基于SWMM模擬的山地村落雨水徑流凈化設施建設強度研究

梁華秋 | Liang Huaqiu李 松 | Li Song

我國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，基礎設施建設的缺失以及自然氣候的影響，造成我國鄉(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下墊面的沖刷，生成的地表徑流引起的面源污染較為嚴重，同時在收集、分流、儲存、再利用的過程中，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、地下水補給等。在雨水收集方面，希臘、澳大利亞、泰國等都進行了相關的研究。在基礎設施建設較為完善的發(fā)達國家，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于集雨池的最佳規(guī)模進行了計算，滿足了居民25%～50%的需水量[3-4]。Omar[5]等的研究發(fā)現，在盧旺達，每1/4公頃的耕地會因為雨水收集技術的使用每年產生約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、基礎設施建設難度大等問題；但同時也可利用地勢優(yōu)勢，借助重力實現灌溉與雨水收集[6]。基于源頭管控的低影響開發(fā)設施（Low Impact Development，LID）的建設可以提高山地村落的雨水收集效率和質量，實現良性的水文循環(huán)、提高對雨水徑流的再利用能力（圖1～2）[7]。但是LID設施建設強度的不同也會引起雨水收集質與量之間的矛盾：建設強度與收集雨水水質呈現正相關的趨勢，與收集雨水總量呈現負相關的趨勢。

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

應用水文軟件模擬可實現LID設施建設效果的檢驗，同時確定最適建設強度區(qū)間。雨洪管理模型（SWMM）是由美國環(huán)境保護署開發(fā)的，主要用于規(guī)劃設計階段的動態(tài)降雨徑流模擬模型，可用于徑流產生、污染物遷移以及LID設施建設模擬等方面[8]。現階段應用SWMM軟件對于低影響開發(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、凈化設施以及雨污分流系統(tǒng)對雨水進行收集和處理[9-10]。而將其應用于山地村落的研究較少，多為針對山地城市公園、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為出發(fā)點，選取對于生態(tài)敏感性較強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施，并主要進行了不同坡度條件下，基于不同建設強度設施的應用效果研究（圖3）。鄉(xiāng)村雨水收集體系的完善有利于減輕供水負擔，提高農業(yè)用水的利用率，進一步發(fā)展節(jié)水農業(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參看表1。耕地多位于較平坦處且集中分布，山體開發(fā)強度弱。村中還有一文物保護單位石埡子老街，道路為青石板材質，建筑多為土家吊腳樓，有較高的保護價值[14]。

圖4 研究區(qū)域衛(wèi)星影像圖

圖5 研究區(qū)域現狀

表1 下墊面及徑流系數

該區(qū)域位于恩施州鄂西南山區(qū)北部，屬于亞熱帶季風氣候，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月的作物生長期內，對農業(yè)、林業(yè)生產十分有利。雨量的充足也帶來了不利的影響，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，石埡子村曾經歷一輪強降雨，由此引起的山體滑坡等自然災害對于農業(yè)、經濟發(fā)展造成了較大的負面影響[16]。另外，據2007年—2014年統(tǒng)計數據顯示，建始地區(qū)酸雨頻發(fā)，危及土壤和作物生長，因此亟需實現雨水的管控、雨水收集與再利用[17]。

1.2 研究區(qū)域概化及模型建立

遵循概化簡化的原則，在泰森多邊形劃分的基礎上依據研究區(qū)域的地形特征（圖6～7），按照以下原則進行子匯水區(qū)的劃分：①每個子匯水區(qū)只有一個匯流出口；②以路、高程分界點等作為子匯水區(qū)的劃分邊界；③結合場地現狀如硬質、農田等[11]。按以上原則將研究區(qū)域劃分為21個子匯水區(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)中建設用地較為集中的區(qū)域S6、S8、S9、S10、S11、S18作為改造的重點進行集雨體系的建設，采用減勢消能——傳輸——集蓄的體系，以解決初期降雨的高污染問題和優(yōu)化收集雨水水質、水量為先決條件，設置下凹綠地，實現雨水的滲透、凈化以及儲存。

模型分為雨量計、匯水區(qū)域、集水池、水泵以及排水口五部分，通過將水泵設為關閉狀態(tài)以模擬實現蓄水池只進不排的集水功能（圖8）。

1.3 模塊參數設置

（1）子匯水區(qū)域

每一子匯水區(qū)面積按照實際面積設置，路徑寬度取面積值的開方值[18]。提取世界土壤數據庫（HWSD）土壤數據集中該區(qū)域的數據，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，根據土壤特征、操作手冊典型值并參照前人研究成果，將最大入滲速率設置為152mm/h，最小入滲速率為6mm/h，衰減常數為4/hr，滲透區(qū)域與非滲透區(qū)域的曼寧系數分別設置為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致收集的雨水TN、TP含量過高、造成水體的富營養(yǎng)化[21]。本研究基于TN、TP兩類污染物，選取指數增長函數進行模擬，污染物含量及土地利用參數設置參看表2。

表2 污染物及土地利用參數設置[20、22]

（3）雨水徑流凈化設施

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

表3 雨水徑流凈化設施參數[9、20]

2 模型驗證與結果分析

2.1 設計降雨選擇

恩施暴雨強度公式如公式（1）所示[24]。其中P 指重現期，t為降雨歷時。計算重現期為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盡可能減少徑流量[21]。

芝加哥雨型是通過暴雨強度公式為基礎推導出瞬時雨強的一種方法，適用于短時降雨的時間分配。恩施芝加哥雨型公式如公式（2）所示。模擬降雨歷時1h，雨峰相對位置為0.4，時間步長為1min，降雨時程分布參看圖9。

圖9 不同降雨強度下的1h降雨時程分布

2.2 模型驗證

在降雨重現期為2年、5年、10年、20年，降雨歷時1h，模擬時間為4h的情況下，將模擬得到的各子匯水區(qū)徑流系數進行綜合計算，得到綜合徑流系數為0.38，與使用該區(qū)域下墊面構建模型得到的綜合徑流系數0.43相接近（表1），因此建模適用于場地模擬中。

2.3 模型模擬

（1）雨水徑流凈化設施建設強度確定

實現最終的蓄水目標要以解決初期雨水的徑流問題為前提。達西徑流頻率波譜法是基于初期沖刷現象的LID設施設計面積的確定方法，如公式（3）所示[25]。其中WQv是水質流量。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間。

經計算，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沖刷的凈化設施設計面積分別為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%為最適建設強度研究的初始值。

（2）模擬與結果輸出

在不同降雨強度條件下，分別設置凈化設施建設強度為0%、5%、10%、15%和20%，設置降雨時間1h，模擬時間4h，輸出徑流削減率、集水率以及污染物治理率的數值參看表4。

表4 雨水集蓄利用體系模擬效益輸出結果

2.4 定性與定量分析

（1）回歸分析

應用層次分析法（圖10～11），針對各降雨強度以及各要素進行權重分析，分析結果參看表5～6。

圖10 各要素權重層次結構模型

圖11 降雨強度權重層次結構模型

表5 降雨強度權重

表6 各要素權重

將表3中的數據進行各要素在不同降雨強度條件下變化率的分析以及各要素綜合效益的計算（圖12～15）。

圖12 徑流削減率在不同降雨強度的效率變化

圖13 集水率在不同降雨強度的效率變化

圖14 污染物治理率在不同降雨強度的效率變化

圖15 各要素綜合效率變化

集水率W的綜合效益計算公式如下所示：

其中，Wi為集水率分值，Ti為降雨強度權重（i=2，5，10，20）。

徑流削減率R的綜合效益計算公式如下所示：

其中，Ri為徑流削減率分值，Ti為降雨強度權重（i=2，5，10，20）。

污染物治理率P的綜合效益計算公式如下所示：

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

三組結果回歸方程回歸系數p均小于0.05，具有統(tǒng)計學意義。

分析結果表明：①在相同降雨強度條件下，集水率等要素數值與建設強度呈現顯著的線性關系；②在相同建設強度的前提下，不同降雨強度對于不同要素的影響程度不同，其中地表徑流變化最小。

（2）建設強度確定

針對表3的數據制作調查問卷，將其發(fā)放給本專業(yè)內專家。綜合考慮雨水徑流凈化設施產生的效益、建設的成本以及對于環(huán)境的改變程度，對各坡度和建設強度的該設施進行1～5分的打分，分值越高表明綜合效益越高（表7）。

表7 問卷調查結果

對表7中數據按照降雨強度分類并進行回歸分析（圖16～19），總得分S的計算公式如下：

圖16 2年一遇降雨各要素評分回歸分析

圖17 5年一遇降雨各要素評分回歸分析

圖18 10年一遇降雨各要素評分回歸分析

圖19 20年一遇降雨各要素評分回歸分析

其中si為四類降雨強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度條件下的評分；Yw、Yr、Yp分別為各要素的權重；Ti為各降雨強度的權重（i=2、5、10、20）。

則S=-0.000052×x^3-.022×x^2+0.345×x+2.14，當建設強度取值為7.63時評分取得最大值。結合前文達西徑流頻率波譜法得到的基于解決初期降雨污染的7%建設強度，最適建設強度區(qū)間取值為7%～9%。

將評分達到最高時所取的值代入降雨強度為5年一遇的模型，并輸出結果。結果表示在面積較小的山地坡地區(qū)域中持續(xù)一小時的降雨，徑流過程往往在1.5～2小時之間結束，凈化設施的建設對徑流過程的中期影響較大，對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)域的凈化設施建設無法推遲徑流的出現時間，對于山洪的控制效益也有限。

表8 徑流峰值降低效果

結語

綜上所述，雨水徑流凈化設施的建設強度與雨水收集率、污染物治理率和徑流削減率呈顯著的線性關系。在此基礎上經過定性與定量分析，針對場地提出了基于雨水收集綜合效益的雨水徑流凈化設施最適建設強度區(qū)間：7%～9%。最適建設強度區(qū)間的確定為實現雨水的高效收集利用提供了量化的指標。

節(jié)水農業(yè)的發(fā)展既需要以水定產，提高附加值；也需要進一步發(fā)掘水資源潛力，充分利用雨水這一自然資源。針對坡地雨水徑流凈化設施建設強度的研究，為山地村落雨水的收集解決了質與量之間的矛盾。基于此研究的雨水徑流凈化設施建設為山地村落帶來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現雨水的高效收集。另外，盡管僅僅應用雨水徑流凈化設施無法做到對于山地村落完善的雨洪管控，但是模擬結果證明其可以有效地緩解洪峰的徑流量，減小對耕地和建筑的沖擊，避免更大的損失。

在發(fā)展節(jié)水農業(yè)、提高農業(yè)用水效率、實現鄉(xiāng)村振興的大背景下，鄉(xiāng)村雨水集蓄體系的建設更應發(fā)揮自然的作用，通過綠色營建技術進行統(tǒng)籌規(guī)劃和科學指引。

資料來源：

文中圖表均為作者自繪。