不同LID设施组合对区域雨洪控制效果的影响模拟

2021-05-19高玉琴

水资源保护 2021年3期

周昕,高玉琴,吴迪

(河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

随着城市化进程的加快，极端暴雨引发的城市内涝问题不断加剧，低影响开发(low impact development, LID)理念逐渐在现代城市建设中得以实践[1-2]。LID提倡因地制宜，常采用绿色屋顶、植被浅沟、下凹绿地、渗渠、生物滞留等设施对雨水径流进行生态化、低能耗处理,尽可能模拟雨水自然循环过程，对改善城市的生态环境具有重要作用和意义。Pyke等[3]对波士顿南部某重建区域进行了雨水模拟分析，指出LID设施能提高社区适应降水变化的能力；Danfoura等[4]评估了旧金山市某渗渠设施的雨水径流氧化还原状况，结果表明渗渠设施可以有效降低地下水污染；Ercolani等[5]在城市流域尺度上分析了绿色屋顶对缓解城市化水文影响的作用，表明建造绿色屋顶是减少城市排水系统流量的有效方法；Matos等[6]研究了LID对UIAD校园的水文影响，结果表明LID设施可使峰值流量降低68%～95%；常晓栋等[7]以北京市清河流域为研究对象，在各种重现期降水方案下对不同LID设施组合进行了模拟分析，结果表明LID组合措施对高频暴雨的洪峰流量和径流总量削减率可高达66.2%和49.4%；李静思等[8]以西安市某辖区为例，模拟分析了不同降雨频率下汇流单元协同改造的效果，结果表明汇流单元的协同改造可有效削减不同降雨频率下的径流洪峰，降低径流总量，减小区域整体径流系数。可见LID设施对缓解城市内涝、改善地下水水质、削减城市雨水径流量起到积极作用。本文在前人的研究基础上，对不同重现期降雨下，不同LID设施组合对城市地表径流、排水管网溢流及污染物排放情况的改善作用进行模拟研究。

为了研究不同LID设施组合对区域雨洪调控效果的影响，以南京市雨花台区一区域为研究对象，建立暴雨径流管理模型(storm water management model, SWMM)，模拟4种不同LID设施组合下研究区的地表径流、排水管网溢流及污染物排放情况，以期为该区域的雨洪控制方案制定提供参考。

1 研究区概况

研究区位于江苏省南京市雨花台区，总面积约9.94 hm2，如图1所示。研究区内整体地势平坦，平均坡度2.69%，属亚热带季风气候，多年平均降水量为1 090.4 mm，年内降水分布不均，5—9月为汛期，其中6、7月梅雨季为全年降雨集中时期，易形成洪涝灾害。

图1 研究区示意图

研究区主要以住宅建筑群、小区道路、停车场等不透水硬质下垫面为主，也包括绿地、裸露地面等软质透水地面，其中不透水地面面积占总面积的78.9%，无天然或人工水系发挥雨水调蓄作用，遭遇暴雨时仍采用快速排放模式，不能有效解决内涝问题。研究区内部建设有比较完备的排水管网。

2 模型构建与模拟方案设计

SWMM是美国环保局为解决城市排水问题而推出的暴雨径流管理模型，该模型可对单场暴雨产生的径流进行动态模拟，进而解决城市排水系统存在的相关水量和水质问题。模型中的LID模块可结合水文模块和水质模块模拟LID设施对地表径流、排水管网溢流及污染物排放情况的影响。

2.1 基础数据

研究区雨洪模型构建所涉及的基础数据有：实测降雨资料及对应降雨下研究区出口水量和水质检测数据、排水系统布置图、土地利用数据、地形数据(表1)，其中出口水质数据主要为TSS、COD、TN和TP这4项监测指标的数据。

表1 研究区基础数据

2.2 模型构建

2.2.1研究区概化

根据设计单位提供的综合管网布置图及实际检测和勘察数据，对研究区域排水管网进行适当概化。借助ArcGIS软件的空间分析及数据采集处理功能，结合研究区域DEM图、土地利用图和排水系统布置图，利用泰森多边形法和人工局部调整相结合的方法对汇水区进行划分。整个研究区共划分为54个子汇水区，概化后的排水管道有78条，管网节点78个，管网末端出水口1个，如图2所示。

2.2.2设计暴雨

根据GB 50014—2006《室外排水设计规范》，暴雨强度计算公式如下：

(1)

式中：q为设计暴雨强度，mm/min；P为设计重现期，a；t为降雨历时，min；A1、C、b、n为参数。研究区地处南京市，A1、C、b、n取值分别为64.172、0.837、32.9和1.011。采用芝加哥雨型法设计暴雨，降雨历时2 h，降雨雨峰相对位置取0.4，由式(1)计算得到设计重现期为2 a、3 a、5 a和10 a的2 h降雨强度过程线如图3所示。

(a) 排水管网概化及子汇水区划分

图3 不同重现期暴雨的降雨强度过程线

2.3 模型参数

研究区的子汇水区面积大小、特征宽度、平均坡度、不透水面积比例、管径大小、管长、管道形状、节点高程等可由下垫面信息和排水管网信息得到，本文主要通过GIS软件和实测数据获取。

2.3.1水文模块的参数设置

水文模块主要模拟地表径流的产流和汇流过程。参考SWMM用户手册[9]，地表产流采用Horton入渗模型来模拟研究区的产流入渗过程，研究区内土壤属壤土，最大下渗率为78 mm/h，最小下渗率为5.5 mm/h，衰减系数为3 h-1。管段进出口及平均损失系数取0.012，由于研究区地表情况复杂，均匀性差，无洼不透水区面积占比取为25%。地表汇流需要率定的参数初值：不透水区洼蓄量 1.5 mm，透水区洼蓄量7.5 mm，不透水区曼宁系数0.015，透水区曼宁系数0.18，管段曼宁系数0.13。

2.3.2水质模块的参数设置

参考GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，选取TSS、TN、TP、COD共4种非点源污染物作为水质模拟的主要污染物指标，模拟其在研究区排水管网末端出水口处的排放状况。根据研究区域特点，将下垫面分为屋面、道路、绿地3种土地利用类型，各子汇水区根据实际情况分别赋予3种下垫面相应的面积比。不同下垫面均选取指数函数进行污染物的累积与冲刷模拟，参考SWMM用户手册提供的参考值以及查阅相关的研究资料[11]，选取参数初值如表2所示。

表2 污染物累积与冲刷参数初值

2.4 模型参数率定与验证

分别采用2017年7月21日和8月24日两场降雨研究区排水管网末端出水口的实测流量及各污染物质量浓度数据来率定和验证模型参数。这两场降雨雨量适中，形成较大径流，监测结果应用性良好。选取决定系数R2和Nash系数ENS[10-11]评价模型的模拟效果。

采用2017年7月21日降雨对模型进行率定，模型参数率定结果见图4，可以看出：研究区排水管网末端出水口流量和各污染物质量浓度模拟值与实测值拟合程度较好，R2值与ENS值均高于0.81。

(a) 排水管网末端出水口流量

采用2017年8月24日降雨对模型进行验证，模拟结果中的研究区排水管网末端出水口流量及各污染物质量浓度与实测值的拟合程度及变化趋势吻合良好，R2值与ENS值均高于0.84，表明模型对研究区的适用性好，满足要求，因此模型参数的取值为上述水文、水质模块参数设置中的初值。

2.5 模拟方案设计

通过对研究区场地条件的实地勘察和分析，初步选取LID设施为：绿色屋顶、生物滞留设施、雨水花园、植草沟、渗渠、透水铺装和雨水桶。根据模型模拟得到研究区当前的排水管网运行情况，在溢流点所在区间加大LID设施面积的布置比例。参考相关研究成果及实际工程经验[12-19]，对7种LID设施进行组合设定了4种方案。

a. 方案1。按照最基本的LID布置方式，布置最常见、建设简单、成本较低的植草沟、渗渠和雨水桶(收集利用雨水)。大体设计方案为：小区内道路两边的雨水沟采用植草沟或渗渠来传输、调蓄雨水；适宜的建筑周边使用雨水桶收集屋面雨水。共布置雨水桶196.5 m2、植草沟4 000 m2、渗渠2 000 m2。

b. 方案2。采用雨水桶、雨水花园、生物滞留设施、绿色屋顶、透水铺装这5种LID设施。布置方案如下：小区内道路周边绿地设置生物滞留设施；在景观水体或其他水系以及地势低洼处建设雨水花园或生物滞留设施；在未设置雨水桶的住宅建筑屋面建造绿色屋顶；在停车场、人行道等载重负荷较小的小区道路布设透水铺装。共布置雨水桶78.6 m2、生物滞留设施1 120 m2、雨水花园1 040 m2、绿色屋顶 6 750 m2、透水铺装9 020 m2。

c. 方案3。选用全部7种LID设施，布置方案如下：小区内道路两边的雨水沟采用植草沟来转输、调蓄雨水，并搭配渗渠共同发挥作用；其他几类LID设施的布置形式与方案2大致相同。共布置雨水桶39.3 m2、植草沟2 600 m2、渗渠1 300 m2、生物滞留设施960 m2、雨水花园800 m2、绿色屋顶5 750 m2、透水铺装8 000 m2。

d. 方案4。考虑到透水铺装建造时需要破坏原有道路，选用除透水铺装外的6种LID设施。方案布置大致参照方案3，共布置雨水桶170.3 m2、植草沟6 000 m2、渗渠2 000 m2、生物滞留设施800 m2、雨水花园720 m2、绿色屋顶4 000 m2。

在SWMM的LID模块中分别按照上述方案添加不同LID设施组合，结合水文、水质模块模拟不同重现期降雨条件下研究区4种LID方案的地表径流、排水管网溢流以及污染物排放情况，以此分析各方案的雨洪控制效果。

表3 雨水入渗量及地表径流量模拟结果

表4 节点溢流情况模拟结果

3 模拟结果与分析

3.1 地表径流

在不同重现期的降雨条件(P=2 a、3 a、5 a、10 a时研究区2 h降水量分别为59.2 mm、66.2 mm、75.0 mm 和86.9 mm)下，4种LID方案下研究区雨水入渗量及地表径流量模拟结果见表3。由表3可见，相同重现期降雨条件下，不同LID方案均对雨水起到一定的滞蓄作用。方案2的雨水入渗量最大，径流量最小，对雨水的滞蓄效果最好。当P=5 a时，方案2较现状情况可使研究区降雨入渗量增大10.594 mm，径流量减小22.978 mm，削减率达38.4%；径流系数减小0.306。当P=10 a时，方案2较现状情况可使研究区降雨入渗量增大12.453 mm，径流量减小25.274 mm，削减率达35.8%；径流系数减小0.291。

3.2 排水管网溢流

由表4可知，对于P=2 a、3 a的降雨，研究区内相应的检查井节点均没有溢流情况出现，管道也无超载情况，说明4种设计方案均可使排水系统重现期提升至3 a。对于P=5 a的降雨，4种LID方案均无节点溢流，方案1内有3条管道出现超载，超载状态持续时间均在5 min以内，其他方案无管道超载。当P=10 a时，4种LID方案均有节点溢流情况发生，溢流情况相比现状明显改善，溢流节点数减少，最大溢流时间缩短，可缓解当前研究区的排水压力。其中方案2中溢流点为3个，减少75%；溢流时间为9.0 min，缩短75.8%；对节点溢流情况改善效果最好。