基于SWMM模型的植草溝調(diào)蓄效果研究

周家兵， 唐 琳， 解建光， 陳耿填

(1.南京市公路事業(yè)發(fā)展中心公路科學(xué)研究所，江蘇 南京 210008；2.南京航空航天大學(xué) 土木與機(jī)場(chǎng)工程系，江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn),地表硬質(zhì)鋪裝導(dǎo)致了下墊面的硬化,削弱了雨水的滲透能力,地表徑流總量隨之增加[1]。近年來(lái),我國(guó)在城市排水系統(tǒng)建設(shè)中投入了大量資源,但是城市內(nèi)澇、區(qū)域積水等現(xiàn)象仍在雨季層出不窮,給人們的正常生活造成了困擾。植草溝作為一種低影響開發(fā)(low impact development,LID)設(shè)施,在替代雨水口或雨水井轉(zhuǎn)輸雨水的同時(shí),由于溝內(nèi)植物對(duì)徑流的截留、過(guò)濾作用,能夠去除徑流中含有的部分污染物[2]。對(duì)城市排水系統(tǒng)而言,植草溝能夠豐富市政排水系統(tǒng)層次,在降雨初期匯集匯水分區(qū)內(nèi)的地表徑流,延緩管網(wǎng)峰值流量大小和出現(xiàn)時(shí)間,從而緩解市政管網(wǎng)壓力。通過(guò)水文模型模擬區(qū)域徑流已廣泛應(yīng)用在海綿設(shè)施效果的評(píng)價(jià)上[3],本文結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況和水文分區(qū)原則構(gòu)建暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM),通過(guò)模擬不同重現(xiàn)期降雨情形下匯水分區(qū)內(nèi)徑流產(chǎn)生情況,為小尺度的海綿設(shè)施建設(shè)以及效果預(yù)估提供參考。

1 工程背景

360省道高淳西段改擴(kuò)建工程全長(zhǎng)13.36 km,其中陽(yáng)江鎮(zhèn)的鎮(zhèn)政府路段長(zhǎng)約200 m。

陽(yáng)江鎮(zhèn)位于江蘇省南京市,根據(jù)已有氣象數(shù)據(jù),南京的年降雨量為1 090.6 mm,且降雨多集中在夏季,占全年降雨量的50%左右。陽(yáng)江鎮(zhèn)地區(qū)水網(wǎng)高度發(fā)達(dá),鎮(zhèn)政府周邊環(huán)繞著以螃蟹養(yǎng)殖為主的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地,各個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)的水體與自然水系相連通,對(duì)自然水系的水質(zhì)有著較高要求。

設(shè)計(jì)在360省道靠鎮(zhèn)政府一側(cè)規(guī)劃建造濕式植草溝,沿360省道走向橫穿政府前的綠地,溝內(nèi)種植黃花鳶尾、千屈菜、美人蕉和水蔥等植物,在避免路面含污徑流直接排入自然水體的同時(shí)兼具一定的景觀效果。植草溝橫斷面采用梯形設(shè)計(jì),濕式植草溝橫斷面如圖1所示。

圖1 濕式植草溝橫斷面

2 模型構(gòu)建

SWMM模型是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署基于水文學(xué)、水動(dòng)力學(xué)開發(fā)的一個(gè)降雨-徑流模擬模型,廣泛運(yùn)用在對(duì)LID設(shè)施的運(yùn)行效果模擬上,由水文、水力、水質(zhì)三個(gè)模塊組成[4]。

2.1 研究區(qū)域概化

研究區(qū)域概化即依據(jù)研究區(qū)域自然地理?xiàng)l件,構(gòu)建SWMM模型的過(guò)程。本文的研究區(qū)域包括鎮(zhèn)政府前的廣場(chǎng)、綠地以及瀝青路面,依據(jù)研究區(qū)域的地形特征以及滲透性,遵循概化原則[5],將整個(gè)研究區(qū)域劃分為子匯水區(qū)5個(gè),排水網(wǎng)管道1段,末端排水口1個(gè),劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域概化圖

2.2 模型參數(shù)

采用源頭削減-中途傳輸-末端調(diào)蓄的徑流排放體系[6],引入外源設(shè)計(jì)雨水,因地制宜且最大限度地布置濕式植草溝,在保證功能性、景觀性的前提下,實(shí)現(xiàn)雨水滲透、傳輸和凈化的目標(biāo)。滲蓄排評(píng)估模型雨水徑流路徑如圖3所示。

圖3 滲蓄排評(píng)估模型雨水排放路徑

結(jié)合研究區(qū)域土壤特性和模型原理,分別對(duì)硬質(zhì)鋪裝和綠地兩大類下墊面進(jìn)行模擬。雨水下滲選用霍頓模型,根據(jù)種植土壤特性,最大入滲速率為76.2 mm/h,最小入滲速率為3.18 mm/h,衰減常數(shù)為4.12 h-1;地表徑流模擬采用非線性水庫(kù)模型,管道傳輸系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)波方程;各項(xiàng)參數(shù)的取值綜合參考模型用戶手冊(cè)中的典型值及相關(guān)文獻(xiàn),并根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)勘察報(bào)告和施工方案設(shè)計(jì)的不同下墊面進(jìn)行設(shè)定,濕式植草溝表面蓄水深度為1.2 m,原有蓄水高度為0.3 m,植被覆蓋率為60%,縱坡坡度為0.5%,各子匯水分區(qū)的面積見表1。

表1 子匯水分區(qū)的面積

由于研究區(qū)域面積較小,故濕式植草溝的布置方式采用場(chǎng)地層布置。濕式植草溝的曼寧系數(shù)取0.3、硬質(zhì)路面的曼寧系數(shù)取0.011。將LID設(shè)施作為一個(gè)獨(dú)立的子匯水區(qū),利用子匯水區(qū)的屬性參數(shù)來(lái)表述植草溝的特征,并將定義好的LID設(shè)施在子匯水區(qū)范圍內(nèi)滿覆蓋。

2.3 設(shè)計(jì)雨型和雨量

雨型是降雨強(qiáng)度在時(shí)間尺度上的分配過(guò)程,能夠精準(zhǔn)地體現(xiàn)地面產(chǎn)流的過(guò)程和徑流流量。芝加哥雨型是以暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)降雨過(guò)程,通過(guò)計(jì)算暴雨強(qiáng)度公式,可以得出某一降雨重現(xiàn)期下降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線。芝加哥降雨過(guò)程線模型引入?yún)?shù)雨峰系數(shù)r(0

通過(guò)芝加哥暴雨過(guò)程線求得不同降雨重現(xiàn)期、不同降雨歷時(shí)下的設(shè)計(jì)雨量后,利用下式求得設(shè)計(jì)降雨在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的時(shí)程分配。

式中:i(tb)、i(ta)為峰前、峰后降雨強(qiáng)度,L/(s·hm2);r為雨峰系數(shù),0

選取設(shè)計(jì)重現(xiàn)期分別為0.33 a、1 a、3 a、5 a、10 a,降雨歷時(shí)為3 h,雨峰系數(shù)r取0.34,不同降雨重現(xiàn)期下的180 min降雨過(guò)程線如圖4所示。

圖4 不同降雨重現(xiàn)期下3 h降雨過(guò)程線

3 結(jié)果與分析

計(jì)降雨選取降雨重現(xiàn)期分別為0.33 a、1 a、3 a、5 a、10 a,降雨歷時(shí)3 h,模擬時(shí)間4 h。研究區(qū)域在滲蓄排評(píng)估模型下,末端排水口的徑流總量隨降雨強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律,1～10 a降雨重現(xiàn)期下的軟件模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 徑流調(diào)蓄效應(yīng)曲線圖

在降雨歷時(shí)為3 h時(shí),降雨重現(xiàn)期為0.33 a的滲蓄排評(píng)估模型末端排水口無(wú)產(chǎn)流,說(shuō)明在降雨量較小的情況下,匯水分區(qū)內(nèi)的徑流流進(jìn)植草溝中,植草溝發(fā)揮了蓄水功能,起到儲(chǔ)水的作用。

由圖4所示的降雨過(guò)程線可知,在降雨的前30 min內(nèi),各降雨重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度差距不大,而后迅速上升,又因?yàn)橛晁刹煌瑓R水分區(qū)流入植草溝需要一定的時(shí)間。故而在其他4個(gè)降雨重現(xiàn)期下,植草溝末段出現(xiàn)徑流的時(shí)間均在1 h左右,且隨著降雨重現(xiàn)期的增大而提前。說(shuō)明隨著降雨過(guò)程的延續(xù),降雨量超過(guò)植草溝容積時(shí)植草溝末端發(fā)生溢流現(xiàn)象。

通過(guò)分析植草溝末端出現(xiàn)徑流的4個(gè)重現(xiàn)期下的產(chǎn)流特征,可以發(fā)現(xiàn)峰值流量的出現(xiàn)時(shí)間約在降雨發(fā)生后的2.5 h,相較于最大暴雨強(qiáng)度的出現(xiàn)時(shí)間延遲1.5 h,出現(xiàn)了遲滯現(xiàn)象。與降雨過(guò)程曲線較為突然的峰值相比,末端排水口的流量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì),這是由于重現(xiàn)期為1 a時(shí)的末端溢出的徑流首先經(jīng)歷了0.5 h的迅速增長(zhǎng)期,之后1 h增長(zhǎng)速率逐漸放緩,總徑流量于2.5 h到達(dá)峰值。

4 結(jié) 論

(1) 在降雨歷時(shí)為3 h、降雨重現(xiàn)期為0.33 a時(shí),滲蓄排評(píng)估模型末端排水口無(wú)產(chǎn)流,植草溝可以較好地收集并儲(chǔ)存匯水分區(qū)內(nèi)的雨水。

(2) 在降雨歷時(shí)為3 h、降雨重現(xiàn)期分別為1 a、3 a、5 a和10 a時(shí),植草溝無(wú)法完全儲(chǔ)存匯水分區(qū)內(nèi)的雨水,會(huì)發(fā)生溢流現(xiàn)象。此時(shí),植草溝的曼寧系數(shù)相較于普通溝渠更大,起到了對(duì)峰值流量的削減作用,峰值流量的出現(xiàn)延后了1.5 h。

(3) 通過(guò)滲蓄排評(píng)估模型得出的峰值流量,可以為植草溝末端排水管道管徑的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。