基于SWMM的濟南韓倉河流域宏觀LID實踐模擬

王 琳，陳 剛,2，王 晉,2

(1.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

低影響開發(fā)(LID)實踐是我國海綿城市建設(shè)的一種重要途徑，LID措施通過對雨水的滲透、儲存、調(diào)節(jié)、運輸與截污凈化等功能，實現(xiàn)對徑流總量、徑流峰值和徑流污染的控制[1]。LID根據(jù)定義可以分為宏觀尺度和微觀尺度，目前相關(guān)實踐研究主要集中在對工業(yè)園、示范小區(qū)中微觀LID控制單元的水文水質(zhì)模擬及LID的模擬參數(shù)率定方面，對宏觀流域尺度LID組合體系的水文水質(zhì)綜合控制效果模擬研究較少[2-5]。

SWMM模型是美國環(huán)境保護署(ESEPA)開發(fā)的城市暴雨管理模型，能夠模擬城市降雨徑流、匯流過程以及多種污染物的累積、沖刷現(xiàn)象，具有較強的適用性和普遍性，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[6,7]。Suhyung Jang和趙磊等的研究表明為模擬城市環(huán)境而建立的SWMM模型在進行自然流域尺度下的模擬應(yīng)用時也表現(xiàn)出了較好的適用性，且SWMM內(nèi)部包含大量常用LID模塊、主要產(chǎn)流匯流模型，具有高集成性、綜合化連續(xù)模擬的特點[8,9]。因此，本研究以濟南韓倉河流域為研究對象，利用SWMM技術(shù)對宏觀尺度的LID組合----雨水濕地體系規(guī)劃方案進行水文水質(zhì)參數(shù)模擬，以期為流域單元LID組合體系措施效果的模擬研究提供參考，為濟南韓倉河流域的水文、水質(zhì)控制實踐提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

韓倉河屬于濟南小清河水系，發(fā)源于濟南燕棚窩村以南的南部山區(qū)諸山谷，從南向北流，途徑田莊、章靈丘，于曲家莊東入小清河，全長24.5 km。韓倉河流域位于濟南歷城區(qū)東南，東臨濟南繞城高速(京滬高速)，西側(cè)為濟南新東站核心區(qū)，流域面積約99 km2。流域南部上游為山區(qū)，土地利用現(xiàn)狀以林地、草地為主，中游城鎮(zhèn)化高度發(fā)展，下游分布大片耕地。根據(jù)遙感影像解譯以及實地踏勘，研究區(qū)內(nèi)主要土地利用類型有建筑與居民區(qū)、林地、廠房、空地、開發(fā)中、綠地、非鋪砌土路面、混凝土與瀝青路面、水系，面積分別為9.5×106m2、2.6×107m2、3.1×107m2、8.1×106m2、2.2×106m2、7.3×106m2、1.2×107m2、1.1×106m2、8.6×105m2、1.9×105m2，占比分別為9.6%、26.7%、31.3%、8.2%、2.3%、7.4%、12.2%、1.2%、0.9%、0.2%。韓倉河流域的多年平均降水量為651.8 mm。降雨量年內(nèi)分配不均，暴雨洪水主要發(fā)生在七八月。流域多年汛期(6-9月)的平均降水量為504.5 mm，占年平均降水量的77.4%。韓倉河是自然形成的山區(qū)雨源型排洪河流，坡陡流急，雨洪破壞性較大。因此，研究提出構(gòu)建宏觀尺度的LID措施----雨水濕地體系，以與自然水文過程耦合的方式進行濕地布局，以求控制流域徑流，涵養(yǎng)雨水資源，增強全流域的水生態(tài)韌性。根據(jù)流域內(nèi)水系節(jié)點、源頭分布，匯水區(qū)邊界范圍，結(jié)合洼地分布、土地利用類型，最終的濕地體系布局如圖1所示。

圖1 研究區(qū)濕地體系布局Fig.1 Distribution of wetland system in the study area

2 SWMM模型的構(gòu)建

2.1 子流域概化

以研究區(qū)地理高程信息(DEM)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于ArcGIS平臺的水文分析技術(shù)對研究區(qū)進行水系提取以及流域各層次單元的劃分。綜合研究區(qū)城市道路、雨水管網(wǎng)等建筑設(shè)施對水文過程的影響，對流域各層次單元劃分結(jié)果進行修正，最終將研究區(qū)劃分為49個匯水區(qū)。將49個水文學(xué)匯水區(qū)分別概化為SWMM中的49個匯水子區(qū)域。存在雨水管網(wǎng)的匯水子區(qū)域出流關(guān)聯(lián)至管網(wǎng)排放口；沒有雨水管網(wǎng)的匯水子區(qū)域，若與河道相鄰則出流關(guān)聯(lián)至位于河道的匯水區(qū)傾瀉點，若不與河道不相鄰時出游關(guān)聯(lián)至其下游匯水子區(qū)域。河道根據(jù)高程數(shù)據(jù)和landsat8影像數(shù)據(jù)進行提取與目視矯正后于SWMM中概化為管道要素，根據(jù)河道寬度變換情況，適當設(shè)置管道連接鉸點。韓倉河流域SWMM模型概化結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)模型概化示意圖Fig.2 Generalized chart of research area in SWMM

本研究共構(gòu)建了2種不同情景的模型：現(xiàn)狀模型，基于現(xiàn)狀土地利用類型的SWMM模型；宏觀LID模型，即在各匯水子區(qū)域綜合流域濕地體系設(shè)施的SWMM模型。

2.2 參數(shù)的選擇

運用SWMM對研究區(qū)進行水文、水質(zhì)模擬主要涉及地表產(chǎn)流、匯流模型參數(shù)和匯水子區(qū)域、河道特征參數(shù)。匯水子區(qū)域的面積、坡度參數(shù)通過ArcGIS分析DEM數(shù)據(jù)獲取，寬度參數(shù)通過面積除以地表漫流長度獲取。參照SWMM模型用戶教程，結(jié)合小清河流域模擬有關(guān)研究[10]及研究區(qū)Landsat8影像數(shù)據(jù)，匯水子區(qū)域的不透水性比例、粗糙系數(shù)、蓄水深度、無洼地蓄水不滲透性比例分別設(shè)置在6%～95%、0.015～0.25、1.5～7.5 mm、25%～30%范圍內(nèi)，根據(jù)landsat8影像的土地用地類型不同進行取值。滲入模型選用Horton模型，最大入滲率、最小入滲率、入滲衰減系數(shù)分別為103.8 mm/h、34.4 mm/h、6.5 h-1。河道概化為梯形明渠，最大深度、底部寬度、邊坡等數(shù)據(jù)通過對河道現(xiàn)場測量得到，明渠的長度、深度通過讀取DEM數(shù)據(jù)獲得，河道粗糙系數(shù)取0.016。水力演算方法選用運動波，它是最適合于樹枝狀排水系統(tǒng)，沒有流量約束，可能引起超負荷的水力演算。

水質(zhì)模塊包含污染物累積模型和沖刷模型兩部分，污染物累積模型選用飽和函數(shù)(sat)累積模型，沖刷模型選用指數(shù)函數(shù)模型。美國環(huán)境保護局(EPA)的研究表明不同城市和區(qū)域間降雨徑流的水質(zhì)統(tǒng)計結(jié)果不存在明顯差異[11,12]，故參考哈工大吳建立[13]、蘇州孫志康[2]和北京林業(yè)大學(xué)的袁溪[14]的研究結(jié)果、結(jié)合研究區(qū)情況，合理的將研究區(qū)土地利用類型重分為開發(fā)、未開發(fā)兩類對污染物參數(shù)進行設(shè)置，如表1所示。

表1 不同用地類型下污染物的參數(shù)值Tab.1 Parameters of pollutants in different land use types

根據(jù)海綿城市規(guī)劃和該區(qū)域雨水濕地體系規(guī)劃參數(shù)，用以模擬雨水濕地的生物滯留池模型表面層、土層、填料層和植物密度參數(shù)分別設(shè)置為150 mm、580 mm、420 mm和80%。

2.3 模型的驗證

本文研究區(qū)域主要為山區(qū)鄉(xiāng)村，涉及部分城市核心區(qū)，缺乏長期連續(xù)的水量檢測數(shù)據(jù)，且上述濕地體系措施尚在規(guī)劃建設(shè)中，沒有相關(guān)設(shè)施的實測數(shù)據(jù)，故難以利用實際數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)率定。本文參照姜芊孜利用徑流系數(shù)進行SWMM模型參數(shù)率定的方法[15]。根據(jù)提取的土地利用現(xiàn)狀圖結(jié)合《室外給水排水設(shè)計規(guī)范》中各用地類型徑流系數(shù)的規(guī)定使用面積加權(quán)法計算研究區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.329。利用SWMM模型對研究區(qū)現(xiàn)狀進行模擬得到研究區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.361，誤差約為9.7%。綜合徑流系數(shù)驗證結(jié)果滿足模型設(shè)計要求，模型參數(shù)取值符合該區(qū)域的降雨模擬。

2.4 設(shè)計降雨情景

該流域降雨情景符合濟南市暴雨強度公式：

q=4 700(1+0.753 1 lgP)/[(t+17.5)0.898]

(1)

式中：q為平均降雨強度，L/(s·hm2);P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

已知低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)對于長歷時強降雨并無明顯優(yōu)勢，為了綜合評價研究區(qū)雨水濕地體系措施在不同降雨情形下的水文水質(zhì)控制效果，本研究利用暴雨強度公式和芝加哥雨型公式，設(shè)置降雨歷時2 h，時間步長5 min，峰值比例r分別為0.4、0.6，重現(xiàn)期分別為0.5、2.5、5年的降雨情景進行SWMM模擬(圖3)。

圖3 降雨過程線Fig.3 Rainfall process line

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 水量模擬結(jié)果分析

在不同降雨過程條件下，分別對研究區(qū)現(xiàn)狀和宏觀LID規(guī)劃模型進行模擬，結(jié)果見表2。

表2 不同降雨條件模擬結(jié)果Tab.2 Simulation results of different rainfall conditions

由表2可知，采用雨水濕地體系規(guī)劃后流域出水口的平均流量和峰值流量均低于原始現(xiàn)狀，雨洪控制作用較明顯，但隨降雨強度增大而逐漸減弱。在峰值比例為0.4時，相比原始狀態(tài)，采取宏觀LID規(guī)劃后，流域在P=0.5 a、P=2.5 a、P=5 a降雨時的平均流量分別降低了40%、25%、18%。峰值流量降低了48%、24%、14%。在峰值比例r=0.6時，相比原始狀態(tài)，采取宏觀LID規(guī)劃后，流域在P=0.5 a、P=2.5 a、P=5 a降雨時的平均流量分別降低了40%、24%、18%。峰值流量降低了48%、23%、12%。在降雨強度相同(P相同)的情況下，采取宏觀LID規(guī)劃對流域平均流量的控制效果受雨型峰值比例(r)影響不明顯，這可能是由于模擬結(jié)果中存在模擬誤差。模擬誤差可能是由于模型設(shè)置的模擬時間步長偏大，以至于模型在降雨量較大時進行流量演算的連續(xù)性誤差變大而造成。降雨強度相同，雨型峰值比例更小時，宏觀LID規(guī)劃對流域的峰值流量控制效果更好。

峰現(xiàn)時間模擬數(shù)據(jù)顯示在峰值比例相同的情況下，宏觀LID規(guī)劃對峰現(xiàn)時間的緩解效果隨著降雨強度增大而逐漸減?。辉诮涤陱姸认嗤那闆r下，降雨雨峰越靠前(r值越小)，對洪峰出現(xiàn)延遲效果越好。峰值比例r=0.4的情況下，重現(xiàn)期P=0.5 a、P=2.5 a、P=5 a時，宏觀LID規(guī)劃情景下峰現(xiàn)時間分別推遲44、11、5 min；峰值比例r=0.6的情況下，重現(xiàn)期P=0.5 a、P=2.5 a、P=5 a時，宏觀LID規(guī)劃情景下峰現(xiàn)時間分別推遲43、10、4 min。

3.2 水質(zhì)模擬結(jié)果分析

在不同降雨情景下，以SS、COD、TN、TP這4種特征污染物作為研究對象，分別對現(xiàn)狀模型和宏觀LID模型進行模擬，分析污染物變化規(guī)律。

對流域排水口的污染物負荷總量模擬結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。

表3 不同降雨情景下研究區(qū)的污染物負荷總量 kg

由表3可知，在不同降雨強度、峰值比例下，采取宏觀LID規(guī)劃流域內(nèi)4種特征污染物負荷總量均低于流域原始現(xiàn)狀，流域內(nèi)規(guī)劃的雨水濕地體系對徑流中的污染物有明顯的凈化作用。在降雨峰值比例r相同時，隨著降雨強度的增加，流域內(nèi)的4種特征污染物負荷總量都在增加。降雨強度相同的情況下，降雨雨峰越靠前(r值更小)時，流域內(nèi)4種特征污染物負荷總量更少。

在降雨峰值比例r=0.4時，相比現(xiàn)狀，在P=0.5 a、P=2.5 a條件下，規(guī)劃雨水濕地對各項污染物負荷總量的削減率均在25%以上，但在P=5 a時污染物負荷總量的削減率低于20%，導(dǎo)致削減率下降的原因可能是隨著降雨強度的增加，雨水濕地中雨水溢流，部分雨水無法進行充分凈化和下滲。

在P=0.5 a條件下，無論降雨峰值比例為0.4或0.6，雨水濕地體系對流域污染物負荷總量的削減率都為41%。降雨重現(xiàn)期為2.5 a、5 a時，降雨峰值比例r不同也不會導(dǎo)致流域污染物負荷總量的削減率變化，這表明降雨雨峰的出現(xiàn)時間不會影響宏觀LID對污染物的控制效果。

4 結(jié) 語

模擬表明，通過對流域進行宏觀尺度的LID組合----雨水濕地體系規(guī)劃，可以有效地控制流域徑流總量和降低污染物負荷總量。當降雨強度較小時，雨水濕地體系規(guī)劃對河道峰現(xiàn)時間具有一定延遲作用，但當降雨強度增大(P=5 a)時，雨水濕地體系規(guī)劃的延遲效果不明顯。因此，在規(guī)劃雨水濕地進行流域峰現(xiàn)時間控制時應(yīng)當綜合考慮規(guī)劃區(qū)域的降雨條件，雨水濕地對強降雨地區(qū)雨洪峰現(xiàn)時間的延遲效果是有限的。不同降雨強度下，雨水濕地體系規(guī)劃對河道峰值流量和污染物都具有削減效果，削減效果隨著降雨強度的增加而減小。在降雨強度不變的條件下，雨水濕地體系規(guī)劃對污染物的削減率不受單次降雨的峰值比例r影響；但降雨雨峰出現(xiàn)越晚(即r越大)，研究區(qū)污染物負荷總量越多，峰值流量削減率更低，河道徑流峰值延遲效果越差。因此，進行濕地規(guī)劃設(shè)計時不僅需要考慮研究區(qū)降雨量，降雨的峰值比例特征也是規(guī)劃時應(yīng)該考慮的重要參數(shù)。在兩個降雨量相同的地區(qū)，峰值比例較大地區(qū)的峰值流量更大、污染物負荷總量更多，設(shè)計的濕地標準也應(yīng)該更高。

□