海綿城市建設太湖路公園示范區(qū)運行管護模式研究

周曉晗，陳 衛(wèi)

（天津城建大學環(huán)境與市政工程學院，天津300384）

天津市中心城區(qū)試點海綿城市示范區(qū)屬于建成區(qū)，存在土地利用率高、硬化面積比例高、地下水位高、土壤滲透系數(shù)低等特點[1]，因此在海綿城市改造過程中應設計有針對性的建設和運行維護模式.天津太湖路公園坐落于海綿城市建設示范區(qū)中，公園內(nèi)部存在大片下沉式綠地和湖泊，在海綿城市滲、滯、蓄、凈、用、排功能的發(fā)揮中，通過滯、蓄功能可在一定程度上彌補示范區(qū)下滲功能弱的不足[2]，所以有必要針對太湖路公園開展運行管護模式研究.通過對太湖路公園的實地考察，針對太湖路公園現(xiàn)狀特點，在低影響開發(fā)（LID）和最佳管理措施（BMPs）的基礎上設計了該示范區(qū)的運行管理和保護的最佳模式，該模式可保證各設施能夠充分發(fā)揮海綿功能.在長期運行過程中可以達到海綿城市考核指標——地表徑流削減率和總懸浮顆粒物的要求，還可以達到凈化水體、合理收集雨水、美化景觀、規(guī)范綠化用水、提高雨水資源利用率的效果，在一定程度上緩解了區(qū)內(nèi)內(nèi)澇，地下水失衡[3]等一系列問題.

1 研究對象與方法

1.1 太湖路公園概況

太湖路公園位于天津市河西區(qū)內(nèi)，占地約7 hm2，該公園西接解放南路，南接外環(huán)南路，如圖1所示.公園內(nèi)部分布有2.3萬m2的人工湖，綠地面積約為4萬m2，各類居民生活服務設施以及停車位若干.

圖1 太湖路公園

1.2 太湖路公園現(xiàn)狀

太湖路公園的各個運行設施有一定的局限性，公園內(nèi)現(xiàn)有植被高度比周邊高，這樣會導致一出現(xiàn)降雨植被不易蓄水，園內(nèi)的人工湖流動性差，容易使湖水中有異味、異物，雨水匯入到湖里后不能得到充分的處理，湖水的水質(zhì)下降；公園內(nèi)的道路沒有設置透水鋪裝等相應的設施，一旦出現(xiàn)降雨的情況路面就會積水，周圍的植被因雨水過多而死亡.同時公園的地下水位高，周圍土地的鹽堿化也比較嚴重，雨水的下滲效果較差，因此在海綿城市方案運用到太湖路公園之前，公園對雨水處理的情況不樂觀.

1.3 方法

SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）是一個動態(tài)的降水-徑流模擬模型，它是在各類低影響開發(fā)（LID）的基礎上將研究地域分成較小的均勻子匯水面積來計算降雨徑流、時變降雨及地表漫流的非線性演算等相關(guān)過程的空間變化，主要用于模擬城市某一單一降水事件或長期的水量和水質(zhì)，在其他非城市區(qū)域也有廣泛的應用[4].

1.3.1 管護模式的設計

模式一（滯留為主，下滲為輔）：當該示范區(qū)出現(xiàn)降雨時，降水首先經(jīng)過的是透水鋪裝設施，只要雨水落到了該太湖路公園的LID設施上，就能增加雨水的下滲作用，雨水沿路面流經(jīng)下凹式綠地中（屬于中間較低，兩邊較高的LID設施），隨后可以流入到該設施中間較低的位置，這樣可以防止多余的雨水流出該設施使周圍路面積水.最后，當降雨量過大，公園內(nèi)的所有存儲設施全部貯存滿時，多余的水量可通過溢流道進入公園內(nèi)的中心湖（見圖2）.中心湖對城市降水起到了削鋒補枯，穩(wěn)定降水的作用，使得該公園的降水能夠得到合理的處置.

圖2 模式一的全局布置圖

模式二（下滲為主，滯留為輔）：當該示范區(qū)出現(xiàn)降雨時，降水首先下滲到園內(nèi)人行道的滲透鋪裝設施，該設施利用降水，不僅可以有效緩解地表積水的問題，還可以充分發(fā)揮該設施的蓄存雨水作用來補充城市的地下水資源，調(diào)節(jié)城市的氣候，這樣可以讓游客在觀賞的過程中既保證安全，又可以感受園內(nèi)良好的環(huán)境氛圍.在地勢不高的地方，各設施在綜合作用下可以去除大顆粒的污染物，同時減緩一定的流速.另外，將降水攔蓄起來，儲存的雨水可以進行灌溉、防汛等用途.當降雨量達到一定的指標，同時所有貯水設施貯存滿時，將多余的水量再排入園內(nèi)的中心湖，通過湖內(nèi)微生物的綜合作用，使得水質(zhì)得到一定的改善，這樣可以調(diào)節(jié)氣候，使得水體達到地表水Ⅳ類的海綿城市考核指標要求（見圖3）.

圖3 模式二的全局布置圖

1.3.2 匯水區(qū)的劃分

研究區(qū)域的面積約為7.6 hm2，綜合考慮降雨時研究區(qū)內(nèi)的水流情況將其劃分為8個子匯水區(qū)域，并在人工湖處設置了一個排水口，同時根據(jù)研究區(qū)域中間低兩邊高的地勢特點設置了相應的出水水流方向線（見圖4），根據(jù)天津市河西區(qū)海綿城市規(guī)劃圖中的管道以及太湖路公園的實際情況綜合考慮，在繪制子匯水區(qū)時就不涉及管道設計，其中各子匯水區(qū)的概況統(tǒng)計如表1所示.

表1 研究區(qū)子匯水區(qū)域概況統(tǒng)計hm2

圖4 子匯水區(qū)的劃分

1.3.3 暴雨設計

根據(jù)《天津市海綿城市設計建設技術(shù)規(guī)范》規(guī)定[5]，天津市暴雨強度分為四個區(qū)，其中本研究區(qū)太湖路公園屬于I區(qū)，根據(jù)暴雨總量和180 min的雨型分配表計算，采用重現(xiàn)期為2，3，5 a的降雨量，在歷時三個小時內(nèi)每五分鐘采集一次降雨量，如表2所示.

表2 第I區(qū)不同重現(xiàn)期24 h暴雨設計值

分別用不同重現(xiàn)期的總降雨量與180 min設計暴雨雨型分配表（見表3）中的百分比進行乘法計算，得到不同重現(xiàn)期下每間隔5 min的降雨量.

表3 180 min設計暴雨雨型分配表

本文對該研究區(qū)模擬出三個情景，即①空白情景：未設置LID設施；②情景一：設置LID設施（下凹式綠地，透水鋪裝）；③情景二：設置LID設施（生物滯留設施，透水鋪裝）.

1.3.4 參數(shù)的確定

根據(jù)《天津市海綿城市建設技術(shù)規(guī)范》以及文獻[6]-[8]搜集了SWMM中LID的相關(guān)參數(shù)進行設置.

根據(jù)透水鋪裝[9-10]的相應設施的有關(guān)規(guī)定，表面植被容積分數(shù)40%、表面粗糙度Ra0.012、表面坡度1.0%；路面的厚度為120 mm、孔隙比18%、不滲透表面積分數(shù)為35%、滲透性為100 mm/h；蓄水厚度設置為360 mm、孔隙比為65%、滲水速率為250 mm/h；渠下的流量指數(shù)設置為0.5.

根據(jù)海綿城市相關(guān)規(guī)定，對下凹式綠地[11-12]的參數(shù)進行相應的設計：表面護堤高度為30.4 mm、表面植被容積分數(shù)為40%、表面粗糙度Ra0.24；其土壤厚度為600 mm、孔隙率為50%、產(chǎn)水能力容積分數(shù)為20%、萎蔫點容積分數(shù)為10%、導水率0.5 mm/h、導水率坡度為10.0、吸上水頭3.5 mm；其蓄水厚度300 mm、孔隙比60%、滲水速率0.5 mm/h；其渠下流量指數(shù)為0.5、偏移高度為6 mm.

根據(jù)上述生物滯留設施[13-14]的相關(guān)設置規(guī)定，其表面設置護堤高度100 mm、植被容積分數(shù)為75%、表面粗糙度Ra0.24、表面坡度百分比為1.0%；其土壤厚度600 mm、孔隙比為50%、產(chǎn)水能力容積分數(shù)為20%、萎蔫點容積分數(shù)為10%、導水率為0.5 mm/h、導水率坡度10.0、吸上水頭為3.5 mm.

本文中的SWMM參數(shù)是套用其用戶手冊的標準和進行模擬推演論文中[15]的參考數(shù)值，其中下滲使用的是HORTON模型，最大下滲速率為20 mm/h、最小下滲速率為10 mm/h、衰減常數(shù)為4、排干時間為7 d.匯流計算時需要的主要參數(shù)坡度為0.5%、不滲透百分比20%、不滲透性N1值為0.012、滲透性N2值為0.05、不滲透性洼地蓄水為3.5 mm、滲透性洼地蓄水為6.5 mm.

2 模擬結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)

通過對各匯水區(qū)的相關(guān)參數(shù)的設置以及計算，對8個匯水區(qū)分別在不同重現(xiàn)期的徑流以及TSS含量進行模擬，由于兩邊高中間低的地勢，水流最后全部匯入?yún)R水區(qū)1（中心湖），由于在SWMM軟件里沒有湖泊模塊，所以軟件里面把匯水區(qū)1默認為普通地塊，所以會有徑流系數(shù)，一般情況下，本身湖泊具有一定的調(diào)蓄作用，所以不會排出多少水，本文就只針對總徑流入量進行分析，所以只考慮匯水區(qū)1的數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4-6所示.

表4 空白情景各重現(xiàn)期匯水區(qū)1的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表5 情景一各重現(xiàn)期匯水區(qū)1的徑流數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表6 情景二各重現(xiàn)期匯水區(qū)1的徑流數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 徑流量比較

通過使用SWMM對三種情景的徑流量進行模擬，在不同的重現(xiàn)期下，三種情景對于匯水區(qū)1的瞬時徑流入數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖5-7所示，圖8為在三種情景下流入?yún)R水區(qū)1的徑流入總和.

由圖5-7可以明顯地看出，在設置LID設施后流入中心湖匯水區(qū)1的徑流量得到了明顯地改善.可見生物滯留設施、下凹式綠地以及透水鋪裝等LID設施能夠明顯地截留雨水，起到儲蓄及下滲雨水的作用，最終流入中心湖的雨水變少.添加LID設施的兩種模式相比，由圖8可以明顯地看出情景一比情景二效果好很多.

圖5 重現(xiàn)期為2 a時匯水區(qū)1的瞬時徑流入值

圖6 重現(xiàn)期為3 a時匯水區(qū)1的瞬時徑流入值

圖8 三種情景匯水區(qū)1的累積徑流入值

圖7 重現(xiàn)期為5 a時匯水區(qū)1的瞬時徑流入值

各匯水區(qū)流入中心湖的徑流入量如表7所示，在重現(xiàn)期為2 a的情況下，模式一比模式二使流入中心湖的徑流多減少了12%；在重現(xiàn)期為3 a的情況下，同樣模式一比模式二流入中心湖的徑流量多減少了12%；在重現(xiàn)期為5 a的情況下，兩種模式流入中心湖的徑流量相比，模式一比模式二多減少了11%.

表7 不同重現(xiàn)期下的三種情景匯水區(qū)1累積徑流量削減率統(tǒng)計%

2.2.2 污染物含量的比較

使用SWMM對三種情景的表面污染物含量進行模擬，其三種情景的匯水區(qū)1的TSS濃度的瞬時變化數(shù)據(jù)如圖9-11所示，三種情景下匯水區(qū)1的TSS的質(zhì)量變化如圖12所示.

圖12 匯水區(qū)1三種情景TSS質(zhì)量的變化

由圖9-11可以看出TSS的濃度在設置LID設施后隨時間的增加而下降，說明LID設施對雨水中污染物起到了一定降解與截留去除的作用，使得最終匯入中心湖的TSS質(zhì)量濃度明顯降低，所以設置LID設施可以改善中心湖中的TSS.但是，設置LID設施的兩種模式相比，情景一的情況下TSS質(zhì)量濃度下降的速率比情景二更快一些，重現(xiàn)期越大，TSS的質(zhì)量濃度也就越高，但是不管重現(xiàn)期為2 a，3 a，5 a，最終模式一比模式二去除截留TSS的效果更好一些，更適合該研究區(qū)，能夠以最快的速率去除TSS.

圖9 重現(xiàn)期為2 a時匯水區(qū)1 TSS質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù)變化

圖10 重現(xiàn)期為3 a時匯水區(qū)1 TSS質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù)變化

圖11 重現(xiàn)期為5 a時匯水區(qū)1 TSS質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù)變化

在重現(xiàn)期為2 a的情況下，模式一比模式二能夠使中心湖TSS的質(zhì)量多下降7%；在重現(xiàn)期為3 a的情況下，兩種模式均使中心湖的TSS質(zhì)量有所下降，但是模式一比模式二的質(zhì)量多下降6%；在重現(xiàn)期為5 a的情況下，模式一比模式二的TSS質(zhì)量多下降5%（見表8）.所以綜上所述，模式一以滯留為主、下滲為輔的下凹式綠地和透水鋪裝設施更適用于該研究區(qū)，該模式能使流入中心湖的TSS的濃度快速率下降，并且還能使TSS的質(zhì)量快速下降，使中心湖的水質(zhì)有一定的改善.

表8 不同重現(xiàn)期下的三種情景匯水區(qū)1 TSS質(zhì)量削減率統(tǒng)計%

3 結(jié)論

（1）經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)模式一，以滯留為主，下滲為輔更適用于太湖路公園.經(jīng)計算表明，在重現(xiàn)期為2 a情況下，未設置LID設施時對雨水的控制率為58%，而使用模式一控制了83%的雨水，模式二控制了77%的雨水；在重現(xiàn)期為3 a的情況下，未設置LID設施時對雨水的控制率為51%，而使用模式一控制了75%的雨水，模式二控制了69%的雨水；在重現(xiàn)期為5 a的情況下，未設置LID設施時對雨水的控制率為45%，使用模式一控制了68%的雨水，模式二控制了61%的雨水.所以，模式一對雨水的控制，更適合該研究區(qū)太湖路公園.

（2）對于懸浮污染物TSS而言，在重現(xiàn)期為2 a的情況下，未設置LID設施時對TSS的控制率為58%，而模式一控制了90%的污染物，模式二僅僅控制了62%；在重現(xiàn)期為3 a的情況下，未設置LID設施時對TSS的控制率為51%，而模式一控制了87%的污染物，模式二僅控制了55%；在重現(xiàn)期為5 a的情況下，未設置LID設施時對TSS的控制率為45%，而模式一控制了85%的污染物，模式二僅僅控制了50%.模式一對TSS的控制，更適合該研究區(qū)太湖路公園.