針對人工海島的低影響開發(fā)建設(shè)方案研究

李慧杰　劉海星　周惠成

摘要：為了研究人工海島地區(qū)低影響開發(fā)（LID）方案設(shè)計對削減徑流污染的效果和通過設(shè)置不同的LID設(shè)施增大雨水下滲從而降低土壤鹽分的影響，利用暴雨徑流管理模型SWMM，設(shè)計不同目標(biāo)導(dǎo)向的LID方案。通過SWMM模型中的水質(zhì)模塊分析研究徑流污染削減效果，通過建立SWMM模型模擬后的雨水下滲量與地下水潛水層下層水位之間的函數(shù)關(guān)系對模型中的壓鹽效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，應(yīng)根據(jù)LID設(shè)施的適建范圍充分利用各類用地。綠色屋頂對屋面徑流污染具有較好的削減作用，生態(tài)草溝對道路徑流污染有較好削減作用，透水鋪裝增加雨水下滲以及壓鹽效果最優(yōu)，另外設(shè)置具有錯峰排水功能的雨水罐可取得較好的下滲效果，旨在為人工海島雨水資源利用規(guī)劃提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：人工海島；低影響開發(fā)；徑流污染；壓鹽；雨水資源利用

中圖分類號：TV213.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2018）02003807

Research on low impact development construction scheme of artificial islands

LI Huijie1，LIU Haixing1，ZHOU Huicheng1，LENG Xiangyang2

（

1.School of Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.The Design Institute of Civil Engineering & Architecture，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Abstract：

In order to study the effects of low impact development （LID） design on runoff pollution reduction and the effects of increasing rainwater infiltration by LID facilities on soil desalination in artificial island area，we designed LID configurations for different goals using the rainfallrunoff management model - SWMM.We investigated the runoff pollution reduction effect using the water quality model in SWMM.The salt suppression effect in the model was evaluated in terms of the relationship between infiltration amount and shallow water table.The results showed that the LID facilities have a significant impact on pollution reduction.Green roof performs well in reducing runoff pollution from the roofs.Ecological grass swale has a good effect on reducing the road runoff pollution.Permeable pavement is the best at increasing rainwater infiltration and reducing soil salinity.Rainwater tank with offpeak drainage function has a good infiltration effect.This paper provides a decisionmaking basis for planning the use of LID for water resources management on artificial islands.

Key words：

artificial islands；low impact development；runoff pollution；salt suppression；utilization of rainwater resources

隨著我國沿海城市社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人口的增加，陸地資源短缺成為制約發(fā)展的主要因素。從20世紀(jì)50、60年代到本世紀(jì)初，我國填海面積達(dá)到12 000 km2[1]。填海在解決陸地資源短缺的同時，也導(dǎo)致了一系列的生態(tài)問題[2]。對于填海地區(qū)而言，一般都面臨著生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤鹽漬化等問題[3]。在人工海島建設(shè)后期，由于海水入侵，地下水位過高，導(dǎo)致樹木難以存活。另外，隨著海島城市化發(fā)展，徑流污染已經(jīng)成為一項(xiàng)不可忽視的面源污染。因此人工海島設(shè)置低影響開發(fā)設(shè)施的需求，應(yīng)集中在回補(bǔ)地下水降低土壤鹽分和加大自然凈化降低徑流污染上，從而改善海島生態(tài)環(huán)境。

LID是20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來的暴雨管理和面源污染處理技術(shù)，旨在通過分散的、小規(guī)模的源頭控制來達(dá)到對暴雨所產(chǎn)生的徑流和污染的控制，使開發(fā)地區(qū)盡量接近于自然的水文循環(huán)，其關(guān)鍵在于原位收集、自然凈化、就地利用或回補(bǔ)地下水[4]。我國針對低影響開發(fā)（LID）的研究進(jìn)展較多，但針對人工海島LID建設(shè)研究較少。湯偉真等人以深圳市國際低碳城啟動區(qū)市政道路設(shè)計為例，探討了采用SWMM模型進(jìn)行市政道路LID雨水系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)方法[5]。熊赟等人以深圳市某已建的LID居住小區(qū)為例，運(yùn)用SWMM模型模擬研究了LID設(shè)施對水量和水質(zhì)的控制效果[6]。王坤等人利用SWMM模型，采用控制變量法確定了滲渠規(guī)模與透水率之間的定量補(bǔ)償關(guān)系[7]。但總體而言，LID設(shè)施研究主要集中于城市中單一下墊面或者單個LID設(shè)施效果研究。本研究以人工海島為對象，運(yùn)用SWMM模型，通過面向不同目標(biāo)的LID方案設(shè)計，分析不同方案對促進(jìn)雨水下滲降低土壤鹽分和促進(jìn)自然凈化削減徑流污染的效果，從而推選出適合解決人工海島問題的低影響開發(fā)方案。

1人工海島LID方案的關(guān)鍵問題研究

1.1方案設(shè)計思路

本研究將控制目標(biāo)界定為截污控制目標(biāo)和壓鹽控制目標(biāo)，并且為了增加方案的可行性，同時考慮成本控制目標(biāo)。以規(guī)定的年徑流總量控制率作為約束條件[8]，結(jié)合國家排水規(guī)范、擬建區(qū)開發(fā)要求、建設(shè)能力等進(jìn)行綜合分析。

首先，利用 SWMM 對LID改造前工況進(jìn)行模擬，評估徑流污染和地下水位情況；其次，結(jié)合擬建區(qū)規(guī)劃設(shè)計要求及區(qū)域特征，針對各控制目標(biāo)設(shè)計方案，對各個方案進(jìn)行LID組合設(shè)施比選，進(jìn)行初步布局。LID設(shè)施的初選取決于研究區(qū)域的適建條件，具體包括設(shè)計位置的場地條件、土壤性質(zhì)、地形地勢、下墊面性質(zhì)和空間需求等。參考國外雨水管理導(dǎo)則和國內(nèi)LID設(shè)施的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，整理了幾種常見LID設(shè)施的特征指標(biāo)[9]，如表1所示；然后，對不同目標(biāo)導(dǎo)向的方案進(jìn)行初步 LID 設(shè)計模擬結(jié)果對比，如果未達(dá)到規(guī)定的年徑流總量控制率，則在適建范圍內(nèi)優(yōu)化LID初步布局方案，反復(fù)模擬調(diào)整，直至優(yōu)化后的結(jié)果達(dá)到各方案最優(yōu)目標(biāo)。

1.2方案實(shí)施效果評價方法

成本控制目標(biāo)可將各項(xiàng)措施的運(yùn)行壽命按最小公倍數(shù)法統(tǒng)一時間長度衡量，截污控制目標(biāo)由SWMM模擬后各方案子匯水區(qū)污染物削減總量考量，壓鹽控制目標(biāo)通過建立雨水下滲量與潛水層下層水位之間的關(guān)系量化。前兩項(xiàng)可由SWMM模擬后的結(jié)果整理計算得出，后一項(xiàng)需要建立雨水下滲與潛水層水位之間的壓鹽模型。

海岸附近地下含水層中維持一種從陸地向海洋流動的淡水層和從海洋入侵陸地的鹽水層之間互相重疊的平衡狀態(tài)[10]，如圖1所示。假設(shè)海島的含水層是均質(zhì)并各向同性的，底部不透水層為水平面。取海水面與海岸交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，并定出相應(yīng)x軸和y軸。由于潛水流是穩(wěn)定漸變滲流，對于漸變滲流根據(jù)其特性，任意斷面單寬下滲量q可表示為：

q=K（y+ζ） [SX（] dζ[]dx[SX）][JY]（1）

式中： K為含水層滲透系數(shù)，取為5787×104 m/s；x為島嶼內(nèi)部距海岸的距離；y為咸、淡水交界面在海水面以下深度；ζ為潛水面在海水面以上高度。

根據(jù)咸、淡水交界面靜力平衡關(guān)系，有ζ+y=（ρx/ρf）y，即

ζ=（Δρ/ρf）y[JY]（2）

式中：ρx、ρf、Δρ分別為海水、淡水密度以及兩者之差，可取ρx=1025 g/cm3、ρf=10 g/cm3。將式（2）代入式（1），積分并整理后得

y2=[SX（]2qρ2f[]Kρx Δρ[SX）]X+C[JY]（3）

式（3）可根據(jù)Henry試驗(yàn)資料確定積分常數(shù)C[11]，因此式（3）可寫成

y2=[SX（]2qρ2f[]Kρx Δρ[SX）]X+0.55[JB（（][SX（]qρ2f[]Kρx Δρ[SX）][JB））]2[JY]（4）

式（4）建立了任意斷面單寬下滲量q與該斷面處潛水層下層水位之間的關(guān)系。由式（4）可知咸、淡水交界面的縱剖面是一條剖物線，可用此模型衡量壓鹽效果。[HJ2.1mm]

1.3模擬計算方法

（1）模型選擇與概化。

目前應(yīng)用較廣泛的雨洪模型有FEQ、BASINS、MIKE、SWMM等[12]。本研究在模擬雨水管理設(shè)施效能時，需要兼顧水文、水力以及水質(zhì)3個方面。其中，F(xiàn)EQ模型適合模擬單場降雨，無法進(jìn)行水質(zhì)模擬，BASINS只能進(jìn)行水文模擬，無法進(jìn)行水力計算。另外，LID設(shè)施的模擬必須能精確的描述區(qū)域開發(fā)前和開發(fā)后的狀態(tài)，MIKE 無內(nèi)置LID模塊，不適于LID設(shè)施模擬，而SWMM 模型兼具以上兩種功能。SWMM主要用于模擬城市某個單一降雨事件或長期的水質(zhì)、水量變化情況，可模擬流域內(nèi)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的產(chǎn)生、累積、沖刷和輸移過程，以及在降雨條件下，地表的產(chǎn)匯流過程和管網(wǎng)溝渠中的輸送過程[13]。

主要利用SWMM模型中的水文、水力和水質(zhì)模塊。在水文模塊中，對模型結(jié)果影響不敏感的參數(shù)例如溫度、風(fēng)速等可忽略不計[14]；在水力模塊中，主要模擬雨水在排水管道中的匯流過程，不考慮污水或者管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集中流量的影響；在水質(zhì)模塊中，將土地利用類型概化成建筑、綠地和道路三類，分別給出不同的累積和沖刷函數(shù)描述污染過程[15]。

（2）日降雨數(shù)據(jù)分解。

降雨過程采用實(shí)測的日降雨數(shù)據(jù)，蒸發(fā)過程采用對應(yīng)的日蒸發(fā)量。由于要比較下滲作用對地下水位的影響，因此選擇長歷時降雨序列。降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時對下滲作用效果影響極大，采取日降雨量序列相當(dāng)于把場次降雨均化到24 h內(nèi)。為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用NetSTORM軟件將日降雨量分解成1 h短歷時降雨量。

NetSTORM是對降水?dāng)?shù)據(jù)評估和城市徑流模擬的計算機(jī)程序，其中的時間序列聚集和合成分解模塊可將日降雨轉(zhuǎn)換成小時降雨。該模型是由一個雙鏈混合模型（干濕序列）和自相關(guān)抖動（強(qiáng)度過程）模型構(gòu)成的。首先該區(qū)域利用有限的精確的小時降水?dāng)?shù)據(jù)估計區(qū)域參數(shù)[16]，以描述該區(qū)域的雨水特性；然后由給定的日降雨時間序列和二進(jìn)制表示的干濕序列推導(dǎo)出日降雨統(tǒng)計數(shù)據(jù)（平均，方差和干燥概率），以適應(yīng)季節(jié)性[17]；最后可選擇利用隨機(jī)配對過程、連續(xù)確定過程和連續(xù)隨機(jī)過程進(jìn)行日降雨量的小時分解。隨機(jī)配對過程利用累積密度曲線通過隨機(jī)搜索的方式獲取最優(yōu)解。連續(xù)確定過程利用問題的解析性質(zhì)，產(chǎn)生確定的有限或無限點(diǎn)序列使其收斂于全局最優(yōu)解。連續(xù)隨機(jī)過程根據(jù)已有數(shù)據(jù)的資料，以概率的形式來描述降雨規(guī)律。受資料所限，最終選取連續(xù)隨機(jī)過程。

2案例分析

2.1區(qū)域概況

研究區(qū)域位于大連新機(jī)場填海區(qū)，面積約63 km2，各個用地類型見圖2。屬于渤海海岸段，地形平坦，填土以棕壤為主。高程位于42～873 m，中間高，四周低。屬大陸性氣候范疇，又具有季風(fēng)氣候特征，年均降水量622 mm。管網(wǎng)服務(wù)區(qū)域面積為41 km2，采用雨污分流制，由159個雨水管道、174個檢查井、11個出水口和174個匯水區(qū)組成。

對研究區(qū)進(jìn)行SWMM建模，采用大連市2015年5月30日-2016年5月30日降雨、蒸發(fā)資料，經(jīng)NetSTORM軟件分解為1 h降雨數(shù)據(jù)。子匯水區(qū)模塊中面積、坡度、不透水面積率等參數(shù)按照實(shí)際選取，曼寧系數(shù)、洼地蓄水深度等參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)定[18]，初設(shè)不透水部分地表水流的曼寧系數(shù)為0012，洼地蓄水深度為12 mm；透水部分地表水流的曼寧系數(shù)為015，洼地蓄水深度為25 mm。下滲模擬采用霍頓方程，最大下滲速率取762 mm/h，最小下滲速率取318 mm/h，衰減系數(shù)取412/h[19]。SWMM水質(zhì)模型中采用指數(shù)形式的污染物累積方程和沖刷方程，各個參數(shù)取值見表2[20]。建模概化見圖3。

2.2方案設(shè)計

初選透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施、雨水罐、生態(tài)草溝6種LID設(shè)施，其適建面積分別為7696 hm2，13409 hm2，17148 hm2，5572 hm2，9286 hm2，2338 hm2。

[HTH][JP3]方案一：以成本控制目標(biāo)最優(yōu)[JP4]為原則組成LID設(shè)施方案

根據(jù)各種設(shè)施的調(diào)研結(jié)果和國內(nèi)有關(guān)項(xiàng)目設(shè)計資料，初選LID設(shè)施的基建費(fèi)和管理維護(hù)費(fèi)，見表3[21]。考慮到投資方的利益需要，LID設(shè)施以低成本為主，最終選擇綠色屋頂、下沉式綠地、雨水桶、生態(tài)草溝構(gòu)成方案一。

[HTH][JP4]方案二：以截污控制目標(biāo)最優(yōu)為原則組成LID設(shè)施方案

截污效能主要指LID設(shè)施削減徑流污染物的能力。由于在城市徑流污染物中，SS往往與其他污染物指標(biāo)具有一定的相關(guān)性，因此采用SS作為徑流污染物的控制指標(biāo)[22]。徑流污染物主要集中在道路和屋面上[23]，最終選擇綠色屋頂、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施、生態(tài)草溝構(gòu)成方案二。

[HTH][JP4]方案三：以壓鹽控制目標(biāo)最優(yōu)為原則組成LID設(shè)施方案

壓鹽效果主要通過LID設(shè)施增加雨水下滲量實(shí)現(xiàn)，利用式（4）建立雨水下滲量與潛水層下層水位之間的關(guān)系，衡量壓鹽效能。通過對LID設(shè)施下滲性的對比，最終選擇透水鋪裝、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施、雨水桶構(gòu)成方案三。

[HTH]方案四：以綜合目標(biāo)（兼顧成本目標(biāo)、截污目標(biāo)、壓鹽目標(biāo)）最優(yōu)為原則組成LID設(shè)施方案

根據(jù)LID設(shè)施的適用范圍，充分利用規(guī)劃空間，以兼具各部分效能最佳的原則選擇組合方案，最終選擇透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地、雨水桶構(gòu)成方案四[24]。

在適建范圍內(nèi)分別以成本、截污效果以及壓鹽效果為目標(biāo)，以達(dá)到80%的年徑流總量控制率作為約束條件，首先在解決多目標(biāo)問題的過程中先根據(jù)表3確定各個方案擬建的LID設(shè)施，然后在各個方案的適建范圍內(nèi)通過不斷優(yōu)化試算，得到各個LID設(shè)施的最佳適建面積，最終確定的各方案LID設(shè)施及面積見表4。

2.3模擬成果及分析

按照以上設(shè)計利用SWMM模型對各方案進(jìn)行模擬，模擬后的成果見表5。經(jīng)分析，各LID方案設(shè)置后的徑流連續(xù)性誤差最大為0239%，污染負(fù)荷的輸入輸出誤差最大為001%，模型計算誤差在合理范圍內(nèi)。

分別對各方案成本、截污以及壓鹽效果對比分析，方案一、二、三、四相比無LID設(shè)施時，下滲量分別增加了26倍、123倍、306倍、296倍。LID設(shè)施的添加增大了雨水下滲，各方案LID設(shè)施土壤層屬性的設(shè)置是造成結(jié)果差異的最主要原因[25]，例如透水鋪裝、生物滯留設(shè)施等的土壤層中設(shè)置碎石或礫石層等多孔結(jié)構(gòu)增大了雨水下滲，而綠色屋頂、下沉式綠地等LID設(shè)施根據(jù)實(shí)際情況不設(shè)置碎石土壤層。方案一、二、三、四相比無LID設(shè)施時，成本分別增加7 30345萬元、81 63090萬元、228 58442萬元、177 72828萬元，成本差異主要與各個LID設(shè)施的單項(xiàng)成本以及建設(shè)面積不同有關(guān)。各方案污染物累積量分別較無LID設(shè)施時削減8195%、8386%、6782%、7334%，SS的削減主要受LID設(shè)施截留影響，土壤和植物根系的吸附、過濾、截留作用是造成SS削減的最主要原因[26]。

中生物滯留設(shè)施的單價約為綠色屋頂?shù)膬杀叮捎诮ㄖ娣e較小，所以成本低于綠色屋頂。方案三和方案四中，透水鋪裝的使用年限較短、單價高并且建設(shè)面積較大導(dǎo)致了占總成本的比重很大。

對各方案子匯水區(qū)污染物負(fù)荷總量對比，方案一和方案二的截污效果最明顯，究其原因，主要有以下兩方面：一是均設(shè)置了較高比例的綠色屋頂，因?yàn)槲菝嫖廴疚锴缣炖鄯e量較大且無法清掃，在大、中強(qiáng)度降雨時，易遭受沖刷。綠色屋頂可減少污染物的晴天累積，在遭遇降雨時，也可減小沖刷，降低徑流污染。二是均在道路兩側(cè)設(shè)置了生態(tài)草溝，可充分?jǐn)r截路面徑流污染，在轉(zhuǎn)輸雨水的同時，滯留、凈化部分污染物。方案三沒有設(shè)置針對屋面的LID設(shè)施導(dǎo)致其污染削減效果相對較差。方案四雖然設(shè)置了部分綠色屋頂，但沒有設(shè)置生態(tài)草溝，導(dǎo)致徑流污染削減效果稍差。

從海岸到島嶼中心處潛水層水位變化見圖5。方案三和方案四均鋪設(shè)了大面積的透水鋪裝對地下水位的改變較大，在6項(xiàng)LID設(shè)施中透水鋪裝的下滲效果最好，并且在非機(jī)動車道上鋪設(shè)透水鋪裝可有效利用道路空間，增加雨水滲蓄。方案二中的LID設(shè)施均以綠色植物為主，一定程度上阻礙了雨水的直接下滲。壓鹽效果差異與選擇的LID設(shè)施及適建面積有很大關(guān)系。例如方案一中，采取綠色屋頂和雨水罐搭配使用的方法，可將屋頂雨水經(jīng)綠色屋頂凈化后導(dǎo)入雨水桶收集，充分利用屋頂或地下空間，錯峰下滲雨水，也取到較好的下滲效果。

3建議

本文參考國內(nèi)外技術(shù)文獻(xiàn)及項(xiàng)目資料，在結(jié)合一定項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對不同目標(biāo)導(dǎo)向的人工海島LID方案優(yōu)化。在雨洪模型SWMM的輔助下，對大連新機(jī)場人工海島進(jìn)行LID方案設(shè)計及效果的模擬研究，旨在為人工海島雨水資源利用規(guī)劃提供決策依據(jù)。

綜上所述，建議推薦方案一作為研究區(qū)LID建設(shè)的優(yōu)選方案。理由如下：方案一成本最低，污染物的削減效果僅次于方案二且兩者差距不大，壓鹽效果雖然相比方案三和方案四較差，但是總體差別不大，特別是距離海岸越近時，壓鹽效果的區(qū)別越不明顯。另外，方案三得經(jīng)濟(jì)性不好，方案四雖然成本和壓鹽效果較好，但是截污效果比方案一差很多，所以最終推薦方案一。

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