基于MFF30的海绵措施规模优化

2020-10-15李翠梅

苏州科技大学学报(工程技术版) 2020年3期

丁录，李翠梅

（苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009）

随着城市化的发展，大量的生态土地被改造为不透水下垫面，在减少了雨水下渗量，增加了地表径流的同时也使得径流污染物浓度明显升高,造成了城市内涝灾害频发、面源污染加剧的现象[1]。在控制径流污染的过程中，对整场降雨的径流污染进行控制的做法既不经济也不现实[2]。研究表明，降雨初期的径流中污染物的浓度通常是较高的，此时，大量高污染物浓度的初期雨水进入受纳水体，形成初期冲刷效应，对水环境造成污染[3]。因此，加强对初期冲刷效应的控制可以更好地达到控制径流污染的目的。

关于污染物的初期冲刷效应，有很多研究学者[4-5]通过计算初期冲刷质量累积比例MFFn的大小来判断初期冲刷效应发生的强弱。MFFn表示当产生前n%的地表径流时，累积污染负荷比例与累积径流比例的比值，MFFn值含义明确且简单易懂，计算方法也相对简便，应用较为广泛。目前的研究常根据MFF30值的大小将初期冲刷效应分为无冲刷、弱冲刷、强冲刷三个等级[6]。

海绵城市建设理念当下常被用于缓解城市内涝问题以及提升城市水环境质量，SWMM模型作为一个动态的降雨-径流模型，可以模拟径流及水质输出，以及各种海绵措施的效果。目前，针对于海绵措施的效果评估大多基于整场降雨过程，通过本文研究，希望可以建立SWMM模型，根据初期雨水冲刷效应的缓解效果对不同规模的3种海绵措施做出评价，并选择出不同海绵措施最优的规模区间。

1 研究实例与方法

以宣城市某小区为例，构建SWMM模型，模拟水质水量输出，并通过MFF函数定量识别不同重现期下，不同规模的三种海绵措施对于SS和COD两种污染物的初期雨水径流冲刷效应的缓解效果，以达到海绵措施规模优化的目的。

1.1 模型建立

宣城市某小区总占地面积7.52 hm2，采用雨污分流制，由36.65%的屋面、36.66%的道路及广场和26.69%的绿化用地组成，总不透水面积占区域面积的73.31%。区域地势较为平缓，平均坡度为1.8%。

根据实地考察结果，研究区域概化为16个子汇水区，其中最小的面积为0.281 4 hm2，最大的面积为0.622 0 hm2。模型中包括10条雨水管段，11个节点（包含1个排水口节点），概化结果如图1所示。

图1 研究区域概化图

根据类似研究[7-8]，采用Horton渗透模型进行产流计算；最大入渗率、最小入渗率、衰减常数以及排干时间分别定为75.6 mm/h、3.35 mm/h、4 h-1、7 d。地表汇流模型采用非线性水库模型，管道曼宁系数定为0.013。污染物累积模型选用饱和函数，污染物冲刷模型选用指数函数，街道清扫间隔天数为一天。具体参数设置如表1所列。

表1 水质模块参数

采用降雨时长为2 h的模拟降雨，选用芝加哥雨型，雨峰位置R为0.4，降雨重现期设计为1、3、5、10 a四种。由于当地没有暴雨强度公式，选用相近的芜湖市的暴雨强度公式，如式（1）所示。

式中，q 为暴雨强度，L/s·ha；P 为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min。

1.2 MFF定量识别方法

根据SWMM模型模拟得出的各重现期下布设不同规模海绵措施时的径流曲线，计算得出产生前30%径流量的时间tr，结合模拟得出的污染物曲线，以及径流总量Q（t）和径流污染总负荷量M（t），采用MFF30来进行初期雨水径流冲刷效应的定量识别。以MFF30=1作为初期冲刷发生的定量识别标准，若MFF30值＜1则表示初期冲刷现象没有发生；若MFF30值＞1且MFF30值＜2，则说明弱冲刷效应发生；若MFF30值≥2，则说明强冲刷效应发生，其具体表达式如下式中，t为径流过程中的某一时刻，min；Ct为径流过程中t时刻的污染物浓度，kg/L；Qt为径流过程中t时刻的地表径流量，L/min；M（tr）为径流过程中至某一时刻的径流污染总负荷，kg；M（t）为径流过程的总污染负荷量，kg；Q（tr）为径流过程中至某一时刻的地表径流总量，m3；Q（t）为径流过程的地表径流总量，m3；n 为径流过程中的累积径流量比例。

1.3 LID模块设计

研究区域土地利用类型分为屋顶、道路及广场、绿化用地，分别对应绿色屋顶、渗透性铺装、生物滞留池三种海绵措施。为研究不同规模对于初期冲刷效应的影响，每种海绵措施的规模以最大设计占比的10%为增长步长由0逐渐增长到最大设计占比。根据措施特性以及研究区域条件，三种海绵措施的最大布设比例分别设计为65%、80%、50%，具体布设设计比例见表2。

表2 海绵措施布设比例设计

2 结果与分析

2.1 不同绿色屋顶规模下的污染物MFF30分析

四种降雨强度下，在研究区域布设不同规模绿色屋顶后，SS和COD的初期冲刷质量累积比例MFF30值分别见表3。

表3 不同规模绿色屋顶下SS的MFF30值

由表3可以看出，当绿色屋顶布设比例由0%增大到9.53%时，各重现期下SS和COD的MFF30值快速减小，并在9.53%～11.91%之间到达第一个低点，这表明在此范围内增加布设比例的效果是较好的。在这个区间内，绿色屋顶对于污染物的削减效果明显优于对径流的控制效果，径流的平均浓度较小，初期冲刷效应得到缓解。在第一个低点过后，随着布设比例的增加，MFF30值呈现增加的趋势并达到一个高点，这表明在一定范围内，绿色屋顶规模的增大对减缓初期雨水径流冲刷效应呈负面影响。此时，绿色屋顶对于径流的控制作用占主导地位，径流平均浓度较大，初期冲刷效应增强。在高点过后，MFF30值随着布设比例的增加而减小，逐渐趋向于1，此时，绿色屋顶对于污染物的削减效果和径流的控制效果均较为良好，初期冲刷效应减弱。当重现期为1 a时，23.83%为绿色屋顶同时避免SS和COD初期冲刷效应的最小的设计规模。但是同时考虑到经济因素，在各重现期下，绿色屋顶布设的最佳规模区间应为SS和COD的MFF30值均处于低点的9.53%～11.91%。此外，在此区间内，MFF30值均小于2，说明发生弱冲刷效应，这表明，此规模绿色屋顶的布设虽然无法完全避免，但可以大大减缓初期雨水径流冲刷效应的发生。

2.2 不同渗透性铺装规模下的污染物MFF30分析

四种降雨强度下，在研究区域布设不同规模渗透性铺装后，SS和COD初期冲刷质量累积比例MFF30值见表4。

表4 不同规模渗透性铺装下SS和COD的MFF30值

由表4可知，当渗透铺装布设比例由0%增大到11.73%时，各重现期下SS和COD的MFF30值快速减小，这表明在此范围内增加布设比例的效果是较好的。当布设比例处于11.73%～14.66%，MFF30值会到达第一个转折点：MFF30值几乎不随着布设比例的增加而改变。这表明在一定范围内，布设规模的增大对减缓初期雨水径流冲刷效应没有影响，在这个区间内，渗透性铺装对污染物的削减作用和径流的控制作用成比例增加，此时径流平均污染物浓度变化不大，初期冲刷效应没有受到缓解。当布设比例增加到20.53%～23.46%，MFF30值会到达第二个转折点：MFF30值随着布设比例的增加而减小，逐渐趋向于1。此时渗透性铺装对于径流的控制作用可能已经达到饱和，而对于污染物的削减作用还在增强，因此初期冲刷效应减弱。当重现期为1 a时，29.34%的布设规模可以同时避免SS和COD初期冲刷效应。但是同时考虑到经济因素，渗透铺装布设的最佳规模区间为11.73%～14.66%。

2.3 不同生物滞留池规模下的污染物MFF30分析

四种不同降雨强度下，在研究区域布设不同规模生物滞留池后，SS和COD初期冲刷质量累积比例MFF30值见表5。

表5 不同规模生物滞留池下SS和COD的MFF30值

由表5可知，各重现期下，SS和COD的MFF30值随着生物滞留池规模的增大呈现减小的趋势，这表明污染物的初期冲刷效应随着生物滞留池规模的增大而减小。随着规模增大，生物滞留池对于污染物的削减作用和径流量的控制作用都有良好的效果，径流的污染物浓度逐渐降低，初期冲刷效应得到缓解。当重现期为1 a时，13.35%的布设规模可以同时避免SS和COD的初期冲刷效应。当重现期大于1 a时，当布设比例达到10.68%，MFF30值均处于1～2之间，说明发生弱冲刷效应，这表明，生物滞留池的布设虽然无法完全避免，但可以减缓初期雨水径流冲刷效应的发生。生物滞留池的最优规模13.35%。

2.4 不同海绵措施规模优化分析

当重现期为1 a时，绿色屋顶、渗透性铺装、生物滞留池同时避免SS和COD的初期冲刷效应的最小设计规模为23.83%、29.34%、13.35%，生物滞留池同时避免SS和COD初期冲刷所需的设计比例为后两者的56.02%和45.50%。重现期大于1 a时，以最大规模分别布设三种海绵措施时，仍均不能完全避免污染物的初期冲刷效应，但是可以看到同等规模布设海绵措施时，布设生物滞留池时的SS和COD的MFF30值最低，因此，综合各重现期，生物滞留池对于减缓初期雨水径流冲刷效应效果最佳。

结合经济效益与环境效益后，绿色屋顶、渗透性铺装、生物滞留池的最优规模分别为9.53%～11.91%、11.73%～14.66%、13.35%，所对应的 MFF30值分别处于 1.15～1.6、1.25～1.6、0.9～1.2 之间。因此，MFF30=1 并不是唯一判断依据，对于不同的海绵措施，判断的标准也不同，应同时结合海绵措施规模增加与初期冲刷效应减缓效果来设定。