基于在线和人工检测的海绵道路效果模拟评价

余健 ，邓芸 ，胡双

（1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南大学设计研究院有限公司，湖南 长沙 410006）

在城市雨水径流污染中，城市道路雨水径流污染较为严重，初期径流污染程度甚至高于生活污水［1-2］.现有实践和研究表明，海绵城市设施可以利用“土壤-植物-微生物”的联合作用，在一定程度上促进雨水径流的渗透、净化和储存［3-6］.因此，在城市道路上建设海绵城市设施，以控制道路径流雨水排放量和削减径流污染是十分必要的.

目前，国内外对海绵城市设施在城市径流雨水和径流污染控制的效果开展了一些评估研究.比如，Bardhipur［7］通过SWMM 模拟，探讨了生物滞留池和雨水桶两种海绵设施存在的情况下美国俄亥俄州帕尔马市某住宅区的水文性能.Zeng 等［8］将SWMM 应用于低影响开发后的某社区的水文效应模拟，对初期雨水冲刷效应进行了定量分析.基于雨量、水质监测与模拟联合法，王贵南等［9］、国小伟等［10］分别对住宅小区和校园海绵城市改造项目的建设效果进行了分析评估.然而，这些评估多以建筑小区类海绵项目作为研究对象进行建设效果的评价［7-10］，涉及污染削减效果的评价指标仅限于SS 在线监测一项［9-12］，不能完全反映海绵项目对各类污染物的削减效果.而且，现有海绵城市的水质在线监测设备往往存在监测指标单一、检测结果不稳定［13］、可靠性低的问题［14］，不利于准确评价海绵城市设施对径流污染的实际控制效果.

本文拟以某市海绵城市道路为研究对象，采用人工水质检测和SWMM 模拟相结合的方法，评估在几种典型降雨条件下海绵城市道路对径流总量、径流污染（分别以SS、COD、TP、NH3-N 计）和排水防涝的控制效果［15-16］，为合理、全面地定量评价海绵城市道路的建设效果提供参考.

1 研究对象概况与水量水质监测

1.1 研究对象概况

研究对象为长沙市望城区某典型海绵城市道路建设项目，该路东、西两端分别与雷锋大道和潇湘大道相接.道路全长756 m，规划红线宽度26 m，其中北侧人行、非机动车混合道宽度5 m，机动车道宽度 14 m，南侧人行、非机动车混合道宽度7 m.南、北两侧现状分别为公园、开发建设用地.道路地面高程高于南、北两侧的公园与建设用地，周边雨水不能汇入.

该海绵道路于2017 年9 月竣工，其设计标准为年径流总量控制率不低于75%，面源污染负荷（按SS计）削减60%及以上，内涝防治标准为遭遇20 年一遇降雨时，至少一条车道的积水深度不超过15 cm.排水系统采用雨污分流制，雨水干管按3 年一遇设计标准设计，其管径为DN1500，管长645 m.海绵城市设施主要有：3 m宽的生态滞留草沟640 m、生态树池38 座、混凝土透水铺装5 364 m2、溢流雨水口（井）29 座.该海绵道路平面布置见图1，径流组织路径如图2所示.

图1 海绵道路平面布置Fig.1 Layout of the sponge road

图2 海绵道路径流组织路径Fig.2 Runoff organization path of the sponge road

1.2 在线监测与采样检测

为满足海绵城市项目考核需要，望城区于2019年3 月在海绵道路的东端雨水外排口处（见图1）安装了1 台雨量计和1 台超声波多普勒流量计，用以监测降雨量和该海绵道路的外排雨水径流量.目前已获得1 年以上“时间-流量”序列监测数据.为详细考察该海绵道路对径流污染物的控制效果，在雨水排放口处进行人工水质采样.从产生管道径流开始，前20 min 内，间隔5 min 取样；20～60 min内，间隔10 min 取样；60～100 min 内，间隔20 min 取样；100 min 后，间隔30 min 取样，具体取样根据实际径流产生情况进行调整，采集15 个样品.检测指标为SS、COD、TP 和NH3-N，检测方法采用《水和废水监测分析方法（第4 版）》［17］.为模拟评价的需要，本文选取了4 次降雨事件数据，见表1.

表1 降雨记录数据Tab.1 Rainfall record data

2 SWMM 模型构建

2.1 研究区域概化

海绵道路总汇水面积为22 074 m2，主要含道路和绿地2 类下垫面，其中不透水区域主要为机动车道沥青路面，面积为12 467.8 m2，占总汇水面积的56.48%；海绵城市设施包括生物滞留草沟，面积为1 920 m2，混凝土透水铺装5 364 m2，生态树池326.8 m2，分别占总汇水面积的8.7%、24.3%、1.5%.综合考虑海绵城市设施、雨水管道和竖向高程等因素，将研究区域概化为24 个子汇水区、16 条雨水管段、16 个雨水井节点以及1个集中排放口，如图3所示.

图3 海绵道路SWMM模型概化界面Fig.3 SWMM generalization interface of study area

2.2 模型参数设置

水文模块中采用Horton 模型模拟下渗过程，设置最大入渗速率为76 mm/h，最小入渗速率为13 mm/h，衰减系数取4/h.模型中平均每月的日蒸发量数据采用长沙月蒸发量.水力模块采用动力波进行模拟.水质模块中污染物的累计和冲刷分别选用饱和函数模型和指数模型模拟，地表径流冲刷污染物以SS、COD、TP、NH3-N四种指标进行模拟分析.天然雨水中各污染物质量浓度根据长沙市雨水采样检测结果取值［18］：SS 为15 mg/L、COD 为50 mg/L、TP 为0.1 mg/L、NH3-N 为0.6 mg/L.海绵城市设施参数根据海绵道路施工图、SWMM 用户手册以及有关文献取值［19-20］，如表2所示.

表2 海绵城市设施参数取值Tab.2 Parameter values of sponge facility

为研究海绵设施对径流污染物的削减或控制效果，需模拟研究对象未建海绵设施时径流污染排放情况，因此构建传统道路SWMM 模型.建立该模型时，假设其水文、水力和水质参数与海绵道路的设定一致，而将原人行、非机动车混合道的透水铺装区域改为不透水下垫面，将生态滞留草沟和生态树池区域改为不具海绵城市设施结构的一般透水下垫面.

2.3 模型率定与验证

选择纳什效率系数NSE（Nash-Sutcliffe Effi⁃ciency index）作为模型质量的评判依据，当NSE＞0.5时，说明模型可靠［21-22］.以2020年7月27日降雨的流量和SS 监测数据分别对模型的水文、水力和水质参数进行率定.

模型水文、水力参数率定后透水区和不透水区曼宁系数分别为0.1 和0.017，透水区和不透水区填洼量分别为7.5 mm 和2.5 mm，无洼不透水区面积比为60%.水质参数率定后取值见表3.

表3 不同土地利用类型的水质参数值Tab.3 Parameter values of water quality for different land uses

模型经率定后，再以2020 年5 月29 日降雨的流量监测数据进行模型水文、水力参数的验证，结果如图4 所示.模型模拟流量与实测流量高度吻合，算得的NSE 为0.846，说明模型水文、水力模拟结果的可靠性高.

图4 流量模拟值和监测值对比Fig.4 Comparison of flow between the simulated and the monitored

最后，以2021 年9 月19 日的人工水质采样数据进行水质参数的验证，结果如图5 所示，SS、COD、TP、NH3-N 四种污染物质量浓度对应的NSE 分别为0.670、0.679、0.548、0.577，其均值为0.619，说明模型水质模拟结果比较可靠.

图5 污染物浓度模拟值和实测值对比Fig.5 Comparison of pollutant concentration between the simulated and the monitored

3 海绵道路效果评价

3.1 径流总量控制效果评价

3.1.1 场次降雨条件下监测结果评价

海绵道路的年径流总量控制率设计标准为75%，对应设计降雨量为24.14 mm.根据《海绵城市建设评价标准》（GB/T 51345—2018）［23］有关规定，监测项目年径流总量控制率的评价应筛选至少2 场与设计降雨量下浮不超过10%，且与前场降雨的时间间隔［24］大于设施设计排空时间［25-26］的实际降雨.本文筛选表1中显示的前3场实际降雨监测数据，以分析海绵道路对场次降雨径流总量的控制效果能否满足规范设计要求.分析结果如表4所示.

表4 场次降雨径流总量控制监测分析结果Tab.4 Monitoring and analysis results of total runoff control in rainfall events

从表4 可知，三场降雨径流总量控制率均值为91.23%.2020 年5 月25 日降雨事件的累积降雨量为23.3 mm，小于设计降雨量24.24 mm，根据《海绵城市建设评价标准》［23］，此条件下外排口应无溢流排泄，或外排量应为经设施下渗、净化处理后的排泄流量.经模型模拟可知该场降雨下经各海绵设施下渗、净化处理的排放量均为零.但实际上，此次降雨实际监测到外排量为41.5 m3，这可能是因为在该道路两端与传统道路交叉处设有的4 个雨水篦子接入了未经海绵设施处理的径流雨水所致.

3.1.2 典型平水年连续模拟结果

由于实际监测数据覆盖的降雨场次有限，故利用率定后的模型对典型平水年降雨进行长历时连续模拟，评估项目可能实现的年径流总量控制率.以望城区近50 年（1972—2021 年）的降雨统计数据推求出年平均降雨量为1 853 mm，再从近10 年（2012—2021 年）的资料中选取全年累积雨量接近多年平均值的2020 年（雨量为1 919 mm）作为典型平水年［19，27］.将该年的逐小时降雨量数据输入海绵道路模型进行模拟.为便于对照，对传统道路也进行了模拟.模拟结果见表5.

表5 典型平水年连续模拟水量平衡统计Tab.5 Statistics of continuous simulated water balance in typical normal year

从表5 可知，与传统道路相比，海绵道路的蒸发量将减少15.90%，下渗量将增加93.81%，径流量将减少87.86%.若市政道路建设成海绵道路，在典型平水年内年径流总量控制率将由47.80% 增加到94.20%，年径流总量控制效果显著.

3.2 径流污染控制效果评价

3.2.1 场次降雨条件下模拟结果

满足设计条件的3 场降雨事件同3.1 节，根据模拟结果统计4 种污染物质在各场降雨事件中的负荷总量，结果见表6.在场次降雨条件下海绵道路相对于传统道路，SS、COD、TP、NH3-N 各项污染物负荷总量均得到大幅削减，削减率均大于80%，说明海绵道路对径流污染控制效果良好.

表6 场次降雨径流污染负荷总量Tab.6 Total runoff pollution load in rainfall events

3.2.2 典型平水年降雨连续模拟结果

将典型平水年（2020 年）逐时降雨数据输入模型，对全年进行连续模拟，结果如表7 所示.相对于传统道路，海绵道路对SS、COD、TP 和NH3-N 的年负荷削减率分别为88.5%、88.3%、86.7%和88.5%，说明该海绵道路能够有效削减或控制各污染物的负荷总量.值得指出的是，海绵道路上雨水径流中的SS、COD、TP 和NH3-N 的最大质量浓度反而比传统道路大28.62%、25.61%、11.54%和41.81%.分析模型模拟报表，发现发生最大质量浓度的场次是2020年5月4日降雨事件，最大雨强为8.69 mm/h，降雨量36.38 mm，在此之前已连续4 d下雨，因此推测原因可能是经连续下雨后海绵设施换填土层吸附饱和，强降雨将吸附的污染物淋洗至下渗的雨水中并随着渗管进入雨水总管［28-29］，致使外排径流的污染物最大质量浓度比传统道路高.

表7 典型平水年连续模拟外排水质结果Tab.7 Drainage quality under continuous simulation of normal year

3.3 排水防涝效果评价

径流峰值削减效果根据短历时降雨模拟结果反映.采用望城区暴雨强度公式［如式（1）所示］，选用芝加哥雨型［30］，雨峰系数r设为0.4，降雨历时为120 min.

式中：q为暴雨强度，L/（s·hm2）；T为降雨重现期，a；t为降雨历时，min.

降雨重现期分别取3 a、5 a、10 a、20 a时，降雨量分别为88.40 mm、96.94 mm、108.53 mm、120.13 mm，峰值降雨强度分别为158.99 mm/h、174.35 mm/h、195.20 mm/h、216.06 mm/h.经模型模拟分析（结果见图6），3 年一遇、5 年一遇、10 年一遇和20 年一遇暴雨时，海绵道路的峰值径流量分别为0.108 m3/s、0.123 m3/s、0.143 m3/s 和0.164 m3/s，而传统道路的峰值径流量分别为0.396 m3/s、0.464 m3/s、0.562 m3/s 和0.662 m3/s，对应的径流峰值削减率分别为72.7%、73.5%、74.6%和75.2%.由此可见，海绵道路能有效降低径流峰值，有利于减少雨水管排水压力和城市防洪排涝，且峰值削减率对降雨重现期的敏感度较小.

图6 传统开发和海绵道路排水流量过程线对比Fig.6 Comparison of drainage hydrograph between traditionally-developed and sponge road

内涝防治效果采用长历时降雨事件模拟结果来说明.根据《湖南省暴雨洪水查算手册》，可查得降雨重现期为50 a 时望城区1～24 h 内各小时的降雨数据，总降雨量为232.54 mm，峰值小时降雨强度为97.18 mm/h.模拟结果显示，DN1000雨水干管内最大水深仅为0.25 m，地面无积水，海绵道路对雨水起到了很好的消纳作用［31-32］.

4 结论

采用人工水质采样检测和在线监测相结合的方法模拟和评价市政海绵道路的建设效果是可行的.水质人工检测具有指标更多、数据准确可靠且污染削减评价更全面的优势，可克服水质在线监测设备存在的监测指标单一、结果不稳定、可靠性低的问题.项目场次监测结果径流总量控制率和典型平水年径流总量控制率模拟结果分别为91.2%和94.2%；SS、COD、TP、NH3-N 相应径流污染削减率的典型水平年模拟结果分别为88.5%、88.3%、86.7%和88.5%；在3 年、5 年、10 年、20 年一遇短历时暴雨条件下，海绵道路的径流峰值削减率分别为72.7%、73.5%、74.6%和75.2%，系统排水压力大幅缓解，削峰能力对降雨重现期的敏感度较小；50 年一遇长历时暴雨情景下，DN1000 雨水干管内最大水深仅为0.25 m，地面无积水.生态树池、透水混凝土铺装和生态型滞留草沟等海绵城市设施对市政道路的径流总量、径流污染和排水防涝的控制效果十分显著.