滲透鋪裝對降雨徑流水文水質調控效果分析

崇佳文　徐樂中　李翠梅

摘要：以宜興市海綿城市示范區域為研究對象，通過SWMM軟件對研究區域概化、建模，根據實際監測數據對模型真實度進行驗證。模擬了重現期分別為3 a、5 a、10 a、15 a、50 a、100 a暴雨強度下滲透鋪裝對降雨地表徑流產生的水文、水質效果，并分析滲透鋪裝對城市雨水系統生態性的影響。結果表明：采用滲透鋪裝對降雨徑流量的削減可達1974%，徑流系數平均降低2193%，徑流削減作用總體隨降雨強度增大而增大，但增幅較小，調控效果較為顯著且穩定。對常規污染物負荷（SS、COD、TN、TP）可分別減少2412%、2379%、2281%、2190%，削減作用明顯，且對徑流量及負荷濃度峰現時間產生一定遲滯效果。研究對滲透鋪裝的效果進行科學評價，可對工程設計提供一定參考意見。

關鍵詞：滲透性鋪裝；SWMM模型；水文；水質；實例驗證

中圖分類號：TU992，S152文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02011507

Abstract：

Taking the sponge city demonstration project in Yixing city as the research object，we used SWMM software to generalize and model the study area and validated the fidelities of the model with actual monitoring data.The model was used to simulate the hydrology and water quality changes in the area at the rainfall intensity of the return period of 3，5，10，15，50，100 years，and to analyze the regulation effect of permeable pavement on the ecosystem of city rainwater.The results showed the permeable pavement could reduce rainfall runoff by up to 1974% and the runoff coefficient decreased by 2193%.The overall runoff reduction effect increased along with the rainfall intensity，but the increase was small.As to conventional pollutants of SS， COD， TN， and TP，the reduction was up to 2412%，2379%，2281%，and 2190%，respectively.The permeable pavement could also delay the peak time of runoff volume and pollutant load concentration.This study presents a scientific evaluation on the effect of permeable pavement and provides reference for engineering design.

Key words：

permeable pavement； SWMM model；hydrology；water quality；instance verification

快速的城市化致使城市可滲透下墊面面積比例減小，破壞了原有的自然水文循環機制[1]，給城市排水防澇系統巨大的壓力[2]，洪澇災害時有發生[3]。海綿城市是基于低影響開發（Low Impact Development，LID）理念[4]，綜合利用各類海綿體對雨水“滲、滯、蓄、凈”的功能，構建起新型的城市雨水系統，可減少城市內澇積水的深度與范圍。根據水量不可壓縮和消亡原則，在遇到降雨時能夠最大限度地留住雨水；非降雨時，被充分吸收的雨水可被再次利用于生態補水，如道路沖洗、綠化、景觀用水等，在一定程度上減輕目前城市水資源的供給壓力，提高雨水資源利用率。

滲透鋪裝是一種典型的通過降低城市不透水面積對城市雨水徑流進行調控的LID措施[5]。它不僅可以有效地削減雨水徑流量，減緩徑流速度，還可以有效地減緩城市非點源污染[67]，改善徑流水質。龔應安等[1]研究表明滲透鋪裝下滲的雨水水質完全可以滿足景觀環境補水的水質要求；解曉光等[8]對幾種不同結構材料滲透鋪裝的研究，發現滲透鋪裝各結構層均對COD有一定去除效果，但SS的去除效果會因不同的材料結構而異；李卓熹等[2]研究表明滲透鋪裝較綠色屋頂和下凹式綠地對洪峰削減效果最穩定，對降雨歷時變化最敏感。

本文運用SWMM中的LID模塊，模擬了采用滲透鋪裝前后的水文、水質變化過程，分析了滲透鋪裝對雨水徑流水文、水質調控效果，為滲透鋪裝的設計和應用提供科學、有效的支持和參考。

1材料與方法

1.1研究區域概化

宜興市位于太湖西岸，屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，河流密布，年平均降雨量約為1 30153 mm；市內地形為平原為主，地面標高3～5 m不等；地層分區屬江南地層區，從奧陶系至第四系，發育較齊全；表土以黃色黏土、粉質黏土、粉質砂土為主，滲透系數約586×106 cm/s，滲透性較小。研究區域位于中心城區，地勢較低、開發密度高，且受下游太湖水位頂托和上游客水共同影響，洪澇問題和面源污染問題較為突出。研究區域總面積446 hm2，共劃分為32個子匯水區域。根據區域雨水系統平面圖及勘察資料，概化雨水管道25條，匯水節點25個及末端雨水排放口1個。并結合土地利用情況，確定各子匯水區的不透水面積比例，利用加權法確定研究區不透水面積約為667%，主要由屋頂、道路和停車場組成。研究區域內概化結果見圖1。

滲透性鋪裝采用無砂多孔混凝土鋪裝，共布設面積104 hm2，約占不透水面積的33%，滲透鋪裝率大于20%。基層鋪設厚度為150 mm，粗糙系數為0014，孔隙比為017，滲透率為254 mm/h；土壤層厚度為200 mm，儲水層厚度為300 mm，孔隙比為043，導水率為500 mm/h。

1.2參數設置

水文參數根據SWMM用戶手冊及相關文獻[910]選取，見表1。結合研究區域特點，徑流滲透過程采用Horton入滲模型[11]，匯流過程采用非線性水庫模型，模擬過程采用動力波模型[1213]。

水質參數根據《海綿城市建設技術指南》選取4種常規污染物SS、COD、TN、TP，起始增長值分別為10 mg/L、20 mg/L、10 mg/L、002 mg/L[1416]。模擬過程考慮污染物累積和沖刷效應，分別采用指數函數累積模型和指數沖刷模型。各下墊面水質模擬參數見表2。

1.3降雨模型

研究采用芝加哥雨型在無錫市已有暴雨強度公

式基礎上進行雨量時程分配，選取重現期為3 a、5 a、10 a、15 a、50 a、100 a，設計降雨歷時120 min，模擬步長1 min，取雨峰系數r=04。暴雨強度公式如下：

i=[SX（]10579×（1+0.828×lgP）[]167×（t+46.4）0.99[SX）][JY]（1）[HJ2.1mm]

式中：i為降雨強度（mm/min）；t為降雨歷時（min）；P為重現期（a）。

1.4模型校核

根據2016年7月監測數據，選取7月4日與13日的兩場降雨數據對模型進行參數驗證。根據實測降雨強度峰值，選取7月4日監測數據與重現期為50 a的模擬數據比較，7月13日監測數據與重現期為3 a的模擬數據比較，實測降雨數據值與模擬結果值見圖2。

由圖2中數據比較可知：實測的降雨量分布與模擬降雨流量過程一致性較高，平均真實度可達92%，重現期越大真實度越高；SS、COD、TN的平均模擬真實度分別為90%、93%、86%；兩次TP模擬真實度分別為95%和801%，分析第一次模擬未考慮前期連續降雨且下墊面磷初始增長濃度設置較低，導致模擬效果不好，修改初始增長濃度為04 mg/L，獲得修正后真實度為81%。經比較，所選用的參數基于SWMM軟件構建的模型比較可靠，因此本文建立的模型能夠較為真實地模擬研究區域內滲透鋪裝對雨水水文、水質的調控情況。

2模擬結果與分析

2.1水文調控效果分析

通過SWMM模擬在不同重現期下滲透鋪裝前后徑流過程，模擬總時長為降雨過程2 h，時間步長為1 min，得到水文模擬結果見表3，管道溢流情況見圖3。

由表3可知，在3 a到100 a的重現期下，滲透鋪裝前后的平均入滲量分別增加2084%、1969%、1866%、1860%、1853%、1853%；峰值流量降低1939%、1897%、1844%、1911%、1931%、[CM（22]1974%；平均徑流系數降低0178、0183、0188、019、0196、0198，峰現時間滯后1～3 min。模擬結果與相關研究[2223]結論一致，低于劉文等[5]研究中提到徑流削減量，分析是由于滲透鋪裝的結構設計材料與布設位置不同會影響對水文控制效果。

[HJ1.95mm]平均入滲量的增長比例由重現期從3 a增長至100 a期間出現逐漸減小并趨于平緩的現象，可能是由于設置滲透鋪裝面層孔隙比較小，在滲透鋪裝排水方式一定時，對徑流入滲量的增加浮動較穩定并且透水性能有限；從峰值流量的削減比例趨勢中也出現減小的情況，但在重現期為50 a和100 a時的峰值流量削減比出現上升，可知滲透鋪裝在極端暴雨情況下的洪峰削減能力較為可靠。平均徑流系數削減量分布在018～020之間，總體隨暴雨強度的增加而略有增加，表明在滲透鋪裝結構一定的情況下，對平均徑流系數的影響基本穩定。從峰現滯后時間來看，遲滯效果不太明顯。

根據圖3所示，滲透鋪裝對于徑流的調控作用能有效減少雨水檢查井溢流個數，但總溢流量的削減趨勢隨暴雨強度的增加而變緩，對應了滲透鋪裝的徑流調控效果較為穩定且滲蓄能力有限的分析結論。

根據SWMM動態模擬結果，選取重現期為3 a、15 a下，降雨歷時35 min，55 min時刻的地表徑流效果，見圖4、圖5。模擬中重現期為3 a，降雨歷時55 min時刻，共15個子匯水區徑流情況得到改善；重現期為15 a，降雨歷時35 min時刻，所有子匯水區均明顯減少了徑流量，重現期越小時，降雨歷時越長，滲透鋪裝對地表徑流的影響越顯著，反之當暴雨強度增大時，越早能觀察到滲透鋪裝對徑流的調控作用。降雨歷時35 min徑流效果中，重現期15 a下采用滲透鋪裝后與重現期3 a未采用滲透鋪裝效果相似，證明滲透鋪裝對徑流情況有良好的調控效果。

2.2水質調控效果分析

圖6為不同重現期排放口P1出水水質模擬結果，各重現期下SS、COD、TN、TP負荷在采用滲透鋪裝前后削減比例趨勢平緩，分別平均減少峰值2412%、2379%、2281%、2190%，在各重現期下產生了3～6 min不等的峰現時間遲滯作用。其中TN的負荷峰值出現了隨重現期增大而減小的問題，根據相關研究[2425]，分析可能是由于氮的轉化機理原因，較大的透水流量縮短了滲透鋪裝系統中的反硝化作用，從而加快了氮的去除作用。

由圖中重現期為3 a的污染物濃度曲線分析可知，各污染物均出現短時間內出現峰值又迅速下降的情況，證明徑流污染主要是由于初期雨水對地面的沖刷效果造成；其次，污染物濃度峰值隨重現期增大而增加，峰現時間又隨重現期增大而提前，降雨沖刷效果越明顯，短時污染物累積量越大，對周邊生態環境的影響和污染就越嚴重。采用滲透鋪裝能夠明顯削減徑流污染負荷峰值，并推遲峰現時間，因而低影響開發作為城市徑流污染的源頭控制手段，其效果是海綿城市建設過程中一個重要的研究方向。

滲透鋪裝對徑流污染物濃度的削減作用，不僅能夠改善城市徑流面源污染問題，通過其基層、蓄水[CM（22]層對氮、磷營養物的暫存并緩排作用，間接地改善了出水水質，可用于綠化、景觀用水，也可自下滲補充地下水，將自然雨水變為城市水環境生態補水的寶貴資源。

3結論

滲透鋪裝作為一種低影響開發措施，對徑流總量、平均徑流系數、污染物負荷濃度有明顯的削減作用，并對峰現時間均有一定遲滯作用，對徑流的水文、水質調控效果明顯。在結構一定的情況下，滲透鋪裝的滲蓄量有限，在大于3 a重現期的暴雨強度下的徑流調控效果基本穩定，隨著重現期增大略有增加。

在設計過程中，滲透鋪裝的設置應當權衡其位置和應用的關系，在保證鋪裝路用功能的同時，選用合適孔隙結構的材料，使其擁有高滲透性能，更好達到透水快，蓄水多，去污能力好的效果。在實際使用中，透水鋪裝的效果會受到堵塞和污染物影響下滲能力，應當定期維護和清掃，去除表面和孔隙中的細小顆粒物和雜質，保持其原有設計調控能力。

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