基于SWMM的杭州小和山區域LID措施

許 丹,徐浩楠,胡 鍇,王 輝

(1.浙江科技大學 土木與建筑工程學院,杭州 310023;2.浙江-新加坡城市更新與未來城市聯合實驗室,杭州 310023)

中國國土幅員遼闊,經度緯度跨度大,以及季風氣候使得水資源分布呈高度不平衡狀態[1]。隨著全球氣溫異常,各種極端天氣頻發,加上城市化進程迅速推進,城市建設多以不透水的鋪裝路面為主,使得城市降雨地表徑流量增加,而傳統的混凝土結構不具備吸收大量地表徑流的功能,導致城市暴雨洪澇風險陡增[2-3]。此外,城市排水系統不足以應對夏季強降雨,約有400多個城市因暴雨遭受不同程度的洪澇災害[4]。為解決日益嚴重的城市洪澇災害問題,國家大力推進“海綿城市”建設。杭州作為2021年浙江省唯一入選的全國海綿城市示范城市,其城西小和山地區逢雨必澇的問題仍未完全根除。因此如何將海綿城市理念與低影響開發(low impact development,LID)相結合[5-6],將新型雨水管理理念融入設計應用[7-9],對城市防洪防澇具有重要意義。

20世紀90年代美國學者提出的城市雨水管理新概念——低影響開發,旨在降雨時盡可能通過存儲、滲透、滯留等多種雨水處理手段,從源頭利用獨立分散的措施,讓雨水排放環境重回自然狀態[10]。目前在城市雨水管理領域的研究主要涉及以下三個方面。一是雨洪管理模型的遴選與評估:趙昌爽等[11]根據海綿城市的層級結構,從4個尺度分析了5種典型雨洪模型的性能特點,指出現有雨洪模型在各方面的不足之處,并對適用于海綿城市典型雨洪模型的發展前景作了展望;夏軍等[12]總結了國內外10種主要城市雨洪模型,從計算方法、主要特點、應用情況等多方面進行比對,指出了不同模型的特點及國內外模型研究的差距。二是提升水質的技術與方法:張強[13]研究了低影響開發設施作用下地下水水質的變化規律,發現雨水滲井對固體懸浮物(suspended solid,SS)、化學需氧量(chemical oxygen demand,COD)、總氮(total nitrogen,TN)、總磷(total phosphorus,TP)等污染物有著穩定的去除效果;Hood等[14]的研究表明LID設施可有效去除雨水徑流中的N、P、油脂等污染物,還可以中和酸雨。三是實際工程的應用探索:Hu等[15]以南京市河西區為研究區域,提出不同LID方案可使高洪水風險區域減少6%～80%,對防止城市洪澇災害有著顯著效果;Dreelin等[16]的研究表明在降雨強度較小時,停車場設置透水鋪裝,相比鋪設普通瀝青,徑流總量減少90%以上,對研究區域的防澇建設起到指導作用;唐穎[17]利用城市暴雨處理與分析集成系統(system for urban stormwater treatment and analysis integration,SUSTAN)對研究區域進行LID設計規劃,提出了成本-效益最優的降雨徑流控制管理規劃方案,對當地LID設施改造具有一定的參考價值。綜上,現有研究總體上側重于對具體區域實施LID的設施改造,但對LID設施效益評價體系尚不多見。因此,本研究擬對杭州市西湖區小和山地區進行LID設施改造,建立LID設施效益同步評估體系,結合暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)的計算結果,分析改造措施對地區雨水的削弱效果,欲為緩解同類區域澇水問題及提升防澇治理技術提供參考。

1 研究區域

小和山地區鄰近西湖,擁有6.41 km2水域,河道總長度達313.4 km[18],水域資源十分豐富。作為杭城高教園區,該區域內學校、住宅等分布密集,部分生活污水因未納入污水截污收集管系統而進入鄰近河道,這使得水體富營養化程度加重,夏季藻類暴發現象時有發生。該地區多年平均降雨量1 100～1 600 mm,屬亞熱帶季風氣候。降雨量空間上分布不均,由城西向城東呈遞減趨勢。一年的降雨量集中在5月至8月,占全年降雨量的70%。因季風在進退持續時間和強度上的不穩定性,常導致暴雨洪澇災害發生。繆啟龍等[19]對杭州市構建了區域暴雨洪澇災害風險評價模型,表明在杭州市區山谷、河邊區域暴雨洪澇風險值高。小和山地區群山環繞,在暴雨頻發的夏季就易形成洪澇。該地排水管網建成時間較久,原設計已難以應對現在的雨水強度,存在管道破裂、水體污染等風險[20]。同時排水管網也未實現雨污分流,污水雨水采用同一管道進行排放與處理。部分已建成的排水管道排放能力不能滿足規劃要求,每遇中大暴雨,污水雨水總量超過排水管道承載能力,多余部分溢流至路面,造成地表徑流。根據實地調研發現:留和路沿線基本上沒有設置截洪溝,留和路向西方向部分河道垃圾堆積嚴重,雨水排出口遭封堵,降雨期間雨水無法正常排入河道,常造成局部水位上漲現象,嚴重時漫至人行道。

因研究區域原有管網系統建成已久,常見的排水管網、污水處理廠等排水措施二次建造難度較大,而LID主要利用小型獨立多元化措施來恢復場地開發前的水文狀態,建造難度小,易于推廣,故適合使用LID設施進行本區域洪澇調節。

2 LID設施綜合效益評估

參考對海綿城市建設的檢測要求和評價指標體系的相關文獻[21-23],本研究設置了一個由水文效益、經濟效益、社會效益三者構成的LID設施綜合效益評價指標體系,各子指標由多個級別的分子指標所構成,具體見圖1。

圖1 LID設施綜合效益評價指標體系Fig.1 Indicator system for evaluating the comprehensive benefits of LID facilities

采用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)計算權重。AHP是一種將定量和定性相結合的評估決策方法,適用于多目標因素結構復雜,需將經驗判斷定量化的情況[24-25]。參考相關文獻[26]對LID設施進行評價,構造水文效益、經濟效益、社會效益的3階判斷矩陣,通過統計分析軟件(statistical product and service solutions,SPSS)計算子指標的權重,為確保層次分析法的可靠性,需計算一致性系數,計算公式如下:

(1)

式(1)中:λmax為判斷矩陣最大特征值;A為判斷矩陣;ω為權重組成的列向量;n為判斷矩陣的階;CI為一致性指標,yCI值越大,表明矩陣的不一致程度越高;RI為隨機一致性指標,通過查詢一致性檢驗值(表1[27])得到;CR表示指標得分的一致程度,若yCR小于0.1,則可認為矩陣是可靠的;否則需對表格進行修改。最終矩陣及計算結果見表2。根據圖1所示綜合效益評價指標體系,對子指標構造對應分子指標構成的3階判斷矩陣,并計算一致性系數yCR,結果見表3、表4和表5,最終權重綜合評價結果見表6。

表1 一致性檢驗值Table 1 Consistency verification value

表2 綜合效益判斷矩陣Table 2 Comprehensive benefit judgment matrix

表3 水文效益判斷矩陣Table 3 Hydrological benefit judgment matrix

表4 經濟效益判斷矩陣Table 4 Economic benefit judgment matrix

表5 社會效益判斷矩陣Table 5 Social benefit judgment matrix

表6 權重綜合評價結果Table 6 Weight comprehensive evaluation results

3 模型構建

3.1 研究區域雨水管道系統概化

對位于小和山地區的浙江科技大學、浙江工業大學、浙江外國語學院等周邊范圍內建筑進行概化處理(圖2)。根據區域的用地性質、管道走向、地形數據等實際情況與管網布線資料,采用手工劃分的方法,并利用SWMM軟件進行模擬,雨水管網概化圖見圖3。

圖2 研究區域概化圖Fig.2 Generalization map of the study area

圖3 研究區域雨水管網概化圖Fig.3 Overview of rainwater pipe network in the study area

區域概化模型包含15個子匯水區,13個管網節點,20條排水管道和1個排水口,最終匯聚并通過排水管道GQ20(DN1000)流至排放口。其中ZMJ1、ZMJ15、ZMJ10、ZMJ7設置為山體,ZMJ5、ZMJ8、ZMJ4設置為高密度商業區,其余部分設置為住宅或學校。

3.2 模型參數設置

各子匯水區面積及山體坡度等物理參數通過地理信息系統軟件(arc geographic information system,ArcGIS)處理得到,管道長度通過計算機圖形設備(computer aided design,CAD)計算得到,其他參數參考美國環境保護署(United States Environmental Protection Agency,EPA)于2015年編制的《SWMM用戶手冊》及相關參考文獻[28-30]得到,并根據區域實際情況進行修改,詳細參數見表7。

表7 模型水文參數取值Table 7 Value of hydrological parameters of the model

3.3 暴雨強度公式及雨型

研究區域的降雨過程線采用杭州市暴雨強度計算公式[17]:

(2)

式(2)中:i為暴雨設計強度;P為重現期;t為降雨歷時。

峰值比例參考DB31/T 1043—2017 《暴雨強度公式與設計雨型標準》,降雨歷時120 min。利用芝加哥雨型生成器生成重現期分別為2 a、5 a、10 a、20 a的降雨時間序列數據,降雨過程線如圖4所示。

圖4 不同重現期下120 min降雨過程線Fig.4 120-min rainfall process line at different return periods

由圖4可知,在降雨歷時120 min情況下,重現期2 a的累計降雨量為56.28 mm;重現期5 a的累計降雨量為72.50 mm;重現期10 a的累計降雨量為84.78 mm;重現期20 a的累計降雨量為97.06 mm;降雨峰值均發生在第48 min處。

3.4 LID方案設置

3.4.1 LID措施篩選與排序

根據文獻[31-34]和美國環保署的《SWMM用戶手冊》,不同LID設施對應不同類型的開發地塊,見表8。

表8 不同LID設施適用場地Table 8 Applicable sites for each LID measure

從控制成效、成本及環境效應等方面評價低影響開發設施,見表9。

表9 各LID設施評價Table 9 Evaluation of individual LID facilities

根據表9將雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝、滲渠及雨水桶設施指標量化處理,對其中高的評價等級賦值10,中上的評價等級賦值8,中的評價等級賦值6,中下的評價等級賦值4,低的評價等級賦值2;對成本、熱島負面評價中高的評價等級賦值2,中上的評價等級賦值4,中的評價等級賦值6,中下的評價等級賦值8,低的評價等級賦值10。由此得到5種LID設施的比選得分。參照表5各項權重進行處理,最終得到5種LID設施綜合評價結果,見表10。

表10 5種LID設施綜合評價結果Table 10 Comprehensive evaluation results of 5 LID facilities

3.4.2 LID組合方案選定

鑒于研究區域內多以學校住宅用地為主,商業地塊內不存在大面積水景,建筑補充水量要求低,因此擬訂方案以削減地表徑流為主,回收利用為輔。

根據表9中對各LID設施的評價結果,雨水花園綜合得分較高,且對地表徑流削減、峰值削減起到促進作用,故此方案中對12%的學校和住宅區域用地增添雨水花園。透水鋪裝對地表徑流削減效果明顯,但鑒于研究區域道路交通量大,不宜過多設置,擬將25%的廣場鋪裝改造為透水鋪裝,針對ZMJ5等高密度商業區,擬采用30%的透水鋪裝。對65%的道路設置滲渠,地表徑流一部分經透水鋪裝直接下滲,另一部分流入滲渠。根據地形示坡線,在雨水易匯集處設計雨水桶。綠色屋頂評分最低,且研究區域建筑建成較久,建筑屋頂多采用人字屋頂,推廣難度較大,所以未采用。

3.4.3 LID措施參數設置

結合研究區域土壤情況設置5種LID設施參數,見表11。

表11 LID設施參數設置Table 11 LID facility parameter settings

4 SWMM模型模擬結果

基于SWMM處理城市區域徑流的水文模塊,對研究區域采用設計降雨重現期P=2 a同時不設置任何LID設施的工況進行模擬:地表徑流連續性誤差為-0.02%,流量演算連續性誤差為-0.99%,符合對誤差的要求。設計排出管GQ20在降雨歷時1 h時達到峰值流量3.01 m3/s;未開發子匯水區ZMJ1、ZMJ15、ZMJ10、ZMJ7徑流系數在0.337～0.416之間,高密度商業區徑流系數在0.81～0.84之間,住宅或學校區徑流系數在0.739～0.745之間。其中ZMJ5地表徑流在降雨歷時1 h時達到峰值流量0.808 m3/s,徑流系數達0.864,是所有匯水區中徑流系數的最大值。

LID方案改造后,洪峰出現時刻延遲了約45 min,GQ20峰值流量僅為1.16 m3/s,削減率達61.5%;未開發子匯水區徑流系數在0.246～0.303之間,高密度商業區徑流系數在0.604～0.653之間。特別地,改造后ZMJ5峰值流量0.653 m3/s,削減率為19.2%。改造前后系統徑流對比見圖5,不同區域改造前后徑流系數的對比見圖6。

圖5 改造前后系統徑流對比Fig.5 Comparison of system runoff before and after renovation

圖6 不同區域改造前后徑流系數對比Fig.6 Comparison of runoff coefficients of different areas before and after renovation

5 結 論

本研究以杭州市西湖區小和山地區為研究區域,通過層次分析法構造判斷矩陣,得到5種LID設施效益指標權重,并構建了基于SWMM的雨洪模型,計算了2 a重現期下未設置LID設施和設置LID設施的不同結果,得到如下結論:

1) 對排水管網、污水處理廠等排水工程主要組成部分的二次建造難度較大的區域,宜采用多元化小型獨立的LID設施進行水文調節。

2) LID設施綜合效益排名由高到低為雨水花園、透水鋪裝、滲渠、雨水桶、綠色屋頂。在實際設計應用中應以前三種設施為主導,結合實際情況適當補充。

3) LID設施可有效削減區域徑流系數與洪峰流量并推遲洪峰時間。對研究區域中12%的學校和住宅區域用地增添雨水花園,25%的廣場鋪裝改造為透水鋪裝,65%的道路設置滲渠,洪峰出現時刻將延遲45 min,洪峰流量削減率達61.5%,徑流系數削減率為19.2%。