基于SWMM模型的低影響開發與調蓄池組合設施模擬分析

劉 垟， 吳 濤

(安徽建筑大學 環境能源工程學院， 安徽 合肥 230601)

城市水環境是城市生態系統的重要組成部分，在生態調節、涵養水源和防洪防澇等方面起到了重要作用，水質狀況的變化對景觀價值和生態價值有重要影響[1]。近年內，我國城市建設規模持續擴大，城市化進程中逐漸暴露諸多問題，極端暴雨和不透水面積的增加使得內澇頻發和大量污染物溶入城市洪流，產生的面源污染對城市水環境的威脅和破壞日益嚴重[2]?！冻擎偹畡?035年行業發展規劃綱要》中強調了雨水徑流污染物總量的削減，城鎮降雨徑流污染已成為水體污染的主要來源之一[3-4]。

雨水調蓄池作為海綿城市的重要組成部分，在削減洪峰及控制面源污染等方面發揮關鍵作用。詹志威等[5]對武漢巡司河區域的模擬研究表明，箱涵和調蓄池相結合的控制措施具有較大的調蓄能力和輸水能力，在提升研究區域的徑流總量和污染物削減比例方面作用明顯。杜佐道等[6]改造研究區雨水調蓄池與渠道連接形式，由串聯改造為并聯，改建后的洪峰水位及洪峰流量削減率均大幅降低。目前為止，分散的、小規模的低影響開發措施被學者廣泛應用于調污削峰及面源污染治理中，取得了良好效果。但在大中城市的廣泛應用中，逐漸暴露了LID措施存在的問題，如堵塞、材料耐受能力差等。研究表明，可以通過替換合適粒徑材料或增加輔助性設施來進行解決，如增設初沉池、雨水調蓄池等[7]。本文以合肥市翡翠湖為研究對象，利用SWMM模型建立下墊面及管網模型，模擬不同LID措施與雨水調蓄池組合工藝對研究區域的水質改善及雨洪控制效果，為巢湖流域及其他地區的洪澇防治工程提供借鑒意義。

1 項目概況

合肥市位于長江淮河之間，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均溫15.7 ℃，年均降雨量約為1 001 mm[8]。翡翠湖位于翡翠路與繁華大道交口西側，系安徽省在冊小(一)型水庫，占地面積約134.8 hm2。湖區上游是主要匯水區，中下游僅為路面及景區內地表徑流的雨水，整個集水區面積合計約793 hm2?，F有的雨水管網排水直接進入湖體，造成湖水水質惡化。

2 SWMM模型構建

美國環境保護署開發的SWMM模型是一個動態降雨-徑流模擬模型[9]。運用模型中LID模塊對不同重現期下單場暴雨事件過程的洪峰流量、地表徑流和水質變化進行模擬，研究單設調蓄池、LID措施和調蓄池+LID情形下的削減效果。

2.1 模型概化

根據研究區域地形及雨水匯入管道情況，借助鴻業相關軟件及ArcGIS將其概化為44個子匯水區，雨水管網概化為52個連接節點和54條管道，地表徑流分別經12個排放口進入流域內。子匯水區的概化模型圖如圖1所示。

圖1 子匯水區概化模型圖

2.2 暴雨強度公式及雨型

采用合肥市的暴雨強度公式，運用芝加哥雨型進行雨量的時段分配：

(1)

式中：t為降雨歷時，min；P為設計重現期，a；Q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)。

設計暴雨重現期分別為0.5 a、1 a、3 a、5 a，雨峰系數r為0.4，降雨歷時為120 min，降雨歷時間隔為1 min。不同重現期下歷時120 min的芝加哥雨型如圖2所示，降雨強度呈單峰型，先逐漸增加并在48 min左右達到峰值，隨后逐漸減小。

圖2 P=0.5 a、1 a、3 a、5 a設計降雨過程線

2.3 參數確定

參數包括水文和水動力參數。本文選用Horton入滲模型，水文模塊參數主要包括入滲速率、地表坡度和寬度、非滲透面積百分比、曼寧糙率系數等[10]，水動力模塊參數主要包括管徑和曼寧糙率系數等。子流域的面積通過ArcGIS直接生成，子流域的平均坡度通過ArcGIS中3Danalyst柵格表面坡度進行獲取，不透水率借助ENVI軟件進行加載獲取，子匯水區寬度通過公式計算得到，曼寧系數、衰減常數、洼蓄量及下滲速率參考SWMM操作手冊，具體參數設置如表1所示。

水質模擬包括累積模擬和沖刷模擬。根據研究區域實際情況，累積模擬選擇飽和累積函數，沖刷模擬選擇指數沖刷函數[11]。將研究區下墊面分為屋面、路面和綠地3種類型。針對研究區域的水質情況，將3種常用的水質指標COD、TN和TP作為污染物指標。根據實際情況和文獻[12]，確定研究區域的模擬參數如表1～表3所示。

表1 水文水力相關參數取值

表2 污染物累計參數取值

表3 污染物沖刷參數取值

3 SWMM模擬結果與分析

3.1 單一調蓄池模擬控制效果評估

研究區域子匯水區共有13個排口，產生污染物及雨洪流量最多的排口為E8、E9、E10和E12如圖3所示。釆用雨水調蓄池對4個排口初期雨水進行截流調蓄。根據《室外排水設計規范》GB 50014—2006，調蓄4.0～8.0 mm初期雨水，雨水調蓄池取4 mm的初期雨水截留量。雨污管網利用研究區域的地形坡度進行排除，滿足設計過水能力要求。雨水調蓄池設計：① 采用簡單公式法計算大致體積；② 根據研究區域的水質情況及不同降雨強度的實際情況，進行降雨情景SWMM模型的輸入；③ 導入歷年降雨情景，進行入流模擬；④ 當雨水徑流控制指標達到目標值后，后期雨水從輸入面源污染調蓄池轉向雨洪利用調蓄池，確定面源污染調蓄池雨水體積V1；⑤ 依次進行歷年降雨場景的輸入，重復步驟③、步驟④。最終確定調蓄池的容積為V=max{V1，V2，V3，…}。雨水調蓄池具體設置參數如表4所示。

(1)

式中：V為蓄水容積，m3；hy為設計降雨厚度(降雨量)，mm；δ為初期雨水棄流量，mm；ψc為雨量徑流系數；F為匯水面積，hm2。

表4 調蓄池設計池體數據

圖3 現狀排口及匯水分區

單設調蓄池的條件下，不同重現期下的COD、NH3-N和TP的平均削減率分別為21.49%、18.86%和17.51%,模擬結果如圖4所示。調蓄池對于污染物的削減有顯著作用，削減率比較穩定，并且對于不同污染物削減率不會有較大改變。

(a)TP排放量及去除率 (b)COD排放量及去除率 (c)NH3-N排放量及去除率

3.2 單一LID模擬控制效果評估

根據研究區域的實際情況，擬選用4種LID措施：生物滯留措施(雨水花園)、透水鋪裝(路面)、綠色屋頂和下沉式綠地。為明確4種LID措施的具體布置面積，將3年一遇降雨作為邊界條件，對比不同面積下的單一LID措施模擬效果。結合SWMM操作手冊、國內外工程實踐和有關文獻，明確了模型中各LID主要技術參數，具體參數如表5所示。

表5 LID設施相關參數取值

當設置重現期為3 a的降雨條件下，對4種LID設施在不同的設置面積下獨立運行模擬，設置LID的面積占總面積的1%、2%、3%、4%和5%。利用SWMM模擬設置不同面積比例LID措施后峰值流量和總徑流量的變化，如圖5所示。圖5表明在布設LID措施后，研究區的徑流流量及峰值流量均有明顯減幅。對于徑流流量和峰值流量生物滯留措施的控制效果最為顯著，在布設面積為5%的情況下，峰值流量和徑流總量的削減率分別為53.94%和47.49%。在相同布設面積條件下，對綠色屋頂進行單獨模擬后的峰值流量和徑流總量的削減率分別達到47.78%和44.93%，置換成下沉式綠地后的峰值流量和徑流總量削減率分別達到36.25%和35.19%，同一布設情景下的透水鋪裝，峰值流量和徑流總量的削減率分別達到12.63%和13.98%。

(a)徑流流量削減率 (b)峰值流量削減率

對5種面積比例下進行模擬，透水鋪裝路面的徑流削減效果明顯弱于其他3種LID措施。分析原因主要有兩點：一方面，生物滯留措施的植物及土壤層、下沉式綠地的下凹空間和綠色屋頂的蓄水層均有相當的儲水功能；另一方面，透水鋪裝只能通過滲透基層增強雨水的滲透能力。因此，徑流洪峰方面的削減弱于其他3種措施。然而在延后洪峰流量的能力方面，透水鋪裝優于其他LID措施。其他3種LID措施在上述5種面積比例下幾乎沒有延后洪峰作用，推測原因是布設面積過小。此外，透水鋪裝有1～4 min的推延作用，主要原因是透水鋪裝路面所特有的滲透性要優于其他LID措施。

生物滯留措施與下沉式綠地對于雨洪控制效果明顯，但投入實際使用時會對地面原有構造效能產生一定程度的影響，由于其面層及土壤層蓄水能力會對周邊構筑物的根基造成威脅，不能大面積使用。相比于其他3種LID措施，透水鋪裝路面延后洪峰流量的能力最為明顯，可以選擇使用。下沉式綠地的景觀效果和雨洪控制效果明顯低于生物滯留措施，優選生物滯留措施。雖然綠色屋頂有著削減徑流洪峰和節能環保的作用，但考慮到研究區域為已建成區域，布設綠色屋頂造價昂貴，且建筑物可能缺乏支撐起這樣一個大量附加重量的能力，導致超出負荷引起倒塌，不作為考慮。

綜上分析，確定的模型中LID設置情景如下：生物滯留措施和透水鋪裝路面分別占研究區域總面積的3.5%和4.5%，沿主要道路進行布設，寬度隨效果進一步調整。

3.3 組合方案控制方案效果評估

相比較獨立設置調蓄池，LID+調蓄池組合系統在重現期為0.5 a、1 a、3 a和5 a的降雨情形下，峰值流量的削減率分別為42.68%、29.26%、18.52%和12.79%，如圖6所示。隨著重現期的增大，削減率逐漸下降，趨近于單設調蓄池時的控制情況，因此隨著降雨重現期的增大，LID設施在徑流峰值的控制效果逐漸減弱。徑流總量隨重現期改變而變化的情況和峰值流量大致相同，P=0.5 a的條件下，削減率為32.79%；P=1 a的條件下，削減率為25.97%；P=3 a的條件下，削減率為20.41%；P=5 a的條件下，削減率為15.39%。若要進一步提升雨洪流量削減效果與延后洪峰時間，可以通過鋪設更大面積LID措施來實現。

圖6 添加LID設施后的雨洪控制削減率

為了對比各單元對污染物削減效果，將3種常用的水質指標COD、NH3-N和TP作為評價污染物指標。相比于單設調蓄池，添加LID設施后，4種重現期下污染物削減率均有明顯提升，如圖7所示。當重現期分別為0.5 a、1 a、3 a和5 a時，COD的削減量分別提升了193.28 kg、331.39 kg、372.76 kg和396.18 kg，削減量最高提升了116.79%。此外，NH3-N和TP的削減規律和COD類似。

(a)TP污染物截留量 (b)COD污染物截留量 (c)NH3-N污染物截留量

在LID+調蓄池組合系統中，對兩種措施的污染物削減效果獨立對比如圖8所示。單設調蓄池時污染物截留量明顯高于組合系統中調蓄池污染物截留量，以NH3-N為例，當重現期為0.5 a、1 a、3 a和5 a時，調蓄池污染物截留量分別由9.878 kg、12.09 kg、23.05 kg和32.65 kg下降到3.65 kg、5.16 kg、12.03 kg和20.55 kg。主要原因是地表徑流產生的污染物在經調蓄池調控之前，LID措施已進行初步處理，調蓄池的污染物截留量相較于單設時明顯下滑。此外，在組合系統中，LID措施的污染物截留量占主要部分。在上述4種重現期降雨條件下，LID措施對COD污染的削減量占總量的比例最低為56.39%，最高能達到77.29%；對于NH3-N，其削減量比例最低為59.58%，最高能達到80.29%。對于TP，其削減量比例最低為58.39%，最高能達到81.29%。因為調蓄池作用的是部分雨水，而LID設施作用的是完整降雨過程形成的降雨徑流，因此LID設施截留部分占系統的主要部分。

(a)TP污染物各單元截留量 (b)COD污染物各單元截留量 (c)NH3-N污染物各單元截留量

4 結 語

對4種LID措施在1%、2%、3%、4%、5%的設置面積比例下進行單獨模擬，根據研究區域的實際情況和模擬結果設置情景：生物滯留措施和透水鋪裝路面分別占研究區域總面積的3.5%和4.5%，沿主要道路進行布設，寬度隨效果進一步調整。對比單設調蓄池和LID+調蓄池2種方案對雨洪流量控制的效果。在重現期為0.5 a、1 a、3 a和5 a的降雨條件下，相較于單設調蓄池，組合方案中的徑流總量分別減少了32.79%、25.97%、20.41%和15.39%，洪峰流量分別減少了42.68%、29.26%、18.51%、12.79%。在延后洪峰方面無明顯效果。在LID+調蓄池組合系統中，獨立對比各單元對污染物的削減效果，LID削減作用明顯，在實際削減總量上的比例分別為76.62%、77.29%、64.86%和56.39%。相較于組合方案，調蓄池在單設時截污效果更加客觀。