基于SWAT軟件的生態(tài)海綿城市優(yōu)化設(shè)計評估的應(yīng)用
——以美國德克薩斯州哈里斯縣區(qū)域為例

李 偉, 石 晛, 陳 睿, 王曉初

(沈陽大學 a. 建筑工程學院, b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

城市的發(fā)展增加了防滲路面的覆蓋,城市的不透水路面造成了雨水問題.由于入滲受到阻礙,地表徑流流量顯著增加,減少了地下水補給,從而減少了基流量[1].大量的水污染物通過城市徑流在不透水路面流動到附近的水體,因此我們有必要針對這些雨水問題采取措施.采用基于生態(tài)[2-3]理念的海綿城市是抵消城市化帶來的不利影響的一種方法.有關(guān)生態(tài)海綿城市理念行為影響的研究一直很活躍,大多數(shù)研究已經(jīng)證明了海綿城市對地表徑流和污染物的負荷和減量有很大好處.本文研究的生態(tài)海綿城市做法就是通過模仿預(yù)先開發(fā)的美國德克薩斯州的水文狀況,助力于生態(tài)海綿城市理念的施行和深入發(fā)展.

1 生態(tài)海綿城市原理及案例

1.1 施行生態(tài)海綿城市的有效性

施行海綿城市的有效性程度會受到各種因素的影響.一些研究指出,不同的海綿城市的做法取決于不同的設(shè)計.各種海綿城市規(guī)劃和設(shè)計因素不同(例如類型,位置,面積等),可預(yù)期施行海綿城市的有效性也會有所不同.Endreny等[4]使用MODFLOW模型在美國紐約的城市居民區(qū)微調(diào)了生物保留區(qū)的分布,使其成組或單個單元,通過這樣的空間布置,研究了地下水的補給和積蓄.當將生物保留區(qū)布置為單個單元時,地下水堆積最高,而當它們完全分布時,地下水堆積最低.Ahiablame等[5]證明可以通過實施多種滲透措施來克服不同城市類型之間的徑流差異,從而確定滲透方式數(shù)量的影響.

盡管上述研究表明了需要針對海綿城市做法的正確分布和放置進行研究,但目前沒有一項研究提供了根據(jù)位置和類型優(yōu)化所需海綿城市面積的方法來滿足目標徑流和污染物的減少.

1.2 案例研究區(qū)

作為案例研究,本研究是在約350 hm2的小規(guī)模區(qū)域內(nèi)進行的.其中包括德克薩斯州哈里斯縣的臨近市韋伯斯特和Friendswood的某些區(qū)域,該區(qū)域嵌套在Clear Creek流域內(nèi),位于Clear Creek的下游端(靠近出口),為受潮流影響的區(qū)域,該地區(qū)海拔高于平均海平面6～8 m.與其他地區(qū)相比,因為其受平坦的地形、低海拔和受潮汐的位置等地理特征的影響,河口地區(qū)通常存在洪水和未處理污染物的積累等更多的問題.

2 SWAT在海綿城市實踐性上的應(yīng)用

2.1 SWAT說明

土壤和水評估工具(SWAT)是美國農(nóng)業(yè)研究局(USDA-ARS)開發(fā)的軟件,已被廣泛應(yīng)用于處理來自不同流域的水的流量和質(zhì)量的問題,其能力已通過實驗驗證.SWAT適用于從中小流域到大流域的模擬,還可以模擬長期和短期流量,甚至細分到以天和小時為單位的時間.由于SWAT是分布式模型,因此它可以將流域離散化為小盆地和較小的水文單位(HRU).SWAT具有基本的模型要素,如地表徑流、入滲、地下水、蒸散和循環(huán)等.

2.2 SWAT技術(shù)構(gòu)建思想

SWAT模擬過程可以在雨洪管理的規(guī)模上充分解釋海綿城市采用的水文行為.在研究中將滲透性路面(PPs)、雨水花園(RGs)和雨水收集設(shè)施(RWHs)3種海綿城市措施納入市區(qū)范圍.3種做法均存儲了一些市區(qū)產(chǎn)生的地表徑流量,直至達到其容量,并排放了超出地表徑流量的水.為了反映海綿城市做法的水文行為,根據(jù)McCuen方法對SWAT中的地表徑流過程進行了修改,在研究中,將滲透措施存儲的徑流深度排除在后期開發(fā)的徑流深度之外,以便計算出反映滲透措施的修正曲線數(shù).該方法的思想已作為等式,并加入了地表徑流優(yōu)化過程.

Q1=Q2-Qval.

(1)

式中:Q1為采用海綿城市措施后的表面徑流深度,mm;Q2為采用海綿城市措施之前的表面徑流深度,mm;Qval為每種類型海綿城市措施的存儲深度,mm.

在已開發(fā)的方程式下,SWAT有效地表示了PPs和RGs的水文行為.從式(1)中可以看出:①除PPs和RGs存儲的水外,還計算了地表徑流,并將PPs和RGs存儲的水計入滲入土壤層的水量中;②與RGs和PPs不同,RWHs是不能直接將存儲的水滲入土壤層的存儲設(shè)施,故未計入滲入土壤層的水量中.因此,降水后雨水倉庫中儲存的水被有意地排出重新使用,至少連續(xù)7 d不再降水后,可將雨桶定義為空.在SWAT文件夾中包含一個允許輸入海綿城市慣例的存儲深度的文本文件,并對可以讀取該文本文件的算法進行了編碼.硝酸鹽和總磷是徑流傳播的污染物,并與地表徑流一起處理.

2.3 海綿城市優(yōu)化條件

1) 每種海綿城市措施均有不同的設(shè)定.海綿城市所采用的PPs、RGs和RWHs是在城市化地區(qū)經(jīng)常使用的建筑設(shè)施,安裝空間很小,因此在文中假設(shè)3種海綿城市措施僅針對每個特定地點的雨水和相應(yīng)的污染物負荷:PPs僅在商業(yè)區(qū)的停車場收集徑流,僅由停車場產(chǎn)生污染物,并捕獲從居民區(qū)產(chǎn)生的徑流和污染物;RGs考慮當?shù)匚廴驹?選取適當?shù)闹参锖徒Y(jié)構(gòu),在接近道路等易有塵土、油污、化學物質(zhì)的位置使用高耐受性的植物,并添加過濾帶,防止污染物進入雨水花園;RWHs安裝在屋頂下方,并收集徑流,降雨期間僅從屋頂收集污染物.

2) 每種海綿城市措施都占據(jù)不同的領(lǐng)域.PPs總面積取決于設(shè)計數(shù)據(jù)的商業(yè)區(qū)域中顯示的停車場面積的百分比.因此,將住宅區(qū)的20%(36.37 hm2)和8%(14.55 hm2)視為RWH和RGs的面積,并將商業(yè)區(qū)的47%(8.57 hm2)作為住宅區(qū)PPs的面積;RGs總面積是將集水區(qū)面積乘以基于RGs的土壤性質(zhì)和深度的大小估算的,集水區(qū)適用于每個不包括總屋頂面積的住宅子流域,該程序的目的是排除RWHs處理的徑流,本文RWHs僅處理屋頂?shù)膹搅?屋頂面積即為RWHs的面積.通過在Google Earth中采樣,從具有常規(guī)中等密度城市設(shè)計的類似社區(qū)中獲取平均屋頂面積,并通過將平均屋頂面積乘以設(shè)計數(shù)據(jù)中給出的地塊數(shù)量確定總屋頂面積.

3) 3種海綿城市措施都旨在保留不同的徑流深度.PPs和RGs的最大存儲深度被規(guī)定為降水量大小,1.5 in(38.1 mm)的降雨量代表的是85 h不間斷降雨的深度.根據(jù)曲線數(shù)(CN)方法計算每個站點上1.5 in的降水量,作為最大存儲深度.對于RWHs,假設(shè)使用100加侖(3 785.4 L)的雨水桶來處理屋頂?shù)膹搅骱臀廴疚?將體積反向除以平均屋頂面積,估算出最大存儲深度.土地使用情況被分為5個子流域,其中最重要的且在用的2個為居住區(qū)(第3第4流域),1個為商業(yè)區(qū)(第2流域),其余未被開發(fā)不予考慮.表1為海綿城市做法的最大面積和存儲深度.

表1 海綿城市做法的最大面積和存儲深度Table 1 Maximum area and storage depth of the sponge city approach

2.4 優(yōu)化程序

為確保既能實現(xiàn)目標又能最低成本達到海綿城市的條件,嘗試對所有變量進行逐步手動優(yōu)化操作.需要考慮的海綿城市的條件包括類型、位置(子流域)和海綿城市的面積分配百分比.本文是考慮在100%分配條件下的海綿城市的每種類型和位置,確定處理減少單位面積所花費的成本,以便最終達到最小化改善實驗?zāi)繕说目偝杀?具體操作分為以下6個步驟.

1) 針對產(chǎn)生的5種情況運行SWAT模型.在本研究中,因設(shè)定RGs和RWHs僅分布在由2個子流域(第3流域和第4流域)組成的居民區(qū)中,PPs僅放置在由1個子流域(第2流域)組成的商業(yè)區(qū)中,并在指定的子流域中均考慮了每種海綿城市做法,因此,產(chǎn)生了以下5種情況:①子流域3的RGs;②子流域4的RGs;③子流域3的RWHs;④子流域4的RWHs;⑤子流域2的PPs.

2) 通過與不施行海綿城市的方案對比,調(diào)查每種100%分配下海綿城市的年度減少量.

3) 通過費用等式計算的每單位面積的年成本乘以每種方案的海綿城市總面積,估算每種方案下施行海綿城市做法的年成本.費用公式為

(2)

式中:Ct為設(shè)計壽命期間單位面積的年度成本;C0為單位面積的建筑成本;r為維護費用與建筑成本的比值;S為利率;t為基于日常維護的海綿城市實踐的預(yù)期壽命.

4) 通過每年成本除以每種方案下的年度減少量計算單位面積減少的成本.對于每種方案獲得不同的值,并且按照成本最低至成本最高的順序?qū)ζ渲匦屡琶?

5) 根據(jù)類型和位置進行優(yōu)化,減少量一直要累積到達到目標的程度.

6) 根據(jù)海綿城市做法的分配百分比、單位面積減少的成本及年度減少量估算出每種方案的成本.

3 海綿城市效應(yīng)結(jié)果分析

關(guān)于海綿城市所產(chǎn)生的效應(yīng)結(jié)果,本研究應(yīng)用了3個約束條件來探索海綿城市實踐的有效性.

1) 最大限度地采用,意味著即使在現(xiàn)實中不可行,也可在給定的海綿城市區(qū)域中完全分配;

2) 中等限度地采用,意味著將對海綿城市可能的占用,限制在RGs和RWHs最多為75%,PPs最多為50%的情況下,因此,未通過最大采用率的分配百分比解決的減少量將會傳遞到下一個排名;

3) 最低限度地采用,要求所有措施的采用率均不宜低于20%.

根據(jù)預(yù)期的設(shè)計想法,設(shè)置了針對不同海綿城市設(shè)施所產(chǎn)生的5種方案,并且控制變量,使其互為對照組.硝酸鹽是城市雨水帶來的主要污染物之一,因此也對其進行了優(yōu)化.

表2、表3分別在最大、中等和最小3種約束條件下優(yōu)化了海綿城市類型、位置和分配百分比.

表2 不含硝酸鹽的地表徑流優(yōu)化結(jié)構(gòu)Table 2 Optimized structure of surface runoff without nitrate

表3 含有硝酸鹽的地表徑流優(yōu)化結(jié)構(gòu)Table 3 Optimization structure of surface runoff with nitrate

從優(yōu)化結(jié)果可以看出,條件的各種組合可能會影響海綿城市措施實施的有效性.通過對目標方案的比較,可以觀察到優(yōu)化的海綿城市條件對海綿城市措施有效性的影響.

將表2優(yōu)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入到SWAT中得出結(jié)果進行分析:方案2比方案1子流域4的RGs面積多22.62%,在此子流域進行海綿城市措施的雨水有效性處理能力提高了13.55 mm;通過增加占用45.24%的RGs面積,使得方案3與方案1相比效率增加了100%;通過增加59.86%子流域4的RGs面積和9.99%子流域3的RGs面積,方案4與方案1相比效率增加了200%;方案5與方案1相比,通過將子流域4的RGs面積增加了59.86%,子流域3的RGs面積增加了38.28%,使得方案5的效率提高了300%.

當硝酸鹽是主要變量時,將表3優(yōu)化結(jié)構(gòu)輸入到SWAT中得出結(jié)果進行分析:方案4與方案1相比RGs增加了29.17%;方案2海綿城市雨水處理能力增加了18.6 kg.而添加的RGs面積比方案1多了58.34%時,方案3的效果則是提高了100%;此外,方案1進一步考慮了將子流域3中21.41%的RGs面積增加到57.30%的時候,使得處理效果增加了200%.在總磷情況下,由于方案2中子流域3的RGs面積比方案1多了27.61%,因此,方案2海綿城市措施的雨水處理能力增加了11.07 kg;與方案1相比,方案3面積百分比增加了31.04%,效果則是增加了100%.

4 結(jié) 論

1) 本文提出了通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)的具有成本效益的海綿城市條件,并在雨洪管理規(guī)模上分析了海綿城市措施的有效性以及相應(yīng)的成本.為了實現(xiàn)其有效性和成本效益,設(shè)置了5個方案,并針對類型、位置和分配百分比優(yōu)化了海綿城市條件.本優(yōu)化最終為研究雨洪管理的海綿城市規(guī)劃提出了最具成本效益和最有效的指南.

2) 應(yīng)最大程度地提高每種海綿城市設(shè)施的處理效果.因為收集的每個表面徑流,成本收益都呈線性增加.因此,對于每一個施行海綿城市的做法,水管理者都需要集中精力最大化每個地塊的徑流量,以提高成本效益.