基于MFF30的海綿措施規(guī)模優(yōu)化

丁 錄，李翠梅

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

隨著城市化的發(fā)展，大量的生態(tài)土地被改造為不透水下墊面，在減少了雨水下滲量，增加了地表徑流的同時也使得徑流污染物濃度明顯升高,造成了城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)、面源污染加劇的現(xiàn)象[1]。在控制徑流污染的過程中，對整場降雨的徑流污染進行控制的做法既不經(jīng)濟也不現(xiàn)實[2]。研究表明，降雨初期的徑流中污染物的濃度通常是較高的，此時，大量高污染物濃度的初期雨水進入受納水體，形成初期沖刷效應(yīng)，對水環(huán)境造成污染[3]。因此，加強對初期沖刷效應(yīng)的控制可以更好地達到控制徑流污染的目的。

關(guān)于污染物的初期沖刷效應(yīng)，有很多研究學(xué)者[4-5]通過計算初期沖刷質(zhì)量累積比例MFFn的大小來判斷初期沖刷效應(yīng)發(fā)生的強弱。MFFn表示當產(chǎn)生前n%的地表徑流時，累積污染負荷比例與累積徑流比例的比值，MFFn值含義明確且簡單易懂，計算方法也相對簡便，應(yīng)用較為廣泛。目前的研究常根據(jù)MFF30值的大小將初期沖刷效應(yīng)分為無沖刷、弱沖刷、強沖刷三個等級[6]。

海綿城市建設(shè)理念當下常被用于緩解城市內(nèi)澇問題以及提升城市水環(huán)境質(zhì)量，SWMM模型作為一個動態(tài)的降雨-徑流模型，可以模擬徑流及水質(zhì)輸出，以及各種海綿措施的效果。目前，針對于海綿措施的效果評估大多基于整場降雨過程，通過本文研究，希望可以建立SWMM模型，根據(jù)初期雨水沖刷效應(yīng)的緩解效果對不同規(guī)模的3種海綿措施做出評價，并選擇出不同海綿措施最優(yōu)的規(guī)模區(qū)間。

1 研究實例與方法

以宣城市某小區(qū)為例，構(gòu)建SWMM模型，模擬水質(zhì)水量輸出，并通過MFF函數(shù)定量識別不同重現(xiàn)期下，不同規(guī)模的三種海綿措施對于SS和COD兩種污染物的初期雨水徑流沖刷效應(yīng)的緩解效果，以達到海綿措施規(guī)模優(yōu)化的目的。

1.1 模型建立

宣城市某小區(qū)總占地面積7.52 hm2，采用雨污分流制，由36.65%的屋面、36.66%的道路及廣場和26.69%的綠化用地組成，總不透水面積占區(qū)域面積的73.31%。區(qū)域地勢較為平緩，平均坡度為1.8%。

根據(jù)實地考察結(jié)果，研究區(qū)域概化為16個子匯水區(qū)，其中最小的面積為0.281 4 hm2，最大的面積為0.622 0 hm2。模型中包括10條雨水管段，11個節(jié)點（包含1個排水口節(jié)點），概化結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域概化圖

根據(jù)類似研究[7-8]，采用Horton滲透模型進行產(chǎn)流計算；最大入滲率、最小入滲率、衰減常數(shù)以及排干時間分別定為75.6 mm/h、3.35 mm/h、4 h-1、7 d。地表匯流模型采用非線性水庫模型，管道曼寧系數(shù)定為0.013。污染物累積模型選用飽和函數(shù)，污染物沖刷模型選用指數(shù)函數(shù)，街道清掃間隔天數(shù)為一天。具體參數(shù)設(shè)置如表1所列。

表1 水質(zhì)模塊參數(shù)

采用降雨時長為2 h的模擬降雨，選用芝加哥雨型，雨峰位置R為0.4，降雨重現(xiàn)期設(shè)計為1、3、5、10 a四種。由于當?shù)貨]有暴雨強度公式，選用相近的蕪湖市的暴雨強度公式，如式（1）所示。

式中，q 為暴雨強度，L/s·ha；P 為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

1.2 MFF定量識別方法

根據(jù)SWMM模型模擬得出的各重現(xiàn)期下布設(shè)不同規(guī)模海綿措施時的徑流曲線，計算得出產(chǎn)生前30%徑流量的時間tr，結(jié)合模擬得出的污染物曲線，以及徑流總量Q（t）和徑流污染總負荷量M（t），采用MFF30來進行初期雨水徑流沖刷效應(yīng)的定量識別。以MFF30=1作為初期沖刷發(fā)生的定量識別標準，若MFF30值＜1則表示初期沖刷現(xiàn)象沒有發(fā)生；若MFF30值＞1且MFF30值＜2，則說明弱沖刷效應(yīng)發(fā)生；若MFF30值≥2，則說明強沖刷效應(yīng)發(fā)生，其具體表達式如下式中，t為徑流過程中的某一時刻，min；Ct為徑流過程中t時刻的污染物濃度，kg/L；Qt為徑流過程中t時刻的地表徑流量，L/min；M（tr）為徑流過程中至某一時刻的徑流污染總負荷，kg；M（t）為徑流過程的總污染負荷量，kg；Q（tr）為徑流過程中至某一時刻的地表徑流總量，m3；Q（t）為徑流過程的地表徑流總量，m3；n 為徑流過程中的累積徑流量比例。

1.3 LID模塊設(shè)計

研究區(qū)域土地利用類型分為屋頂、道路及廣場、綠化用地，分別對應(yīng)綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池三種海綿措施。為研究不同規(guī)模對于初期沖刷效應(yīng)的影響，每種海綿措施的規(guī)模以最大設(shè)計占比的10%為增長步長由0逐漸增長到最大設(shè)計占比。根據(jù)措施特性以及研究區(qū)域條件，三種海綿措施的最大布設(shè)比例分別設(shè)計為65%、80%、50%，具體布設(shè)設(shè)計比例見表2。

表2 海綿措施布設(shè)比例設(shè)計

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠色屋頂規(guī)模下的污染物MFF30分析

四種降雨強度下，在研究區(qū)域布設(shè)不同規(guī)模綠色屋頂后，SS和COD的初期沖刷質(zhì)量累積比例MFF30值分別見表3。

表3 不同規(guī)模綠色屋頂下SS的MFF30值

由表3可以看出，當綠色屋頂布設(shè)比例由0%增大到9.53%時，各重現(xiàn)期下SS和COD的MFF30值快速減小，并在9.53%～11.91%之間到達第一個低點，這表明在此范圍內(nèi)增加布設(shè)比例的效果是較好的。在這個區(qū)間內(nèi)，綠色屋頂對于污染物的削減效果明顯優(yōu)于對徑流的控制效果，徑流的平均濃度較小，初期沖刷效應(yīng)得到緩解。在第一個低點過后，隨著布設(shè)比例的增加，MFF30值呈現(xiàn)增加的趨勢并達到一個高點，這表明在一定范圍內(nèi)，綠色屋頂規(guī)模的增大對減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)呈負面影響。此時，綠色屋頂對于徑流的控制作用占主導(dǎo)地位，徑流平均濃度較大，初期沖刷效應(yīng)增強。在高點過后，MFF30值隨著布設(shè)比例的增加而減小，逐漸趨向于1，此時，綠色屋頂對于污染物的削減效果和徑流的控制效果均較為良好，初期沖刷效應(yīng)減弱。當重現(xiàn)期為1 a時，23.83%為綠色屋頂同時避免SS和COD初期沖刷效應(yīng)的最小的設(shè)計規(guī)模。但是同時考慮到經(jīng)濟因素，在各重現(xiàn)期下，綠色屋頂布設(shè)的最佳規(guī)模區(qū)間應(yīng)為SS和COD的MFF30值均處于低點的9.53%～11.91%。此外，在此區(qū)間內(nèi)，MFF30值均小于2，說明發(fā)生弱沖刷效應(yīng)，這表明，此規(guī)模綠色屋頂?shù)牟荚O(shè)雖然無法完全避免，但可以大大減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)的發(fā)生。

2.2 不同滲透性鋪裝規(guī)模下的污染物MFF30分析

四種降雨強度下，在研究區(qū)域布設(shè)不同規(guī)模滲透性鋪裝后，SS和COD初期沖刷質(zhì)量累積比例MFF30值見表4。

表4 不同規(guī)模滲透性鋪裝下SS和COD的MFF30值

由表4可知，當滲透鋪裝布設(shè)比例由0%增大到11.73%時，各重現(xiàn)期下SS和COD的MFF30值快速減小，這表明在此范圍內(nèi)增加布設(shè)比例的效果是較好的。當布設(shè)比例處于11.73%～14.66%，MFF30值會到達第一個轉(zhuǎn)折點：MFF30值幾乎不隨著布設(shè)比例的增加而改變。這表明在一定范圍內(nèi)，布設(shè)規(guī)模的增大對減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)沒有影響，在這個區(qū)間內(nèi)，滲透性鋪裝對污染物的削減作用和徑流的控制作用成比例增加，此時徑流平均污染物濃度變化不大，初期沖刷效應(yīng)沒有受到緩解。當布設(shè)比例增加到20.53%～23.46%，MFF30值會到達第二個轉(zhuǎn)折點：MFF30值隨著布設(shè)比例的增加而減小，逐漸趨向于1。此時滲透性鋪裝對于徑流的控制作用可能已經(jīng)達到飽和，而對于污染物的削減作用還在增強，因此初期沖刷效應(yīng)減弱。當重現(xiàn)期為1 a時，29.34%的布設(shè)規(guī)模可以同時避免SS和COD初期沖刷效應(yīng)。但是同時考慮到經(jīng)濟因素，滲透鋪裝布設(shè)的最佳規(guī)模區(qū)間為11.73%～14.66%。

2.3 不同生物滯留池規(guī)模下的污染物MFF30分析

四種不同降雨強度下，在研究區(qū)域布設(shè)不同規(guī)模生物滯留池后，SS和COD初期沖刷質(zhì)量累積比例MFF30值見表5。

表5 不同規(guī)模生物滯留池下SS和COD的MFF30值

由表5可知，各重現(xiàn)期下，SS和COD的MFF30值隨著生物滯留池規(guī)模的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，這表明污染物的初期沖刷效應(yīng)隨著生物滯留池規(guī)模的增大而減小。隨著規(guī)模增大，生物滯留池對于污染物的削減作用和徑流量的控制作用都有良好的效果，徑流的污染物濃度逐漸降低，初期沖刷效應(yīng)得到緩解。當重現(xiàn)期為1 a時，13.35%的布設(shè)規(guī)模可以同時避免SS和COD的初期沖刷效應(yīng)。當重現(xiàn)期大于1 a時，當布設(shè)比例達到10.68%，MFF30值均處于1～2之間，說明發(fā)生弱沖刷效應(yīng)，這表明，生物滯留池的布設(shè)雖然無法完全避免，但可以減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)的發(fā)生。生物滯留池的最優(yōu)規(guī)模13.35%。

2.4 不同海綿措施規(guī)模優(yōu)化分析

當重現(xiàn)期為1 a時，綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池同時避免SS和COD的初期沖刷效應(yīng)的最小設(shè)計規(guī)模為23.83%、29.34%、13.35%，生物滯留池同時避免SS和COD初期沖刷所需的設(shè)計比例為后兩者的56.02%和45.50%。重現(xiàn)期大于1 a時，以最大規(guī)模分別布設(shè)三種海綿措施時，仍均不能完全避免污染物的初期沖刷效應(yīng)，但是可以看到同等規(guī)模布設(shè)海綿措施時，布設(shè)生物滯留池時的SS和COD的MFF30值最低，因此，綜合各重現(xiàn)期，生物滯留池對于減緩初期雨水徑流沖刷效應(yīng)效果最佳。

結(jié)合經(jīng)濟效益與環(huán)境效益后，綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池的最優(yōu)規(guī)模分別為9.53%～11.91%、11.73%～14.66%、13.35%，所對應(yīng)的 MFF30值分別處于 1.15～1.6、1.25～1.6、0.9～1.2 之間。因此，MFF30=1 并不是唯一判斷依據(jù)，對于不同的海綿措施，判斷的標準也不同，應(yīng)同時結(jié)合海綿措施規(guī)模增加與初期沖刷效應(yīng)減緩效果來設(shè)定。

3 結(jié)論

（1）本研究認為盲目增大海綿措施規(guī)模可能對減緩雨水徑流沖刷效應(yīng)有負面影響。

（2）不同海綿措施避免初期沖刷效應(yīng)的最優(yōu)規(guī)模區(qū)間不同，綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池的最優(yōu)規(guī)模分別為9.53%～11.91%、11.73%～14.66%、13.35%。綜合三種海綿措施來說，10%～14%是最優(yōu)選擇。且當規(guī)模受限時，優(yōu)先推薦采用生物滯留池設(shè)施。

（3）MFF值的評價標準的設(shè)定要因地制宜，結(jié)合經(jīng)濟效益與環(huán)境效益，本研究中評價某種海綿措施最優(yōu)規(guī)模的MFF30值對應(yīng)在1.0～1.5之間。