基于Global mapper耦合SWMM模型的城市內(nèi)澇控制研究

周國(guó)升，呂 謀，劉志壯，岳宏宇(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著城市進(jìn)程的不斷加快，國(guó)內(nèi)大多城市都存在洪澇問(wèn)題，并且伴隨嚴(yán)重的污染物負(fù)荷.暴雨條件下，城市出現(xiàn)洪澇問(wèn)題的原因是多方面的，例如排水管網(wǎng)的承載力有限，城市建設(shè)導(dǎo)致的透水性降低等.

減少城市區(qū)域內(nèi)澇發(fā)生的次數(shù)，解決污染物負(fù)荷問(wèn)題，增強(qiáng)城市區(qū)域的排水能力，并有效地利用雨水資源，使雨水從簡(jiǎn)單排放到有效利用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)把此作為研究的重點(diǎn)方面.低影響開(kāi)發(fā)(Low-Impact Development，LID)理念應(yīng)運(yùn)而生，在城市區(qū)域建設(shè)中布設(shè)綠色屋頂、道路透水鋪裝、雨水花園、雨水桶、自然排水系統(tǒng)等措施調(diào)控洪澇問(wèn)題，有助于減輕城市洪澇對(duì)自然生態(tài)造成的不良影響，有利于自然生態(tài)的發(fā)展，具有不錯(cuò)的社會(huì)、生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益.

研究模擬采用低影響開(kāi)發(fā)(LID)措施對(duì)區(qū)域進(jìn)行徑流控制.LID是一種持續(xù)影響的開(kāi)發(fā)措施，它的目的是通過(guò)提高匯水區(qū)域的滲透率來(lái)更好地處理雨水，更好地模擬雨水自然流態(tài)，根據(jù)實(shí)地情況采用不同的方式，增加雨水形成徑流的時(shí)間，同時(shí)控制雨水沖刷的污染物.LID措施有很多方式，包括道路透水鋪裝、雨水花園、生物滯留設(shè)施、滲渠、植草溝等.

選取試驗(yàn)區(qū)域，分別在無(wú)LID模式和LID模式下模擬，對(duì)比分析匯水區(qū)參數(shù)、檢查井積水?dāng)?shù)量和總積水量、管道負(fù)荷情況和徑流污染物濃度情況，研究分析LID對(duì)城市區(qū)域暴雨條件下水量水質(zhì)的調(diào)控效果.

1 研究方法

1.1 構(gòu)建耦合分析模型

在Global mapper中采用最新的街景圖作為繪制底圖，加載高程地圖，得到信息更準(zhǔn)確的管網(wǎng)圖.在Global mapper軟件中繪制檢查井和管段并添加屬性數(shù)據(jù)后導(dǎo)入GIS系統(tǒng)，在GIS系統(tǒng)繪制匯水區(qū)域并根據(jù)實(shí)地情況進(jìn)行調(diào)整，從Global mapper中獲取整個(gè)區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，裁剪所需區(qū)域，并將其導(dǎo)入GIS中進(jìn)行格柵裁剪，生成坡度，并復(fù)制到各個(gè)匯水區(qū)的屬性表.最后使用inp.PINS軟件將GIS生成的shp格式文件轉(zhuǎn)換成inp文件，在SWMM中設(shè)置，進(jìn)行模型分析.模型構(gòu)建流程如圖1所示.

圖1 模型構(gòu)建流程

1.2 LID措施介紹

雨水徑流調(diào)控多采用低影響開(kāi)發(fā)措施(LID)，低影響開(kāi)發(fā)措施是通過(guò)改變下墊面滲透性來(lái)控制雨水徑流.LID措施改善下墊面情況，增大匯水區(qū)域下滲率來(lái)降低雨水徑流，控制污染物負(fù)荷，不僅能起到良好的調(diào)控效果，還符合可持續(xù)發(fā)展的要求.

LID措施的種類有很多，簡(jiǎn)單介紹幾種主要的LID措施.

透水鋪裝又名透水路面，主要采用透水磚、透水瀝青、鵝卵石等透水率大的多空隙材料作為面層進(jìn)行鋪裝的路面.透水鋪裝適用于承重較輕或交通流量較少的廣場(chǎng)、人行道、小區(qū)道路等路面，其中透水瀝青還可適用于交通路面等.

生物滯留設(shè)施，一般指在地勢(shì)低洼地區(qū)構(gòu)建的植物-土壤蓄水設(shè)施，由多種類植物、土壤和微生物組成，攔截下滲、凈化雨水，可應(yīng)用安裝于不同區(qū)域位置.其結(jié)構(gòu)主要包括蓄水層、覆蓋層和原土層等，主要適用于不同建筑、社區(qū)廣場(chǎng)的內(nèi)部區(qū)域和周邊綠地，以及城市道路綠化帶等.Davis等研究結(jié)果表明，生物滯留設(shè)施消納暴雨徑流效果明顯，有效延緩峰現(xiàn)時(shí)間[1].

雨水花園，由內(nèi)而外一般為礫石層、砂層、種植土壤層、覆蓋層和蓄水層，同時(shí)設(shè)有穿孔管收集雨水，溢流管排除超過(guò)設(shè)計(jì)蓄水量的積水，能夠有效地去除徑流中的懸浮顆粒、有機(jī)污染物以及重金屬離子、病原體等有害物質(zhì).

2 構(gòu)建模型

2.1 模型比較

比較SWMM傳統(tǒng)建模和Global mapper耦合SWMM建模的優(yōu)缺點(diǎn)：

傳統(tǒng)的SWMM建模常用的是導(dǎo)入底圖，根據(jù)底圖繪制檢查井、管段和匯水區(qū)，然后再輸入它們的基本屬性，設(shè)置其他參數(shù)進(jìn)行模擬.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是模型整體比較清晰，有底圖對(duì)應(yīng)，能看清楚街景；缺點(diǎn)是檢查井、管段和匯水區(qū)的基本屬性都需要手動(dòng)輸入，匯水區(qū)邊界的繪制容易存在誤區(qū).傳統(tǒng)的SWMM模型見(jiàn)圖2.

圖2 傳統(tǒng)的SWMM模型

Global mapper耦合SWMM模型是通過(guò)Global mapper，GIS，SWMM的層層導(dǎo)入建立的.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是檢查井、管段和匯水區(qū)基本屬性的計(jì)算準(zhǔn)確，模型圖的準(zhǔn)確性較高；缺點(diǎn)是沒(méi)有底圖的對(duì)照效果，模型建立過(guò)程比較繁瑣.Global mapper耦合SWMM的模型見(jiàn)圖3.

由圖3統(tǒng)計(jì)得出試驗(yàn)?zāi)Ｐ兔娣e大約63.75 hm2，子匯水區(qū)6個(gè)，檢查井29個(gè)，排水管道30條，排放口6個(gè).

2.2 降雨條件設(shè)置

依據(jù)研究區(qū)域降雨特點(diǎn)及水文、水質(zhì)分析目標(biāo)，最終選取對(duì)我國(guó)華北地區(qū)適用性極大的芝加哥降雨模型[2].芝加哥降雨模型中的暴雨強(qiáng)度公式見(jiàn)式(1).

(1)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；t為降雨歷時(shí)，min；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；A，c，b和n均為地方性參數(shù).

根據(jù)相關(guān)資料，青島地區(qū)取A=1 919.009，c=0.997，b=10 740，n=0.738，則青島暴雨強(qiáng)度公式為

(2)

降雨過(guò)程中存在雨峰，通過(guò)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算的降雨數(shù)據(jù)的雨峰系數(shù)r=0.34(雨峰系數(shù)范圍為0

圖4 區(qū)域降雨過(guò)程

2.3 模型參數(shù)設(shè)定

本研究的水文水力模塊采用Horton下滲模型[4]，模型最大下滲率為86.2 mm/h，最小下滲速率為3.332 mm/h，下滲衰減率取4/h，模型采用常用動(dòng)力波演算模型.根據(jù)實(shí)地劃分土地使用類型為房屋、街道和綠地，制作土地使用類型污染物參數(shù)表(表1).

表1 土地使用類型污染物參數(shù)

2.4 LID措施選擇

青島地處北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)且因頻繁受到黃海洋面季風(fēng)氣流影響，城市氣候溫和，四季分明，具有顯著的海洋性氣候特點(diǎn).降雨時(shí)空分布極其不均，年均降雨量662.1 mm.試驗(yàn)區(qū)域位于李滄工業(yè)園，道路多、綠化設(shè)施多、居住區(qū)少.模型選用透水鋪裝、生物滯留設(shè)施、雨水花園3種布置措施.對(duì)模型起始檢查井所在的匯水區(qū)布置LID措施，從初步的模擬結(jié)果看初始檢查井的最大高度均達(dá)到最高井深，但是初始檢查井的平均深度與其他檢查井基本沒(méi)有差距.LID措施布設(shè)情況見(jiàn)表2、圖3.

表2 LID措施布設(shè)情況

3 模擬結(jié)果分析

模型采用3年一遇的降雨強(qiáng)度，降雨歷時(shí)為2 h，模擬徑流時(shí)間4 h，對(duì)比分析LID模式和無(wú)LID模式的模擬情況.選取匯水區(qū)的徑流量和匯水區(qū)參數(shù)，查看所有檢查井的積水情況、統(tǒng)計(jì)積水檢查井的數(shù)量和總積水量，分析管道負(fù)荷，統(tǒng)計(jì)S0匯水區(qū)污染物沖刷量和污染物瞬時(shí)濃度變化，分析LID對(duì)城市區(qū)域暴雨條件下水量水質(zhì)的調(diào)控效果.

3.1 匯水區(qū)模擬數(shù)據(jù)分析

選取初始檢查井所在的區(qū)域，對(duì)布置LID措施的匯水區(qū)S0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，有無(wú)LID措施2種不同模式下匯水區(qū)徑流量變化曲線如圖5所示，匯水區(qū)流量數(shù)據(jù)變化如圖6所示.

由圖5可以看出，LID模式下S0匯水區(qū)徑流量始終小于無(wú)LID模式，由圖6可以看出LID模式下的S0匯水區(qū)總徑流量、洪峰徑流量比無(wú)LID模式分別減少53.5%，69.4%，徑流系數(shù)下降，總下滲量變化幅度不大，這與苗小波、冉小青、洪國(guó)喜等[5-7]的研究結(jié)論基本一致.

3.2 檢查井和管道負(fù)荷分析

查看有無(wú)LID模式下所有匯水區(qū)域檢查井積水情況，無(wú)LID模式有9個(gè)積水點(diǎn)，積水量達(dá)到4456 t；LID模式有4個(gè)積水點(diǎn)，積水量達(dá)到2659 t.有無(wú)LID模式J1井深變化如圖7所示.

相比無(wú)LID模式，LID模式有4個(gè)積水點(diǎn)，總積水量減少40.3%，有效緩解檢查井積水現(xiàn)象，本研究只是在28個(gè)匯水區(qū)中選取了10個(gè)起始檢查井所在的匯水區(qū)布置LID措施，積水點(diǎn)仍然存在，選擇這樣布置的方法起初是因?yàn)槌跏紮z查井都容易滿流，但是從模擬結(jié)果看僅僅在初始檢查井所在的匯水區(qū)添加LID設(shè)施對(duì)解決檢查井溢流問(wèn)題效果并不明顯.從圖7能夠看出J1檢查井的溢流時(shí)間由25 min縮減到2 min，溢流時(shí)間下降92%，溢流情況基本得到解決，LID模式整體井深都有所下降.

為了更清楚地看到檢查井和管道負(fù)荷的變化，導(dǎo)出同一時(shí)刻2種模式下從檢查井J1到排放口OUT5的管段剖面，如圖8和圖9所示.

圖8 無(wú)LID模式下管段剖面

圖9 LID模式下管段剖面

通過(guò)圖8和圖9的比較可以看出，無(wú)LID模式J1檢查井在該時(shí)刻仍然存在溢流現(xiàn)象.分析無(wú)LID模式J1檢查井溢流的原因主要有2點(diǎn)：①?zèng)]有LID措施的調(diào)控作用；②區(qū)域J1—J2管段管徑較小，雨水匯集之后不能及時(shí)排出.無(wú)LID模式管段內(nèi)的水位明顯高于LID模式，這說(shuō)明LID措施的調(diào)控作用明顯.如果把LID模式所有管段管徑都調(diào)成大管徑，即原先400 mm及以下的排水管增加100 mm，400 mm以上的排水管增加200 mm，則LID模式?jīng)]有積水點(diǎn)，檢查井溢流現(xiàn)象會(huì)消失，但是成本會(huì)很高，其他條件也不符合實(shí)際情況；如果所有匯水區(qū)都添加上LID措施，積水情況也會(huì)明顯改善，所以LID措施布置范圍和管段管徑大小是影響雨水合理排放的重要因素.

3.3 徑流污染物負(fù)荷分析

統(tǒng)計(jì)2種模式下S0匯水區(qū)徑流污染物沖刷量，如表3所示.

表3 S0匯水區(qū)徑流污染物沖刷量 kg

從表3可以看出，LID模式下S0匯水區(qū)徑流污染物沖刷量減少明顯；SS，COD，TN和TP分別減少401.413，69.5，3.12和3.399 kg，占無(wú)LID模式的56.4%，46.2%，42.8%和44.4%.

S0匯水區(qū)徑流污染物瞬時(shí)濃度變化如圖10所示.

由圖10可以看出，LID措施對(duì)徑流污染物截留作用明顯，這與姚煥玫、曹震震等[8-9]關(guān)于SWMM模型的研究結(jié)論一致，2種模式下污染物濃度的變化趨勢(shì)和峰值濃度時(shí)間是一致的，這主要是降雨強(qiáng)度(雨強(qiáng)變化是一致的)的增加導(dǎo)致的污染物沖刷增強(qiáng).LID模式下的徑流污染物濃度都低于無(wú)LID模式，這說(shuō)明LID措施能有效截留徑流污染物.4種徑流污染物SS，COD，TN和TP峰值濃度的最大降幅分別為35.7%，33.3%，34.3%，32.9%.

4 結(jié)論

通過(guò)比較Global mapper耦合SWMM建模和傳統(tǒng)SWMM建模，選用模型準(zhǔn)確性更高的Global mapper耦合SWMM方法建模，在10個(gè)起始檢查井匯水區(qū)添加LID措施，分析添加LID措施對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的影響.

1) LID模式下S0匯水區(qū)徑流量始終小于無(wú)LID模式，LID模式下的S0匯水區(qū)總徑流量、洪峰徑流量比無(wú)LID模式分別減少53.5%，69.4%.相比無(wú)LID模式，LID模式下S0匯水區(qū)4種污染物SS，COD，TN和TP峰值濃度的最大降幅分別為35.7%，33.3%，34.3%，32.9%.LID措施對(duì)徑流量、洪峰徑流量、污染物沖刷量、徑流污染物濃度都有明顯的削減作用，降低徑流系數(shù).

2) LID模式有4個(gè)積水點(diǎn)，總積水量減少40.3%，管段水位明顯下降.LID措施有效緩解了積水量，通過(guò)調(diào)整發(fā)現(xiàn)大管徑下檢查井溢流情況會(huì)消失，大范圍的LID措施布置會(huì)明顯改善積水情況.LID布置范圍和管徑是影響雨水合理排放的重要因素.