基于SWMM的某市政道路降雨径流和水质分析

陈 曦, 熊鸿斌, 杜浩强, 谢 进, 刘 娜

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学设计院(集团)有限公司,安徽 合肥 230051)

近年来,随着城镇化建设的快速发展,在市政道路建设中,传统的市政排水管道已不足以应付大面积地表硬化所带来的降雨径流问题,易出现道路积涝、面源污染严重、雨水资源流失等问题,而降雨径流中的污染物通过城市排水系统直接进入受纳水体,对水环境、水生态产生了严重的威胁[1-3]。面对这种情况,国内外研究者开始探索雨水管理新模式[4-5]。美国提出的 “低影响开发”(low impact development,LID)提倡利用影响开发设施在源头控制道路雨水径流,是一种新型道路排水模式,得到广泛推广和应用[4]。深圳市光明新区门户区36号路和38号路采用LID理念进行建设,开启了国内LID市政道路的探索[6-8]。2014年,国家住房和城乡建设部颁布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统的构建》(试行)[9],有力地推动了LID理念在各种建设项目的应用。但是,由于LID技术在国内应用不成熟,尚无相应的标准规范,国内市政道路LID雨水系统的设计缺乏理论体系和计算方法,现有的工程设计仍处于探索和示范阶段[10]。鉴于此,本文使用美国环境保护署研发的暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)软件对陕西咸阳宝泉路LID改造前后径流的水文和水质变化情况进行模拟评估,研究在不同设计降雨重现期情况下其水文和水质的变化趋势,以期为市政道路LID设计提供参考。

模拟区域为经拓宽改造施工的咸阳市宝泉路,东起老宝泉路与老咸兴路交叉口,西至汉陵路交叉口,全长1.26 km,红线宽度60 m,总面积为6.484 4 hm2。根据工程勘察报告,道路位于渭河北岸二级阶地,地面表层为0.3～0.5 m厚的耕植土,其下为湿陷性黄土,厚4.0～6.0 m,湿陷类型为非自重,湿陷等级为Ⅱ-Ⅲ级。

经拓宽改造后的宝泉路排水管道仍是传统模式下的雨水排放系统,没有很好地兼顾自然、生态、环保要求,如绿化带的布置等。目前,此段道路尚无针对 LID 措施的设计和规划,因此,借着本次基于LID理念的城市雨水开发利用模拟研究契机,将其选为LID措施设计和模拟的研究区域。

1 模拟区域模型的建立

1.1 模拟区域子汇水分区概化

汇水区内道路和绿化带的下垫面分为3种使用类型,即有雨水滞留的不透水路面、无雨水滞留的不透水路面和透水路面。以研究区域管道坡度及管位布置为依据,将模拟区域划分成48个子汇水区域(ZMJ1～ZMJ48)、50段管渠(GQ1～GQ50,管渠管径500～1 200 mm),设检查井节点50个(J1～J50)、雨水出流口2个(PFK1、PFK2),各个子汇水区域的面积在0.078 0～0.249 6 hm2之间。

本研究根据模拟路段的地势和土地使用类别,通过查阅相关文献[11]确定各个子汇水区的不透水面积在子汇水区域总面积中的占比I、各个子汇水区域无雨水滞留的不透水面积在总不透水面积中的占比IZW、不透水路面与透水路面的曼宁系数(N不渗透、N渗透)、不透水路面与透水路面的雨水滞留量。研究路段各子汇水区属性见表 1所列。

表1 子汇水区属性

结合模拟路段的实际情况、地形资料和土地利用特征表等相关资料,对模拟路段设置LID设施,即利用每个子汇水区域的现有条件,将现有的绿化带改建为下凹式绿地。下凹式绿地的特点是下渗量大、有下凹的蓄水空间,地表径流在流入下凹式绿地后可通过土壤和植物的共同作用削减径流量及峰值流量,去除地表污染物。经过概化后将所有子汇水区域绿地中的绿化带改成下凹式绿地,道路红线附近人行道上栽种的植物保持不变。设置下凹式绿地后,模拟路段的下凹式绿地总面积为3 993.5 m2,下凹式绿地在各个子汇水区的面积占比见表2所列。

表2 下凹式绿地占比统计结果

将下凹式绿地的LID调节措施添加到各个子汇水区域,LID调控形式选草洼,草洼只设置表面层。

根据LID设施对地表径流污染物的去除率,设定下凹式绿地的非点源污染控制最佳措施(best management practices,BMPs)清除效率。

1.2 水文模型参数设置

水文模型主要包括地表产流模型和地表汇流模型。根据模拟路段的现有情况,选择 Horton 模型模拟路段的产流下渗过程,该模型确定的最大下渗速率为75.00 mm/h,最小下渗速率为3.25 mm/h,衰减系数为2 h-1,排干时间为4 h[12]。地表汇流采用非线性水库模型对各个子汇水面积的汇水进行演算,N不渗透=0.013,N渗透=0.150,管道的曼宁系数为0.013,不透水路面与透水路面的雨水滞留量分别为2、5 mm[13],IZW=70%,地面坡度为0.2%,流量演算应用动态波进行模拟。

1.3 水质模型参数设置

水质模型包括污染物累积模型、污染物冲刷模型和街道清扫模型。使用饱和函数描述径流污染物指标的积累过程,采用指数函数对降雨径流污染物的冲刷进行模拟。饱和函数需确定的参数为污染物指标的最大积累量和半饱和积累时间,指数冲刷函数需要输入的参变量为冲刷系数、冲刷指数和清扫去除率。化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、悬浮物(suspended substance,SS)、NH3-N、总磷(total phosphorus,TP)等道路与绿地污染物指标饱和累积参数取值见表3所列,道路与绿地降雨径流污染物指标冲刷参数初始取值见表4所列。

表3 道路与绿地污染物指标饱和累积参数取值

表4 道路与绿地降雨径流污染物指标冲刷参数取值

在街道清扫模型中,街道清扫的间隔时间为1 d,地面沉积污染物的削减率为75%[14]。

1.4 LID模拟情景设置

LID调控形式选草洼,草洼只设置表面层。根据有关研究结论[15]与SWMM用户手册对草洼的各个参数进行率定,设定下凹式绿地的蓄水深度为50 mm,植被覆盖率为0.9,表面粗糙系数为0.015,表面坡度为0.8%,洼地边坡坡度为5.0。参考在该地区进行的下凹式绿地对径流污染物指标去除率的小试实验,设定下凹式绿地的BMPs清除效率,SS、COD、TP、NH3-N的清除效率分别为60%、39%、43%、52%。

1.5 人工降雨过程线设计

在设计降雨曲线的过程中,可用雨峰系数r(0

(1)

(2)

其中:tb为峰前降雨历时;ta为峰后降雨历时;a、b、c为常数。

求得指定设计降雨频率各个历时的设计雨量后,通过(1)式、(2)式即可求得设计暴雨的时程分配。

利用西安市暴雨强度公式计算不同设计降雨重现期2 h内降雨总量,再根据(1)式、(2)式进行降雨时程分配,得到当设计降雨重现期P分别为1/2、1、2、3、5 a时2 h降雨随时间变化曲线。西安市雨峰系数r的变化范围为0.30～0.50,选取r=0.33,计算所得2 h降雨时程分配数值见表5所列。

表5 西安市不同重现期2 h内降雨时程分配结果

2 模拟结果与分析

2.1 径流效果

在各个设计降雨重现期条件下,模拟区域2个排放口的地表径流总量和峰值流量的运行结果如图1、图2所示。

图1 不同重现期下排放口径流总量变化

图2 不同重现期下排放口径流峰值变化

从图1、图2可以看出:在不同重现期下,无LID设施的情况下径流总量和峰值流量均高于布置下凹式绿地(有LID设施)的情况,说明LID设施能够削减降雨径流总量和峰值流量;在P分别为1/2、1、2、3、5 a情况下,有LID设施对降雨径流总量的削减率分别为9.1%、7.0%、5.3%、4.8%、4.5%,对降雨径流峰值流量的削减率分别为22.2%、11.1%、14.3%、12.2%。

随着P增加,有LID设施对降雨径流总量和峰值流量的削减率呈减小的趋势,这表明下凹式绿地对强度较小的降雨表现出明显的效果,当雨强逐渐增大时,下凹式绿地对地表径流的削减情况会逐渐降低,其原因是雨量过大将会导致径流下渗速率更快达到饱和,地表会提前产流,甚至有可能出现雨水在土壤中下渗时间还未完全达到饱和就已经形成地表径流,或者是雨强过大对土壤形成强烈的冲击,导致土壤结构被破坏,因此下凹式绿地对雨水径流的调控具有一定的适用范围。本研究中添加的下凹式绿地设施对径流总量和峰值流量的削减率都不大,一方面可能是由于模拟路段的绿地面积占比较小,可供改建成下凹式绿地的绿化带不多,另一方面可能是由于下凹深度较小,因此,当能够改建为下凹式绿地的绿地有限时,可在保证植物能够正常生存的前提下适当增加下凹深度,以此来增大径流总量与峰值流量的削减率。

2.2 径流过程

在不同重现期情况下,有、无LID设施时径流过程模拟曲线如图3～图7所示。

从图3～图7可以看出,在P分别为1/2、1、2、3、5 a时,无论是否在模拟区域内布置下凹式绿地,地面开始产生径流的时间都会落后于降雨刚开始的时间,但这种滞后效果很短暂。

图3 P=1/2 a时不同用地布局情景的径流曲线图4 P=1 a时不同土地利用情景的径流曲线图5 P=2 a时不同土地利用情景的径流曲线

图6 P=3 a时不同土地利用情景的径流曲线

图7 P=5 a时不同土地利用情景的径流曲线

径流达到峰值所用的时间也落后于降雨达到峰值的时间,这是由于在刚开始降雨时,雨水落到地表,地表覆被的植物能对雨水起到一定的阻拦和吸收作用,并且在降雨初期,渗透地表的土壤空隙较大,透水率较高,初期雨水能通过土壤充分下渗,从而无法及时汇聚形成径流。

当P分别为1/2、1、2、3、5 a时,布置下凹式绿地的土地利用情景能有效推迟地表径流形成时间、缩短径流时长、延缓峰值时间，这是由于在现有绿化土地利用情景的基础上布置的下凹式绿地改变了现状用地情景,延长了降雨入渗时间,降雨落到地表进入下凹式绿地后能蓄积在凹地中充分下渗,而不是汇集在地表产生径流。但随着P增大,采用下凹式绿地设施的土地利用情景对径流时长的缩减效果越来越不明显,这是由于降雨强度增加导致径流下渗更快达到饱和状态,下凹式绿地对径流时长的缩减、峰值时间的延缓效果越来越弱;对径流形成时间的延缓程度有限(延缓范围为1～5 min),对峰值时间的延长效果也不明显(其范围为1～10 min),对两者的延缓效果都小于10 min,对于径流时间较长的降雨来说效果并不显著,这可能是由于本研究中模拟地域的下凹式绿地面积占比较小,而且下凹深度不大,因而径流形成时间与峰值时间的延缓效果并不好。

2.3 水质效果

在各个重现期下,模拟路段2个排放口 COD、SS、NH3-N、TP 4种污染物指标的排放量模拟结果如图8～图11所示。

在各个重现期下,从污染物指标排放量看,无LID设施时高于有LID设施时,说明 LID-BMPs设施在一定程度上能够削减地表径流中的污染物。在P分别为1/2、1、2、3、5 a时,LID-BMPs用地布局情景对COD排放量削减率分别为18.57%、21.38%、25.64%、31.65%、33.67%;对SS排放量的削减率分别为18.56%、21.06%、25.65%、28.16%、29.50%;对NH3-N排放量的削减率分别为27.22%、29.18%、32.81%、35.60%、36.56%;对TP排放量的削减率分别为10.00%、16.60%、20.83%、25.95%、27.73%。

图8 各个重现期雨水排放口SS排放量变化图9 各个重现期雨水排放口COD排放量变化

图10 各个重现期雨水排放口NH3-N排放量变化

图11 各个重现期雨水排放口TP排放量变化

随着P增加,布置下凹式绿地的土地利用情景对4种污染物指标的削减率先逐渐增加后趋于平缓,这是由于污染物沉积较多,模型中设置的冲刷系数较大,明显受到雨强的影响,在雨强较大的情况下,地面的所有污染物大多数被径流冲刷进入下凹式绿地中,从而使下凹式绿地装置对于这些污染物的去除强度达到饱和状态。下凹式绿地装置对COD、SS、NH3-N与TP的削减率随着降雨强度的增加而增大,但是增加的幅度却随着雨强增加而慢慢减小,这说明下凹式绿地装置对降雨径流污染物的去除也具有一定的范围,当降雨强度太大时,去除效果将不再显著。

3 结 论

通过对该市政道路的LID建设,在不同设计降雨重现期情况下,布置下凹式绿地的土地利用情景能有效推迟地表径流形成时间、缩短径流时长、延缓峰值时间,同时还能对地表径流总量、峰值流量具有一定的削减效果,但随着设计降雨重现期增大,下凹式绿地装置对降雨径流总量和峰值流量的削减情况渐渐变得不再明显,对于降雨强度不大的降雨,下凹式绿地对径流的削减显现出更好的效果。

在不同的设计降雨重现期,在现有土地上布置下凹式绿地后能显著去除汇入雨水管道的污染物。当设计降雨重现期分别为1/2、1、2、3、5 a时,相对于未布置下凹式绿地的土地利用模式,布置下凹式绿地的土地利用模式对COD排放量的削减率分别增加18.57%、21.38%、25.64%、31.65%、33.67%;对SS排放量的削减率分别增加18.56%、21.06%、25.65%、28.16%、29.50%;对NH3-N排放量的削减率分别增加27.22%、29.18%、32.81%、35.60%、36.56%;对TP排放量的削减率分别增加10.00%、16.60%、20.83%、25.95%、27.73%。下凹式绿地对4种污染物指标的削减率呈先增加后趋于平稳的趋势,这说明随着降雨强度增大,去除效果将不再显著。