基于SWMM模擬的山地村落雨水徑流凈化設(shè)施建設(shè)強(qiáng)度研究

梁華秋 | Liang Huaqiu李 松 | Li Song

我國(guó)水資源總量豐富但是人均占有量少.鄉(xiāng)村建成區(qū)面積只占城市建成區(qū)的40%，人口卻比城市多，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的缺失以及自然氣候的影響，造成我國(guó)鄉(xiāng)村27%的人生活在缺水地區(qū)，灌溉用水以及人畜飲用水嚴(yán)重缺乏[1-2]。雨水作為可被再利用的水資源，在降雨的初期，由于污染物的溶解以及對(duì)下墊面的沖刷，生成的地表徑流引起的面源污染較為嚴(yán)重，同時(shí)在收集、分流、儲(chǔ)存、再利用的過(guò)程中，也易于受到外部環(huán)境的多次污染。

鄉(xiāng)村收集到的雨水主要消耗方式是用于灌溉、地下水補(bǔ)給等。在雨水收集方面，希臘、澳大利亞、泰國(guó)等都進(jìn)行了相關(guān)的研究。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較為完善的發(fā)達(dá)國(guó)家，澳大利亞和希臘分別采用水平衡模型、日水量平衡法和枯水期需水量法對(duì)于集雨池的最佳規(guī)模進(jìn)行了計(jì)算，滿足了居民25%～50%的需水量[3-4]。Omar[5]等的研究發(fā)現(xiàn)，在盧旺達(dá)，每1/4公頃的耕地會(huì)因?yàn)橛晁占夹g(shù)的使用每年產(chǎn)生約3100美元的提升。

山地村落較適宜的坡度在0～30%之間，作為村落的一種特殊形式，山地村落普遍存在生態(tài)敏感性強(qiáng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度大等問(wèn)題；但同時(shí)也可利用地勢(shì)優(yōu)勢(shì)，借助重力實(shí)現(xiàn)灌溉與雨水收集[6]?；谠搭^管控的低影響開發(fā)設(shè)施（Low Impact Development，LID）的建設(shè)可以提高山地村落的雨水收集效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)良性的水文循環(huán)、提高對(duì)雨水徑流的再利用能力（圖1～2）[7]。但是LID設(shè)施建設(shè)強(qiáng)度的不同也會(huì)引起雨水收集質(zhì)與量之間的矛盾：建設(shè)強(qiáng)度與收集雨水水質(zhì)呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)，與收集雨水總量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)。

圖1 雨洪管理傳統(tǒng)開發(fā)模式

圖2 雨洪管理低影響開發(fā)模式

應(yīng)用水文軟件模擬可實(shí)現(xiàn)LID設(shè)施建設(shè)效果的檢驗(yàn)，同時(shí)確定最適建設(shè)強(qiáng)度區(qū)間。雨洪管理模型（SWMM）是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署開發(fā)的，主要用于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的動(dòng)態(tài)降雨徑流模擬模型，可用于徑流產(chǎn)生、污染物遷移以及LID設(shè)施建設(shè)模擬等方面[8]?，F(xiàn)階段應(yīng)用SWMM軟件對(duì)于低影響開發(fā)以及雨水集蓄的研究集中在城市區(qū)域，依托城市完善的管道體系、凈化設(shè)施以及雨污分流系統(tǒng)對(duì)雨水進(jìn)行收集和處理[9-10]。而將其應(yīng)用于山地村落的研究較少，多為針對(duì)山地城市公園、城市自然程度較高的山地區(qū)域和平原村落的降雨和徑流研究[11-13]。

本文以山地村落雨水集蓄利用體系的建設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，選取對(duì)于生態(tài)敏感性較強(qiáng)的坡地造成的影響較小，并可承接更多雨水的下凹綠地作為典型雨水徑流凈化設(shè)施，并主要進(jìn)行了不同坡度條件下，基于不同建設(shè)強(qiáng)度設(shè)施的應(yīng)用效果研究（圖3）。鄉(xiāng)村雨水收集體系的完善有利于減輕供水負(fù)擔(dān)，提高農(nóng)業(yè)用水的利用率，進(jìn)一步發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。

圖3 雨水集蓄利用體系

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取湖北省建始縣石埡子村及周邊山體作為研究區(qū)域（圖4～5），面積約為120hm2，其中坡度大于10%的區(qū)域占總面積的50%以上，各下墊面面積及綜合徑流系數(shù)參看表1。耕地多位于較平坦處且集中分布，山體開發(fā)強(qiáng)度弱。村中還有一文物保護(hù)單位石埡子老街，道路為青石板材質(zhì)，建筑多為土家吊腳樓，有較高的保護(hù)價(jià)值[14]。

圖4 研究區(qū)域衛(wèi)星影像圖

圖5 研究區(qū)域現(xiàn)狀

表1 下墊面及徑流系數(shù)

該區(qū)域位于恩施州鄂西南山區(qū)北部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，區(qū)域地下水資源豐富、雨量豐沛，年平均雨量在1000～2000mm之間，且集中在4～10月的作物生長(zhǎng)期內(nèi)，對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)十分有利。雨量的充足也帶來(lái)了不利的影響，雨水沖刷及徑流等使該區(qū)域土壤成為水蝕土壤，屬中度侵蝕[15]，在2016年夏季，石埡子村曾經(jīng)歷一輪強(qiáng)降雨，由此引起的山體滑坡等自然災(zāi)害對(duì)于農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了較大的負(fù)面影響[16]。另外，據(jù)2007年—2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，建始地區(qū)酸雨頻發(fā)，危及土壤和作物生長(zhǎng)，因此亟需實(shí)現(xiàn)雨水的管控、雨水收集與再利用[17]。

1.2 研究區(qū)域概化及模型建立

遵循概化簡(jiǎn)化的原則，在泰森多邊形劃分的基礎(chǔ)上依據(jù)研究區(qū)域的地形特征（圖6～7），按照以下原則進(jìn)行子匯水區(qū)的劃分：①每個(gè)子匯水區(qū)只有一個(gè)匯流出口；②以路、高程分界點(diǎn)等作為子匯水區(qū)的劃分邊界；③結(jié)合場(chǎng)地現(xiàn)狀如硬質(zhì)、農(nóng)田等[11]。按以上原則將研究區(qū)域劃分為21個(gè)子匯水區(qū)（圖8）。

圖6 研究區(qū)域坡度圖

圖7 研究區(qū)域坡向圖

圖8 研究區(qū)域概化圖

以子匯水區(qū)中建設(shè)用地較為集中的區(qū)域S6、S8、S9、S10、S11、S18作為改造的重點(diǎn)進(jìn)行集雨體系的建設(shè)，采用減勢(shì)消能——傳輸——集蓄的體系，以解決初期降雨的高污染問(wèn)題和優(yōu)化收集雨水水質(zhì)、水量為先決條件，設(shè)置下凹綠地，實(shí)現(xiàn)雨水的滲透、凈化以及儲(chǔ)存。

模型分為雨量計(jì)、匯水區(qū)域、集水池、水泵以及排水口五部分，通過(guò)將水泵設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)以模擬實(shí)現(xiàn)蓄水池只進(jìn)不排的集水功能（圖8）。

1.3 模塊參數(shù)設(shè)置

（1）子匯水區(qū)域

每一子匯水區(qū)面積按照實(shí)際面積設(shè)置，路徑寬度取面積值的開方值[18]。提取世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（HWSD）土壤數(shù)據(jù)集中該區(qū)域的數(shù)據(jù)，土壤沙、粉沙以及粘土的含量分別為41%、37%、22%，且土壤含水量較低[19]。雨水下滲采用霍頓方程，根據(jù)土壤特征、操作手冊(cè)典型值并參照前人研究成果，將最大入滲速率設(shè)置為152mm/h，最小入滲速率為6mm/h，衰減常數(shù)為4/hr，滲透區(qū)域與非滲透區(qū)域的曼寧系數(shù)分別設(shè)置為0.15和0.013[9，12，20]。

（2）污染物

建始地區(qū)酸雨頻率較高，同時(shí)該地區(qū)黃壤、黃棕壤等呈酸性，更易受到酸雨影響[15]。土壤中NH4的水平較高，另外酸雨的沖刷同樣使得磷元素的流失加劇，所以雨水的沖刷容易導(dǎo)致收集的雨水TN、TP含量過(guò)高、造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化[21]。本研究基于TN、TP兩類污染物，選取指數(shù)增長(zhǎng)函數(shù)進(jìn)行模擬，污染物含量及土地利用參數(shù)設(shè)置參看表2。

表2 污染物及土地利用參數(shù)設(shè)置[20、22]

（3）雨水徑流凈化設(shè)施

雨水徑流凈化設(shè)施通過(guò)SWMM的LID控制器進(jìn)行定義，參數(shù)參看表3。由于進(jìn)行模擬的模型較為簡(jiǎn)易僅體現(xiàn)場(chǎng)地的基本特征，所以該設(shè)施采用子集水區(qū)層面的布置方式，將定義好的設(shè)施直接應(yīng)用在子集水區(qū)中[23]。

表3 雨水徑流凈化設(shè)施參數(shù)[9、20]

2 模型驗(yàn)證與結(jié)果分析

2.1 設(shè)計(jì)降雨選擇

恩施暴雨強(qiáng)度公式如公式（1）所示[24]。其中P 指重現(xiàn)期，t為降雨歷時(shí)。計(jì)算重現(xiàn)期為2年、5年、10年、2 0年的降雨量，分別為45.74mm、56.13mm、63.68mm、71.87mm。在降雨過(guò)程中，前期的8～15分鐘雨水污染程度較高，綜合考慮解決初期降雨污染以及雨水收集的問(wèn)題，研究區(qū)域在引入外源雨水后，需滿足下凹綠地在降雨前15min盡可能減少?gòu)搅髁縖21]。

芝加哥雨型是通過(guò)暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)推導(dǎo)出瞬時(shí)雨強(qiáng)的一種方法，適用于短時(shí)降雨的時(shí)間分配。恩施芝加哥雨型公式如公式（2）所示。模擬降雨歷時(shí)1h，雨峰相對(duì)位置為0.4，時(shí)間步長(zhǎng)為1min，降雨時(shí)程分布參看圖9。

圖9 不同降雨強(qiáng)度下的1h降雨時(shí)程分布

2.2 模型驗(yàn)證

在降雨重現(xiàn)期為2年、5年、10年、20年，降雨歷時(shí)1h，模擬時(shí)間為4h的情況下，將模擬得到的各子匯水區(qū)徑流系數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算，得到綜合徑流系數(shù)為0.38，與使用該區(qū)域下墊面構(gòu)建模型得到的綜合徑流系數(shù)0.43相接近（表1），因此建模適用于場(chǎng)地模擬中。

2.3 模型模擬

（1）雨水徑流凈化設(shè)施建設(shè)強(qiáng)度確定

實(shí)現(xiàn)最終的蓄水目標(biāo)要以解決初期雨水的徑流問(wèn)題為前提。達(dá)西徑流頻率波譜法是基于初期沖刷現(xiàn)象的LID設(shè)施設(shè)計(jì)面積的確定方法，如公式（3）所示[25]。其中WQv是水質(zhì)流量。df、hf分別為生物滯留池的土壤厚度和平均積水深度，K為滲透力單位，tf為完全滲透需要的時(shí)間。

經(jīng)計(jì)算，在2年、5年、10年、20年一遇的降雨條件下，基于解決降雨初期15min沖刷的凈化設(shè)施設(shè)計(jì)面積分別為16469.08m2、16413.97m2、16630.33m2、16002.69m2，分別占研究區(qū)域總面積的7.30%、7.27%、7.37%、7.09%，所以選擇7%為最適建設(shè)強(qiáng)度研究的初始值。

（2）模擬與結(jié)果輸出

在不同降雨強(qiáng)度條件下，分別設(shè)置凈化設(shè)施建設(shè)強(qiáng)度為0%、5%、10%、15%和20%，設(shè)置降雨時(shí)間1h，模擬時(shí)間4h，輸出徑流削減率、集水率以及污染物治理率的數(shù)值參看表4。

表4 雨水集蓄利用體系模擬效益輸出結(jié)果

2.4 定性與定量分析

（1）回歸分析

應(yīng)用層次分析法（圖10～11），針對(duì)各降雨強(qiáng)度以及各要素進(jìn)行權(quán)重分析，分析結(jié)果參看表5～6。

圖10 各要素權(quán)重層次結(jié)構(gòu)模型

圖11 降雨強(qiáng)度權(quán)重層次結(jié)構(gòu)模型

表5 降雨強(qiáng)度權(quán)重

表6 各要素權(quán)重

將表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行各要素在不同降雨強(qiáng)度條件下變化率的分析以及各要素綜合效益的計(jì)算（圖12～15）。

圖12 徑流削減率在不同降雨強(qiáng)度的效率變化

圖13 集水率在不同降雨強(qiáng)度的效率變化

圖14 污染物治理率在不同降雨強(qiáng)度的效率變化

圖15 各要素綜合效率變化

集水率W的綜合效益計(jì)算公式如下所示：

其中，Wi為集水率分值，Ti為降雨強(qiáng)度權(quán)重（i=2，5，10，20）。

徑流削減率R的綜合效益計(jì)算公式如下所示：

其中，Ri為徑流削減率分值，Ti為降雨強(qiáng)度權(quán)重（i=2，5，10，20）。

污染物治理率P的綜合效益計(jì)算公式如下所示：

其中，Pi為污染物治理率分值，Ti為降雨強(qiáng)度權(quán)重（i=2，5，10，20）。

三組結(jié)果回歸方程回歸系數(shù)p均小于0.05，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

分析結(jié)果表明：①在相同降雨強(qiáng)度條件下，集水率等要素?cái)?shù)值與建設(shè)強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系；②在相同建設(shè)強(qiáng)度的前提下，不同降雨強(qiáng)度對(duì)于不同要素的影響程度不同，其中地表徑流變化最小。

（2）建設(shè)強(qiáng)度確定

針對(duì)表3的數(shù)據(jù)制作調(diào)查問(wèn)卷，將其發(fā)放給本專業(yè)內(nèi)專家。綜合考慮雨水徑流凈化設(shè)施產(chǎn)生的效益、建設(shè)的成本以及對(duì)于環(huán)境的改變程度，對(duì)各坡度和建設(shè)強(qiáng)度的該設(shè)施進(jìn)行1～5分的打分，分值越高表明綜合效益越高（表7）。

表7 問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果

對(duì)表7中數(shù)據(jù)按照降雨強(qiáng)度分類并進(jìn)行回歸分析（圖16～19），總得分S的計(jì)算公式如下：

圖16 2年一遇降雨各要素評(píng)分回歸分析

圖17 5年一遇降雨各要素評(píng)分回歸分析

圖18 10年一遇降雨各要素評(píng)分回歸分析

圖19 20年一遇降雨各要素評(píng)分回歸分析

其中si為四類降雨強(qiáng)度條件下的綜合得分分值；wi、ri、pi分別為徑流削減率、集水率以及污染物治理率在不同降雨強(qiáng)度條件下的評(píng)分；Yw、Yr、Yp分別為各要素的權(quán)重；Ti為各降雨強(qiáng)度的權(quán)重（i=2、5、10、20）。

則S=-0.000052×x^3-.022×x^2+0.345×x+2.14，當(dāng)建設(shè)強(qiáng)度取值為7.63時(shí)評(píng)分取得最大值。結(jié)合前文達(dá)西徑流頻率波譜法得到的基于解決初期降雨污染的7%建設(shè)強(qiáng)度，最適建設(shè)強(qiáng)度區(qū)間取值為7%～9%。

將評(píng)分達(dá)到最高時(shí)所取的值代入降雨強(qiáng)度為5年一遇的模型，并輸出結(jié)果。結(jié)果表示在面積較小的山地坡地區(qū)域中持續(xù)一小時(shí)的降雨，徑流過(guò)程往往在1.5～2小時(shí)之間結(jié)束，凈化設(shè)施的建設(shè)對(duì)徑流過(guò)程的中期影響較大，對(duì)于徑流峰值起到了一定的降低作用（表8）。但是，與平原地區(qū)相比，該坡地區(qū)域的凈化設(shè)施建設(shè)無(wú)法推遲徑流的出現(xiàn)時(shí)間，對(duì)于山洪的控制效益也有限。

表8 徑流峰值降低效果

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雨水徑流凈化設(shè)施的建設(shè)強(qiáng)度與雨水收集率、污染物治理率和徑流削減率呈顯著的線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)定性與定量分析，針對(duì)場(chǎng)地提出了基于雨水收集綜合效益的雨水徑流凈化設(shè)施最適建設(shè)強(qiáng)度區(qū)間：7%～9%。最適建設(shè)強(qiáng)度區(qū)間的確定為實(shí)現(xiàn)雨水的高效收集利用提供了量化的指標(biāo)。

節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展既需要以水定產(chǎn)，提高附加值；也需要進(jìn)一步發(fā)掘水資源潛力，充分利用雨水這一自然資源。針對(duì)坡地雨水徑流凈化設(shè)施建設(shè)強(qiáng)度的研究，為山地村落雨水的收集解決了質(zhì)與量之間的矛盾?；诖搜芯康挠晁畯搅鲀艋O(shè)施建設(shè)為山地村落帶來(lái)的不僅是可再利用的雨水資源，還將緩解初期降雨污染、減小地表徑流的沖刷和實(shí)現(xiàn)雨水的高效收集。另外，盡管僅僅應(yīng)用雨水徑流凈化設(shè)施無(wú)法做到對(duì)于山地村落完善的雨洪管控，但是模擬結(jié)果證明其可以有效地緩解洪峰的徑流量，減小對(duì)耕地和建筑的沖擊，避免更大的損失。

在發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)業(yè)用水效率、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的大背景下，鄉(xiāng)村雨水集蓄體系的建設(shè)更應(yīng)發(fā)揮自然的作用，通過(guò)綠色營(yíng)建技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和科學(xué)指引。

資料來(lái)源：

文中圖表均為作者自繪。