低影響開發(fā)城市內(nèi)澇及水質(zhì)調(diào)控模擬分析

苗小波， 呂 謀， 梁風(fēng)超， 王珞樺

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

0 引 言

近年來，隨著城市化的飛速發(fā)展，我國大多城市內(nèi)澇頻發(fā)，徑流污染嚴(yán)重，暴雨嚴(yán)重影響城市排水，影響城市排水的原因很多，如城市不透水率增加、雨水管網(wǎng)承載能力不足等[1]。地表徑流系數(shù)增大、下滲率下降，導(dǎo)致暴雨天氣下易發(fā)洪澇災(zāi)害以及地下水補給不足。降雨徑流控制主要為降雨徑流總量、洪峰流量、雨水污染物控制，其目的為減少管網(wǎng)荷載、降低內(nèi)澇風(fēng)險、減少污染物對生態(tài)的影響[2]。

研究采用低影響開發(fā)(簡稱LID)措施進(jìn)行降雨徑流源頭控制[3]，LID是一種土地規(guī)劃和雨水管理方法[4]，旨在通過促進(jìn)更高的滲透和雨水處理來更好地模擬自然流態(tài)的策略，因地制宜改善下墊面屬性，增大下滲率，降低徑流系數(shù)，利用自然過程(如滲透、儲蓄)來減少徑流量，盡可能地控制徑流來源，同時削減污染物改善水質(zhì)[5]。常用的LID措施包括透水鋪裝、雨水花園、生物滯留設(shè)施、綠色屋頂、滲渠、植草溝等[6,7]。

研究以東部某城市海綿城市試驗區(qū)域為例，基于地理信息系統(tǒng)GIS和暴雨洪水管理模型SWMM構(gòu)建雨水管網(wǎng)模型[8-10]，對比分析LID模式和傳統(tǒng)模式匯水區(qū)徑流、節(jié)點積水、管道荷載和排放污染物負(fù)荷情況，研究LID水量水質(zhì)調(diào)控效果。

1 研究方法

1.1 模型構(gòu)建

根據(jù)測繪實測數(shù)據(jù)，通過GIS提取管網(wǎng)信息，增加SWMM模型所需字段并賦值處理計算數(shù)據(jù)，采用泰森多邊形工具自動繪制子匯水區(qū)域，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析，生成各匯水區(qū)域坡度。通過INP.PINS軟件將shp文件轉(zhuǎn)換為SWMM平臺inp模型文件，簡單調(diào)整模型，精準(zhǔn)快速構(gòu)建模型。

1.2 LID措施布設(shè)

在水文特性中添加LID控制措施，研究采取透水鋪裝、雨水花園、生物滯留設(shè)施，設(shè)置各個措施屬性，在子匯水區(qū)域添加LID措施。

1.3 分析LID調(diào)控效果

對比分析布設(shè)LID措施前后降雨徑流量、洪峰流量、節(jié)點積水、管道荷載、排放污染物負(fù)荷變化，比較子匯水區(qū)徑流量、沖刷污染物量，分析節(jié)點積水信息、管道充滿度、污染物排放總量，推斷LID措施對水量水質(zhì)的調(diào)控效果。

2 模型構(gòu)建及條件設(shè)置

2.1 試驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

選取東部某城市部分區(qū)域為試驗對象，根據(jù)測繪GIS數(shù)據(jù)，利用泰森多邊形自動繪制子匯水區(qū)域，通過坡度分析計算各匯水區(qū)平均坡度，在雨水井、管段、字匯水區(qū)域等屬性表中增添SWMM模型所需的字段，并通過字段計算器批量賦值。通過INP.PINS軟件將元素shp文件轉(zhuǎn)為SWMM模型inp文件。試驗?zāi)Ｐ驼嫉?.27 hm2，共有雨水井31眼，雨水管31條，排放口2個。SWMM模型示意圖見圖1。

圖1 SWMM模型示意圖Fig.1 SWMM model diagram

2.2 降雨條件設(shè)置

根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式，公式如下：

q=1 919.009×(1+0.997lgP)/(t+10.740)0.738

(1)

式中：q為設(shè)計暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；t為降雨歷時，min；P為重現(xiàn)期，a。

采用5 a一遇芝加哥雨型降雨曲線[11]，雨峰系數(shù)取0.4，生成3 h降雨過程曲線，降雨過程曲線見圖2。

圖2 降雨過程曲線Fig.2 rainfall process curve

2.3 模型參數(shù)設(shè)定

模型采用霍頓下滲模型，最大下滲率為60 mm/h，最小下滲速率為4 mm/h，下滲衰減率取4 h-1，演算模型采用動力波。研究區(qū)域土地劃分為房屋、街道、綠地3種類型，不同土地利用類型污染物參數(shù)見表1。

表1 土地利用類型污染物參數(shù)Tab.1 Land use types pollutant parameters

2.4 LID調(diào)控措施

降雨徑流源頭控制多采用改變下墊面滲透性的低影響開發(fā)措施，常用的LID包括透水鋪裝、雨水花園、生物滯留設(shè)施、植草溝、滲渠等，這些措施通過增加地表滲水率、增加雨水滯留量、吸收儲存雨水，降低匯水區(qū)徑流系數(shù)，減少徑流量削減雨水污染物。不僅有良好的調(diào)控效果，還有美觀環(huán)保、造價低，符合自然生態(tài)理念。

研究選用透水鋪裝、生物滯留設(shè)施、雨水花園3種LID措施，對模型所有子匯水區(qū)域均布設(shè)LID，LID措施參數(shù)設(shè)置見表2。根據(jù)試驗區(qū)域，因地制宜布設(shè)LID措施，生物滯留設(shè)施分散布置且規(guī)模不易過大，滿足占匯水區(qū)面積5%～10%的標(biāo)準(zhǔn)；為美觀小區(qū)，布設(shè)一定比例的雨水花園，修改部分不透水道路為透水鋪裝。LID措施布設(shè)情況見表3。

表2 LID措施參數(shù)設(shè)置Tab.2 LID measure parameter settings

表3 LID措施布設(shè)情況Tab.3 LID measure deployment

2.5 模型參數(shù)率定驗證

模型參數(shù)在經(jīng)驗范圍內(nèi)選取，采用構(gòu)建好的模型對3場降雨進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與實測降雨排放口監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，分別選用洪峰流量的相對誤差(dF)、COD峰值濃度的相對誤差(dC)。模型仿真模擬許可誤差范圍為-20%～10%，徑流洪峰量允許誤差范圍為-25%～15%。兩目標(biāo)函數(shù)為：

dF=(F實測-F模擬)/F實測×100%

(2)

dC=(C實測-C模擬)/C實測×100%

(3)

3場降雨數(shù)據(jù)信息及相對誤差統(tǒng)計見表4。

由表4中可知，目標(biāo)函數(shù)相對誤差率定結(jié)果均在誤差允許范圍內(nèi)，模型水力和水質(zhì)情況模擬可信度較高，能真實反映試驗區(qū)域水力水質(zhì)情況。

表4 3場降雨數(shù)據(jù)信息及相對誤差統(tǒng)計Tab.4 3-field rainfall data information and relative error statistics

3 調(diào)控模擬分析

在5 a一遇降雨過程曲線下，分別在有無設(shè)置LID措施下模擬4 h，對比分析兩種結(jié)果。對子匯水區(qū)進(jìn)行徑流、沖刷分析，分析徑流量、污染物沖刷量；查看雨水井積水信息、分析管段荷載，分析排放口污染物負(fù)荷。推斷LID措施的水量及水質(zhì)調(diào)控效果。

3.1 匯水區(qū)控制效果分析

以子匯水區(qū)S2為例，分析LID模式和傳統(tǒng)模式(無LID)匯水區(qū)徑流及污染物沖刷情況，模擬時段S2匯水區(qū)徑流變化曲線見圖3、徑流統(tǒng)計見表5,S2匯水區(qū)污染物沖刷量統(tǒng)計見表6，S2匯水區(qū)LID功能對比見表7。

圖3 S2匯水區(qū)徑流變化曲線Fig.3 Runoff curve of S2 catchment

表5 S2匯水區(qū)徑流統(tǒng)計表Tab.5 S2 catchment area runoff statistics

表6 S2匯水區(qū)污染物沖刷量統(tǒng)計表 kgTab.6 Statistical table of contaminant erosion levels in S2 catchment

圖3、表5可看出，LID模式匯水區(qū)徑流量一直小于傳統(tǒng)模式，總徑流量下降38.4%、洪峰徑流量削減31.8%，徑流系數(shù)下降。表6可知，污染物沖刷削減方面，LID模式SS、COD、TP、TN污染物分別削減52.2%、52.2%、58.3%、57.0%，可有效改善徑流水質(zhì)，降低污染物負(fù)荷。從表7得知，LID措施透水鋪裝增加雨水下滲量，生物滯留設(shè)施和雨水花園同時攔截儲存部分雨水量，LID模式通過增加雨水下滲、攔截儲蓄雨水達(dá)到降低徑流量、削減污染物負(fù)荷的目的。

表7 S2匯水區(qū)LID功能對比 mmTab.7 Comparison of LID functions in S2 catchment

3.2 節(jié)點積水分析

分別查看傳統(tǒng)模式和LID模式下試驗區(qū)域雨水井節(jié)點積水情況，統(tǒng)計節(jié)點積水?dāng)?shù)量、積水量、持續(xù)時長、峰值流量等信息，傳統(tǒng)模式和LID模式節(jié)點積水信息表見表8。積水最嚴(yán)重節(jié)點為N25，傳統(tǒng)模式和LID模式下節(jié)點N25水深和洪流變化曲線見圖4。

表8 傳統(tǒng)模式和LID模式節(jié)點積水信息表Tab.8 Node water accumulation information table of traditional mode and LID mode

圖4 傳統(tǒng)模式和LID模式下節(jié)點N25水深、洪流變化曲線Fig.4 Node N25 water depth, flooding change curve in traditional mode and LID mode

相比傳統(tǒng)模式，LID模式僅有2個積水點，總積水量減少99.4%，積水時長及峰值流量大大減小，有效緩解節(jié)點積水現(xiàn)象，具有很好的控制效果，降低內(nèi)澇積水概率。圖4可看出，最嚴(yán)重積水節(jié)點N25，在傳統(tǒng)模式下積水量為30.03 t，布設(shè)LID措施后積水削減為0.278 t，顯著緩解最不利工況。

3.3 管道荷載分析

選取上中下游3段不同位置管道P8、P14、P12，查看管道充滿度、流量變化情況，模擬時段傳統(tǒng)模式和LID模式下選取管道充滿度曲線見圖5，傳統(tǒng)模式和LID模式管道流量、充滿度對比表見表9。

圖5 傳統(tǒng)模式和LID模式下選取管道充滿度曲線Fig.5 Curve fullness curve of selected pipe in traditional mode and LID mode

表9 傳統(tǒng)模式和LID模式管道流量、充滿度對比表Tab.9 Comparison of pipe flow and fullness of traditional mode and LID mode

可以看出，相比傳統(tǒng)模式，布設(shè)LID后管道充滿度降低、平均流量及洪峰流量下降、滿管流時長減少。其中，選取管道平均流量下降34.6%～38.2%，平均充滿度降低27.4%～34.3%。設(shè)置LID減小了管道荷載，緩解管道過載現(xiàn)象，使其可承載更大的降雨沖擊。

3.4 排放口污染物負(fù)荷分析

取排放口1，查看模擬時段傳統(tǒng)模式和LID模式部分污染物SS、TN濃度隨時間變化曲線。統(tǒng)計兩種模式下兩排放口流量、污染物負(fù)荷信息。傳統(tǒng)模式和LID模式下排放口1SS、TN濃度變化曲線見圖6，傳統(tǒng)模式和LID模式排放口流量及污染物負(fù)荷對比見表10。

圖6 傳統(tǒng)模式和LID模式下排放口1部分污染物濃度變化曲線Fig.6 Curve of the concentration of pollutants in the outfall 1 under the traditional mode and the LID mode

表10 傳統(tǒng)模式和LID模式排放口流量及污染物負(fù)荷對比表Tab.10 Comparison of outfall flow and pollutant load in traditional mode and LID mode

圖6可看出，設(shè)置LID后，模擬時段前中期排放口污染物濃度明顯下降，大量降低初期雨水污染物濃度，模擬中后期兩種模式雨水中污染物濃度均大量下降，LID模式濃度稍高于傳統(tǒng)模式，是由于排放流量降低幅度略大于污染物總量幅度。從表10可知，相對傳統(tǒng)模式，LID模式排放污染物總量減少，平均流量及洪峰流量下降，雨水總量削減37.2%，SS、COD、TP、TN總量分別削減49.9%、49.7%、54.9%、55.5%，保障雨水排放水質(zhì)，可實現(xiàn)水量和水質(zhì)的控制。

4 結(jié) 論

基于GIS和SWMM構(gòu)建雨水管網(wǎng)模型，對模型水文水力參數(shù)率定，模擬分析LID措施對匯水區(qū)徑流控制、節(jié)點積水、管道荷載和污染物負(fù)荷調(diào)控效果。結(jié)果表明，LID通過增加雨水下滲、攔截儲存雨量，減少雨水徑流，削減洪峰流量；緩解節(jié)點溢流積水情況，減少積水量99.4%，顯著緩解最不利節(jié)點積水工況；降低管道充滿度，緩解管道過載現(xiàn)象，減小對雨水管網(wǎng)的沖擊；削減雨水總量37.2%，降低污染物負(fù)荷，SS、COD、TP、TN排放總量分別削減49.9%、49.7%、54.9%、55.5%。LID具有降雨徑流和水質(zhì)良好調(diào)控效果，大大降低了城市內(nèi)澇積水和面源污染風(fēng)險，解決最不利積水影響，使其可應(yīng)對更大降雨沖擊。