基于SWMM的生物滯留池布置水文時空效應

宋奔奔,高 成,寇傳和,張家立

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098; 2.河海大學設計研究院有限公司浙江分公司,浙江杭州 311215)

基于SWMM的生物滯留池布置水文時空效應

宋奔奔1,高 成1,寇傳和2,張家立1

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098; 2.河海大學設計研究院有限公司浙江分公司,浙江杭州 311215)

利用SWMM中的低影響開發模塊,根據匯流時間將研究區的子匯水區劃分為上游和下游,生物滯留池按照不同位置(上游和下游)和不同規模布設,研究其遭遇不同重現期降雨下的水文時空效應。結果表明:在低降雨重現期下,生物滯留池的雨洪控制效果較好;相同重現期時,規模較大的生物滯留池效果較好,而布設的越分散,其降低徑流系數的效果越好,但削減洪峰的效果較差。

SWMM模型;生物滯留池;低影響開發;時空分布;水文效應

城市化改變了區域的下墊面條件,造成洪水匯流速度加快,匯流時間縮短,洪峰集中,由此引發了一系列諸如城市面源污染、洪澇災害頻繁等問題[1-2]。20世紀90年代中期以來,低影響開發(low impact development,LID)措施開始在世界各地逐漸得到應用,其設計目標是最大限度地減少雨洪調控措施對生態環境的負面影響,并促進一種生態、新型的雨洪資源調控措施的發展[3-4]。LID設施能夠明顯地削減徑流總量、洪峰流量,有效地延遲峰現時間,并且具有成本低、規模小、散點分布、源頭控制等特點[5-6]。生物滯留池作為其中的一種調控措施,能夠有效調控徑流、補給地下水和改善水質[7]。在城市雨水徑流水質的改善方面,研究[8]表明,生物滯留池能夠有效去除城市雨水徑流中的TSS、營養物質、重金屬、油脂類及致病菌等污染物,改善雨水徑流水質。

以往有關生物滯留池更多的研究是在去除污染物、改善雨水水質等方面。近年來,生物滯留池的水文效應逐漸成為學者們研究的熱點。在分析生物滯留池的結構和功能的基礎上,通過模型和試驗研究不同重現期下徑流消減、地下水入滲補給、積水時間、總處理水量等方面的水文效應,證實了其顯著的水文調控功能[9-12]。

在研究生物滯留池的數量和空間分布時,建立時空模型,對這種LID設施的減災效果進行分析,結果表明,LID設施的空間位置和規模大小對LID設施的減災效果有著很大影響,其中空間位置對流域洪峰流量的減少影響更為突出[13],在對滲透率的影響方面,時間和空間因素比設施的規模大小有更顯著的效果[14]。但在相關論文中,作者只提出了這個影響因素,并未對不同布設位置、規模在不同重現期下的雨洪調控效果進行深入研究。筆者將在暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)的基礎上,利用其中的LID模塊,深入研究生物滯留池在不同布設位置、不同布設規模以及不同重現期的情況下其對于區域徑流的調控作用,以期為生物滯留池的設計和應用提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區域位于中國江蘇省淮安市酈城國際社區,總面積為4.7 hm2,不透水面積2.9 hm2,約占總面積的62%;透水面積1.8 hm2,約占總面積的38%。基于SWMM的應用要求,結合研究區域管網資料,將研究區域排水系統概化為檢查井節點62個,雨水管線62條,出水口3個。根據管道與節點的概化,基于GIS軟件的泰森多邊形法,并結合排水規劃、地形進行調整后,將研究區域劃分為62個子匯水區(S1~S62),研究區域出水口1、2、3的集水面積分別為2.7 hm2、0.9 hm2和1.1 hm2。研究區域概化結果見圖1。

1.2 SWMM

SWMM包括水文、水力、水質模塊,已在世界范圍內被廣泛應用于城市暴雨徑流與排水管道的模擬、設計、分析中。當前最新版本的SWMM5.1中增加了LID模塊,可以模擬植草溝、屋面雨水斷接、雨水桶、透水鋪裝、下滲溝、綠色屋頂、雨水花園、生物滯留池8種常見的低影響開發措施,通過對滯留、蒸發、下滲等水文過程的模擬,結合SWMM的水力模塊,實現對LID設施的峰值流量等的模擬。

處理子匯水區LID控制的方式有兩種:

圖1 研究區域概化

a.子匯水區層面。將一種或多種預先定義好的LID控制設施放置在子匯水區內,取代等量的子匯水區內的非LID面積。可將多個LID調控器混合置于同一個子匯水區內,每個控制器分別處理子匯水區內部沒有設置LID調控器區域產生的徑流的不同部分。但來自一個LID調控器的出流不可以作為另一個LID調控器的入流,且無法明確指定LID設施的服務區域及處置路徑,此控制方式適用于較大區域的LID模擬。

b.場地層面。創建由單一的LID實踐構成的新子匯水區,通過子匯水區的屬性參數來表達LID設施。允許LID調控器接受來自上游子流域的出流作為該子流域的入流,使場地內雨水處置路徑可視化,此控制方式適用于小地塊的LID集成技術及雨洪控制效果模擬。

子匯水區中布設了LID設施的區域,其原有屬性,如不透水率、坡度等,將不予考慮。布設LID設施后,子匯水區的屬性需要在扣除被LID設施取代的面積后確定,加入LID設施后的參數調整見圖2。

圖2 LID設施加入前后參數調整

1.3 生物滯留池

生物滯留池又稱雨水花園,利用植物、微生物和土壤的化學、生物及物理特性進行污染物的移除和水量控制,從而達到調節城市雨水徑流量和水質的目的。生物滯留池主要是從生態環境的角度出發,對區域水量平衡要素中的地表徑流和地下水入滲補給進行調控,控制洪峰流量,延遲洪峰到達時間,使其恢復到該區域天然狀態下的水平。此外,生物滯留池還能提高美學和景觀多樣性價值。生物滯留池的設計可以是多種多樣的,以此來適應當地的水文、地形、土壤和美學等要求。其主要構成要素包括:草地緩沖帶、植物帶、地表覆蓋層、植物生長介質層、排泄層等。

2 試驗設計

2.1 生物滯留池布設

由于要研究在不同的布設位置、規模以及不同重現期下生物滯留池對于雨洪控制的調控作用,因此將分別對管道上下游位置、面積大小及重現期的不同布設情況進行模擬。

對于管道上下游位置的定義,類比河道上下游,以管道為對象,以匯流時間為控制要素,選取從管道起始點向出口方向、管道總長度的10%作為管道上游,選取從管道出口向起始點方向、管道總長度的20%作為管道下游,同時,為保證整體生物滯留池布設的面積相同,適當調整子匯水區域的個數。由此,得出研究區域中管道上游子匯水區域20個,下游子匯水區域10個。

采用以下布設方案:方案1,現狀子匯水區,不布設生物滯留池;方案2,上游每個子匯水區分別布設生物滯留池面積50 m2,合計1 000 m2;方案3,下游每個子匯水區分別布設生物滯留池面積100 m2,合計1 000 m2;方案4,上游每個子匯水區分別布設生物滯留池面積100 m2,合計2 000 m2;方案5,下游每個子匯水區分別布設生物滯留池面積200 m2,合計2 000 m2。方案2和方案3可用于比較相同滯留池布設面積、不同布設位置的調控效果,方案2和方案4、方案3和方案5可用于比較相同布設位置、不同布設面積滯留池的調控效果,具體布設面積見表1,布設位置見圖3。

表1 生物滯留池分區布設面積m2

2.2 參數確定

研究區域的物理性參數,如子匯水區面積的大小、漫流寬度、平均坡度、管道的形狀、管徑大小、管長、檢查井底標高、區域不透水面積比例等,可由下墊面信息和管網信息得到,本文主要通過GIS軟件的統計功能和實測數據獲取。

降雨入滲過程采用Horton入滲模型模擬,根據當地現有資料和其他研究成果已率定的參數,模型需要輸入的最大入滲率f∞、最小入滲率f0、衰減系數α分別取值為76.2 mm/h、10 mm/h和3 h-1。

地表徑流的匯流計算采用非線性水庫模型,模擬排水系統流量演算的水力模型選用動力波模型。參數的取值主要結合當地實際及相關規劃,并參考SWMM用戶手冊中的推薦值及相關參考文獻,見表2。

表2 模型參數的取值

圖3 管道上下游子匯水區域

淮安市暴雨強度公式為

式中:q為降雨歷時t內的平均暴雨強度, L/(s·hm2);t為降雨歷時,min;P為降雨重現期, a。

為了評估LID措施對不同重現期暴雨的影響,利用式(1)求出重現期分別為2 a、5 a、10 a,t=2 h下的降雨量,采用芝加哥降雨過程線模型合成降雨情景,選取雨峰系數r=0.4,降雨采用的時間間隔為1 min,相應的降雨量分別為65.77 mm、80.09 mm、90.92 mm,各布設方案的徑流系數模擬結果見圖4。

圖4 各重現期降雨過程線

3 模擬結果及分析

在5種方案布設方案、設計降雨重現期分別為2 a、5 a、10 a時,計算研究區域各出口斷面徑流過程,模擬總時長3 h。各布設方案在不同設計降雨重現期下的研究區域各出口斷面洪峰流量、峰值時刻、徑流系數的模擬結果見表3和表4。

由表4可得不同降雨重現期下各布設方案的徑流系數的削減程度,具體見表5。

表3 不同降雨重現期下各布設方案的徑流系數模擬結果

由表5可知,在不同降雨重現期下各布設方案的徑流系數都有明顯的削減,雨洪控制效果較為明顯,并且方案4及方案5削減效果更加顯著,即布設更大面積的生物滯留池能產生更顯著的雨洪控制效果。在相同的降雨重現期布設相同面積的生物滯留池時,本應產生的雨洪控制效果相同,即徑流系數相等,但是由于上下游生物滯留池的布設方式不同,即在上游進行分散布設,下游進行集中布設,所以得到不同的雨洪控制效果,并且可以從表5看出,分散布設的效果更加明顯。由表4可知,不同降雨重現期下各布設方案的洪峰流量削減明顯,但峰現時間沒有明顯延遲,故對洪峰削減量(表6)及峰現時間分別進行研究。

表4 不同降雨重現期下各布設方案的洪峰流量和峰值時刻模擬結果

表5 不同降雨重現期下布設方案的徑流系數及削減程度

由表6可知,當降雨重現期為2 a時,在上游各子匯水區域布設100 m2生物滯留池后,出水口1、2、3洪峰流量分別減小0.072 m3/s、0.031 m3/s、0.031 m3/s,為各個布設方案下的最大值;當降雨重現期為5 a時,在下游各子匯水區域布設200 m2生物滯留池后,出水口1、2、3洪峰流量分別減小0.057 m3/ s、0.026 m3/s、0.037 m3/s,為各個布設方案的最大值;當降雨重現期為10 a時,在下游各子匯水區域布設200 m2生物滯留池后,出水口1、2、3洪峰流量分別減小0.070 m3/s、0.046 m3/s、0.068 m3/s,為各布設方案最大值。

分析可知,在較小的降雨重現期下,將生物滯留池布設在上游,增加了流域匯流的時間,平均凈雨強度減小,所以洪峰變小。而在較大降雨重現期下,流域匯流較快,匯流時間相對較短,布設在上游的生物滯留池很難完全起作用,此時,布設在下游的生物滯留池就發揮明顯的作用,且布設較大的生物滯留池對洪峰的削減作用更顯著。

5.2.1 目前義務教育階段中小學的體育與健康課程在教學方法的創新上都可以采用競賽教學法，但應注意要根據學生的實際情況靈活安排教學內容，選取適合采用競賽教學法進行授課的內容，同時要注意安排好比賽的強度[7]，避免因強度過大導致學生體能得不到及時恢復。

而相對于峰現時間,大部分的布設方式在不同的降雨重現期下都沒有明顯的改變,僅一小部分發生了洪峰出現時間延后的情況。為了對流域匯流時間進行更進一步的研究,采用流域滯時進行比較和分析,計算結果見表7。

為更明顯地看出結果變化,對作各布設方案與現狀結果進行分析,結果見表8。

由表7及表8可知,在同一個出水口,在不同降雨重現期的情況下,各種布設方案中,當在上游各子匯水區域布設100 m2生物滯留池時,對流域滯時的影響最為明顯,即對于峰現時間的延遲作用最為顯著,尤其是在降雨重現期相對較小時,其產生的作用更大。

綜合以上模擬結果可知,當降雨重現期為2 a一遇,生物滯留池布設在上游各子匯水區域,且面積為100 m2時,其對于研究區域徑流系數降低了0.096,為各個布設方案及不同重現期中最大值,并且對于區域匯流時間,此種布設方案相對于其他情況來說也達到了最大流域滯時,說明這種情況下對于區域的匯流有明顯的減緩作用。而對于洪峰流量,當降雨重現期為2 a,生物滯留池布設在上游且面積為100 m2時,洪峰流量最小,對于洪峰的削減程度最大;當降雨重現期為5 a、10 a時,生物滯留池布設在下游且面積為200 m2時,洪峰流量最小,對于洪峰的削減程度最大。

表6 不同降雨重現期下洪峰削減量

表7 不同降雨重現期下流域滯時模擬結果h

表8 流域滯時與現狀差值h

4 結 論

a.對于相同的降雨重現期及布設總面積,生物滯留池布設越分散,徑流系數減小程度越明顯,其雨洪控制利用效果越好。相同的布設條件下,降雨的重現期越小,生物滯留池的雨洪控制利用效果越好。

b.降雨重現期較小時,生物滯留池布設在管道上游,各子匯水區域布設面積為100 m2時,流域滯時最大,生物滯留池的布設能明顯推遲峰現時間。

c.當遭遇較小降雨重現期時,將生物滯留池布設在上游,且布設面積越大,其對于洪峰的削減作用越明顯;當遭遇較大降雨重現期時,將生物滯留池布設在下游,且布設面積越大,其對洪峰的削減作用越明顯。

[1]郭愛軍,暢建霞,王義民,等.近50年涇河流域降雨-徑流關系變化及驅動因素定量分析[J].農業工程學報, 2015,31(14):165-171.(GUO Aijun,CHANG Jianxia, WANG Yimin,et al.Variation characteristics of rainfall-runoff relationship and driving factors analysis in Jinghe River Basin in nearly 50 years[J]. Transactions of the CSAE,2015,31(14):165-171.(in Chinese))

[2]BRATH A,MONTANARI A,MORETTI G. Assessing the effect on flood frequency of land use change via hydrological simulation(with uncertainty) [J].Journal of Hydrology,2006,324:141-153.

[3]RICHTER B D,MATTEWS R,HARRISON D L,et al.Ecologically sustainable water management: managing rover flows for river integrity[J].Ecological Applications,2003,13:206-224.

[4]SINA J,JUNA C,ZHUA J H,et al.Evaluation of flood runoff reduction effect of LID(low impact development)based on the decrease in CN:case studies from Gimcheon Pyeonghwa district,Korea[J]. Science Direct,2014,70:1531-1538.

[5]DAVIS A P,JAMES H S,Eliea J,et al.Hydraulic performance of grass swales for managing highway runoff[J].Water Research,2012,46(20):6775-6786.

[6]LEE J Y,MOON H J,KIM T I,et al.Quantitative analysis on the urban flood mitigation effect by the extensive green roof system[J].Environmental Polution,2013,181:257-261.

[7]RICHTER B D,MATTHEWS R,HARRISON D L. Ecologically sustainable water management:managing river flows for river integrity[J].Ecological Applications,2003,13:206-224.

[8]BARBU I A,BALLESTERO,THOMAS P. Unsaturated flow functions for filter media used in lowimpact development-stormwater management systems [J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering-ASCE,2015,141:1.

[9]孫艷偉,魏小妹.生物滯留池的水文效應分析[J].灌溉排水學報,2011,32(2):98-103.(SUN Yanwei,WEI Xiaomei.Analysis on hydrological effect of the bioretention cell[J].Journal of Irrigation and Drainage,2011,32(2):98-103.(in Chinese))

[10]孫艷偉,POMEROY C A,呂素冰,等.基于不同重現期降水的LID措施水文調控性能研究[J].農業機械學報,2016,47(6):178-186.(SUN Yanwei,POMEROY C A,LYU Subing,et al.Hydrological regulation performances of LID practices based on different rainfall reappearance periods[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47 (6):178-186.(in Chinese))

[11]潘國艷,夏軍,張翔,等.生物滯留池水文效應的模擬試驗研究[J].水電能源科學,2012,30(5):13-15.(PAN Guoyan,XIA Jun,ZHANG Xiang,et al.Research on simulation test of hydrological effect of bioretention units[J].Water Resources and Power,2012,30(5):13-15.(in Chinese))

[12]李家科,李亞,沈冰,等.基于SWMM模型的城市雨水花園調控措施的效果模擬[J].水力發電學報,2014,33 (4):60-67.(LI Jiake,LI Ya,SHEN Bing,et al. Simulation of rain garden effects in urbanized area based on SWMM[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2014,33(4):60-67.(in Chinese))

[13]KRISTIN L G,RICHARD H M.Spatio-temporal effects of low impact development practices[J].Journal of Hydrology,2009,367:228-236.

[14]EMILIE K S,MICHAEL B,THOMAS P O,et al. Novel use of time domain reflectometry in infiltration-Based low impact development practices[J].American Society of Civil Engineers,2013,139(8):625-634.

Spatial and temporal hydrological responses of arrangement of bioretention cell based on SWMM

SONG Benben1,GAO Cheng1,KOU Chuanhe2,ZHANG Jiali1
(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Zhejiang Branch of Hohai University Design Institute Co.,Ltd.,Hangzhou 311215,China)

With the low impact development module in the SWMM,the sub-catchments of the study area were divided into the upstream sub-catchments and downstream ones according to the concentration time. The bioretention cells were arranged according to different positions(upstream and downstream)and different scales.The hydrological responses under the conditions of different return periods of rainfall were analyzed.The results show that the bioretention cell had more significant effect on the control of rainwater and flood over a low return period of rainfall.With the same return period,larger bioretention cells were more effective,while the bioretention cells that were more dispersely arranged had more significant effect on the runoff coefficient but insignificant effect on the decrease in flood peaks.

SWMM;bioretention cell;low impact development;spatial and temporal distribution; hydrological response

TU992.0

A

1004-6933(2017)03- 0025 06

2016 09-19 編輯:徐 娟)

10.3880/ji.ssn.1004-6933.2017.03.006

國家自然科學基金(41301016);中央高校基本科研業務費項目(2014B16814);長江水利委員會長江科學院開放研究基金(CKWV2015206/KY)

宋奔奔(1992—),男,碩士研究生,研究方向為城市防洪排澇。E-mail:sbbhohai@163.com

高成,副研究員,博士。E-mail:gchohai@163.com