基于暴雨管理模型（SWMM）的水生態(tài)小區(qū)低影響開發(fā)（LID）技術(shù)效果模擬及評估

段明印，李傳奇，韓典乘，肖 學(xué)

（山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南 250061）

城市化是我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的引擎，我國在快速城市化的同時，也面臨著城市雨洪災(zāi)害、水質(zhì)污染以及水資源短缺等問題［1］。為應(yīng)對城市雨洪災(zāi)害和水資源短缺問題，我國大力推行海綿城市建設(shè)，采取低影響開發(fā)措施在源頭控制徑流、凈化水質(zhì)［2］?；诘陀绊戦_發(fā)措施的水生態(tài)小區(qū)，既是海綿城市的重要組成部分，同時也是生態(tài)文明的基礎(chǔ)內(nèi)容。

目前，針對低影響開發(fā)措施的控制效果已進(jìn)行了大量的研究，王紅武等［3］研究了各項LID措施及其效果，論述了各項LID措施的功能及適用范圍；王文亮等［4］利用SWMM模擬了LID措施雨洪控制效果，證明LID措施能夠有效緩解城市內(nèi)澇；沈珍瑤等［5］研究了LID措施對城市非點源污染的控制效果。但針對各分項LID措施控制能力的研究較少，鑒此，本文以山東大學(xué)千佛山校區(qū)南院為研究區(qū)域，構(gòu)建水生態(tài)小區(qū)低影響開發(fā)暴雨模型，模擬分析4種LID布設(shè)方案在不同暴雨重現(xiàn)期下水量水質(zhì)控制效果，量化評估各分項LID措施及組合LID措施的控制效果，同時為水生態(tài)小區(qū)建設(shè)提供參考。

1 SWMM模型原理介紹

1.1 產(chǎn)流原理

地表產(chǎn)流是指降雨除去損失變成凈雨的過程，主要機(jī)制有超滲產(chǎn)流機(jī)制和超蓄產(chǎn)流原理。根據(jù)城市下墊面屬性，超蓄產(chǎn)流較少，超滲產(chǎn)流是城市徑流形成的主要原因。超滲產(chǎn)流是指降水量扣除蒸發(fā)、填洼以及下滲等損失，多余出來的水量形成徑流［6］。本文采用著名水文學(xué)家霍頓基于超滲產(chǎn)流原理提出的Horton下滲模型，根據(jù)該模型確定地表徑流如式（1）。

其中：Rt—地表徑流率，mm／h；

I—降雨強(qiáng)度，mm／h；

fp—下滲率，mm／h。

Horton下滲模型如式（2）。

其中：fp—下滲率，mm／h；

fc—穩(wěn)定下滲率，mm／h；

f0—初始下滲率，mm／h；

α—下滲衰減系數(shù)，h－1；

t—降雨歷時，h。

1.2 匯流原理

匯流是指匯水分區(qū)的凈雨匯集到出水口或進(jìn)入河道的過程。本文采用非線性水庫法，將匯水分區(qū)概化為水深很淺的水庫，根據(jù)水量平衡方程和曼寧公式聯(lián)立求解［7］。連續(xù)性方程如式（3），曼寧公式如式（4）。

其中：V—匯水區(qū)總水量，m3；

H—地表水深，m；

A—匯水區(qū)面積，m2；

t—降雨歷時，s；

Rt—地表徑流率，m／s；

Q0—徑流量，m3／s；

W—匯水區(qū)特征寬度，m；

N—曼寧系數(shù)；

hp—滯蓄水深，m；

S—地表坡地。

將式（4）帶入式（3）得到一個非線性常微分方程，同時利用有限差分法求解該非線性微分方程得式（5）。

利用Newotn-Rpahosn迭代法可求解式（5）中的h2，再將h2帶入式（4）中求解對應(yīng)的流量Q0。

其中：hi——不同時刻水深，m；

Δt——時間步長，s。

1.3 管道傳輸原理

傳輸階段是指匯水分區(qū)出水口的雨水進(jìn)入管道或河道，在管道或河道中傳輸?shù)倪^程。本文將管道水流視為動力波，采用圣維南方程組求解水流的傳輸，將連續(xù)方程和動量方程聯(lián)立得到求解管道非恒定流的有限差分形式［8］，如式（6）。

其中：Q—流量，m3／s；

A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

G—重力加速度，m2／s；

R—水力半徑，m；

V—斷面平均流速，m／s；

N—管道糙率；

L—管道長度，m；

Δt—時段平均值。

管道節(jié)點控制方程為連續(xù)性方程，其有限差分形式如式（7）。

其中：H—節(jié)點水頭，m；

Qi—節(jié)點流量，m3／s；

i—管道節(jié)點；

Ask—自由水面面積，m2。

將式（6）和式（7）聯(lián)立即可求解管道流量和水頭。

1.4 低影響開發(fā)原理

SWMM模型中設(shè)有LID模塊，在構(gòu)建LID措施時，將其分為面層、路面、土壤層、蓄水層和暗渠層五個結(jié)構(gòu)層，根據(jù)實際情況對這五個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行取舍，根據(jù)各個結(jié)構(gòu)層之間含濕量平衡，確定水在每一LID結(jié)構(gòu)層之間的截留和移動［9］。

2 研究區(qū)SWMM模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概化

選取山東大學(xué)千佛山校區(qū)南院作為研究區(qū)域，研究區(qū)域占地總面積為79 887.53 m2，其中建筑用地面積為11 300.07 m2，綠地面積為12 890.00 m2，道路面積為 12 656.03 m2，運動場地面積為43 041.43 m2。根據(jù)研究區(qū)地形、管網(wǎng)、土地利用類型、教學(xué)樓分布等資料，可將其劃分為24個子匯水區(qū)，30條雨水管道，24個鉸點，3個排水口，概化結(jié)果如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域排水系統(tǒng)概化圖Fig.1 Schematic Diagram of Drainage System in Survey Region

2.2 水文模塊參數(shù)設(shè)置

水文模塊包括地表產(chǎn)流和地表匯流。根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況，入滲模型采用Horton模型，參數(shù)選?。鹤畲鬂B入速率為75 mm／h，最小滲入速率為3.81 mm／h，衰減系數(shù)為 4.4 h－1。透水地表和不透水地表的洼蓄量分別取5.0 mm、1.27 mm。根據(jù)研究區(qū)的特點，透水地表、不透水地表、管道的曼寧系數(shù)分別取 0.130、0.011、0.013。

2.3 水質(zhì)模塊參數(shù)設(shè)置

水質(zhì)模塊包括污染物累積和沖刷。根據(jù)研究區(qū)實際情況，將子匯水區(qū)內(nèi)土地利用類型分為屋面、道路、綠地和運動場地。選擇TSS、COD、TN、TP四種污染物作為指標(biāo)因子［10］。根據(jù)研究區(qū)實際情況，污染物累計模型采用飽和函數(shù)增長模型，污染物沖刷模型采用指數(shù)函數(shù)模型。其中運動場地污染物累計沖刷情況和道路一致，不同地表類型上的污染物累計沖刷模型參數(shù)如表1所示。另外，結(jié)合校區(qū)物業(yè)情況和相關(guān)研究［11］，模型中道路以及運動場地清掃間隔為1 d一次，地表污染物去除率取70%。

表1 不同地表的污染物累積沖刷模型參數(shù)Tab.1 Parameters of Wash-Off Model for Pollutants Accumulation on Different Ground Surfaces

2.4 LID模型參數(shù)設(shè)置

（1）綠色屋頂。綠色屋頂能夠通過植物的滯留吸收和土壤的吸附下滲達(dá)到削減徑流和凈化水質(zhì)的目的。根據(jù)山東大學(xué)千佛山校區(qū)海綿城市改造工程以及SWMM使用手冊，綠色屋頂?shù)膮?shù)選為：表層植被覆蓋率為80%，植被糙率為0.67；土壤層厚度為150 mm，孔隙比為 0.43；蓄排水層厚度為100 mm，孔隙比為0.55。綠色屋頂鋪設(shè)面積設(shè)置為總屋頂面積的65%。

（2）透水鋪裝。透水鋪裝通過下滲和結(jié)構(gòu)層的滯留吸附作用達(dá)到削減徑流和凈化水質(zhì)的目的。根據(jù)山東大學(xué)千佛山校區(qū)透水路面改造工程以及SWMM使用手冊，透水鋪裝的參數(shù)選為：面層厚度為150 mm，孔隙比為0.34，曼寧系數(shù)為0.12；蓄排水層為300 mm，孔隙比為0.6。透水鋪裝包括透水路面和透水運動場，透水路面鋪設(shè)面積設(shè)置為路面總面積的60%，透水運動場鋪設(shè)面積設(shè)置為運動場總面積的60%。

（3）下沉式綠地。下沉式綠地通過下沉空間和植物的滯蓄以及結(jié)構(gòu)層的下滲吸附作用達(dá)到削減徑流和凈化水質(zhì)的目的。根據(jù)山東大學(xué)千佛山校區(qū)的下沉式綠地改造工程，確定下沉式綠地的參數(shù)為：表層滯蓄水深為200 mm，植被覆蓋率為90%，曼寧系數(shù)為0.62；土壤層厚度為500 mm，孔隙比為0.4。下沉式綠地改造面積設(shè)置為總綠地面積的85%。

2.5 設(shè)計降雨

依據(jù)2014年最新的濟(jì)南市暴雨強(qiáng)度公式求取濟(jì)南市的設(shè)計降雨強(qiáng)度，降雨歷時為2 h，雨峰系數(shù)為 0.4，降雨重現(xiàn)期分別為 1、3、5 a 和 10 a，采用芝加哥降雨模型［12］推求時間間隔為5 min的2 h降雨過程線，濟(jì)南市降雨強(qiáng)度如式（8），不同重現(xiàn)期下的降雨強(qiáng)度過程如圖2所示。

其中：q——平均暴雨強(qiáng)度，mm／min 或 L ／（s·ha）；

P——設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；

t——暴雨歷時，min。

圖2 不同重現(xiàn)期下的設(shè)計降雨過程線Fig.2 Designed Rainfall Hydrograph under Different Recurrence Periods

3 不同LID布設(shè)方案模擬評估

3.1 LID措施布設(shè)方案

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況以及源頭控制的理念，提出四種LID措施布設(shè)方案。方案一：單獨布設(shè)綠色屋頂，鋪設(shè)面積占總屋頂面積的65%；方案二：單獨布設(shè)透水鋪裝，其中透水路面鋪裝面積占總路面的60%，透水運動場占運動場地總面積的60%；方案三：單獨布設(shè)下沉式綠地，鋪設(shè)面積占總綠地面積的85%；方案四：在研究區(qū)布設(shè)組合LID措施，將綠色屋頂、透水鋪裝及下沉式綠地有機(jī)的結(jié)合，布設(shè)面積和單獨布設(shè)時一致。

3.2 水量模擬及評估

利用前面構(gòu)建的SWMM模型，對原狀態(tài)和四種LID方案下的示范區(qū)產(chǎn)匯流情況進(jìn)行模擬，得到不同重現(xiàn)期下系統(tǒng)出口處徑流流量變化過程線，如圖3所示。

圖3 不同方案下系統(tǒng)出口處流量變化過程Fig.3 Outlet Flow's Change Process under Different Schemes

由圖3可知：①4種LID布設(shè)方案在不同重現(xiàn)期下對降雨徑流均有一定的削減作用，在研究區(qū)內(nèi)，組合布設(shè)LID措施對徑流的削減最為明顯，其次是透水鋪裝，接下來是下沉式綠地，效果最弱的是綠色屋頂；② 組合LID措施在一定程度上推遲了峰現(xiàn)時刻并很好地削減流量峰值，當(dāng)3種LID措施單獨布設(shè)時，透水鋪裝既較好地削減了洪峰，又推遲了峰現(xiàn)時刻，而綠色屋頂和下沉式綠地對洪峰的削減相對較小，推遲峰現(xiàn)時刻效果較??；③LID措施的功能隨著降雨重現(xiàn)期的增大而減弱。

由模擬分析可知：①不同重現(xiàn)期下，不同開發(fā)方案的平均地表蓄水量：原狀態(tài)為0.291 mm，透水鋪裝為0.773 mm，綠色屋頂為4.924 mm，下沉式綠地為9.682 mm，組合LID措施為13.172 mm；② 不同重現(xiàn)期下，不同開發(fā)方案的平均地表滲入損失量：原狀態(tài)為4.073 mm，綠色屋頂為7.622 mm，下沉式綠地為 10.370 mm，透水鋪裝為10.083 mm，組合LID措施為65.473 mm；③ 不同重現(xiàn)期下，不同方案的平均徑流總量控制率：原狀態(tài)為8.73%，單獨布設(shè)綠色屋頂為18.83%，單獨布設(shè)下沉式綠地為26.94%，單獨布設(shè)透水鋪裝時徑流總量控制率為38.168%，布設(shè)組合LID措施時徑流總量控制率為85.13%。

3.3 水質(zhì)模擬及評估

利用前面構(gòu)建的SWMM模型，對原狀態(tài)和四種LID方案下的示范區(qū)污染物累計和沖刷情況進(jìn)行模擬，得到不同重現(xiàn)期下系統(tǒng)出口處污染物 TSS、COD、TN、TP濃度變化過程曲線，其中污染物TSS濃度變化過程如圖4所示。

圖4 不同重現(xiàn)期時系統(tǒng)出口處TSS濃度變化過程Fig.4 TSS Concentration's Change Process of Different Recurrence Periods

由圖4可知：①4種LID布設(shè)方案在降雨初期對TSS濃度均有一定的削減作用，在研究區(qū)內(nèi)，組合布設(shè)LID措施削減最為明顯，其次是透水鋪裝，接下來是下沉式綠地，效果最弱的是綠色屋頂；②從延遲TSS濃度峰值效果來看，組合LID措施最為有效，其次是透水鋪裝系統(tǒng)，下沉式綠地和綠色屋頂延遲效果幾乎可以忽略；③從削減TSS濃度峰值來看，組合LID措施最為有效，其次是透水鋪裝系統(tǒng)，較弱的是下沉式綠地系統(tǒng)，綠色屋頂?shù)南鞣遄饔脦缀蹩梢院雎浴?/p>

由模擬分析可知：①系統(tǒng)對不同重現(xiàn)期下TSS排放總量的平均控制率：綠色屋頂為16.53%，透水鋪裝為37.23%，下沉式綠地為31.45%，組合LID措施為87.56%；② 四種方案中，控制TSS排放總量能力由大到小依次為：組合LID措施＞透水鋪裝系統(tǒng)＞下沉式綠地系統(tǒng)＞綠色屋頂系統(tǒng)；③ 不同LID布設(shè)方案對污染物COD、TN和TP的控制效果和TSS的情況類似，其中組合LID方案在不同重現(xiàn)期下對污染物排放總量平均削減率分別為：COD為85.68%，TN為88.13%，TP為83.61%。

因山東大學(xué)千佛山校區(qū)海綿改造工程還未完成，因此目前還沒有該區(qū)域?qū)崪y資料與SWMM模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證，但本文構(gòu)建模型所用參數(shù)大多來自實測參數(shù)以及采用已有的相似研究［4，9-10］所測得的參數(shù)，因此本文模擬結(jié)果基本可靠，能夠用于指導(dǎo)水生態(tài)小區(qū)排水系統(tǒng)的合理規(guī)劃以及低影響開發(fā)措施的布設(shè)。馬箐等［12］對各項低影響開發(fā)措施控制徑流和污染物排放的能力進(jìn)行了模擬和評估，本文結(jié)果與馬箐等的研究成果較為一致，因此通過SWMM模擬對各項低影響開發(fā)措施削減徑流總量和控制污染物排放總量的能力進(jìn)行評估是可行的。

我國的海綿城市建設(shè)正處于起步階段，在理論上和實踐上都存在不足，缺乏統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范、造價規(guī)范以及建設(shè)政策。另外，在建設(shè)海綿城市之后，為保證低影響開發(fā)措施能夠正常運行，還需注重低影響開發(fā)措施的維護(hù)與管理，綠色屋頂和下沉式綠地中的植物，需要澆灌、施肥、除草、除蟲、修剪等管理措施；透水鋪裝需要強(qiáng)負(fù)壓抽取堵塞滲透路徑的顆粒以保證透水性［13］。

4 結(jié)論

（1）水生態(tài)小區(qū)中的低影響開發(fā)措施能夠削減雨水徑流總量，降低徑流中的污染物負(fù)荷，起到控制雨洪災(zāi)害、凈化水質(zhì)和補(bǔ)充地下水的作用。

（2）四種LID方案中，削減徑流總量和控制污染物排放總量能力由大到小依次為：組合LID措施，透水鋪裝系統(tǒng)，下沉式綠地系統(tǒng)，綠色屋頂系統(tǒng)。由此可知組合LID措施比單項LID措施更為有效。

（3）低影響開發(fā)措施對徑流和水質(zhì)的控制效果隨著降雨強(qiáng)度的增大而減弱。

（4）低影響開發(fā)措施應(yīng)該注重后期的維護(hù)與管理。

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