低影響開發技術的雨洪控制效果及水質影響分析
----基于SWMM 模型

官奕宏，呂 謀，王 燦，楊婷婷

(青島理工大學環境與市政工程學院，山東 青島 266033)

美國環保局1971年首次提出SWMM(Storm Water Management Model)----城市暴雨雨水管理模型，SWMM自開發至今已多次更新，目前發展至SWMM Version 5[2,7]。SWMM 5具有友好的可視化界面和更完善的處理功能，能夠用顏色標記匯流區域，輸出時間系列圖、表格和管道剖面圖等。而且這版當中加入LID處理方面能力，SWMMH可以明確模擬常見的5種不同LID控制: ①生物滯留網格，雨水花園、街道植物園和綠色屋頂是生物滯留網格的各種變化形式；②滲渠；③連續多孔路面系統；④雨桶(或者水槽)；⑤草洼[6]。低影響開發的模型模擬相較于傳統的開發實踐快速、簡單，且可避免實地試驗監測所受到的經濟技術條件制約，能夠在場地開發前模擬規劃中的LID措施效果，可減少建設的盲目性[1,9]。目前國內相關研究多以小區等小范圍內進行低影響開發模擬，本文以膠州市新城區某區域為例，在不同強度降雨條件下，運用SWMM模型模擬與評估低影響開發設施對水量和水質的控制效果[3]，本文的研究結果可以為大區域低影響開發技術的應用提供參考，也可以為膠州市海綿城市建設提供一定的技術支持。

1 研究區概況

膠州市位于山東半島西南隅，地處東經119°37′～126°12′、北緯36°～36°30′，屬東亞季風大陸性氣候。其中膠州市新城區位于老城區南面，北至揚州路，南至香港路，西至杭州路，東至膠黃鐵路，面積約2104 hm2，排水體制為雨污分流。本次研究新城區其中的一部分，研究區總面積為305.2 hm2，其中現狀不滲透面積192.276 hm2(占總面積的63%)，主要由屋面和路面所組成；透水面積112.924(占總面積的37%)，主要為綠地。

2 研究區域模型的構建

2.1 研究區域雨水系統概化

新城區主要含3類下墊面，分別為屋面、路面和綠地，不透水區域主要為屋面和路面，綠地為透水區域。結合該區域的雨水系統調查結果和SWMM模型的應用要求，對研究區域進行概化，共劃分子匯水區56個、雨水管段83條、檢查井節點86個、末端排放口3個，研究區域概化模型如圖1所示。

圖1 研究區域概化模型圖Fig.1 Generalized model diagram of study area

2.2 LID場景布設方案

本文結合膠州市新城區該區域現狀和常規開發建設情況，提出以下3種LID布設方案。

(1)雨水花園。雨水花園在進行選址時應充分考慮周圍建筑物的情況，區域綠地的位置、種類、性質以及功能，因地制宜，在充分利用原有地形地貌的基礎上進行建造[4]。基于此，在膠州市新城區設置雨水花園17.396 4 hm2，占總面積的5.7%。

(2)透水鋪裝。透水鋪裝適合建造于人行道、廣場、非機動車道、居民區和商業區的停車場等區域，交通負荷量大的道路不適合建造透水路面[5]，并且要求距離地下最高水位90cm以上，水平距離飲水井30cm以上。基于此，在膠州市新城區設置透水鋪裝39.065 6 hm2，占總面積的12.8%。

(3)上述2種組合方案。將上述2種LID措施組合布設，各LID措施均與其單獨布設時一致。組合方案的布設總面積為56.462 hm2，占總面積的18.5%。

2.3 水質、水文模塊參數設置

水質模塊包括污染物累積增長模塊和沖刷模塊。污染物累積增長模塊選擇指數函數累積模型，污染物沖刷模塊選擇指數沖刷模型。其中地表徑流沖刷污染物以《海綿城市建設技術指南》中推薦的SS,COD,TN,TP 4種污染物質進行模擬。經3場實測降雨(3場降雨基本特征見表1)得到天然雨水中的污染物濃度平均值如下:SS為58.23 mg/L；COD為40.23 mg/L；TN為1.28 mg/L；TP為0.39 mg/L。

表1 監測降雨事件的基本特征Tab.1 Monitoring the basic characteristics of rainfall events

水文模塊包括產流模塊和匯流模塊。結合研究區域的土地特點，產流模塊選用Horton入滲模型來模擬研究區域的產流入滲過程，匯流模塊采用非線性水庫模型[8]，模型準確與否的關鍵取決于參數的率定。

參數率定過程是基于實測降雨事件數據校準過程，以峰值流量相對誤差dF和COD峰值濃度相對誤差dC作為評價標準。模擬仿真結果的許可誤差范圍為-20%～10%。兩個目標函數定義為：

通過反復調整模型中各參數，最終確定率定結果和率定參數值，如表2、表3及表4所示。

表2 目標函數相對誤差率定結果Tab.2 The relative error rate results of objective function

表3 不同土地利用類型的參數值Tab.3 Parameter values for different types of land use

表4 水文參數值Tab.4 Parameter values for hydrology

從表2可以看出，在3種降雨等級下，最終選擇的參數模擬仿真結果都在容許誤差范圍內，因此本文建立的模型能夠真實反映膠州市新城區雨水系統的水文及水質情況。

2.4 設計降雨模型

本次研究采用青島市最新的暴雨強度公式和芝加哥降雨過程線模型合成降雨情景，選擇雨峰系數r=0.4，降雨采用時間間隔t=1 min，降雨歷時為2 h。

暴雨強度計算公式：

式中：q為暴雨強度，L/(s·hm2)；P為重現期，a；t為時間間隔，min；A、C、b和n為參數。

青島市不同重現期下參數A、C、b和n取值見表5，將不同重現期的參數帶入上述公式中可得到不同重現期的暴雨強度公式如表6所示。

表5 青島市參數值Tab.5 Parameter values of Qingdao

表6 青島市暴雨強度公式Tab.6 Rainfall intensity formula in Qingdao

3 模擬結果與分析

3.1 雨洪控制效果分析

在不同重現期下，運用SWMM對現狀、常規開發建設模式以及低影響開發建設模式進行動態波模擬，得出結果如表4所示。

由表4可知，常規開發模式的徑流系數和峰值流量與現狀相比都增大，低影響開發建設模式較前兩種模式的徑流系數和峰值流量都要小，這說明低影響開發模式的雨洪控制作用非常明顯。3種低影響模式與常規開發模式對比發現，雨水花園開發模式較常規開發模式在重現期1.5，2，3，5和10 a時的徑流系數分別降低了20%,19%,19%，18%和17%，峰值流量分別降低了19%,20%,20%，22%和20%；透水鋪裝開發模式在重現期1.5，2，3，5和10 a時的徑流系數分別降低了29%,29%,29%，28%和28%，峰值流量分別降低了28%,28%,29%，29%和24%；組合LID開發模式在重現期1.5，2，3，5和10 a時的徑流系數分別降低了47%,47%,46%，46%和45%，峰值流量分別降低了47%,47%,47%，47%和47%。上述結果表明，對于雨洪控制的效果，低影響開發模式中，組合LID >透水鋪裝>雨水花園。

表7 不同重現期下系統水文狀態的模擬結果Tab.7 The simulation results of the system under different rainfall intensity of hydrological condition

圖2是在P=1.5 a情況下不同模式中排放口1的出水流量變化，從圖2中可知，常規開發模式下排放口1出水流量峰值最高，組合LID開發模式的流量峰值最低，各模式的峰現時間基本一致。出現這種現象的原因是常規開發模式的不滲透性最大，為78%，表面截留能力最小，因此流量最高；而采用低影響開發設施可明顯提高透水率，增強雨水的入滲與蒸發作用，減少場地內的徑流總量，所以峰值流量較其他模式明顯降低。

圖2 不同模式下排放口1的出水流量Fig.2 Water flow of different modes for outlet 1

3.2 水質控制效果分析

圖3和圖4分別是在P=1.5 a情況下，不同模式中排放口1的出水SS和COD變化。從圖中可知，不同模式下SS和COD排放量均呈現先上升后下降的趨勢，且上升速度較快；常規開發模式下排放口1出水有機物排放量峰值最高，組合LID開發模式的有機物排放量峰值最低；低影響開發模式的峰現時間有所推遲；3種低影響開發模式中，對于有機物的凈化能力，組合LID>透水鋪裝>雨水花園。出現上述現象是因為相比其他模式常規開發模式的不滲透性最大，滯蓄空間最小，雨水不能進入設施內部進行入滲與凈化，只能隨溢流設施進入雨水管網，最終排入附近水系；而低影響開發模式下，LID設施對雨水有很強的滯蓄能力，對雨水中的污染物具有很好的入滲和凈化作用，可減輕區域內雨水對水系的面源污染。

圖3 不同模式下排放口1的出水SS含量Fig.3 SS content of different modes for outlet 1

圖4 不同模式下排放口1的出水COD含量Fig.4 COD content of different modes for outlet 1

圖5是在不同重現期下，組合LID開發模式中排放口1的COD排放量變化情況，由圖可知，隨著降雨強度的增大，排放口出水COD含量達到峰值的時間越短，且降雨強度越大，出水COD的峰值也越大。出現上述現象的原因主要是因為：降雨強度越大，雨水徑流沖刷作用越強，徑流中攜帶的污染物也越多。通過上述模擬結果分析得出，污染物排放量增長主要集中在初期，所以有效地控制雨水的污染辦法就是控制好初期雨水，控制好初期雨水并進行有效處理成為低影響開發模式的重要研究方向。

圖5 不同降雨強度下排放口1的出水COD含量Fig.5 COD content of different rainfall intensity for outlet 1

4 結 論

(1)常規建設模式的徑流系數、洪峰流量較現狀都增大；低影響開發建設模式較現狀和常規模式都有所降低；而對于不同低影響開發模式的雨洪控制效果，組合LID>透水鋪裝>雨水花園。

(2)常規開發模式對有機物排放的控制效果較差，LID設施對雨水有很強的滯蓄能力，對雨水中的污染物具有很好的入滲和凈化作用，可減輕區域內雨水對水系的面源污染。

(3)降雨強度越大，低影響開發模式有機物排放量峰值出現越早且越大，控制好初期雨水并進行有效處理成為低影響開發模式的重要研究方向。

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