LID改造对城市内涝与面源污染的影响

雷向东，赖成光，，王兆礼，，曾照洋，林广思，赵俊维

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640；3.肇庆市恒发农业科技有限公司，广东 肇庆 526114)

近年来，强降雨产生的洪涝灾害给人类带来了巨大的经济损失和严重的生命威胁，制约了城市的发展[1-3]。目前普遍认为，暴雨频发和不透水面积增加是导致城市内涝日益严重的主要原因[4-6]。除了会导致城区内涝以外，城市暴雨还会带来一系列的水环境问题。暴雨冲刷地面使大量污染物溶入城市洪流，其所产生的面源污染对城市水环境的威胁和破坏日益严重[7-8]。有研究表明，面源污染对中国水体污染中的氮和磷的贡献率非常高，分别高达81%和93%[9]。城市地区面源污染具有分布范围广、控制难度大、不确定性复杂、监测难度大、隐秘性强等特点[10-11]，对其进行预测和防治难度极大。在越来越重视城市安全和环境健康的今天，采取合理的措施解决或减缓城市内涝和面源污染问题显得刻不容缓。

自20世纪60年代至今，为解决城市内涝和城市水环境恶化的问题，不少国家开展了多种理论和实践探索，其中美国的最佳管理措施(best management practices， BMPs)、低影响开发(low impact development， LID)，澳大利亚的城市水敏感设计(water sensitive urban design， WSUD)，新西兰的低影响城市设计与开发(low impact urban design and development， LIUDD)，英国的可持续城市排水系统(sustainable urban discharge system， SUDS)等效果尤为显著。在众多雨洪控制利用理念中，对LID的研究和应用最为广泛，Tredway等[10]在Colorado州的研究表明LID可以有效减少雨水径流的峰值流量，并提高居民生活的安全保障；Eckart等[12]利用Brog算法优化的暴雨管理模型(SWMM模型)对Windsor市进行LID雨水控制模拟，发现LID使洪峰径流量和总径流量分别减少13%和29%；Sparkman等[13]对Chesapeake大湾区的市区进行LID改造模拟，发现采取LID措施后，每年每平方千米可分别削减约78 kg的氮、3 kg的磷和 1 592 kg 的SS。国内学者近年来也在暴雨径流污染的研究中取得丰硕的成果：朱寒松等[14]对分别采取生物滞留池、渗透性路面、绿色屋顶和3种LID组合改造的重庆市花朝工业园区进行径流分析，研究发现单一的LID措施中透水铺装对洪峰削减效果最好，而组合式方案径流控制效果优于任何单一LID措施；陈垚等[15]利用(SWMM模型)对不同LID设施改造方案的暴雨径流水文过程进行了验证模拟,发现LID设施可直接作为中小尺度海绵城市改造方案。现阶段，LID措施多应用于海绵城市建设等工程实践，LID在海绵城市中的优化布局、LID措施对径流和面源污染控制等研究相对较多，但针对广州市在径流和面源污染两方面评估多种LID措施综合控制效果的研究相对较少。

本文以广州市某区域为例，基于SWMM模型[16]构建适用于研究区的水文水质模型，模拟不同暴雨重现期下流域出口流量和污染物的情况，揭示LID改造对不同暴雨重现期下暴雨径流和污染物运动状态的影响，并以此评估出最佳的LID改造措施。研究结果可以为研究区科学合理的LID规划与设计方案提供依据，也可为我国海绵城市建设中的雨洪管理和面源污染治理提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区地处珠江三角洲东江下游北岸、广州市东部，北部有低矮丘陵，南部属珠江三角洲平原，大体地势为北高南低，总面积约56.4 km2，如图1所示。研究区属南亚热带海洋性季风气候，高温多雨、日照充足，全年平均气温为22 ℃，极端高低温分别为37.7 ℃和-1.9 ℃，年平均降水量为 2 000 mm。研究区是暴雨内涝频发地区，有学者曾预测，到2050年广州市将是洪涝灾害风险最高的城市[5]。可见以该研究区作为一个案例探讨LID改造对内涝与面源污染的影响具有很好的代表性。

图1 研究区地势

1.2 研究区概化

研究区目前处于管网规划阶段，区内的排水系统尚不完善，仅有几条沿河分布的管道。对研究区管网、河道、流域出口进行概化，最后得到258个管点、71段河道、190根管线以及3个出水口。

在进行子汇水区划分时，对于地势变化较大的区域可利用ArcGIS中的水文模块来实现小流域的划分，但该方法不适用地势较平坦的区域[17]。由于研究区北部是高程变化较大的山区，南部是地势较平缓的地区，因此在进行子汇水区划分时，北部山区采取以河流水系分水岭划分为主，南部则采取结合坡度、坡向和土地开发情况综合划分。最终，将研究区划分为144个子汇水区，如图2所示。

图2 研究区概化结果

1.3 暴雨条件设计

暴雨强度设计公式为

(1)

式中：q为设计暴雨强度；t为降雨历时；P为设计暴雨的重现期。

设计暴雨采用芝加哥雨型，降雨历时t取 120 min，雨峰系数r取0.4，设计暴雨重现期P取0.5 a、1 a、2 a、5 a和20 a，设计暴雨过程如图3所示。

图3 5种设计暴雨过程

1.4 LID改造措施布置

选取绿色屋顶、生物滞留池透水铺装和3种LID组合对研究区进行模拟改造，并对模拟效果进行分析评价。利用ENVI对研究区的卫星影像图进行监督分类处理，得到土地利用类型图(图4)。研究区大部分为居住区，参考相关研究[18]，同时考虑到各LID改造措施的设置效果以及未来研究区内的开发情况，3种LID组合改造情况设定为：对每个子汇水区内50%建筑物顶部和50%的道路分别进行绿色屋顶和透水铺装改造，对子汇水区5%的面积区域进行生物滞留池改造；在研究单个LID改造措施的情境时，每个子汇水区只采取一种LID改造措施。参考相关研究[19-20]，LID改造措施参数设置见表1。

图4 土地利用类型

表1 LID改造措施参数设置

1.5 参数率定与模型验证

1.5.1模型参数设置

SWMM模型需要确定的水力参数包括子汇水区面积、漫流宽度、平均坡度、不透水率、不透水曼宁系数、透水曼宁系数、不透水洼蓄深度、透水洼蓄深度等，除此之外，还需要确定最大下渗率、最小下渗率、衰减系数等。在水质模拟方面，选取COD、NH3-N两种污染物并分别选用饱和函数累积方程和指数冲刷方程作为地表污染物累积曲线和地表污染物冲刷曲线的模拟函数，主要参数包括最大累积量、半饱和累积时间、冲刷系数、冲刷指数、街道清扫参数等。其中管道长度、管径大小、井底高程、子汇水面积大小、漫流宽度等几何参数可根据管网规划资料和ArcGIS测量计算获取。子汇水区的不透水率则根据土地利用类型计算，假定绿地、裸地为完全透水，取其不透水率为0，水体、路面、屋面为完全不透水，取其不透水率为100%，再分区统计得到各子汇水区的综合不透水率。其他水力与水质参数则结合研究区实际情况和参考文献[21-22]选取。

由于研究区内排水管网系统尚处在规划阶段，缺乏相应的水量水质实测数据，不能通过出水口实测数据进行模型参数的率定与验证。鉴于此，参考文献[22-23]并将模型模拟计算得到的径流系数与综合径流系数经验值进行对比，手动调试校准模型参数，其中不透水曼宁系数和透水地表曼宁系数分别取0.013和0.24，不透水地表洼畜量和透水地表洼畜量分别取2.5 mm和5.0 mm，管道糙率取0.013，霍顿下渗模型中最大下渗率、最小下渗率与衰减系数分别为103.8 mm/h、11.4 mm/h和8.46。在水质模拟方面，参考马萌华等[23]的研究，污染物COD与NH3-N在不同土地利用类型中的参数取值情况如表2所示。

表2 COD与NH3-N在不同土地利用类型中的参数

1.5.2模型验证

采用出水口流量过程和溢流空间分布的方法对模型进行验证。由于研究区内尚未设置雨量监测站，考虑到气候的相似性与一致性，选取位于研究区西部约20 km雨量监测站作为降雨数据来源。经过降雨数据筛选，选取2018年6月7—8日的特大暴雨(简称“20180607”)进行模型验证，暴雨过程如图5所示。该场暴雨总降水量达284 mm，历时达40 h，其中，6月8日单日降雨超过10年一遇标准，降水量达到215 mm。

图5 “20180607”暴雨过程与排水口模拟流量过程

对“20180607”暴雨进行SWMM模拟，研究区的3个出水口(编号分别为O1、O2、O3)模拟流量过程如图5所示。3个出水口的流量过程线的形状基本相同，流量峰值均出现在7日的6:00—8:00、8日的9:00—11:00和17:00—19:00，与暴雨峰值时段(7日的5:00—7:00、8日的8:00—10:00和16:00—18:00)接近，并且出口的流量峰值时段比暴雨峰值时段延长1 h左右，符合城市地区降雨一般规律。另外，根据曾照洋等[23]在广州市天河区长湴片区的研究，在“20180607”暴雨下，长湴片区SWMM模拟的出水口流量过程与本研究区的基本一致，因此从侧面验证了本模型的可靠性。

广州市有关水务部门在2017—2019年先后公布了177处内涝水浸点，其中有一处内涝水浸点为新塘大道西洲路段，正好位于本研究区的内涝点上，模型能够很好地模拟研究区的内涝情况。

2 结果与分析

在5种设计暴雨的情境下，对绿色屋顶、生物滞留池、透水铺装、3种LID组合这4种LID改造措施与未改造模式进行水文和水质模拟，并且对排水口水文效应和水质效应分别进行分析。

2.1 水文效应分析

选取研究区内最大排水口(O2)进行流量过程分析(图6)，并对5种设计暴雨情景下的水文情况进行统计(表3)。

(a) P=0.5 a

(c) P=2 a

表3 5种设计暴雨的水文情况统计结果

图6表明，在5种不同暴雨重现期下，与未改造模式相比，绿色屋顶、生物滞留池和透水铺装的单独改造措施均能削减出口流量峰值，3种LID组合改造措施的削减作用更明显。由表3的排水口洪峰流量可知，在重现期为0.5 a时，未改造模式排水口O2的洪峰流量为122.71 m3/s，4种LID改造措施对排水口洪峰削减效果优劣排序分别为：3种LID组合、透水铺装、生物滞留池、绿色屋顶。但在重现期为 1 a 的条件下，生物滞留池改造的出口洪峰流量为123.15 m3/s，而透水铺装改造的出口洪峰流量为125.61 m3/s，可见，随暴雨重现期的增大，生物滞留池对出口洪峰削减效果会超过透水铺装，表明透水铺装对出口流量峰值的削减效果受重现期变化的影响较大。

由表3可知，在重现期为20 a的设计暴雨条件下，进行透水铺装改造时，排水口O2的峰现时间为 106 min，比未改造模式的96 min延迟了10 min，而3种LID组合改造措施的峰现时间为109 min，比未改造模式延迟了13 min，在其他设计暴雨重现期下也是呈现类似规律。因此，在不同的暴雨重现期下，4种LID改造措施均可延迟峰现时间，其中透水铺装是延长峰现时间最有效的单一LID措施，而3种LID组合是延迟峰现时间效果最佳的改造措施。

表3的溢流点数量分析表明，4种LID改造措施都可使溢流点数量显著减少，其中3种LID组合对溢流点数量的减少最多；通过对表3的总溢流量削减率分析，在不同的设计暴雨重现期条件下，4种LID改造措施均能在一定程度上减少总溢流量，但总溢流量削减率随重现期的增大而减小。总体而言，在不同的设计暴雨重现期条件下，4种LID改造措施的总溢流量削减效果优劣排序为：3种LID组合、透水铺装、生物滞留池、绿色屋顶。

表3的排水系统总流量削减率分析表明，与未改造模式相比，4种LID改造措施对排水系统总流量都有很好的削减效果，在0.5 a的设计暴雨条件下，对削减效果优劣排序分别为：3种LID组合(34.40%)、透水铺装(15.48%)、生物滞留池(14.98%)、绿色屋顶(5.85%)，在其他暴雨重现期也呈现类似规律。

2.2 水质效应分析

城市面源污染主要来源于道路机动车辆轮胎磨损碎屑、遗漏的燃料有机物、生活垃圾，建筑屋面的大气干湿沉降，绿地的农药，生活污水的溢流等。选取最大排水口(O2)进行COD与NH3-N质量浓度变化过程分析(图7和图8)，并对5种设计暴雨情景下的水质情况进行统计(表4)。

(a) P=0.5 a

(a) P=0.5 a

(c) P=2 a

表4 5种设计暴雨的水质情况统计结果

通过对图7和图8进行分析可知，在不同的暴雨重现期情境下，与未改造模式相比，4种LID改造措施均可削减污染物COD与NH3-N质量浓度峰值，削减效果优劣排序均为：3种LID组合、透水铺装、绿色屋顶、生物滞留池。表4的COD与NH3-N质量浓度峰值分析表明，在重现期为2 a的设计暴雨条件下，未改造模式的排水口O2的COD与NH3-N质量浓度峰值分别为232.56 mg/L和5.00 mg/L，在4种LID改造方案下COD质量浓度峰值从小到大分别为：120.71 mg/L(3种LID组合)、146.53 mg/L(透水铺装)、203.21 mg/L(绿色屋顶)、206.80 mg/L(生物滞留池)，NH3-N质量浓度峰值从小到大分别为：2.54 mg/L(3种LID组合)、3.15 mg/L(透水铺装)、4.29 mg/L(绿色屋顶)、4.38 mg/L(生物滞留池)，在其他设计暴雨重现期下也呈现类似规律。

表4表明，在不同的设计暴雨重现期下，绿色屋顶和生物滞留池对污染物COD与NH3-N质量浓度峰现时间无明显影响，但透水铺装能较有效地延迟COD与NH3-N的峰现时间，且延迟时间随设计暴雨重现期增大而减少，透水铺装对COD质量浓度峰现延迟的时间分别为3 min(P=0.5 a)、3 min(P=1 a)、2 min(P=2 a)、2 min(P=5 a)和1 min(P=20 a)，对NH3-N质量浓度峰现延迟的时间分别为 1 min(P=0.5 a)、1 min(P=1 a)、2 min(P=2 a)、3 min(P=5 a)和4 min(P=20 a)。

COD与NH3-N总量削减率分析(表4)表明，与未改造模式相比，4种LID改造措施对COD总量与NH3-N总量都有很好的削减效果，在重现期为2 a的设计暴雨条件下，对COD总量削减效果优劣排序分别为：3种LID组合(54.94%)、透水铺装(31.32%)、生物滞留池(21.64%)、绿色屋顶(16.66%)，对NH3-N总量削减效果优劣排序分别为：3种LID组合(56.16%)、透水铺装(33.75%)、生物滞留池(23.83%)、绿色屋顶(19.13%)，在其他重现期下也呈现类似规律。

3 结 论

a.基于SWMM模型构建的研究区水文水质模型，经出水口流量过程和溢流空间分布方面的模型验证，结果表明模型能够很好地反应研究区的实际情况。

b.水文模拟结果表明，就单一LID改造措施而言，暴雨重现期较小时洪峰削减和峰现时间延迟效果最好的是生物滞留池，而暴雨重现期较大时最好的是透水铺装；对溢流情况控制效果最好的是透水铺装，其控制效果随重现期的增大而减弱；在不同情境下透水铺装、生物滞留池和绿色屋顶对排水系统总流量削减效果分别为12.83%～15.48%、8.89%～14.98%和3.64%～5.85%。3种LID组合改造措施对排水系统总流量削减效果最好，为26.12%～34.40%。

c.水质模拟结果表明，就单一LID改造措施而言，COD与NH3-N的质量浓度峰值削减和峰现时间延迟效果最佳的均为透水铺装，其对两种污染物的总量削减率分别为28.88%～35.09%和31.43%～35.12%。3种LID组合改造措施对COD和NH3-N总量的削减效果最好，分别为50.51%～60.83%和53.16%～58.47%。