滲透鋪裝對降雨徑流水文水質(zhì)調(diào)控效果分析

崇佳文　徐樂中　李翠梅

摘要：以宜興市海綿城市示范區(qū)域為研究對象，通過SWMM軟件對研究區(qū)域概化、建模，根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型真實度進行驗證。模擬了重現(xiàn)期分別為3 a、5 a、10 a、15 a、50 a、100 a暴雨強度下滲透鋪裝對降雨地表徑流產(chǎn)生的水文、水質(zhì)效果，并分析滲透鋪裝對城市雨水系統(tǒng)生態(tài)性的影響。結(jié)果表明：采用滲透鋪裝對降雨徑流量的削減可達1974%，徑流系數(shù)平均降低2193%，徑流削減作用總體隨降雨強度增大而增大，但增幅較小，調(diào)控效果較為顯著且穩(wěn)定。對常規(guī)污染物負荷（SS、COD、TN、TP）可分別減少2412%、2379%、2281%、2190%，削減作用明顯，且對徑流量及負荷濃度峰現(xiàn)時間產(chǎn)生一定遲滯效果。研究對滲透鋪裝的效果進行科學評價，可對工程設(shè)計提供一定參考意見。

關(guān)鍵詞：滲透性鋪裝；SWMM模型；水文；水質(zhì)；實例驗證

中圖分類號：TU992，S152文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02011507

Abstract：

Taking the sponge city demonstration project in Yixing city as the research object，we used SWMM software to generalize and model the study area and validated the fidelities of the model with actual monitoring data.The model was used to simulate the hydrology and water quality changes in the area at the rainfall intensity of the return period of 3，5，10，15，50，100 years，and to analyze the regulation effect of permeable pavement on the ecosystem of city rainwater.The results showed the permeable pavement could reduce rainfall runoff by up to 1974% and the runoff coefficient decreased by 2193%.The overall runoff reduction effect increased along with the rainfall intensity，but the increase was small.As to conventional pollutants of SS， COD， TN， and TP，the reduction was up to 2412%，2379%，2281%，and 2190%，respectively.The permeable pavement could also delay the peak time of runoff volume and pollutant load concentration.This study presents a scientific evaluation on the effect of permeable pavement and provides reference for engineering design.

Key words：

permeable pavement； SWMM model；hydrology；water quality；instance verification

快速的城市化致使城市可滲透下墊面面積比例減小，破壞了原有的自然水文循環(huán)機制[1]，給城市排水防澇系統(tǒng)巨大的壓力[2]，洪澇災(zāi)害時有發(fā)生[3]。海綿城市是基于低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）理念[4]，綜合利用各類海綿體對雨水“滲、滯、蓄、凈”的功能，構(gòu)建起新型的城市雨水系統(tǒng)，可減少城市內(nèi)澇積水的深度與范圍。根據(jù)水量不可壓縮和消亡原則，在遇到降雨時能夠最大限度地留住雨水；非降雨時，被充分吸收的雨水可被再次利用于生態(tài)補水，如道路沖洗、綠化、景觀用水等，在一定程度上減輕目前城市水資源的供給壓力，提高雨水資源利用率。

滲透鋪裝是一種典型的通過降低城市不透水面積對城市雨水徑流進行調(diào)控的LID措施[5]。它不僅可以有效地削減雨水徑流量，減緩徑流速度，還可以有效地減緩城市非點源污染[67]，改善徑流水質(zhì)。龔應(yīng)安等[1]研究表明滲透鋪裝下滲的雨水水質(zhì)完全可以滿足景觀環(huán)境補水的水質(zhì)要求；解曉光等[8]對幾種不同結(jié)構(gòu)材料滲透鋪裝的研究，發(fā)現(xiàn)滲透鋪裝各結(jié)構(gòu)層均對COD有一定去除效果，但SS的去除效果會因不同的材料結(jié)構(gòu)而異；李卓熹等[2]研究表明滲透鋪裝較綠色屋頂和下凹式綠地對洪峰削減效果最穩(wěn)定，對降雨歷時變化最敏感。

本文運用SWMM中的LID模塊，模擬了采用滲透鋪裝前后的水文、水質(zhì)變化過程，分析了滲透鋪裝對雨水徑流水文、水質(zhì)調(diào)控效果，為滲透鋪裝的設(shè)計和應(yīng)用提供科學、有效的支持和參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概化

宜興市位于太湖西岸，屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，河流密布，年平均降雨量約為1 30153 mm；市內(nèi)地形為平原為主，地面標高3～5 m不等；地層分區(qū)屬江南地層區(qū)，從奧陶系至第四系，發(fā)育較齊全；表土以黃色黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)砂土為主，滲透系數(shù)約586×106 cm/s，滲透性較小。研究區(qū)域位于中心城區(qū)，地勢較低、開發(fā)密度高，且受下游太湖水位頂托和上游客水共同影響，洪澇問題和面源污染問題較為突出。研究區(qū)域總面積446 hm2，共劃分為32個子匯水區(qū)域。根據(jù)區(qū)域雨水系統(tǒng)平面圖及勘察資料，概化雨水管道25條，匯水節(jié)點25個及末端雨水排放口1個。并結(jié)合土地利用情況，確定各子匯水區(qū)的不透水面積比例，利用加權(quán)法確定研究區(qū)不透水面積約為667%，主要由屋頂、道路和停車場組成。研究區(qū)域內(nèi)概化結(jié)果見圖1。

滲透性鋪裝采用無砂多孔混凝土鋪裝，共布設(shè)面積104 hm2，約占不透水面積的33%，滲透鋪裝率大于20%。基層鋪設(shè)厚度為150 mm，粗糙系數(shù)為0014，孔隙比為017，滲透率為254 mm/h；土壤層厚度為200 mm，儲水層厚度為300 mm，孔隙比為043，導(dǎo)水率為500 mm/h。

1.2參數(shù)設(shè)置

水文參數(shù)根據(jù)SWMM用戶手冊及相關(guān)文獻[910]選取，見表1。結(jié)合研究區(qū)域特點，徑流滲透過程采用Horton入滲模型[11]，匯流過程采用非線性水庫模型，模擬過程采用動力波模型[1213]。

水質(zhì)參數(shù)根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》選取4種常規(guī)污染物SS、COD、TN、TP，起始增長值分別為10 mg/L、20 mg/L、10 mg/L、002 mg/L[1416]。模擬過程考慮污染物累積和沖刷效應(yīng)，分別采用指數(shù)函數(shù)累積模型和指數(shù)沖刷模型。各下墊面水質(zhì)模擬參數(shù)見表2。

1.3降雨模型

研究采用芝加哥雨型在無錫市已有暴雨強度公

式基礎(chǔ)上進行雨量時程分配，選取重現(xiàn)期為3 a、5 a、10 a、15 a、50 a、100 a，設(shè)計降雨歷時120 min，模擬步長1 min，取雨峰系數(shù)r=04。暴雨強度公式如下：

i=[SX（]10579×（1+0.828×lgP）[]167×（t+46.4）0.99[SX）][JY]（1）[HJ2.1mm]

式中：i為降雨強度（mm/min）；t為降雨歷時（min）；P為重現(xiàn)期（a）。

1.4模型校核

根據(jù)2016年7月監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取7月4日與13日的兩場降雨數(shù)據(jù)對模型進行參數(shù)驗證。根據(jù)實測降雨強度峰值，選取7月4日監(jiān)測數(shù)據(jù)與重現(xiàn)期為50 a的模擬數(shù)據(jù)比較，7月13日監(jiān)測數(shù)據(jù)與重現(xiàn)期為3 a的模擬數(shù)據(jù)比較，實測降雨數(shù)據(jù)值與模擬結(jié)果值見圖2。

由圖2中數(shù)據(jù)比較可知：實測的降雨量分布與模擬降雨流量過程一致性較高，平均真實度可達92%，重現(xiàn)期越大真實度越高；SS、COD、TN的平均模擬真實度分別為90%、93%、86%；兩次TP模擬真實度分別為95%和801%，分析第一次模擬未考慮前期連續(xù)降雨且下墊面磷初始增長濃度設(shè)置較低，導(dǎo)致模擬效果不好，修改初始增長濃度為04 mg/L，獲得修正后真實度為81%。經(jīng)比較，所選用的參數(shù)基于SWMM軟件構(gòu)建的模型比較可靠，因此本文建立的模型能夠較為真實地模擬研究區(qū)域內(nèi)滲透鋪裝對雨水水文、水質(zhì)的調(diào)控情況。

2模擬結(jié)果與分析

2.1水文調(diào)控效果分析

通過SWMM模擬在不同重現(xiàn)期下滲透鋪裝前后徑流過程，模擬總時長為降雨過程2 h，時間步長為1 min，得到水文模擬結(jié)果見表3，管道溢流情況見圖3。

由表3可知，在3 a到100 a的重現(xiàn)期下，滲透鋪裝前后的平均入滲量分別增加2084%、1969%、1866%、1860%、1853%、1853%；峰值流量降低1939%、1897%、1844%、1911%、1931%、[CM（22]1974%；平均徑流系數(shù)降低0178、0183、0188、019、0196、0198，峰現(xiàn)時間滯后1～3 min。模擬結(jié)果與相關(guān)研究[2223]結(jié)論一致，低于劉文等[5]研究中提到徑流削減量，分析是由于滲透鋪裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計材料與布設(shè)位置不同會影響對水文控制效果。

[HJ1.95mm]平均入滲量的增長比例由重現(xiàn)期從3 a增長至100 a期間出現(xiàn)逐漸減小并趨于平緩的現(xiàn)象，可能是由于設(shè)置滲透鋪裝面層孔隙比較小，在滲透鋪裝排水方式一定時，對徑流入滲量的增加浮動較穩(wěn)定并且透水性能有限；從峰值流量的削減比例趨勢中也出現(xiàn)減小的情況，但在重現(xiàn)期為50 a和100 a時的峰值流量削減比出現(xiàn)上升，可知滲透鋪裝在極端暴雨情況下的洪峰削減能力較為可靠。平均徑流系數(shù)削減量分布在018～020之間，總體隨暴雨強度的增加而略有增加，表明在滲透鋪裝結(jié)構(gòu)一定的情況下，對平均徑流系數(shù)的影響基本穩(wěn)定。從峰現(xiàn)滯后時間來看，遲滯效果不太明顯。

根據(jù)圖3所示，滲透鋪裝對于徑流的調(diào)控作用能有效減少雨水檢查井溢流個數(shù)，但總溢流量的削減趨勢隨暴雨強度的增加而變緩，對應(yīng)了滲透鋪裝的徑流調(diào)控效果較為穩(wěn)定且滲蓄能力有限的分析結(jié)論。

根據(jù)SWMM動態(tài)模擬結(jié)果，選取重現(xiàn)期為3 a、15 a下，降雨歷時35 min，55 min時刻的地表徑流效果，見圖4、圖5。模擬中重現(xiàn)期為3 a，降雨歷時55 min時刻，共15個子匯水區(qū)徑流情況得到改善；重現(xiàn)期為15 a，降雨歷時35 min時刻，所有子匯水區(qū)均明顯減少了徑流量，重現(xiàn)期越小時，降雨歷時越長，滲透鋪裝對地表徑流的影響越顯著，反之當暴雨強度增大時，越早能觀察到滲透鋪裝對徑流的調(diào)控作用。降雨歷時35 min徑流效果中，重現(xiàn)期15 a下采用滲透鋪裝后與重現(xiàn)期3 a未采用滲透鋪裝效果相似，證明滲透鋪裝對徑流情況有良好的調(diào)控效果。

2.2水質(zhì)調(diào)控效果分析

圖6為不同重現(xiàn)期排放口P1出水水質(zhì)模擬結(jié)果，各重現(xiàn)期下SS、COD、TN、TP負荷在采用滲透鋪裝前后削減比例趨勢平緩，分別平均減少峰值2412%、2379%、2281%、2190%，在各重現(xiàn)期下產(chǎn)生了3～6 min不等的峰現(xiàn)時間遲滯作用。其中TN的負荷峰值出現(xiàn)了隨重現(xiàn)期增大而減小的問題，根據(jù)相關(guān)研究[2425]，分析可能是由于氮的轉(zhuǎn)化機理原因，較大的透水流量縮短了滲透鋪裝系統(tǒng)中的反硝化作用，從而加快了氮的去除作用。

由圖中重現(xiàn)期為3 a的污染物濃度曲線分析可知，各污染物均出現(xiàn)短時間內(nèi)出現(xiàn)峰值又迅速下降的情況，證明徑流污染主要是由于初期雨水對地面的沖刷效果造成；其次，污染物濃度峰值隨重現(xiàn)期增大而增加，峰現(xiàn)時間又隨重現(xiàn)期增大而提前，降雨沖刷效果越明顯，短時污染物累積量越大，對周邊生態(tài)環(huán)境的影響和污染就越嚴重。采用滲透鋪裝能夠明顯削減徑流污染負荷峰值，并推遲峰現(xiàn)時間，因而低影響開發(fā)作為城市徑流污染的源頭控制手段，其效果是海綿城市建設(shè)過程中一個重要的研究方向。

滲透鋪裝對徑流污染物濃度的削減作用，不僅能夠改善城市徑流面源污染問題，通過其基層、蓄水[CM（22]層對氮、磷營養(yǎng)物的暫存并緩排作用，間接地改善了出水水質(zhì)，可用于綠化、景觀用水，也可自下滲補充地下水，將自然雨水變?yōu)槌鞘兴h(huán)境生態(tài)補水的寶貴資源。

3結(jié)論

滲透鋪裝作為一種低影響開發(fā)措施，對徑流總量、平均徑流系數(shù)、污染物負荷濃度有明顯的削減作用，并對峰現(xiàn)時間均有一定遲滯作用，對徑流的水文、水質(zhì)調(diào)控效果明顯。在結(jié)構(gòu)一定的情況下，滲透鋪裝的滲蓄量有限，在大于3 a重現(xiàn)期的暴雨強度下的徑流調(diào)控效果基本穩(wěn)定，隨著重現(xiàn)期增大略有增加。

在設(shè)計過程中，滲透鋪裝的設(shè)置應(yīng)當權(quán)衡其位置和應(yīng)用的關(guān)系，在保證鋪裝路用功能的同時，選用合適孔隙結(jié)構(gòu)的材料，使其擁有高滲透性能，更好達到透水快，蓄水多，去污能力好的效果。在實際使用中，透水鋪裝的效果會受到堵塞和污染物影響下滲能力，應(yīng)當定期維護和清掃，去除表面和孔隙中的細小顆粒物和雜質(zhì)，保持其原有設(shè)計調(diào)控能力。

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