基于SWMM模拟的山地村落雨水径流净化设施建设强度研究

梁华秋 | Liang Huaqiu李 松 | Li Song

我国水资源总量丰富但是人均占有量少.乡村建成区面积只占城市建成区的40%，人口却比城市多，基础设施建设的缺失以及自然气候的影响，造成我国乡村27%的人生活在缺水地区，灌溉用水以及人畜饮用水严重缺乏[1-2]。雨水作为可被再利用的水资源，在降雨的初期，由于污染物的溶解以及对下垫面的冲刷，生成的地表径流引起的面源污染较为严重，同时在收集、分流、储存、再利用的过程中，也易于受到外部环境的多次污染。

乡村收集到的雨水主要消耗方式是用于灌溉、地下水补给等。在雨水收集方面，希腊、澳大利亚、泰国等都进行了相关的研究。在基础设施建设较为完善的发达国家，澳大利亚和希腊分别采用水平衡模型、日水量平衡法和枯水期需水量法对于集雨池的最佳规模进行了计算，满足了居民25%～50%的需水量[3-4]。Omar[5]等的研究发现，在卢旺达，每1/4公顷的耕地会因为雨水收集技术的使用每年产生约3100美元的提升。

山地村落较适宜的坡度在0～30%之间，作为村落的一种特殊形式，山地村落普遍存在生态敏感性强、基础设施建设难度大等问题；但同时也可利用地势优势，借助重力实现灌溉与雨水收集[6]。基于源头管控的低影响开发设施（Low Impact Development，LID）的建设可以提高山地村落的雨水收集效率和质量，实现良性的水文循环、提高对雨水径流的再利用能力（图1～2）[7]。但是LID设施建设强度的不同也会引起雨水收集质与量之间的矛盾：建设强度与收集雨水水质呈现正相关的趋势，与收集雨水总量呈现负相关的趋势。

图1 雨洪管理传统开发模式

图2 雨洪管理低影响开发模式

应用水文软件模拟可实现LID设施建设效果的检验，同时确定最适建设强度区间。雨洪管理模型（SWMM）是由美国环境保护署开发的，主要用于规划设计阶段的动态降雨径流模拟模型，可用于径流产生、污染物迁移以及LID设施建设模拟等方面[8]。现阶段应用SWMM软件对于低影响开发以及雨水集蓄的研究集中在城市区域，依托城市完善的管道体系、净化设施以及雨污分流系统对雨水进行收集和处理[9-10]。而将其应用于山地村落的研究较少，多为针对山地城市公园、城市自然程度较高的山地区域和平原村落的降雨和径流研究[11-13]。

本文以山地村落雨水集蓄利用体系的建设为出发点，选取对于生态敏感性较强的坡地造成的影响较小，并可承接更多雨水的下凹绿地作为典型雨水径流净化设施，并主要进行了不同坡度条件下，基于不同建设强度设施的应用效果研究（图3）。乡村雨水收集体系的完善有利于减轻供水负担，提高农业用水的利用率，进一步发展节水农业。

图3 雨水集蓄利用体系

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

选取湖北省建始县石垭子村及周边山体作为研究区域（图4～5），面积约为120hm2，其中坡度大于10%的区域占总面积的50%以上，各下垫面面积及综合径流系数参看表1。耕地多位于较平坦处且集中分布，山体开发强度弱。村中还有一文物保护单位石垭子老街，道路为青石板材质，建筑多为土家吊脚楼，有较高的保护价值[14]。

图4 研究区域卫星影像图

图5 研究区域现状

表1 下垫面及径流系数

该区域位于恩施州鄂西南山区北部，属于亚热带季风气候，区域地下水资源丰富、雨量丰沛，年平均雨量在1000～2000mm之间，且集中在4～10月的作物生长期内，对农业、林业生产十分有利。雨量的充足也带来了不利的影响，雨水冲刷及径流等使该区域土壤成为水蚀土壤，属中度侵蚀[15]，在2016年夏季，石垭子村曾经历一轮强降雨，由此引起的山体滑坡等自然灾害对于农业、经济发展造成了较大的负面影响[16]。另外，据2007年—2014年统计数据显示，建始地区酸雨频发，危及土壤和作物生长，因此亟需实现雨水的管控、雨水收集与再利用[17]。

1.2 研究区域概化及模型建立

遵循概化简化的原则，在泰森多边形划分的基础上依据研究区域的地形特征（图6～7），按照以下原则进行子汇水区的划分：①每个子汇水区只有一个汇流出口；②以路、高程分界点等作为子汇水区的划分边界；③结合场地现状如硬质、农田等[11]。按以上原则将研究区域划分为21个子汇水区（图8）。

图6 研究区域坡度图

图7 研究区域坡向图

图8 研究区域概化图

以子汇水区中建设用地较为集中的区域S6、S8、S9、S10、S11、S18作为改造的重点进行集雨体系的建设，采用减势消能——传输——集蓄的体系，以解决初期降雨的高污染问题和优化收集雨水水质、水量为先决条件，设置下凹绿地，实现雨水的渗透、净化以及储存。

模型分为雨量计、汇水区域、集水池、水泵以及排水口五部分，通过将水泵设为关闭状态以模拟实现蓄水池只进不排的集水功能（图8）。

1.3 模块参数设置

（1）子汇水区域

每一子汇水区面积按照实际面积设置，路径宽度取面积值的开方值[18]。提取世界土壤数据库（HWSD）土壤数据集中该区域的数据，土壤沙、粉沙以及粘土的含量分别为41%、37%、22%，且土壤含水量较低[19]。雨水下渗采用霍顿方程，根据土壤特征、操作手册典型值并参照前人研究成果，将最大入渗速率设置为152mm/h，最小入渗速率为6mm/h，衰减常数为4/hr，渗透区域与非渗透区域的曼宁系数分别设置为0.15和0.013[9，12，20]。

（2）污染物

建始地区酸雨频率较高，同时该地区黄壤、黄棕壤等呈酸性，更易受到酸雨影响[15]。土壤中NH4的水平较高，另外酸雨的冲刷同样使得磷元素的流失加剧，所以雨水的冲刷容易导致收集的雨水TN、TP含量过高、造成水体的富营养化[21]。本研究基于TN、TP两类污染物，选取指数增长函数进行模拟，污染物含量及土地利用参数设置参看表2。

表2 污染物及土地利用参数设置[20、22]

（3）雨水径流净化设施

雨水径流净化设施通过SWMM的LID控制器进行定义，参数参看表3。由于进行模拟的模型较为简易仅体现场地的基本特征，所以该设施采用子集水区层面的布置方式，将定义好的设施直接应用在子集水区中[23]。

表3 雨水径流净化设施参数[9、20]

2 模型验证与结果分析

2.1 设计降雨选择

恩施暴雨强度公式如公式（1）所示[24]。其中P 指重现期，t为降雨历时。计算重现期为2年、5年、10年、2 0年的降雨量，分别为45.74mm、56.13mm、63.68mm、71.87mm。在降雨过程中，前期的8～15分钟雨水污染程度较高，综合考虑解决初期降雨污染以及雨水收集的问题，研究区域在引入外源雨水后，需满足下凹绿地在降雨前15min尽可能减少径流量[21]。

芝加哥雨型是通过暴雨强度公式为基础推导出瞬时雨强的一种方法，适用于短时降雨的时间分配。恩施芝加哥雨型公式如公式（2）所示。模拟降雨历时1h，雨峰相对位置为0.4，时间步长为1min，降雨时程分布参看图9。

图9 不同降雨强度下的1h降雨时程分布

2.2 模型验证

在降雨重现期为2年、5年、10年、20年，降雨历时1h，模拟时间为4h的情况下，将模拟得到的各子汇水区径流系数进行综合计算，得到综合径流系数为0.38，与使用该区域下垫面构建模型得到的综合径流系数0.43相接近（表1），因此建模适用于场地模拟中。

2.3 模型模拟

（1）雨水径流净化设施建设强度确定

实现最终的蓄水目标要以解决初期雨水的径流问题为前提。达西径流频率波谱法是基于初期冲刷现象的LID设施设计面积的确定方法，如公式（3）所示[25]。其中WQv是水质流量。df、hf分别为生物滞留池的土壤厚度和平均积水深度，K为渗透力单位，tf为完全渗透需要的时间。

经计算，在2年、5年、10年、20年一遇的降雨条件下，基于解决降雨初期15min冲刷的净化设施设计面积分别为16469.08m2、16413.97m2、16630.33m2、16002.69m2，分别占研究区域总面积的7.30%、7.27%、7.37%、7.09%，所以选择7%为最适建设强度研究的初始值。

（2）模拟与结果输出

在不同降雨强度条件下，分别设置净化设施建设强度为0%、5%、10%、15%和20%，设置降雨时间1h，模拟时间4h，输出径流削减率、集水率以及污染物治理率的数值参看表4。

表4 雨水集蓄利用体系模拟效益输出结果

2.4 定性与定量分析

（1）回归分析

应用层次分析法（图10～11），针对各降雨强度以及各要素进行权重分析，分析结果参看表5～6。

图10 各要素权重层次结构模型

图11 降雨强度权重层次结构模型

表5 降雨强度权重

表6 各要素权重

将表3中的数据进行各要素在不同降雨强度条件下变化率的分析以及各要素综合效益的计算（图12～15）。

图12 径流削减率在不同降雨强度的效率变化

图13 集水率在不同降雨强度的效率变化

图14 污染物治理率在不同降雨强度的效率变化

图15 各要素综合效率变化

集水率W的综合效益计算公式如下所示：

其中，Wi为集水率分值，Ti为降雨强度权重（i=2，5，10，20）。

径流削减率R的综合效益计算公式如下所示：

其中，Ri为径流削减率分值，Ti为降雨强度权重（i=2，5，10，20）。

污染物治理率P的综合效益计算公式如下所示：

其中，Pi为污染物治理率分值，Ti为降雨强度权重（i=2，5，10，20）。

三组结果回归方程回归系数p均小于0.05，具有统计学意义。

分析结果表明：①在相同降雨强度条件下，集水率等要素数值与建设强度呈现显著的线性关系；②在相同建设强度的前提下，不同降雨强度对于不同要素的影响程度不同，其中地表径流变化最小。

（2）建设强度确定

针对表3的数据制作调查问卷，将其发放给本专业内专家。综合考虑雨水径流净化设施产生的效益、建设的成本以及对于环境的改变程度，对各坡度和建设强度的该设施进行1～5分的打分，分值越高表明综合效益越高（表7）。

表7 问卷调查结果

对表7中数据按照降雨强度分类并进行回归分析（图16～19），总得分S的计算公式如下：

图16 2年一遇降雨各要素评分回归分析

图17 5年一遇降雨各要素评分回归分析

图18 10年一遇降雨各要素评分回归分析

图19 20年一遇降雨各要素评分回归分析

其中si为四类降雨强度条件下的综合得分分值；wi、ri、pi分别为径流削减率、集水率以及污染物治理率在不同降雨强度条件下的评分；Yw、Yr、Yp分别为各要素的权重；Ti为各降雨强度的权重（i=2、5、10、20）。

则S=-0.000052×x^3-.022×x^2+0.345×x+2.14，当建设强度取值为7.63时评分取得最大值。结合前文达西径流频率波谱法得到的基于解决初期降雨污染的7%建设强度，最适建设强度区间取值为7%～9%。

将评分达到最高时所取的值代入降雨强度为5年一遇的模型，并输出结果。结果表示在面积较小的山地坡地区域中持续一小时的降雨，径流过程往往在1.5～2小时之间结束，净化设施的建设对径流过程的中期影响较大，对于径流峰值起到了一定的降低作用（表8）。但是，与平原地区相比，该坡地区域的净化设施建设无法推迟径流的出现时间，对于山洪的控制效益也有限。

表8 径流峰值降低效果

结语

综上所述，雨水径流净化设施的建设强度与雨水收集率、污染物治理率和径流削减率呈显著的线性关系。在此基础上经过定性与定量分析，针对场地提出了基于雨水收集综合效益的雨水径流净化设施最适建设强度区间：7%～9%。最适建设强度区间的确定为实现雨水的高效收集利用提供了量化的指标。

节水农业的发展既需要以水定产，提高附加值；也需要进一步发掘水资源潜力，充分利用雨水这一自然资源。针对坡地雨水径流净化设施建设强度的研究，为山地村落雨水的收集解决了质与量之间的矛盾。基于此研究的雨水径流净化设施建设为山地村落带来的不仅是可再利用的雨水资源，还将缓解初期降雨污染、减小地表径流的冲刷和实现雨水的高效收集。另外，尽管仅仅应用雨水径流净化设施无法做到对于山地村落完善的雨洪管控，但是模拟结果证明其可以有效地缓解洪峰的径流量，减小对耕地和建筑的冲击，避免更大的损失。

在发展节水农业、提高农业用水效率、实现乡村振兴的大背景下，乡村雨水集蓄体系的建设更应发挥自然的作用，通过绿色营建技术进行统筹规划和科学指引。

资料来源：

文中图表均为作者自绘。