基于LID理論的透水路面雨洪控制模擬分析

王 雷 張 杰 王小龍

(1.河北水利電力學院，河北 滄州 061001；2.河北省巖土工程安全與變形控制重點實驗室，河北 滄州 061001；3.河北省高校水利自動化與信息化應用技術研發(fā)中心，河北 滄州 061001)

我國現(xiàn)處于城鎮(zhèn)化高速發(fā)展時期，不滲透下墊面增加，異常天氣頻發(fā)，降水量明顯增多，城市內澇問題嚴重，傳統(tǒng)的“快排式”防洪排澇方法已無法解決日益突出的內澇問題。海綿城市基于低影響開發(fā)理論，能夠使雨水得到吸納、蓄滲和緩釋，能有效緩解城市內澇，降低非點源污染，具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。

雨水計算模型是研究雨水管理以及低影響開發(fā)技術的一項重要方法。20世紀90年代，我國開始利用計算模型從事雨水管理研究[3]，1993年岑國平等[4]開發(fā)了我國第一個完整的城市雨水管道計算模型，它兼顧了雨水管道的設計、城市雨洪的控制、污染物的防治等功能。隨后，國內其他學者也進行了類似研究，宋耘等[5]通過構建SWMM模型，利用快速推算最大積水深度法很好地模擬了南京“7·18”暴雨積水過程；高曼等[6]采用邊際效益法和成本效益法，研究了山地小區(qū)LID 設施的組合比例規(guī)律；向代鋒等[7]采用修正的Morris篩選法和互信息法，分析了不同重現(xiàn)期洪峰流量、徑流系數(shù)對SWMM參數(shù)的敏感性；周冠南等[8]建立SWMM模型研究了萍鄉(xiāng)市西南片區(qū)的水文響應和成本效益問題，對海綿城市的建設效果進行了評價。然而，國內專門研究透水路面調控雨水水量與水質問題的成果并不多，更鮮有研究透水路面投入使用后的阻塞問題。因此，本文以滄州中歐綠色產業(yè)園為例，構建了SWMM模型，模擬計算透水路面對徑流總量和兩種常見污染物TP、TN的削減效果，探究了透水路面受設計降雨重現(xiàn)期和路面阻塞因子影響的變化規(guī)律，可為透水路面的設計、建設與管理提供一定理論支撐和技術參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為滄州中歐綠色產業(yè)園，地理坐標為東經117°27′4″～117°27′20″，北緯38°24′11″～38°24′29″，該地區(qū)屬暖溫帶大陸季風氣候，年平均氣溫為12.5℃，年平均降水量581mm，夏季受太平洋副熱帶高壓影響，極易形成強降雨。研究區(qū)域建設總面積約11hm2，硬化程度較高，其中屋頂面積達到55.3%，道路和綠地面積占比分別為22.5%和22.2%。

2 SWMM模型構建

借助研究區(qū)域平面布置圖，依據(jù)園區(qū)建筑、道路、場地豎向設計及雨水管線分布情況，按照就近排放原則，將研究區(qū)域劃分為55個子匯水區(qū)、106個節(jié)點和1個排放口。模擬過程中設置為封閉邊界，四周沒有入流，排放口邊界條件設置為自由出流，初始地表無積水。子匯水區(qū)布設情況見圖1。

圖1 子匯水區(qū)布設情況

2.1 參數(shù)輸入與率定

本區(qū)域在構建模型時，根據(jù)項目設計資料、工作手冊確定面積、特征寬度等參數(shù)，下滲速率、曼寧系數(shù)等不確定性參數(shù)需通過率定確定。因該科技園區(qū)剛建立，尚無實測監(jiān)控數(shù)據(jù)，國內常采用劉興坡等[9-10]提出的徑流系數(shù)法經多次調整迭代校準模型參數(shù)。本研究區(qū)域不透水面積比例為77.8%，屬于城鎮(zhèn)建筑密集居住區(qū)，綜合徑流系數(shù)為0.6～0.8，見表1。迭代調整后，重現(xiàn)期為1年時的計算徑流系數(shù)為0.713，在 0.6～0.8之間，滿足要求。

表1 綜合徑流系數(shù)[11]

為了驗證模型在常見重現(xiàn)期下的穩(wěn)定性，繼續(xù)選取重現(xiàn)期為2年和3年進行驗證，當重現(xiàn)期為2年時，徑流系數(shù)為0.771；當重現(xiàn)期為3年時，徑流系數(shù)為0.796，說明本研究采用的參數(shù)具有較高的穩(wěn)定性。研究區(qū)域模型參數(shù)見表2。

表2 研究區(qū)域模型參數(shù)

透水路面設置為半透水路面，路面參數(shù)取值見表3[12]。

表3 透水路面設計參數(shù)

2.2 暴雨強度計算

根據(jù)相關水文氣象資料，滄州市暴雨強度計算公式為

式中:q為設計暴雨強度，L/(s·m2);t為降雨歷時，min;P為重現(xiàn)期,年。

經過查閱相關文獻[13]，了解到所在地區(qū)降雨峰值較為靠前，確定峰值比例r為0.4，降雨歷時為120min，重現(xiàn)期選用1年、2年和3年，降雨量分別為45.95mm、59.47mm和67.62mm，利用芝加哥雨型建立研究區(qū)域降雨過程曲線,見圖2。

圖2 1年、2年、3年重現(xiàn)期降雨過程曲線

3 分析研究

3.1 透水路面對徑流的影響

節(jié)點和積水點統(tǒng)計情況見表4，由表4可知，透水路面改造前，1年重現(xiàn)期時無積水節(jié)點，說明研究區(qū)域基本滿足1年重現(xiàn)期設計要求；當重現(xiàn)期為2年時，有20個節(jié)點發(fā)生積水，積水量為21.0萬m3；重現(xiàn)期達到3年時，積水節(jié)點最多，達到23個，積水量達到45.5萬m3，說明該區(qū)域應對極端降雨能力不足，容易出現(xiàn)區(qū)域內澇。設計透水路面后，2年重現(xiàn)期情況下未出現(xiàn)積水情況，當重現(xiàn)期為3年時，有2個節(jié)點出現(xiàn)積水，積水量為0.3萬m3，說明設置透水路面使內澇情況得到明顯緩解，能夠提高區(qū)域防洪能力，但是隨著重現(xiàn)期增加，透水路面的削減效果有所減弱，這是因為隨著雨量的增大，透水路面蓄水層達到飽和狀態(tài)，降雨量大于蓄水層外排量，地表開始產生大量徑流。

表4 節(jié)點和積水點統(tǒng)計

在不同重現(xiàn)期條件下，研究區(qū)域排放口的徑流隨時間變化的曲線見圖3，由圖3可知，1年重現(xiàn)期時，徑流總量削減39.37%，峰值削減33.78%，峰現(xiàn)時間延緩1min；2年重現(xiàn)期時，徑流總量削減38.18%，峰值削減31.61%，峰現(xiàn)時間延緩3min；3年重現(xiàn)期時，徑流總量削減37.69%，峰值削減24.27%,峰現(xiàn)時間延緩5min，說明透水路面在削減徑流總量、峰值流量方面具有很好的效果，延緩峰現(xiàn)時間方面表現(xiàn)一般。同時，隨著設計重現(xiàn)期的增大，控制效果逐漸降低。

圖3 不同重現(xiàn)期降雨強度及徑流時間過程曲線

透水路面改造前后徑流控制情況見表5，由表5可以看出，透水路面改造后，研究區(qū)域的總體下滲量增加1倍，且徑流量削減約40%；加LID措施后，徑流系數(shù)均控制在0.5以下。

表5 透水路面改造前后徑流控制情況

3.2 污染物TP、TN濃度的影響分析

本文選取雨前的干旱時間為5天，天然雨水中TN濃度取值為1.00mg/L,TP濃度取值為0.02mg/L[14]，不同土地利用類型的積累及沖刷參數(shù)見表6[15-16]。

表6 地表物累計及沖刷參數(shù)

1年、2年、3年重現(xiàn)期兩種污染物濃度變化情況見圖4～圖6，由圖4～圖6可知，在1年、2年和3年重現(xiàn)期設計降雨條件下，透水路面改造前，TP濃度峰值出現(xiàn)的時刻分別為降雨后54min、降雨后55min、降雨后55min；設置透水路面后，TP濃度峰值出現(xiàn)的時刻分別為降雨后56min、降雨后57min、降雨后57min，污染物TP濃度峰值削減率分別為25.00%、19.23%、14.98%。透水路面改造前，TN濃度峰值出現(xiàn)的時刻分別為降雨后55min、降雨后51min、降雨后53min；設置透水路面后，TN濃度峰值出現(xiàn)的時刻分別為降雨后57min、降雨后53min、降雨后55min，污染物TN濃度峰值削減率分別為11.66%、6.48%、3.39%。由此可見，透水路面對于TP、TN兩種污染物濃度峰現(xiàn)時間的影響均不敏感，對削減濃度峰值有較大貢獻，對TP的濃度峰值削減率最大達到25.00%，TN最大達到11.66%，但隨著重現(xiàn)期的增大，濃度峰值削減率有較大程度的降低。

圖4 1年重現(xiàn)期兩種污染物濃度變化

圖5 2年重現(xiàn)期兩種污染物濃度變化

圖6 3年重現(xiàn)期兩種污染物濃度變化

透水路面對污染物TP、TN的影響見表7，由表7可知，設置透水路面后，在1年重現(xiàn)期下，排放口中污染物TP總量削減率達到50.72%，污染物TN總量削減率達到41.60%。透水路面對于兩種污染物總量的削減率要優(yōu)于峰值削減率。

表7 透水路面對污染物TP、TN的影響

3.3 路面阻塞對徑流的影響分析

透水路面投入使用后，路面孔隙會被塵土顆粒、垃圾等物質阻塞，隨著物質的積累，透水路面的滲水能力會逐漸降低。本文設置阻塞因子為200%[17]，模擬透水路面嚴重阻塞后對研究區(qū)域徑流量和污染物濃度的影響規(guī)律，見表8。

由表8可以看出，在設置透水路面條件下，在重現(xiàn)期1～30年時，路面阻塞對徑流系數(shù)沒有影響，但對大重現(xiàn)期(50年)降雨的徑流控制效果影響明顯，徑流系數(shù)增加1.1%，這是由于路面滲透速率降低，雨水的下滲減少，路面出現(xiàn)積水。重現(xiàn)期為1年時，路面阻塞對TP、TN的削減率沒有影響；重現(xiàn)期10年以后，由于阻塞的影響，TP、TN的削減率出現(xiàn)下降趨勢。為避免以上現(xiàn)象，應定期對路面進行清掃維護，保持路面滲水能力，減少地表徑流。

4 結 語

本文構建了滄州中歐綠色產業(yè)園區(qū)地表徑流和非點源污染模型，評估了該研究區(qū)域防洪能力，即僅滿足1年重現(xiàn)期設計，在極端降雨時易出現(xiàn)區(qū)域內澇。進行透水路面改造后，透水路面在削減徑流總量、峰值流量方面具有很好的效果，最大削減率分別達到39.37%和33.78%。但是，透水路面延緩峰現(xiàn)時間能力欠佳，隨著降雨設計重現(xiàn)期增大，徑流削減效果均有所減弱。在處理非點源污染方面，透水路面對于TP、TN兩種污染物濃度峰現(xiàn)時間的影響均不敏感，對削減濃度峰值、總量有較大貢獻，TP峰值削減率和總量削減率分別達到25.00%和50.72%，TN達到11.66%和41.60%，隨著重現(xiàn)期的增大，濃度洪峰削減率、總量削減率有較大幅度下降。同時，路面阻塞對透水路面發(fā)揮滲透能力有較大影響。因此，由于透水路面在延緩峰現(xiàn)時間方面效果較差，在進行海綿化改造時，透水路面應配合其他LID設施使用，且應定期清洗和維護。研究成果可為海綿科技園區(qū)的推廣以及透水路面的設計運維提供一定理論支持。