基于SWMM-MIKE11的LID設(shè)施對區(qū)域水量水質(zhì)控制

王 健，劉 暢，王新慶，李小龍，錢冬旭，陸敏博，楊小麗

(1.悉地(蘇州)勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

1 研究背景

《中國水旱災(zāi)害公報(bào)》顯示，2008—2018年我國每年大約有149座城市發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的下墊面硬化增加了暴雨內(nèi)澇敏感性，破壞了原有的城市水文生態(tài)平衡[1- 2]。因此，海綿城市的理念應(yīng)運(yùn)而生，而LID(Low Impact Development，低影響開發(fā))設(shè)施的構(gòu)建是落實(shí)海綿城市建設(shè)理念、提高區(qū)域水量調(diào)控能力的關(guān)鍵舉措[3]。

SWMM和MIKE11模型憑借其客觀性和可視化的優(yōu)點(diǎn)已成為區(qū)域海綿城市建設(shè)效果評估的重要工具。目前，SWMM被廣泛應(yīng)用于區(qū)域洪峰流量削減效果評估[4]、水質(zhì)水量控制效果評估[5]、LID設(shè)施的成本效益研究[6]等方面。但SWMM無法模擬河道中污染物累積擴(kuò)散及自凈過程[7]，而MIKE11可用于模擬城市河道水環(huán)境變化過程，有效彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)[8]，SWMM和MIKE11模型耦合能夠同時(shí)有效模擬評估區(qū)域與河道的水量水質(zhì)控制效果，且具有較高的適用性和可靠性[9]。有研究者利用SWMM-MIKE11耦合模型評估管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力和區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)[10]，但針對陸域面源污染對河道水質(zhì)的沖擊影響研究較少。同時(shí)，實(shí)際海綿城市建設(shè)過程中各地塊LID設(shè)施都是按照各自服務(wù)面積的年徑流總量控制要求單獨(dú)設(shè)計(jì)，缺乏從區(qū)域年徑流總量控制率的角度對水量控制效果進(jìn)行整體評估和優(yōu)化研究[11]。

因此，本文以南京海綿城市建設(shè)首批試點(diǎn)片區(qū)——丁家莊片區(qū)為研究對象，利用SWMM模擬不同設(shè)計(jì)降雨下的現(xiàn)有LID設(shè)施對區(qū)域水量控制，同時(shí)利用MIKE11模型模擬區(qū)域河道水質(zhì)控制效果，并運(yùn)用SWMM-MIKE11耦合模型優(yōu)化LID設(shè)施建設(shè)方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)區(qū)域水量水質(zhì)控制目標(biāo)。

2 研究區(qū)域概況

(1)區(qū)域概況

研究區(qū)域位于南京市棲霞區(qū)邁燕片區(qū)丁家莊，面積約3.94km2。丁家莊片區(qū)目前已建設(shè)11條道路、5個(gè)公園綠地、20個(gè)小區(qū)公建等海綿項(xiàng)目，LID設(shè)施主要有透水鋪裝、下凹式綠地、旱溪等。片區(qū)排水體制為雨污分流制，其雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為2～3年。

(2)水系現(xiàn)狀

研究區(qū)域內(nèi)包括一條主河(北十里長溝東支)，2條支河(丁家莊溝和柳塘溝)，2條支河均匯入主河，最后流入長江，如圖1所示，各河道基本情況見表1。

圖1 研究區(qū)域河道水系圖

表1 研究區(qū)域各河道基本情況

(3)設(shè)計(jì)降雨特征

設(shè)計(jì)降雨反映了一個(gè)區(qū)域降雨變化規(guī)律，是城市雨洪管理工程和海綿設(shè)施建設(shè)的基本依據(jù)。本研究設(shè)計(jì)降雨量采用2014年修訂的南京市暴雨強(qiáng)度公式(1)推求。綜合考慮排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，本研究采用3、5、10、50a的設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的變化過程由芝加哥雨型進(jìn)行雨量分配的設(shè)計(jì)，雨峰位置系數(shù)r取0.4。

(1)

式中，q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·ha)；P—設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；t—降雨歷時(shí)，min。

3 模型構(gòu)建

SWMM和MIKE11模型耦合能夠同時(shí)有效模擬評估區(qū)域與河道的水量水質(zhì)控制效果[12]，且具有較高的適用性和可靠性[13]。SWMM排口流量和污染物濃度結(jié)果可以作為點(diǎn)源的旁側(cè)入流輸入到MIKE11河網(wǎng)模型中，實(shí)現(xiàn)SWMM和MIKE11模型的耦合。

3.1 SWMM模型構(gòu)建

3.1.1區(qū)域概化與參數(shù)初始化

在利用ARC GIS和CAD管網(wǎng)資料概化子匯水區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)雨水管網(wǎng)走向和街道分布，研究區(qū)域共概化為198個(gè)子匯水分區(qū)、473個(gè)管段、458個(gè)節(jié)點(diǎn)和38個(gè)雨水排口，如圖2所示。

參數(shù)初始化是模型能否順利運(yùn)行的關(guān)鍵，其直接影響模型計(jì)算結(jié)果的精度和可靠性。根據(jù)丁家莊片區(qū)海綿建設(shè)現(xiàn)狀，選取生物滯留池、透水鋪裝、下凹式綠地、旱溪跌水等4種典型的LID設(shè)施進(jìn)行建模。各LID設(shè)施的主要設(shè)計(jì)參數(shù)按照《南京市海綿城市規(guī)劃建設(shè)技術(shù)基礎(chǔ)圖集》(2018)和SWMM用戶手冊進(jìn)行取值，具體取值見表2。

3.1.2參數(shù)率定與模型驗(yàn)證

綜合徑流系數(shù)是衡量區(qū)域水量控制的綜合指標(biāo)，當(dāng)研究區(qū)域缺乏實(shí)測流量和水位數(shù)據(jù)時(shí)，降雨徑流模型可以通過綜合徑流系數(shù)來校準(zhǔn)模型參數(shù)[14]。根據(jù)土地利用性質(zhì)，將研究區(qū)域下墊面概化為屋面、路面和綠地，其徑流系數(shù)參照GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行取值[15]，將綠地徑流系數(shù)定為0.15，屋面徑流系數(shù)定為0.85，路面為0.60，經(jīng)加權(quán)平均得到區(qū)域?qū)嶋H的綜合徑流系數(shù)為0.56。

圖2 SWMM模型區(qū)域概化圖

表2 LID設(shè)施的主要參數(shù)取值

根據(jù)GB 50318—2017《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》要求，城市重要區(qū)域其設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期一般為3～5年，0.56屬于綜合徑流系數(shù)區(qū)間在0.45～0.6的城鎮(zhèn)建筑較密集區(qū)，符合丁家莊片區(qū)目前的開發(fā)程度。因此，分別模擬計(jì)算降雨重現(xiàn)期為3a和5a下的綜合徑流系數(shù)，然后將模擬值與實(shí)際值比較，進(jìn)行參數(shù)的率定和模型驗(yàn)證[16]。誤差分析結(jié)果顯示，3a和5a降雨情景相對誤差分別為9.4%和5.7%。

根據(jù)城市排水系統(tǒng)模型應(yīng)用規(guī)范，降雨模擬結(jié)果可接受的相對誤差區(qū)間為(﹣20%，+10%)[17]。因此，3a和5a降雨情景下相對誤差分別均在可接受區(qū)間內(nèi)，表明模型具有一定的可靠性，能夠大致反映出降雨后區(qū)域水量的變化規(guī)律，模型主要參數(shù)的率定結(jié)果見表3。

3.2 MIKE11模型構(gòu)建

3.2.1河網(wǎng)概化與參數(shù)初始化

河網(wǎng)是水動(dòng)力模塊的基本“骨架”，也是主要的可視化對象。河網(wǎng)概化是MIKE11建模成功的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，河網(wǎng)概化遵循以下步驟：①建立河網(wǎng)文件；②建立變斷面文件；③建立邊界文件；④建立參數(shù)文件。最后，根據(jù)河道水質(zhì)調(diào)查結(jié)果，將8次各污染物的均值作為旱期各河道穩(wěn)定的初始濃度，即模型運(yùn)行的初始條件。

3.2.2參數(shù)率定與模型驗(yàn)證

MIKE11水動(dòng)力水質(zhì)模型參數(shù)較多，為了提高參數(shù)率定的效率，選取污染物衰減常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等主要敏感參數(shù)進(jìn)行率定。參數(shù)率定結(jié)果見表4。

3.3 SWMM-MIKE11耦合

SWMM和MIKE11模型構(gòu)建完成后，進(jìn)行2個(gè)模型的耦合，具體過程如下：①通過SWMM模型，模擬不同設(shè)計(jì)降雨情景下管網(wǎng)排口隨時(shí)間變化的流量和污染物濃度；②根據(jù)確定的時(shí)間步長，將排口數(shù)據(jù)導(dǎo)入新建的時(shí)間序列文件中(MIKE ZERO Time Series)；③將此時(shí)間序列文件，按排口排入河道位置加載到MIKE11邊界文件中，即可進(jìn)行模擬計(jì)算。

4 不同設(shè)計(jì)降雨下LID設(shè)施的水量水質(zhì)控制效果

由于LID設(shè)施在不同地塊與不同降雨重現(xiàn)期的作用差異較大[18]，因此水量控制效果評估選擇節(jié)點(diǎn)積水情況和年徑流總量控制率作為評價(jià)指標(biāo)，水質(zhì)控制效果則選取河道水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果和變化情況進(jìn)行分析。

表3 SWMM模型主要參數(shù)的率定結(jié)果

表4 MIKE11模型主要參數(shù)率定結(jié)果

4.1 節(jié)點(diǎn)積水情況變化

根據(jù)GB 51222—2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》的要求，道路積水深度不能超過15cm，各城市要因地制宜確定設(shè)計(jì)積水時(shí)間[19]。本研究以不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點(diǎn)積水的個(gè)數(shù)對區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。SWMM模擬結(jié)果表明，在不同設(shè)計(jì)情景下LID設(shè)施建設(shè)前后節(jié)點(diǎn)積水?dāng)?shù)量最多的時(shí)刻均在降雨開始后的66min左右，如圖3—4所示，圖中的Node Depth(節(jié)點(diǎn)水深)表示檢查井水深。

圖3 不同重現(xiàn)期下區(qū)域LID設(shè)施建設(shè)前節(jié)點(diǎn)積水情況

圖4 不同重現(xiàn)期下區(qū)域LID設(shè)施建設(shè)后節(jié)點(diǎn)積水情況

雨水管網(wǎng)資料表明，區(qū)域管網(wǎng)埋深均值約為2.4m，因此當(dāng)節(jié)點(diǎn)深度大于2.4m時(shí)有發(fā)生內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)，將其統(tǒng)計(jì)為一個(gè)積水點(diǎn)，圖中用紅色的點(diǎn)表示。從圖3—4可以看出，LID設(shè)施建設(shè)前，當(dāng)遭遇特大降雨時(shí)積水點(diǎn)主要分布在寅春路、和悅街和瑞麗路，這與海綿城市建設(shè)前丁家莊片區(qū)淹水隱患排查中易發(fā)生內(nèi)澇積水的位置基本一致，表明模型能較好反映實(shí)際情況。LID設(shè)施建設(shè)后，區(qū)域在遭遇3年一遇和5年一遇降雨時(shí)沒有積水點(diǎn)產(chǎn)生；在遭遇10年一遇和50年一遇降雨時(shí)，積水點(diǎn)的消除率分別達(dá)到84.6%和70.9%，表明LID設(shè)施能有效降低區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)；但是LID設(shè)施截流、蓄水容量有限，區(qū)域積水點(diǎn)的個(gè)數(shù)隨著降雨重現(xiàn)期的增大而增多。

4.2 年徑流總量控制率評估

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[20](以下簡稱《指南》)的要求，年徑流總量控制率是評估海綿城市建設(shè)成效的重要指標(biāo)，即在年徑流控制率對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量下不產(chǎn)生地表徑流。按照《指南》要求和南京市降雨資料，其年徑流總量控制率75%的要求對應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為24.6mm。該設(shè)計(jì)降雨量為長歷時(shí)24h雨量，根據(jù)1984年版《江蘇省暴雨洪水圖集》提出的24h設(shè)計(jì)暴雨雨型對設(shè)計(jì)雨量進(jìn)行分配，得到設(shè)計(jì)雨量的24h降雨過程，如圖5所示。

圖5 南京市24.6mm設(shè)計(jì)雨量24h降雨過程

將圖5中步長為1h、長達(dá)24h時(shí)間序列的降雨數(shù)據(jù)輸入SWMM模型中，評估年徑流總量控制率。SWMM模擬結(jié)果表明，區(qū)域徑流量為3.77mm，表明研究區(qū)域現(xiàn)有LID設(shè)施建設(shè)未達(dá)到年徑流總量控制率75%的要求。

4.3 河道水質(zhì)控制效果分析

4.3.1MIKE11水質(zhì)模擬結(jié)果

本研究區(qū)域?qū)儆诔鞘泻泳W(wǎng)區(qū)，雨水管網(wǎng)和河道護(hù)坡建設(shè)相對完善，徑流污染主要通過管網(wǎng)(排口)以點(diǎn)源形式排入河道[21]，因此，本文利用SWMM模型將徑流污染(面源污染)轉(zhuǎn)換為管網(wǎng)點(diǎn)源分別排入3條河道，并利用模型模擬計(jì)算不同重現(xiàn)期下各個(gè)雨洪排口污染物負(fù)荷，進(jìn)而計(jì)算得到不同重現(xiàn)期下排入?yún)^(qū)域河道的徑流污染總負(fù)荷，整個(gè)區(qū)域海綿建設(shè)前后徑流污染變化情況如圖6所示。

4.3.2水質(zhì)實(shí)測結(jié)果

表5 北十里長溝的單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)

圖6 LID設(shè)施建設(shè)前后區(qū)域徑流污染變化

5 基于成本效益分析的LID設(shè)施建設(shè)方案比選

5.1 現(xiàn)狀分析

由模擬結(jié)果可知，現(xiàn)狀條件下研究區(qū)域河道水質(zhì)總體上能達(dá)到地表Ⅳ類，且在設(shè)計(jì)降雨徑流對河道水質(zhì)造成沖擊影響后，河道水質(zhì)可快速恢復(fù)；但研究區(qū)域年徑流總量控制率不達(dá)標(biāo)，故需進(jìn)一步優(yōu)化LID設(shè)施建設(shè)。由于子匯水區(qū)的地表徑流量與匯水面積基本呈正相關(guān)[23- 24]，結(jié)合實(shí)際LID建設(shè)條件，對14個(gè)面積大于2ha的子匯水區(qū)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并保持其余子匯水區(qū)LID設(shè)施不變，分析區(qū)域水量控制效果。選取的14個(gè)子匯水區(qū)總面積為37.46ha，約占整個(gè)研究區(qū)域面積的10%。

實(shí)際工程應(yīng)用中，需考慮工程建設(shè)成本。本研究參考《指南》推薦的LID設(shè)施建設(shè)單價(jià)，計(jì)算不同組合方案下的單位徑流量削減量成本，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，C—單位徑流量削減量的成本，元/m3；M—LID設(shè)施造價(jià)，元；V—削減的徑流量，m3。

5.2 方案比選

透水鋪裝和下凹式綠地在徑流總量控制方面效果較好，且適用范圍廣；研究區(qū)域內(nèi)屋頂面積占比為45.5%，且南京市規(guī)定新建小區(qū)綠色屋頂率不低于30.0%，所以新增綠色屋頂也是有效的控制方法；此外，雨水罐屬于地面屋面均適用的灰色設(shè)施，徑流總量控制效果好。因此，選取的14個(gè)子匯水區(qū)中可考慮增設(shè)透水鋪裝、下凹式綠地、綠色屋頂和雨水罐4種LID設(shè)施的優(yōu)化組合；控制不同組合方案削減徑流量相等，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)狀考慮增設(shè)LID設(shè)施的實(shí)施可行性。具體組合方案見表6，由表6可知，方案一的單位徑流量削減量成本最低。因此，本研究區(qū)域?yàn)檫_(dá)到年徑流總量控制率75%的要求，可考慮增設(shè)透水鋪裝和下凹式綠地。

6 結(jié)論

(1)基于地理數(shù)據(jù)資料和設(shè)計(jì)資料，輔以ARC GIS和CAD構(gòu)建了SWMM-MIKE11耦合模型，以綜合徑流系數(shù)和實(shí)測河道水質(zhì)數(shù)據(jù)為評價(jià)指標(biāo)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，表明模型可靠性高，基本能夠反映降雨后區(qū)域水量水質(zhì)變化規(guī)律。

表6 不同LID組合方案下的區(qū)域水量平衡及成本

(2)LID設(shè)施建設(shè)能夠明顯降低區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)并控制徑流污染。LID設(shè)施建設(shè)后，研究區(qū)域在遭遇3年一遇和5年一遇降雨時(shí)沒有積水點(diǎn)產(chǎn)生；在遭遇10年一遇和50年一遇降雨時(shí)，積水點(diǎn)的消除率分別達(dá)到84.6%和70.9%；河道水質(zhì)達(dá)到控制要求。

(3)為提高研究區(qū)域徑流削減能力，在現(xiàn)有LID設(shè)施建設(shè)基礎(chǔ)上，對透水鋪裝、下凹式綠地、綠色屋頂和雨水罐等4種LID設(shè)施的不同組合方案進(jìn)行了比選；結(jié)果表明，增設(shè)透水鋪裝和下凹式綠地可取得較好的徑流削減效果。