基于SWMM的白鷺湖排水分區(qū)海綿公園試評(píng)估

黃瑜琪

(貴陽(yáng)建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)區(qū)域土地利用現(xiàn)狀顯著改變，地表不透水面積大幅增加，改變了原有的水文規(guī)律，導(dǎo)致建成區(qū)地表徑流系數(shù)增加、洪峰流量增大、地表匯流時(shí)間縮短、洪峰時(shí)間提前，引發(fā)城市洪水內(nèi)澇災(zāi)害[1～3]，而建設(shè)海綿城市的重要途徑之一是實(shí)現(xiàn)低影響開發(fā)的雨水管理模式(LID)，通過源頭小規(guī)模、分散式的控制措施對(duì)雨水進(jìn)行綜合管理，以確保場(chǎng)地開發(fā)后的水文功能保持其開發(fā)前的狀態(tài)[4]。近年來，國(guó)家也在大力推廣海綿城市建設(shè)，明確建設(shè)目標(biāo)并進(jìn)行海綿城市試評(píng)估。

本文以白鷺湖排水分區(qū)作為典型排水分區(qū)，利用SWMM建立暴雨雨水管理模型，評(píng)價(jià)不同降雨條件下地表徑流狀況、路面積水控制與內(nèi)澇防治及實(shí)施LID措施前后地表徑流污染物削減率等3個(gè)方面。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

白鷺湖公園位于貴陽(yáng)市觀山湖區(qū)，于2017年建成開放，該排水分區(qū)匯水面積為1.73 km2，整體地形地貌為四周高，中間低，東西橫貫1.1 km，南北橫貫1.9 km，項(xiàng)目地塊下墊面主要類型為商業(yè)用地、居住用地、工業(yè)用地、廣場(chǎng)、綠地、水域等。該匯水區(qū)內(nèi)部分降雨地表徑流入白鷺湖，部分進(jìn)入陽(yáng)關(guān)排水干線后進(jìn)入小灣河。

2.2 研究區(qū)SWMM模型建立

2.2.1 研究區(qū)排水系統(tǒng)模型概化

通過實(shí)地勘察調(diào)研典型排水分區(qū)地形地勢(shì)及地下管線資料，將改排水分區(qū)內(nèi)的排水管網(wǎng)進(jìn)行模型概化。每個(gè)排水子區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)排水節(jié)點(diǎn)，排水區(qū)域的支管不進(jìn)行水力計(jì)算，可以直接刪除，僅保留街區(qū)內(nèi)的主干管。由于排水分區(qū)面積不大，認(rèn)為各匯水子區(qū)域降雨條件相同。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置

根據(jù)模型概化原則，將該排水分區(qū)劃分為30個(gè)子匯水區(qū)域，各個(gè)子匯水區(qū)域通過地表徑流就近匯入附近的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(J)，因此管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(J)概化為31個(gè)、31段管段、4處出水口。

2.2.2 降雨條件確定

本次降雨量采用貴陽(yáng)市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算，選用芝加哥雨型對(duì)雨量進(jìn)行時(shí)程分配，共選取了8種不同降雨條件，分別為P=0.5、1.0、3.0、5.0、10、25、30、50a,降雨歷時(shí)120 min，時(shí)間步長(zhǎng)5 min，r=0.40。

2.2.3 參數(shù)率定與驗(yàn)證

本次SWMM模型參數(shù)分為確定性參數(shù)和不確定性參數(shù)兩種，確定性參數(shù)包含匯水區(qū)域面積、坡度、漫流寬度、不透水面積與透水面積比例、管徑、管道長(zhǎng)度等，以上參數(shù)均通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和資料分析所得，不確定性參數(shù)包含下墊面曼寧系數(shù)、洼蓄量、下滲參數(shù)等主要通過參考相關(guān)文獻(xiàn)、模型用戶手冊(cè)[5～8]預(yù)取值，地表產(chǎn)流模型采用Horton模型，地表匯流模型采用非線性水庫(kù)模型模擬，輸送系統(tǒng)的水量模擬采用動(dòng)態(tài)波方式模擬。

圖2 研究區(qū)排水系統(tǒng)模型概化

對(duì)研究區(qū)內(nèi)路面、屋面、綠地等下墊面進(jìn)行降雨徑流水質(zhì)模擬，水質(zhì)指標(biāo)涉及TSS、COD、TN、TP等4種污染因子，其中污染物累積模型采用飽和函數(shù)累積方程描述，污染物沖刷模型采用指數(shù)函數(shù)沖刷方程，輸送系統(tǒng)的水質(zhì)模擬采用完全一階衰減模型，相關(guān)參數(shù)仍通過相關(guān)文獻(xiàn)、周邊地區(qū)特點(diǎn)預(yù)取值所得。

為保證模型模擬的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行率定和驗(yàn)證，在研究區(qū)域市政雨水井、雨水排口設(shè)置了流量計(jì)及水質(zhì)SS在線監(jiān)測(cè)儀，實(shí)地檢測(cè)降雨徑流過程，本次選取了2020年6月23日，白鷺湖附近雨量站實(shí)測(cè)降雨進(jìn)行了分析研究，總降雨歷時(shí)200 min，總降雨量9.4 mm。分別對(duì)水質(zhì)、水量模型中預(yù)估參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)與驗(yàn)證。采用試錯(cuò)法(Trial and error)進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)與驗(yàn)證，利用Nash-Sutcliffe系數(shù)Ens作為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確性及適用性的率定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整參數(shù)，使得模擬值與實(shí)測(cè)結(jié)果更加接近，經(jīng)率定后，實(shí)測(cè)與模擬的出水口流量、水質(zhì)Nash-Sutcliffe系數(shù)Ens均大于0.80，認(rèn)為構(gòu)建的水質(zhì)、水量模型可行。

此時(shí)水量模型的最終參數(shù)確定為：透水、不透水區(qū)的最大洼蓄量分別為6.20 mm和1.40 mm，地表曼寧系數(shù)N值分別為0.14和0.013，管道的曼寧系數(shù)N值為0.013，無洼蓄水不滲透性占不透水性的50%。Horton模型的滲透參數(shù)分別確定為：最大入滲率16.8 mm/h、最小入滲率7.2 mm/h、入滲衰減率為4。水質(zhì)模型的最終參數(shù)確定為清掃頻率為1天1次，去除率為75%，雨前旱天為7 d。

3 模型模擬評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 地表徑流狀況模擬評(píng)價(jià)

根據(jù)上述對(duì)8種不同降雨條件下的地表徑流進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)，隨著總降雨強(qiáng)度的增加，徑流系數(shù)也在增大，但是入滲量占降雨量的比例在逐漸減小。具體徑流系數(shù)變化趨勢(shì)如圖3所示。

因此該排水分區(qū)內(nèi)存在大面積的不透水區(qū)域，造成下滲量對(duì)降雨強(qiáng)度的敏感性減弱，隨著降雨強(qiáng)度的增加，大量雨水進(jìn)入排水管網(wǎng)系統(tǒng)，管網(wǎng)負(fù)荷越來越重，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)也越來越大。

圖3 不同降雨條件下地表徑流系數(shù)變化

3.2 路面積水控制與內(nèi)澇防治模擬評(píng)價(jià)

按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)(2016年版)及貴陽(yáng)市中心城區(qū)排水系統(tǒng)總體規(guī)劃的要求，該排水分區(qū)內(nèi)，雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=3年，內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=50年，且道路積水深度不超過15 cm。

3.2.1 節(jié)點(diǎn)洪流狀況分析

該排水分區(qū)內(nèi)，當(dāng)P》5a時(shí)，區(qū)域會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)洪流，隨著降雨強(qiáng)度的增大，發(fā)生節(jié)點(diǎn)洪流的節(jié)點(diǎn)越多，降雨強(qiáng)度從P=5a增加到P=50a時(shí)，發(fā)生節(jié)點(diǎn)洪流的個(gè)數(shù)從1個(gè)增加到了11個(gè)。，在P=5a、10a、25a、30a、50a的降雨情景中，洪流量最大的節(jié)點(diǎn)均為J12，說明J12在此排水管網(wǎng)中是最大的“瓶頸”，除自身因素外，出水口管徑可能過小都是引起洪流的最大原因(圖4)。

圖4 不同重現(xiàn)期下節(jié)點(diǎn)洪流狀況分析

3.2.2 管道運(yùn)行狀況分析

根據(jù)模擬，與節(jié)點(diǎn)洪流狀況類似，當(dāng)P》5a時(shí)，區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)管道超載，隨著降雨強(qiáng)度的增大，出現(xiàn)管段超載的數(shù)量也在增多，其中，降雨強(qiáng)度從P=5a增加到P=50a時(shí)，發(fā)生管道超載的數(shù)量從1根增加到了12根。

其中滿流時(shí)數(shù)最長(zhǎng)為6、7、26管段，由于該處管道為排水口處的主干管網(wǎng)，各處支線管網(wǎng)水流最終匯流至該管段，致使該管段水流量最大，排水任務(wù)最終，同時(shí)受管徑制約，導(dǎo)致該管段超載運(yùn)行時(shí)數(shù)最長(zhǎng)(圖5)。

圖5 不同重現(xiàn)期下管道滿流狀況分析

3.2.3 路面積水及內(nèi)澇評(píng)價(jià)

根據(jù)上述對(duì)不同降雨條件下排水分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)洪流及管道超載分析，按照SWMM模型中提供了一個(gè)蓄水池模型，并且在處理蓄水池模型時(shí)提供了積水面積—積水深度曲線和泄水量—積水深曲線，將兩組曲線的計(jì)算公式聯(lián)立即可繪制出積水面積隨積水深度變化的曲線。具體不同重現(xiàn)期下路面積水深度及面積表如表1。

表1 不同降雨條件下路面積水分析

由表1可知，P=3年時(shí)，未出現(xiàn)積水。P=50年時(shí)，排水分區(qū)內(nèi)最大積水深度為38 cm，積水面積為1537.51 m2。

3.3 實(shí)施LID措施前后地表徑流污染物削減率評(píng)價(jià)

本次排水分區(qū)內(nèi)設(shè)置有生態(tài)雨水邊溝、透水鋪裝、屋頂綠化、植被緩沖帶等4種LID措施。

隨著降雨強(qiáng)度的增大，對(duì)地表污染物的沖刷有增強(qiáng)，將實(shí)施LID措施前后地表徑流污染物負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比可知，實(shí)施LID措施后，不同降雨條件下，該排水分區(qū)內(nèi)，TSS的地表徑流污染削減率約為7.27%；COD的地表徑流污染削減率約為5.14%；TN的地表徑流污染削減率約為2.51%；TP的地表徑流污染削減率約為1.57%(圖6)。

圖6 不同重現(xiàn)期下地表徑流污染物削減率變化

4 結(jié)論

(1)該SWMM模型經(jīng)率定與驗(yàn)證后，能有效模擬白鷺湖典型排水分區(qū)地表徑流、內(nèi)澇防治、污染物削減等重要特征，模擬真實(shí)性和準(zhǔn)確性較高。

(2)隨著重現(xiàn)期的增大，地表徑流系數(shù)也在增大，但增大比例在降低。

(3)該白鷺湖排水分區(qū)可滿足室外排水規(guī)范中P=3a的雨水管渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但不滿足P=50a內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)。

(4)實(shí)施LID前后TSS的地表徑流污染削減率約為7.27%，遠(yuǎn)小于40%，不滿足要求，建議后期增加初期雨水徑流污染控制措施。