海綿城市生態(tài)單元的功能研究
——以武夷山市為例

齊 迪

(大連理工大學(xué)環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連116024)

近年來，為落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)的相關(guān)要求，以增強(qiáng)城鄉(xiāng)防洪抗旱排澇能力為主要目標(biāo)的海綿城市工程，開始成為城市建設(shè)工程領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。在防洪排澇功能之外，海綿城市工程還是實(shí)現(xiàn)城市水生態(tài)環(huán)境修復(fù)及改善等多重目標(biāo)的有效手段。海綿城市建設(shè)實(shí)質(zhì)上是通過滲、滯、蓄、凈、用、排等措施，將降水就地消納并進(jìn)行回收利用[1]。其核心理念與循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念高度契合，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑。海綿城市建設(shè)的本質(zhì)是構(gòu)建雨水系統(tǒng)設(shè)施的低影響開發(fā)(Low Impact Development，LID)模式。該模式最早在美國被提出，其本質(zhì)是一種能夠有效緩解降水過程中城市內(nèi)澇及面源污染問題的市政工程理念。低影響開發(fā)主要通過人工濕地等生態(tài)單元設(shè)施來降低雨水徑流量及污染物排放量，基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念實(shí)現(xiàn)開發(fā)區(qū)域的可持續(xù)水循環(huán)。生態(tài)文明作為我國五位一體建設(shè)總布局的關(guān)鍵一環(huán)，其建設(shè)需要與總布局中的經(jīng)濟(jì)建設(shè)等環(huán)節(jié)統(tǒng)籌推進(jìn)。循環(huán)經(jīng)濟(jì)提倡發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，要與生態(tài)環(huán)境相和諧，故通過海綿城市的生態(tài)單元發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，能夠有效推進(jìn)我國生態(tài)文明建設(shè)及五位一體總布局的實(shí)現(xiàn)。

我國關(guān)于海綿城市建設(shè)的研究起步較晚，能夠參考的工程案例也相對較少。加之雨水徑流污染具有時(shí)空分布離散及污染物成分復(fù)雜多變的特征，因此，利用暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，簡稱SWMM)軟件對雨水徑流及水質(zhì)情況進(jìn)行模擬，是當(dāng)前海綿城市研究的重要途徑。SWMM是美國環(huán)保署開發(fā)的雨水管理模型，可模擬降雨過程中地表徑流量及污染物排放總負(fù)荷，是市政工程領(lǐng)域的重要工具軟件[2]。海綿城市工程由若干LID設(shè)施構(gòu)建，LID設(shè)施中的生物滯留系統(tǒng)等生態(tài)單元可通過植物、土壤與微生物的三重協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)水體凈化及可持續(xù)的資源循環(huán)，故其對雨水徑流的攔蓄及凈化功能都較為突出。根據(jù)應(yīng)用位置不同，其又可細(xì)分為人工濕地及生態(tài)樹池等不同生態(tài)單元。在海綿城市中，由構(gòu)筑物及動植物生存其間的景觀單元被稱為生態(tài)單元[3]。生物滯留系統(tǒng)等生態(tài)單元作為小型生態(tài)系統(tǒng)，其運(yùn)行機(jī)制與生態(tài)文明思想高度契合。故本研究通過SWMM軟件建模，對生態(tài)單元為主體構(gòu)建的海綿城市工程的雨水徑流攔蓄及凈化功能進(jìn)行分析，并結(jié)合其對市政設(shè)施灰綠結(jié)合的創(chuàng)新驅(qū)動，從多方面評價(jià)海綿城市生態(tài)單元的功能。

1 研究區(qū)域概況

海綿城市建設(shè)對我國降水較多的南方城市具有更為突出的意義，故選擇處于1 000mm等降水線附近的福建武夷山市中心城區(qū)，作為開展研究及建立SWMM模型的地理信息背景區(qū)域。武夷山市處于江西與福建兩省交界地帶，具有顯著的夏季高溫多雷雨的亞熱帶季風(fēng)氣候特征。市區(qū)中心的崇陽溪沿岸地帶是一個(gè)人員及建筑比較密集的區(qū)域，其土地開發(fā)利用程度在全市處于較高水平。三面環(huán)山的崇陽溪河流沿岸地勢相對平緩，土地不透水率高且排水設(shè)施老舊，因此，該區(qū)域的洪澇風(fēng)險(xiǎn)較高。綜合多方面因素考量，最終選取的SWMM模型建立區(qū)域位于崇陽溪西側(cè)河岸，區(qū)域東側(cè)邊界是當(dāng)?shù)氐某菂^(qū)主干路武夷大道，東北方向與環(huán)島西路緊鄰，西側(cè)及南側(cè)邊界則是百花路以及中洲排洪溝。上述邊界所構(gòu)成的閉合空間便是SWMM模型建立的背景區(qū)域。

2 海綿城市生態(tài)單元的徑流攔蓄及凈化功能模擬

雨水資源具備一定的利用價(jià)值，但是城市地表滲透性不足，為降低暴雨天氣時(shí)城市洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性，雨水只能通過泵站及雨水管網(wǎng)等灰色設(shè)施快速排放，從而導(dǎo)致了雨水資源的浪費(fèi)。由于雨水資源并未能在城市運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)循環(huán)中得到高效合理的利用，因此，傳統(tǒng)的雨水排放模式并不利于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時(shí)，我國城市普遍采用的合流制排水模式，在暴雨天氣時(shí)部分污水會從雨水管網(wǎng)直排到自然水體，對生態(tài)環(huán)境造成污染。而海綿城市的低影響開發(fā)理念則與循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)的要求高度契合，可有效解決上述問題。利用SWMM軟件對武夷山市進(jìn)行海綿城市模擬改造，可對海綿城市生態(tài)單元的雨水徑流攔蓄及凈化功能進(jìn)行模擬，進(jìn)而探究全新的生態(tài)文明建設(shè)路徑。

2.1 研究區(qū)域子匯水區(qū)劃分及管網(wǎng)概化

研究區(qū)域內(nèi)除西部空間留有一定面積的未開發(fā)土地及景觀綠化帶外，區(qū)域剩余空間的建筑密度均處在一個(gè)較高的水平。將衛(wèi)星影像圖作為背景導(dǎo)入到SWMM軟件模型中，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)嘏潘芫W(wǎng)的相關(guān)資料在背景圖上繪制管道及節(jié)點(diǎn)。在繪制過程中略去小管徑及短距離的管道，保留主干管道以完成排水管網(wǎng)的概化。繪制完成后，需要根據(jù)圖紙及相關(guān)資料手動輸入管徑及管道長度。而位于管道兩端的鉸點(diǎn)，則需要手動輸入定義“內(nèi)”底標(biāo)高，并以此來推算管道的坡度大小。最終經(jīng)概化整理得出19條管道(GQ)、19個(gè)管道連接鉸點(diǎn)(J)以及3個(gè)排放口(PFK)。雨水管網(wǎng)的詳細(xì)信息如表1所示。

表1 管道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) m

在排水管網(wǎng)模型概化基礎(chǔ)上，結(jié)合衛(wèi)星地圖及實(shí)際地形便可以對研究區(qū)域進(jìn)行子匯水區(qū)劃分。子匯水區(qū)劃分過程中需要充分考量土地利用類型信息等相關(guān)因素，同時(shí)盡可能保證各子匯水區(qū)在地圖上以規(guī)則圖形呈現(xiàn)。根據(jù)上述劃分原則并結(jié)合相關(guān)資料信息，將研究區(qū)域共計(jì)劃分為19個(gè)子匯水區(qū)，并將其按照ZMJ1～ZMJ19的順序進(jìn)行編號。根據(jù)圖1中的相關(guān)信息，將SWMM模型的土地利用類型劃分為道路、房屋屋頂和綠化帶三大類。參考衛(wèi)星遙感光譜識別的研究成果[4]，并結(jié)合實(shí)際的土地規(guī)劃利用情況，將道路、房屋屋頂和綠化帶的不透水率分別設(shè)定為75%，80%及25%。根據(jù)不同類型的土地在子匯水區(qū)域中的面積占比，加權(quán)求和后得到每一個(gè)子匯水區(qū)域的不滲透性系數(shù)。單一子匯水區(qū)的主要參數(shù)信息如表2所示。

表2 子匯水區(qū)參數(shù)

2.2 降水參數(shù)設(shè)置

降水參數(shù)是建立SWMM模型的重要基礎(chǔ)，在市政排水工程領(lǐng)域，暴雨強(qiáng)度公式是反映降雨規(guī)律、指導(dǎo)城市排水防澇工程設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)施建設(shè)的核心依據(jù)。暴雨強(qiáng)度公式是在分析整理特定地區(qū)歷史雨量記錄的基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法推導(dǎo)出的。我國在市政工程領(lǐng)域常用的暴雨強(qiáng)度公式為：

式中：q——平均降雨強(qiáng)度，mm/min；P——降雨重現(xiàn)期，a；t——降雨歷時(shí)，min；A1、C、b、n——地方參數(shù)，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算確定。

將官方修正測定的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)帶入公式(1)，最終得到的福建武夷山地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式為：

根據(jù)武夷山當(dāng)?shù)胤篮橐?guī)劃文件內(nèi)容，最終選擇的降水模型重現(xiàn)期為20 a。因武夷山地區(qū)降雨持續(xù)時(shí)間通常在2 h以上，故將模型的降雨歷時(shí)設(shè)置為3 h。通過暴雨強(qiáng)度公式只可以計(jì)算出平均降雨強(qiáng)度，為保證模擬數(shù)據(jù)的精度需要完全還原整個(gè)降雨過程。故基于當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式利用芝加哥雨型降水分布，模擬出各時(shí)間點(diǎn)的分鐘降雨量。芝加哥雨型主要基于某一特定重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)，結(jié)合雨峰位置系數(shù)推求，得到設(shè)計(jì)降雨過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)。該模型具有模擬精度高及數(shù)據(jù)誤差低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)研究表明其對我國南方地區(qū)相對適用[5]。將雨型的雨峰位置系數(shù)取值為0.4，隨后便可以通過該系數(shù)及暴雨強(qiáng)度公式構(gòu)建完整的芝加哥雨型曲線。將計(jì)算得出的分鐘瞬時(shí)降水量輸入到SWMM中，最終得到重現(xiàn)期為20 a，降水歷時(shí)為180 min的武夷山地區(qū)芝加哥雨型降水曲線如圖1所示：

圖1 SWMM模型子匯水區(qū)降水曲線

2.3 其他模型參數(shù)設(shè)置

選擇Horton方程作為模型的滲入方程。參考SWMM使用手冊中的推薦取值范圍，同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，設(shè)置最大入滲速率為18 mm/h，最小入滲速率為8 mm/h，入滲衰減系數(shù)為軟件預(yù)設(shè)的4 h-1。將不滲透性及滲透性粗糙系數(shù)N值分別設(shè)定為0.01和0.03。同時(shí)將不滲透性及滲透性洼地蓄水深度分別設(shè)定為12 mm和2 mm。

2.4 研究區(qū)域海綿城市建設(shè)方案及參數(shù)設(shè)置

選擇處于未開發(fā)狀態(tài)的ZMJ12子匯水區(qū)作為海綿城市工程的模擬建設(shè)區(qū)域，在該區(qū)域構(gòu)建人工濕地型的生物滯留系統(tǒng)，通過其對雨水徑流及污染物的攔蓄回用量，來量化分析海綿城市建設(shè)對循環(huán)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)度。在SWMM中生物滯留系統(tǒng)需要定義的參數(shù)有土壤層的厚度、植物覆蓋指數(shù)及蓄水深度等，其相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況如表3所示：

表3 生物滯留設(shè)施參數(shù)

2.5 海綿城市建設(shè)的雨水?dāng)r蓄回用功能分析

在ZMJ12添加生物滯留系統(tǒng)LID控制選項(xiàng)，并按照表3中的參數(shù)設(shè)置LID單元參數(shù)，LID單元的子匯水區(qū)面積占比設(shè)為50%。設(shè)置LID單元前后分別執(zhí)行模擬操作并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，軟件模擬結(jié)果如表4所示。

表4 海綿城市建設(shè)雨水徑流攔蓄模擬效果

根據(jù)軟件模擬的結(jié)果，在3 h的降水過程中海綿城市LID單元共攔蓄雨水徑流650 m3，可對城市內(nèi)澇起到有效的緩解作用。同時(shí)人工濕地?cái)r蓄的雨水經(jīng)凈化后，可作為景觀綠化用水進(jìn)行回用產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值，能夠?qū)ρh(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到顯著的推動作用。

2.6 海綿城市建設(shè)的雨水污染物凈化分析

常見的雨水徑流污染物指標(biāo)有總氮(TN)、總磷(TP)及化學(xué)需氧量(COD)等，上述污染物在地表上以垃圾碎屑的形式累積并在降水時(shí)被雨水沖刷到徑流中。SWMM操作手冊根據(jù)實(shí)測調(diào)研結(jié)果總結(jié)出了城市徑流的水質(zhì)特性表，比較有代表性的雨水徑流污染物濃度情況如表5所示：

表5 城市徑流水質(zhì)特性 mg·L-1

各類污染物溶解到雨水徑流后，會隨著雨水徑流被一同攔蓄到人工濕地中。雨水中的氮磷元素超量直排到自然水體中會引發(fā)水體富營養(yǎng)化，由此引發(fā)的污染已經(jīng)成為水生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的突出問題[6]。但是人工濕地可以將雨水中的TN及TP作為系統(tǒng)植物生長的營養(yǎng)物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了廢物資源化。人工濕地的氮元素轉(zhuǎn)化利用主要通過硝化及反硝化反應(yīng)完成，反硝化反應(yīng)中各類COD污染物可以作為反應(yīng)的碳源，從而實(shí)現(xiàn)了資源化循環(huán)利用。經(jīng)初步估算，在軟件模擬的3 h降水過程中，人工濕地至少可減少1.2 kg的TN污染物排放、0.3kg的TP污染物排放以及53.3 kg的COD污染物排放。其中部分污染物可成為植物及微生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)，重新參與物質(zhì)循環(huán)進(jìn)而進(jìn)行資源化利用。人工濕地等海綿城市單元在實(shí)現(xiàn)資源回收的同時(shí)降低了對自然環(huán)境的影響，故其可以對循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到創(chuàng)新推動作用。

3 海綿城市生態(tài)單元對市政設(shè)施灰綠結(jié)合的推動

雖然以灰色市政設(shè)施為主的傳統(tǒng)排水模式并不符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，但是將灰色基礎(chǔ)設(shè)施完全排除在城市經(jīng)濟(jì)運(yùn)行體制之外也并不符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)原理。而以人工濕地等海綿城市生態(tài)單元為結(jié)合點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)灰色市政基礎(chǔ)設(shè)施與海綿城市綠色設(shè)施的無縫連接，能夠在推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，有效緩解我國的水環(huán)境污染問題。

以武夷山市中心區(qū)域?yàn)槔?，根?jù)模擬建設(shè)方案在中洲排洪溝南側(cè)ZMJ12增設(shè)人工濕地設(shè)施，對研究區(qū)域內(nèi)市政設(shè)施的灰綠結(jié)合便會起到一定的推動作用。在極端暴雨天氣時(shí)，若人工濕地內(nèi)的蓄水容積達(dá)到設(shè)計(jì)上限，為降低洪澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，可利用提升泵將人工濕地的雨水直接引入到中洲排洪溝排放，可最大限度發(fā)揮溝渠等灰色設(shè)施排水速度快的特點(diǎn)。而當(dāng)旱季時(shí)由于人工濕地中的植物生長需要保持一個(gè)最低的水位高度，故當(dāng)降水不足時(shí)需要引入水源補(bǔ)入。在該工況下經(jīng)污水處理廠二級生化處理排放的尾水，可以作為水源引入到人工濕地中。其在補(bǔ)充人工濕地蓄水量及植物生長所需氮磷元素的同時(shí)，還可以通過人工濕地進(jìn)行深度凈化達(dá)到更高的水質(zhì)要求。故通過市政設(shè)施的灰綠結(jié)合，污水廠尾水中的各類污染物可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)減排及資源化利用。

研究表明，在應(yīng)對當(dāng)前的城市內(nèi)澇及水污染問題過程中，在充分利用灰色基礎(chǔ)設(shè)施的速排優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合綠色基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)功能及循環(huán)經(jīng)濟(jì)特性才能達(dá)到事半功倍的效果[7]。而通過海綿城市建設(shè)實(shí)現(xiàn)市政設(shè)施的灰綠結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)市政基礎(chǔ)設(shè)施的最優(yōu)化配置，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)的創(chuàng)新推動。

4 結(jié)論

研究結(jié)果顯示，海綿城市的生態(tài)單元能夠攔蓄26.97%的雨水徑流，并可將其實(shí)現(xiàn)資源化利用。同時(shí)其內(nèi)部的植物可將雨水徑流中的TN及TP等污染物重新帶入到生態(tài)循環(huán)中，從而實(shí)現(xiàn)減量化排放。而以海綿城市生態(tài)單元為結(jié)合還可實(shí)現(xiàn)市政設(shè)施的灰綠結(jié)合，在優(yōu)化資源配置的同時(shí)進(jìn)一步提升各類水體污染物的回收利用率，在實(shí)現(xiàn)污染物低排放的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的高利用。綜上所述，海綿城市生態(tài)單元可以從多方面推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其在滿足可持續(xù)發(fā)展要求的同時(shí)，對生態(tài)文明建設(shè)具有積極的正面意義。