基于SWMM-MIKE11的LID設施對區(qū)域水量水質控制

王 健，劉 暢，王新慶，李小龍，錢冬旭，陸敏博，楊小麗

(1.悉地(蘇州)勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123；2.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189)

1 研究背景

《中國水旱災害公報》顯示，2008—2018年我國每年大約有149座城市發(fā)生嚴重內(nèi)澇。多數(shù)學者認為城鎮(zhèn)化導致的下墊面硬化增加了暴雨內(nèi)澇敏感性，破壞了原有的城市水文生態(tài)平衡[1- 2]。因此，海綿城市的理念應運而生，而LID(Low Impact Development，低影響開發(fā))設施的構建是落實海綿城市建設理念、提高區(qū)域水量調控能力的關鍵舉措[3]。

SWMM和MIKE11模型憑借其客觀性和可視化的優(yōu)點已成為區(qū)域海綿城市建設效果評估的重要工具。目前，SWMM被廣泛應用于區(qū)域洪峰流量削減效果評估[4]、水質水量控制效果評估[5]、LID設施的成本效益研究[6]等方面。但SWMM無法模擬河道中污染物累積擴散及自凈過程[7]，而MIKE11可用于模擬城市河道水環(huán)境變化過程，有效彌補了這一缺點[8]，SWMM和MIKE11模型耦合能夠同時有效模擬評估區(qū)域與河道的水量水質控制效果，且具有較高的適用性和可靠性[9]。有研究者利用SWMM-MIKE11耦合模型評估管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力和區(qū)域內(nèi)澇風險[10]，但針對陸域面源污染對河道水質的沖擊影響研究較少。同時，實際海綿城市建設過程中各地塊LID設施都是按照各自服務面積的年徑流總量控制要求單獨設計，缺乏從區(qū)域年徑流總量控制率的角度對水量控制效果進行整體評估和優(yōu)化研究[11]。

因此，本文以南京海綿城市建設首批試點片區(qū)——丁家莊片區(qū)為研究對象，利用SWMM模擬不同設計降雨下的現(xiàn)有LID設施對區(qū)域水量控制，同時利用MIKE11模型模擬區(qū)域河道水質控制效果，并運用SWMM-MIKE11耦合模型優(yōu)化LID設施建設方案，進而實現(xiàn)區(qū)域水量水質控制目標。

2 研究區(qū)域概況

(1)區(qū)域概況

研究區(qū)域位于南京市棲霞區(qū)邁燕片區(qū)丁家莊，面積約3.94km2。丁家莊片區(qū)目前已建設11條道路、5個公園綠地、20個小區(qū)公建等海綿項目，LID設施主要有透水鋪裝、下凹式綠地、旱溪等。片區(qū)排水體制為雨污分流制，其雨水管網(wǎng)的設計暴雨重現(xiàn)期為2～3年。

(2)水系現(xiàn)狀

研究區(qū)域內(nèi)包括一條主河(北十里長溝東支)，2條支河(丁家莊溝和柳塘溝)，2條支河均匯入主河，最后流入長江，如圖1所示，各河道基本情況見表1。

圖1 研究區(qū)域河道水系圖

表1 研究區(qū)域各河道基本情況

(3)設計降雨特征

設計降雨反映了一個區(qū)域降雨變化規(guī)律，是城市雨洪管理工程和海綿設施建設的基本依據(jù)。本研究設計降雨量采用2014年修訂的南京市暴雨強度公式(1)推求。綜合考慮排水系統(tǒng)設計重現(xiàn)期和內(nèi)澇防治設計重現(xiàn)期，本研究采用3、5、10、50a的設計降雨重現(xiàn)期，降雨強度隨時間的變化過程由芝加哥雨型進行雨量分配的設計，雨峰位置系數(shù)r取0.4。

(1)

式中，q—設計暴雨強度，L/(s·ha)；P—設計降雨重現(xiàn)期，a；t—降雨歷時，min。

3 模型構建

SWMM和MIKE11模型耦合能夠同時有效模擬評估區(qū)域與河道的水量水質控制效果[12]，且具有較高的適用性和可靠性[13]。SWMM排口流量和污染物濃度結果可以作為點源的旁側入流輸入到MIKE11河網(wǎng)模型中，實現(xiàn)SWMM和MIKE11模型的耦合。

3.1 SWMM模型構建

3.1.1區(qū)域概化與參數(shù)初始化

在利用ARC GIS和CAD管網(wǎng)資料概化子匯水區(qū)的基礎上，根據(jù)雨水管網(wǎng)走向和街道分布，研究區(qū)域共概化為198個子匯水分區(qū)、473個管段、458個節(jié)點和38個雨水排口，如圖2所示。

參數(shù)初始化是模型能否順利運行的關鍵，其直接影響模型計算結果的精度和可靠性。根據(jù)丁家莊片區(qū)海綿建設現(xiàn)狀，選取生物滯留池、透水鋪裝、下凹式綠地、旱溪跌水等4種典型的LID設施進行建模。各LID設施的主要設計參數(shù)按照《南京市海綿城市規(guī)劃建設技術基礎圖集》(2018)和SWMM用戶手冊進行取值，具體取值見表2。

3.1.2參數(shù)率定與模型驗證

綜合徑流系數(shù)是衡量區(qū)域水量控制的綜合指標，當研究區(qū)域缺乏實測流量和水位數(shù)據(jù)時，降雨徑流模型可以通過綜合徑流系數(shù)來校準模型參數(shù)[14]。根據(jù)土地利用性質，將研究區(qū)域下墊面概化為屋面、路面和綠地，其徑流系數(shù)參照GB 50014—2021《室外排水設計標準》進行取值[15]，將綠地徑流系數(shù)定為0.15，屋面徑流系數(shù)定為0.85，路面為0.60，經(jīng)加權平均得到區(qū)域實際的綜合徑流系數(shù)為0.56。

圖2 SWMM模型區(qū)域概化圖

表2 LID設施的主要參數(shù)取值

根據(jù)GB 50318—2017《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》要求，城市重要區(qū)域其設計降雨重現(xiàn)期一般為3～5年，0.56屬于綜合徑流系數(shù)區(qū)間在0.45～0.6的城鎮(zhèn)建筑較密集區(qū)，符合丁家莊片區(qū)目前的開發(fā)程度。因此，分別模擬計算降雨重現(xiàn)期為3a和5a下的綜合徑流系數(shù)，然后將模擬值與實際值比較，進行參數(shù)的率定和模型驗證[16]。誤差分析結果顯示，3a和5a降雨情景相對誤差分別為9.4%和5.7%。

根據(jù)城市排水系統(tǒng)模型應用規(guī)范，降雨模擬結果可接受的相對誤差區(qū)間為(﹣20%，+10%)[17]。因此，3a和5a降雨情景下相對誤差分別均在可接受區(qū)間內(nèi)，表明模型具有一定的可靠性，能夠大致反映出降雨后區(qū)域水量的變化規(guī)律，模型主要參數(shù)的率定結果見表3。

3.2 MIKE11模型構建

3.2.1河網(wǎng)概化與參數(shù)初始化

河網(wǎng)是水動力模塊的基本“骨架”，也是主要的可視化對象。河網(wǎng)概化是MIKE11建模成功的基礎和關鍵，河網(wǎng)概化遵循以下步驟：①建立河網(wǎng)文件；②建立變斷面文件；③建立邊界文件；④建立參數(shù)文件。最后，根據(jù)河道水質調查結果，將8次各污染物的均值作為旱期各河道穩(wěn)定的初始濃度，即模型運行的初始條件。

3.2.2參數(shù)率定與模型驗證

MIKE11水動力水質模型參數(shù)較多，為了提高參數(shù)率定的效率，選取污染物衰減常數(shù)、擴散系數(shù)等主要敏感參數(shù)進行率定。參數(shù)率定結果見表4。

3.3 SWMM-MIKE11耦合

SWMM和MIKE11模型構建完成后，進行2個模型的耦合，具體過程如下：①通過SWMM模型，模擬不同設計降雨情景下管網(wǎng)排口隨時間變化的流量和污染物濃度；②根據(jù)確定的時間步長，將排口數(shù)據(jù)導入新建的時間序列文件中(MIKE ZERO Time Series)；③將此時間序列文件，按排口排入河道位置加載到MIKE11邊界文件中，即可進行模擬計算。

4 不同設計降雨下LID設施的水量水質控制效果

由于LID設施在不同地塊與不同降雨重現(xiàn)期的作用差異較大[18]，因此水量控制效果評估選擇節(jié)點積水情況和年徑流總量控制率作為評價指標，水質控制效果則選取河道水質監(jiān)測結果和變化情況進行分析。

表3 SWMM模型主要參數(shù)的率定結果

表4 MIKE11模型主要參數(shù)率定結果

4.1 節(jié)點積水情況變化

根據(jù)GB 51222—2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術規(guī)范》的要求，道路積水深度不能超過15cm，各城市要因地制宜確定設計積水時間[19]。本研究以不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點積水的個數(shù)對區(qū)域內(nèi)澇風險進行評估。SWMM模擬結果表明，在不同設計情景下LID設施建設前后節(jié)點積水數(shù)量最多的時刻均在降雨開始后的66min左右，如圖3—4所示，圖中的Node Depth(節(jié)點水深)表示檢查井水深。

圖3 不同重現(xiàn)期下區(qū)域LID設施建設前節(jié)點積水情況

圖4 不同重現(xiàn)期下區(qū)域LID設施建設后節(jié)點積水情況

雨水管網(wǎng)資料表明，區(qū)域管網(wǎng)埋深均值約為2.4m，因此當節(jié)點深度大于2.4m時有發(fā)生內(nèi)澇的風險，將其統(tǒng)計為一個積水點，圖中用紅色的點表示。從圖3—4可以看出，LID設施建設前，當遭遇特大降雨時積水點主要分布在寅春路、和悅街和瑞麗路，這與海綿城市建設前丁家莊片區(qū)淹水隱患排查中易發(fā)生內(nèi)澇積水的位置基本一致，表明模型能較好反映實際情況。LID設施建設后，區(qū)域在遭遇3年一遇和5年一遇降雨時沒有積水點產(chǎn)生；在遭遇10年一遇和50年一遇降雨時，積水點的消除率分別達到84.6%和70.9%，表明LID設施能有效降低區(qū)域內(nèi)澇風險；但是LID設施截流、蓄水容量有限，區(qū)域積水點的個數(shù)隨著降雨重現(xiàn)期的增大而增多。

4.2 年徑流總量控制率評估

根據(jù)《海綿城市建設技術指南》[20](以下簡稱《指南》)的要求，年徑流總量控制率是評估海綿城市建設成效的重要指標，即在年徑流控制率對應的設計降雨量下不產(chǎn)生地表徑流。按照《指南》要求和南京市降雨資料，其年徑流總量控制率75%的要求對應的設計降雨量為24.6mm。該設計降雨量為長歷時24h雨量，根據(jù)1984年版《江蘇省暴雨洪水圖集》提出的24h設計暴雨雨型對設計雨量進行分配，得到設計雨量的24h降雨過程，如圖5所示。

圖5 南京市24.6mm設計雨量24h降雨過程

將圖5中步長為1h、長達24h時間序列的降雨數(shù)據(jù)輸入SWMM模型中，評估年徑流總量控制率。SWMM模擬結果表明，區(qū)域徑流量為3.77mm，表明研究區(qū)域現(xiàn)有LID設施建設未達到年徑流總量控制率75%的要求。

4.3 河道水質控制效果分析

4.3.1MIKE11水質模擬結果

本研究區(qū)域屬于城市河網(wǎng)區(qū)，雨水管網(wǎng)和河道護坡建設相對完善，徑流污染主要通過管網(wǎng)(排口)以點源形式排入河道[21]，因此，本文利用SWMM模型將徑流污染(面源污染)轉換為管網(wǎng)點源分別排入3條河道，并利用模型模擬計算不同重現(xiàn)期下各個雨洪排口污染物負荷，進而計算得到不同重現(xiàn)期下排入?yún)^(qū)域河道的徑流污染總負荷，整個區(qū)域海綿建設前后徑流污染變化情況如圖6所示。

4.3.2水質實測結果

表5 北十里長溝的單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)

圖6 LID設施建設前后區(qū)域徑流污染變化

5 基于成本效益分析的LID設施建設方案比選

5.1 現(xiàn)狀分析

由模擬結果可知，現(xiàn)狀條件下研究區(qū)域河道水質總體上能達到地表Ⅳ類，且在設計降雨徑流對河道水質造成沖擊影響后，河道水質可快速恢復；但研究區(qū)域年徑流總量控制率不達標，故需進一步優(yōu)化LID設施建設。由于子匯水區(qū)的地表徑流量與匯水面積基本呈正相關[23- 24]，結合實際LID建設條件，對14個面積大于2ha的子匯水區(qū)進行優(yōu)化調整，并保持其余子匯水區(qū)LID設施不變，分析區(qū)域水量控制效果。選取的14個子匯水區(qū)總面積為37.46ha，約占整個研究區(qū)域面積的10%。

實際工程應用中，需考慮工程建設成本。本研究參考《指南》推薦的LID設施建設單價，計算不同組合方案下的單位徑流量削減量成本，計算公式如下：

(2)

式中，C—單位徑流量削減量的成本，元/m3；M—LID設施造價，元；V—削減的徑流量，m3。

5.2 方案比選

透水鋪裝和下凹式綠地在徑流總量控制方面效果較好，且適用范圍廣；研究區(qū)域內(nèi)屋頂面積占比為45.5%，且南京市規(guī)定新建小區(qū)綠色屋頂率不低于30.0%，所以新增綠色屋頂也是有效的控制方法；此外，雨水罐屬于地面屋面均適用的灰色設施，徑流總量控制效果好。因此，選取的14個子匯水區(qū)中可考慮增設透水鋪裝、下凹式綠地、綠色屋頂和雨水罐4種LID設施的優(yōu)化組合；控制不同組合方案削減徑流量相等，同時結合研究區(qū)域現(xiàn)狀考慮增設LID設施的實施可行性。具體組合方案見表6，由表6可知，方案一的單位徑流量削減量成本最低。因此，本研究區(qū)域為達到年徑流總量控制率75%的要求，可考慮增設透水鋪裝和下凹式綠地。

6 結論

(1)基于地理數(shù)據(jù)資料和設計資料，輔以ARC GIS和CAD構建了SWMM-MIKE11耦合模型，以綜合徑流系數(shù)和實測河道水質數(shù)據(jù)為評價指標對模型進行驗證，表明模型可靠性高，基本能夠反映降雨后區(qū)域水量水質變化規(guī)律。

表6 不同LID組合方案下的區(qū)域水量平衡及成本

(2)LID設施建設能夠明顯降低區(qū)域內(nèi)澇風險并控制徑流污染。LID設施建設后，研究區(qū)域在遭遇3年一遇和5年一遇降雨時沒有積水點產(chǎn)生；在遭遇10年一遇和50年一遇降雨時，積水點的消除率分別達到84.6%和70.9%；河道水質達到控制要求。

(3)為提高研究區(qū)域徑流削減能力，在現(xiàn)有LID設施建設基礎上，對透水鋪裝、下凹式綠地、綠色屋頂和雨水罐等4種LID設施的不同組合方案進行了比選；結果表明，增設透水鋪裝和下凹式綠地可取得較好的徑流削減效果。