基于SWMM的某市政道路降雨徑流和水質(zhì)分析

陳 曦, 熊鴻斌, 杜浩強, 謝 進, 劉 娜

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計院(集團)有限公司,安徽 合肥 230051)

近年來,隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展,在市政道路建設(shè)中,傳統(tǒng)的市政排水管道已不足以應(yīng)付大面積地表硬化所帶來的降雨徑流問題,易出現(xiàn)道路積澇、面源污染嚴(yán)重、雨水資源流失等問題,而降雨徑流中的污染物通過城市排水系統(tǒng)直接進入受納水體,對水環(huán)境、水生態(tài)產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅[1-3]。面對這種情況,國內(nèi)外研究者開始探索雨水管理新模式[4-5]。美國提出的 “低影響開發(fā)”(low impact development,LID)提倡利用影響開發(fā)設(shè)施在源頭控制道路雨水徑流,是一種新型道路排水模式,得到廣泛推廣和應(yīng)用[4]。深圳市光明新區(qū)門戶區(qū)36號路和38號路采用LID理念進行建設(shè),開啟了國內(nèi)LID市政道路的探索[6-8]。2014年,國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的構(gòu)建》(試行)[9],有力地推動了LID理念在各種建設(shè)項目的應(yīng)用。但是,由于LID技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用不成熟,尚無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,國內(nèi)市政道路LID雨水系統(tǒng)的設(shè)計缺乏理論體系和計算方法,現(xiàn)有的工程設(shè)計仍處于探索和示范階段[10]。鑒于此,本文使用美國環(huán)境保護署研發(fā)的暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)軟件對陜西咸陽寶泉路LID改造前后徑流的水文和水質(zhì)變化情況進行模擬評估,研究在不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期情況下其水文和水質(zhì)的變化趨勢,以期為市政道路LID設(shè)計提供參考。

模擬區(qū)域為經(jīng)拓寬改造施工的咸陽市寶泉路,東起老寶泉路與老咸興路交叉口,西至漢陵路交叉口,全長1.26 km,紅線寬度60 m,總面積為6.484 4 hm2。根據(jù)工程勘察報告,道路位于渭河北岸二級階地,地面表層為0.3～0.5 m厚的耕植土,其下為濕陷性黃土,厚4.0～6.0 m,濕陷類型為非自重,濕陷等級為Ⅱ-Ⅲ級。

經(jīng)拓寬改造后的寶泉路排水管道仍是傳統(tǒng)模式下的雨水排放系統(tǒng),沒有很好地兼顧自然、生態(tài)、環(huán)保要求,如綠化帶的布置等。目前,此段道路尚無針對 LID 措施的設(shè)計和規(guī)劃,因此,借著本次基于LID理念的城市雨水開發(fā)利用模擬研究契機,將其選為LID措施設(shè)計和模擬的研究區(qū)域。

1 模擬區(qū)域模型的建立

1.1 模擬區(qū)域子匯水分區(qū)概化

匯水區(qū)內(nèi)道路和綠化帶的下墊面分為3種使用類型,即有雨水滯留的不透水路面、無雨水滯留的不透水路面和透水路面。以研究區(qū)域管道坡度及管位布置為依據(jù),將模擬區(qū)域劃分成48個子匯水區(qū)域(ZMJ1～ZMJ48)、50段管渠(GQ1～GQ50,管渠管徑500～1 200 mm),設(shè)檢查井節(jié)點50個(J1～J50)、雨水出流口2個(PFK1、PFK2),各個子匯水區(qū)域的面積在0.078 0～0.249 6 hm2之間。

本研究根據(jù)模擬路段的地勢和土地使用類別,通過查閱相關(guān)文獻[11]確定各個子匯水區(qū)的不透水面積在子匯水區(qū)域總面積中的占比I、各個子匯水區(qū)域無雨水滯留的不透水面積在總不透水面積中的占比IZW、不透水路面與透水路面的曼寧系數(shù)(N不滲透、N滲透)、不透水路面與透水路面的雨水滯留量。研究路段各子匯水區(qū)屬性見表 1所列。

表1 子匯水區(qū)屬性

結(jié)合模擬路段的實際情況、地形資料和土地利用特征表等相關(guān)資料,對模擬路段設(shè)置LID設(shè)施,即利用每個子匯水區(qū)域的現(xiàn)有條件,將現(xiàn)有的綠化帶改建為下凹式綠地。下凹式綠地的特點是下滲量大、有下凹的蓄水空間,地表徑流在流入下凹式綠地后可通過土壤和植物的共同作用削減徑流量及峰值流量,去除地表污染物。經(jīng)過概化后將所有子匯水區(qū)域綠地中的綠化帶改成下凹式綠地,道路紅線附近人行道上栽種的植物保持不變。設(shè)置下凹式綠地后,模擬路段的下凹式綠地總面積為3 993.5 m2,下凹式綠地在各個子匯水區(qū)的面積占比見表2所列。

表2 下凹式綠地占比統(tǒng)計結(jié)果

將下凹式綠地的LID調(diào)節(jié)措施添加到各個子匯水區(qū)域,LID調(diào)控形式選草洼,草洼只設(shè)置表面層。

根據(jù)LID設(shè)施對地表徑流污染物的去除率,設(shè)定下凹式綠地的非點源污染控制最佳措施(best management practices,BMPs)清除效率。

1.2 水文模型參數(shù)設(shè)置

水文模型主要包括地表產(chǎn)流模型和地表匯流模型。根據(jù)模擬路段的現(xiàn)有情況,選擇 Horton 模型模擬路段的產(chǎn)流下滲過程,該模型確定的最大下滲速率為75.00 mm/h,最小下滲速率為3.25 mm/h,衰減系數(shù)為2 h-1,排干時間為4 h[12]。地表匯流采用非線性水庫模型對各個子匯水面積的匯水進行演算,N不滲透=0.013,N滲透=0.150,管道的曼寧系數(shù)為0.013,不透水路面與透水路面的雨水滯留量分別為2、5 mm[13],IZW=70%,地面坡度為0.2%,流量演算應(yīng)用動態(tài)波進行模擬。

1.3 水質(zhì)模型參數(shù)設(shè)置

水質(zhì)模型包括污染物累積模型、污染物沖刷模型和街道清掃模型。使用飽和函數(shù)描述徑流污染物指標(biāo)的積累過程,采用指數(shù)函數(shù)對降雨徑流污染物的沖刷進行模擬。飽和函數(shù)需確定的參數(shù)為污染物指標(biāo)的最大積累量和半飽和積累時間,指數(shù)沖刷函數(shù)需要輸入的參變量為沖刷系數(shù)、沖刷指數(shù)和清掃去除率。化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)、懸浮物(suspended substance,SS)、NH3-N、總磷(total phosphorus,TP)等道路與綠地污染物指標(biāo)飽和累積參數(shù)取值見表3所列,道路與綠地降雨徑流污染物指標(biāo)沖刷參數(shù)初始取值見表4所列。

表3 道路與綠地污染物指標(biāo)飽和累積參數(shù)取值

表4 道路與綠地降雨徑流污染物指標(biāo)沖刷參數(shù)取值

在街道清掃模型中,街道清掃的間隔時間為1 d,地面沉積污染物的削減率為75%[14]。

1.4 LID模擬情景設(shè)置

LID調(diào)控形式選草洼,草洼只設(shè)置表面層。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)論[15]與SWMM用戶手冊對草洼的各個參數(shù)進行率定,設(shè)定下凹式綠地的蓄水深度為50 mm,植被覆蓋率為0.9,表面粗糙系數(shù)為0.015,表面坡度為0.8%,洼地邊坡坡度為5.0。參考在該地區(qū)進行的下凹式綠地對徑流污染物指標(biāo)去除率的小試實驗,設(shè)定下凹式綠地的BMPs清除效率,SS、COD、TP、NH3-N的清除效率分別為60%、39%、43%、52%。

1.5 人工降雨過程線設(shè)計

在設(shè)計降雨曲線的過程中,可用雨峰系數(shù)r(0

(1)

(2)

其中:tb為峰前降雨歷時;ta為峰后降雨歷時;a、b、c為常數(shù)。

求得指定設(shè)計降雨頻率各個歷時的設(shè)計雨量后,通過(1)式、(2)式即可求得設(shè)計暴雨的時程分配。

利用西安市暴雨強度公式計算不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期2 h內(nèi)降雨總量,再根據(jù)(1)式、(2)式進行降雨時程分配,得到當(dāng)設(shè)計降雨重現(xiàn)期P分別為1/2、1、2、3、5 a時2 h降雨隨時間變化曲線。西安市雨峰系數(shù)r的變化范圍為0.30～0.50,選取r=0.33,計算所得2 h降雨時程分配數(shù)值見表5所列。

表5 西安市不同重現(xiàn)期2 h內(nèi)降雨時程分配結(jié)果

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 徑流效果

在各個設(shè)計降雨重現(xiàn)期條件下,模擬區(qū)域2個排放口的地表徑流總量和峰值流量的運行結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同重現(xiàn)期下排放口徑流總量變化

圖2 不同重現(xiàn)期下排放口徑流峰值變化

從圖1、圖2可以看出:在不同重現(xiàn)期下,無LID設(shè)施的情況下徑流總量和峰值流量均高于布置下凹式綠地(有LID設(shè)施)的情況,說明LID設(shè)施能夠削減降雨徑流總量和峰值流量;在P分別為1/2、1、2、3、5 a情況下,有LID設(shè)施對降雨徑流總量的削減率分別為9.1%、7.0%、5.3%、4.8%、4.5%,對降雨徑流峰值流量的削減率分別為22.2%、11.1%、14.3%、12.2%。

隨著P增加,有LID設(shè)施對降雨徑流總量和峰值流量的削減率呈減小的趨勢,這表明下凹式綠地對強度較小的降雨表現(xiàn)出明顯的效果,當(dāng)雨強逐漸增大時,下凹式綠地對地表徑流的削減情況會逐漸降低,其原因是雨量過大將會導(dǎo)致徑流下滲速率更快達到飽和,地表會提前產(chǎn)流,甚至有可能出現(xiàn)雨水在土壤中下滲時間還未完全達到飽和就已經(jīng)形成地表徑流,或者是雨強過大對土壤形成強烈的沖擊,導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞,因此下凹式綠地對雨水徑流的調(diào)控具有一定的適用范圍。本研究中添加的下凹式綠地設(shè)施對徑流總量和峰值流量的削減率都不大,一方面可能是由于模擬路段的綠地面積占比較小,可供改建成下凹式綠地的綠化帶不多,另一方面可能是由于下凹深度較小,因此,當(dāng)能夠改建為下凹式綠地的綠地有限時,可在保證植物能夠正常生存的前提下適當(dāng)增加下凹深度,以此來增大徑流總量與峰值流量的削減率。

2.2 徑流過程

在不同重現(xiàn)期情況下,有、無LID設(shè)施時徑流過程模擬曲線如圖3～圖7所示。

從圖3～圖7可以看出,在P分別為1/2、1、2、3、5 a時,無論是否在模擬區(qū)域內(nèi)布置下凹式綠地,地面開始產(chǎn)生徑流的時間都會落后于降雨剛開始的時間,但這種滯后效果很短暫。

圖3 P=1/2 a時不同用地布局情景的徑流曲線圖4 P=1 a時不同土地利用情景的徑流曲線圖5 P=2 a時不同土地利用情景的徑流曲線

圖6 P=3 a時不同土地利用情景的徑流曲線

圖7 P=5 a時不同土地利用情景的徑流曲線

徑流達到峰值所用的時間也落后于降雨達到峰值的時間,這是由于在剛開始降雨時,雨水落到地表,地表覆被的植物能對雨水起到一定的阻攔和吸收作用,并且在降雨初期,滲透地表的土壤空隙較大,透水率較高,初期雨水能通過土壤充分下滲,從而無法及時匯聚形成徑流。

當(dāng)P分別為1/2、1、2、3、5 a時,布置下凹式綠地的土地利用情景能有效推遲地表徑流形成時間、縮短徑流時長、延緩峰值時間，這是由于在現(xiàn)有綠化土地利用情景的基礎(chǔ)上布置的下凹式綠地改變了現(xiàn)狀用地情景,延長了降雨入滲時間,降雨落到地表進入下凹式綠地后能蓄積在凹地中充分下滲,而不是匯集在地表產(chǎn)生徑流。但隨著P增大,采用下凹式綠地設(shè)施的土地利用情景對徑流時長的縮減效果越來越不明顯,這是由于降雨強度增加導(dǎo)致徑流下滲更快達到飽和狀態(tài),下凹式綠地對徑流時長的縮減、峰值時間的延緩效果越來越弱;對徑流形成時間的延緩程度有限(延緩范圍為1～5 min),對峰值時間的延長效果也不明顯(其范圍為1～10 min),對兩者的延緩效果都小于10 min,對于徑流時間較長的降雨來說效果并不顯著,這可能是由于本研究中模擬地域的下凹式綠地面積占比較小,而且下凹深度不大,因而徑流形成時間與峰值時間的延緩效果并不好。

2.3 水質(zhì)效果

在各個重現(xiàn)期下,模擬路段2個排放口 COD、SS、NH3-N、TP 4種污染物指標(biāo)的排放量模擬結(jié)果如圖8～圖11所示。

在各個重現(xiàn)期下,從污染物指標(biāo)排放量看,無LID設(shè)施時高于有LID設(shè)施時,說明 LID-BMPs設(shè)施在一定程度上能夠削減地表徑流中的污染物。在P分別為1/2、1、2、3、5 a時,LID-BMPs用地布局情景對COD排放量削減率分別為18.57%、21.38%、25.64%、31.65%、33.67%;對SS排放量的削減率分別為18.56%、21.06%、25.65%、28.16%、29.50%;對NH3-N排放量的削減率分別為27.22%、29.18%、32.81%、35.60%、36.56%;對TP排放量的削減率分別為10.00%、16.60%、20.83%、25.95%、27.73%。

圖8 各個重現(xiàn)期雨水排放口SS排放量變化圖9 各個重現(xiàn)期雨水排放口COD排放量變化

圖10 各個重現(xiàn)期雨水排放口NH3-N排放量變化

圖11 各個重現(xiàn)期雨水排放口TP排放量變化

隨著P增加,布置下凹式綠地的土地利用情景對4種污染物指標(biāo)的削減率先逐漸增加后趨于平緩,這是由于污染物沉積較多,模型中設(shè)置的沖刷系數(shù)較大,明顯受到雨強的影響,在雨強較大的情況下,地面的所有污染物大多數(shù)被徑流沖刷進入下凹式綠地中,從而使下凹式綠地裝置對于這些污染物的去除強度達到飽和狀態(tài)。下凹式綠地裝置對COD、SS、NH3-N與TP的削減率隨著降雨強度的增加而增大,但是增加的幅度卻隨著雨強增加而慢慢減小,這說明下凹式綠地裝置對降雨徑流污染物的去除也具有一定的范圍,當(dāng)降雨強度太大時,去除效果將不再顯著。

3 結(jié) 論

通過對該市政道路的LID建設(shè),在不同設(shè)計降雨重現(xiàn)期情況下,布置下凹式綠地的土地利用情景能有效推遲地表徑流形成時間、縮短徑流時長、延緩峰值時間,同時還能對地表徑流總量、峰值流量具有一定的削減效果,但隨著設(shè)計降雨重現(xiàn)期增大,下凹式綠地裝置對降雨徑流總量和峰值流量的削減情況漸漸變得不再明顯,對于降雨強度不大的降雨,下凹式綠地對徑流的削減顯現(xiàn)出更好的效果。

在不同的設(shè)計降雨重現(xiàn)期,在現(xiàn)有土地上布置下凹式綠地后能顯著去除匯入雨水管道的污染物。當(dāng)設(shè)計降雨重現(xiàn)期分別為1/2、1、2、3、5 a時,相對于未布置下凹式綠地的土地利用模式,布置下凹式綠地的土地利用模式對COD排放量的削減率分別增加18.57%、21.38%、25.64%、31.65%、33.67%;對SS排放量的削減率分別增加18.56%、21.06%、25.65%、28.16%、29.50%;對NH3-N排放量的削減率分別增加27.22%、29.18%、32.81%、35.60%、36.56%;對TP排放量的削減率分別增加10.00%、16.60%、20.83%、25.95%、27.73%。下凹式綠地對4種污染物指標(biāo)的削減率呈先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢,這說明隨著降雨強度增大,去除效果將不再顯著。