)、TN(43.20%↑)、TP(62.32%↑)。數(shù)據(jù)表明：降雨強(qiáng)度對(duì)LID組合措施下的TP影響程度遠(yuǎn)大于SS、COD、TN。與城市化后污染因子模擬結(jié)果相比可知：在重現(xiàn)期為3、5、10、15、50、100 a的條件下，污染物SS的累積排放量分別降低了16.07%、16.29%、16.63%、16.73%、16.90%、16.95%；COD的累積排放量分別降低了15.75%、15.92%、16.27%、16.38%、16.59%、16.66%；TN的累積排放量分別降低了14.78%、14.71%、14.99%、15.08%、15.38%、15.51%；TP的累積排放量分別降低了15.09%、14.41%、13.79%、13.56%、14.29%、13.85%，可知與城市化后相比，LID組合措施對(duì)污染因子SS、COD、TN、TP的控制效果隨重現(xiàn)期的增大，其衰減速率波動(dòng)范圍較小，說明LID組合措施對(duì)污染物的累積排放量具有穩(wěn)定的削減作用，對(duì)水質(zhì)有很好的控制效果。

該研究區(qū)域在3、5、10、15、50、100 a重現(xiàn)期下，排水口P1的污染因子濃度變化如圖10所示，可知在不同降雨重現(xiàn)期下，各污染物濃度短時(shí)間內(nèi)快速出現(xiàn)峰值又極速下降且隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增大，污染因子峰值時(shí)刻逐漸提前。

圖10 LID組合措施污染因子在排放口P1的濃度變化Fig.10 Thevariationofpollutantconcentration on LID combination measures atthedischargeportP1

3 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用SWMM軟件模擬了城市化后不同重現(xiàn)期的降雨情況，對(duì)比加入LID組合措施前后的水文，水質(zhì)效應(yīng)。結(jié)果表明，LID組合措施的水文效應(yīng)主要有：提高平均入滲量，降低平均徑流量、峰值流量和總溢流量，在重現(xiàn)期大于15 a時(shí)，其減少總溢流節(jié)點(diǎn)的效果愈加明顯，其中對(duì)入滲量的削弱效果最好，對(duì)城市內(nèi)澇有一定的緩解作用；其水質(zhì)效應(yīng)主要有：降低研究區(qū)域各污染物負(fù)荷總量(SS、COD、TN、TP)，且在高重現(xiàn)期、高降雨強(qiáng)度下，對(duì)污染物的削減效果依舊顯著，但是本文未涉及相同鋪設(shè)面積的不同海綿體之間的影響排序，在討論對(duì)徑流雨水水質(zhì)影響因素時(shí)進(jìn)行各個(gè)影響因素之間的相關(guān)性比較，可以在以后的研究中進(jìn)行，從而對(duì)雨水系統(tǒng)的優(yōu)化提供更優(yōu)的方案。

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