南河河道修复工程中海绵设施的效果评估

李昆朋， 刘邦俊， 吴 雨， 许贻乔， 吴 磊

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司， 江苏 南京 210000；2.南京市雨花台区水务总站， 江苏 南京 210000；3.东南大学 能源与环境学院， 江苏 南京 210000)

传统城市雨洪管理的规划设计理念是“快速排除”和“末端集中”，使用管渠、泵站等“灰色”硬质设施直排雨水[1-2]。这种管理中存在3类问题：第一，主要依靠硬性设施来外排径流雨水，增加了市政雨水管网及水体容纳排涝设施压力；第二，初期降雨未经植物层的净化，大量污染物随雨水入河，影响城市水环境质量；第三，雨水大量流失，浪费水资源，导致排不出水，但实际又缺水的矛盾[3]。如考虑将设计理念转变为“慢排缓释”和“源头分散”，优先利用“绿色”措施来组织排水，既能避免洪涝，又可以有效收集利用雨水。由此便诞生了“海绵城市”的概念，其内涵在于“渗、滞、蓄、净、用、排”。具体含义指城市能够像海绵一样会“呼吸”，在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的弹性，在下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时，将蓄存的水“释放”并加以利用[4]。形成城市内部良性水循环模式，在此过程中既解决了洪涝灾害问题，又自动吸收了系统的污染物质，对城市水土起到净化作用。

海绵城市通常包括低影响开发雨水系统、城市雨水管渠系统和超标雨水径流排放系统，其中低影响开发雨水是最主要的实现途径[5]。低影响开发雨水系统(Low Impact Development，LID)指在城市开发建设过程中，通过生态化措施，尽可能维持城市开发建设前后水文特征不变，缓解不透水面积增加造成的径流总量、径流峰值与径流污染的增加等对环境造成的不利影响[4]。其规划控制目标包括总量控制、径流峰值控制和径流污染控制。径流总量控制一般是低影响开发雨水系统的首要规划控制目标，而径流峰值和污染一般通过径流总量控制来实现。对于径流峰值，一般低影响开发设施对中小型降雨事件的峰值削减效果较好，而对大暴雨事件的错峰、延峰幅度较低。对于径流污染，其控制指标采用SS、TP、TN、COD等[6]，其中SS和COD常被选为主要控制指标。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

南河位于江苏省南京市主城西南，是建邺区和雨花台区的一条界河。南河当前现状存在生态环境较差、安全得不到保障、未充分发挥区域生态补水功能、滨水空间功能品质与两岸城市建设不协调等问题。南河工程的建设，主要满足黑臭水体整治、引排体系完善、防洪安全保障、滨水空间提升、区域可持续发展等方面的需要，将南河建设成为一条清澈的河、生态的河、美丽的河、创新的河。为此，南河工程指挥部将海绵化建设技术引入工程红线范围内的河滨地带，作为削减该地段入河雨水量、延缓雨水峰值和控制初雨污染的工程措施。

南河河道全长9.30 km，设计河底高程5.00 m，常水位7.50 m，洪水位11.10 m。两侧岸坡为生态岸坡，主要形式是硬质护坡，局部为草皮、仿木桩等，其面积约为32 200 m2。

1.2 海绵设施

根据《南河海绵化建设设计方案》，南河沿岸选用渗透性铺装和植草沟作为海绵化建设的措施。渗透性铺装按照面层材料不同可分为透水砖铺装、透水水泥混凝土铺装和透水沥青混凝土铺装，嵌草砖、园林铺装中的鹅卵石、碎石铺装等也属于渗透铺装。主要适用于广场、停车场、人行道以及车流量和荷载较小的道路，如建筑与小区道路、市政道路的非机动车道等。其特点是适用区域广，施工方便，可补充地下水，并具有一定的峰值流量削减和雨水净化作用，但易堵塞，寒冷地区有被冻融破坏的风险。

南河雨花区选用的渗透性铺装形式为滨水步道透水砖路，总长度2.54 km，平均宽度2.5 m，总面积约占汇水面积的6%。透水砖路自上而下包括透水混凝土砖60 mm、1∶3水泥砂浆30 mm、透水混凝土100 mm和厚碎石垫层100 mm，底部由素土夯实，两侧有白花岗岩作为护堤。

植草沟指种有植被的地表沟渠，适用于建筑与小区内道路，广场、停车场等不透水面的周边，城市道路及城市绿地等区域，可收集、输送和排放径流雨水，并具有一定的雨水净化作用，可用于衔接其他各单项设施、城市雨水管渠系统和超标雨水径流排放系统。植草沟具有建设及维护费用低，易与景观结合等优点。

南河项目建设植草沟总长度20.04 km，面积约为8 000 m2，占汇水面积的8%。植草沟宽度约为400 mm，深度400 mm，包括200 mm的种植土层和200 mm的排水层(内含穿孔集水管)，以砾石排水层分隔。植草沟未设置纵向坡度。雨花区二标段及三标最新段所设计植草沟的植被类型为天堂草，三标最后一段(K6+650～K7+550)采用细叶结缕草，规格均为30 g/m2。

1.3 研究方法

海绵化建设常用城市雨洪模型进行评估。城市雨洪模型的类别繁多，目前应用较广泛的雨洪模型可分为水文模型与水力模型2类。水文模型采用系统分析的方法，将汇水区域中复杂的水文变化概化为“黑箱”或者“灰箱”系统；水力模型以水力学为理论基础，通过联立连续性方程与动量方程模拟水体自身以及水体与河床、管道、污染物等其他介质之间的相互关系。现行的雨洪模型多将水文模型与水力模型进行耦合，可用于城市排洪防涝规划，城市市政雨水管网设计以及非点源污染控制等[7-8]。

国外对于相关理论的研究始于20世纪30年代。进入20世纪60年代后，计算机技术的蓬勃发展为城市雨洪模型提供了良好的技术保障。据统计，与城市雨洪模拟相关的模型有40余种。目前应用较广泛的模型包括 SWMM、HSPF、Inforworks CS、MIKE、MOUSE等[9]。

SWMM(Storm Water Management Model，暴雨雨水管理模型)由麦特卡尔夫&艾迪公司、美国佛罗里达大学、美国水资源有限公司联合研发，首发于1971年。经过数十年的研究发展，软件进行了多次升级，目前最新版本为5.1010。自5.0版本开始，SWMM加入了LID控制模块，为低影响开发的设计规划以及推广提供了条件。

SWMM模型凭借自身操作简单易掌握、运用范围广、包含LID模块、模拟误差相对较小、模型源代码均开源等优点在国内外得到广泛应用。据统计，国内与SWMM相关的文献达千余篇，研究相对成熟。结合研究区域的实际情况，本文选择SWMM作为雨洪模拟模型。

2 模型构建

2.1 基本参数

2.1.1 气候条件

温度采取系统缺省值，蒸发量平均值为0.1079 mm/d。

2.1.2 水文条件

(1)雨量计：根据南京市暴雨强度公式计算并录入。共8种雨量条件(0.5～50a)，降雨过程线如图1(以累积降水量表示)。

图1 南京市不同重现期下的降雨过程线

(2)子汇水面积：将每条植草沟对应的汇水区域划分为一个子汇水面积，没有植草沟的区域根据实际分布情况划分为4个子汇水面积。系统由南到北共分为25个子汇水面积，部分具体参数(面积、坡度、特征宽度等)由海绵设施平面图及大样图读出，敏感参数则需率定(见章节参数率定)。具体设置见表1。

(3)LID控制：南河右岸所选海绵设施概化图,见图2。其中植草沟底部含排水管，并非典型的植草沟结构，可以用SWMM中的Bio-Retention Cell措施进行模拟，其结构包括表面层(含植被)、土层和排水层。具体参数(表面、土壤、排水材料等)取经验值。

图2 渗透性铺装与植草沟示意图

2.1.3 水力条件

将南河概化为管段，子汇水区域对应的排放口概化为排放口节点。管段形状、长度、标高等参数从设计平面图中读取。

2.1.4 水质条件

(1)污染物：根据面源污染的特性，选取COD和SS为主要污染物，观察其控制情况；

(2)土地利用：创建绿地、道路、屋面3种土地利用类型，按照每个区域实际情况赋值。

表1 子汇水区域详情

2.2 参数率定

敏感参数包括洼蓄量、曼宁粗糙系数及下渗参数，针对南河河滨地带土壤情况，本文采取Horton公式计算下渗情况。取值范围如表2。

根据SWMM校准原理，以重现期P=0.5 a的降雨过程线为例进行校准。道路、屋面和绿地的径流系数取常用经验值，根据各区域土地利用比例做加权，得到综合径流系数Ψ≈0.62，该值与目标值(0.6)相吻合。以该值为校准目标，校准过程见表3。

表2 经验参数取值范围

表3 模型参数校准过程

采取第3次的校准值，利用重现期P=10 a的降雨过程线，得出综合径流系数经校验后的模型综合径流系数Ψ=0.73，说明调整后的参数集的适应性满足常见重现期范围，并且与实际情况较为契合。

按照上述条件运行，得到连续性误差在0.18%以内的运行结果。根据SWMM用户手册，连续性控制在10%以内即可看作合理。

3 结果分析

3.1 对系统径流排放的影响

分别模拟了0.5 a、1 a、2 a、5 a、10 a和20 a降雨重现期的LID模式、传统开发模式下的径流排放情况，如图3所示。

由图3可看出，海绵设施对于控制径流和洪峰有一定作用。具体统计见表4～5。

从表4～5中可看出，在P=0.5 a时，南河岸边汇水区在建设有海绵设施的影响下，相比传统开发模式(没有海绵设施)的累计径流量减少了1 366 m3(占总量的31%)，径流时间缩短了70 min，峰值流量削减了0.16 m3(占总量的31%)；P=1 a时，南河岸边汇水区在海绵设施影响下的累计径流量减少了1 949 m3(占总量的26%)，径流时间缩短了60 min，峰值流量削减了0.25 m3(占总量的28%)；P=2 a时，南河岸边汇水区在海绵设施的影响下，累计径流量减少了2 516 m3(占总量的24%)，径流时间缩短了57 min，峰值流量削减了0.34 m3(占总量的26%)；P=5 a时，南河岸边汇水区的累计径流量减少了3 253 m3(占总量的22%)，径流时间缩短了54 min，峰值流量削减了0.45 m3(占总量的23%)；P=10 a时，南河岸边汇水区的累计径流量减少了3 810 m3(占总量的21%)，径流时间缩短了54 min，峰值流量削减了0.54 m3(占总量的23%)；P=20 a时，南河岸边汇水区的累计径流量减少了4 256 m3(占总量的20%)，径流时间缩短了53 min，峰值流量削减了0.63 m3(占总量的22%)。

由以上分析可知，南河工程所设计的海绵设施对于中小强度降雨的径流控制效果较好，随着重现期的增大，其优势逐渐降低。

3.2 对水质的影响

南京市降雨以中小型降雨为主，因此采用P=1 a的降雨过程线为例，分析道路、绿地和道路、绿地与屋面混合3种典型子汇水区域对应排放口的污染物变化情况(图4)，可看出海绵设施在各个区域内均有利于污染物的控制，但由于各排放口所服务区域的用地性质的不同，其控制效果略有差异。对于以道路和屋面为主的汇水区域，渗透性铺装和植草沟对SS和COD的净化效果较好，可以达到40%以上，随着绿地所占比例的加大，海绵设施对污染物的削减能力逐渐下降。由此可见，海绵化建设更适用于不渗透比例较大、渗透性较差的区域。

4 结 论

南河的海绵化建设包括渗透性铺装和植草沟2种措施。2种海绵设施均匀分布于南河沿岸，共同对降雨所产生的径流和面源污染起到了良好的控制作用。

图3 (0.5a,1a,2a,5a,10a,20a)重现期径流排放模拟情况

表4 不同重现期径流排放情况

图4 3种土地利用类型的排放口污染负荷

表5 植草沟对径流排放的影响

表6 不同土地利用类型的排放口污染负荷

本文利用SWMM软件模拟了南京市南河修复过程中海绵设施的作用，发现海绵设施能够对控制径流和净化污染物起到积极作用。在径流控制方面，南河工程所设计的海绵设施对于中小强度降雨的径流控制效果较好，相比传统开发模式，径流时间可缩短50～70 min，累计径流和径流峰值最高可削减30%以上。随着重现期的增大，其优势逐渐降低。在面源污染控制方面，海绵化建设在整个区域内都能起到控制污染物的作用，但区域用地性质的不同会导致其控制效果略有差异。在不渗透比例较大、渗透性较差的区域，海绵设施可以最大程度地发挥作用。对于以道路和屋面为主的汇水区域，渗透性铺装和植草沟对SS和COD的净化效果较好，可以达到40%以上。随着绿地所占比例的加大，海绵设施对污染物的削减能力逐渐下降。