城市雨水徑流污染及LID控制效果模擬

陳 莎，陳曉宏

(1.中山大學水資源與環境研究中心，廣東 廣州 510275； 2.華南地區水循環和水安全廣東普通高校重點實驗室，廣東 廣州 510275；3.廣東省華南地區水安全調控工程技術研究中心，廣東 廣州，510275)

過去幾十年，中國的經濟快速發展，城市化進程加快，導致城市下墊面不透水率增加，水循環模式發生變化，對城市的徑流過程造成影響[1]。城市雨水徑流沖刷草地、屋頂、道路等不同下墊面，攜帶各種污染物如營養鹽、重金屬、懸浮固體等進入水體，造成非點源污染，導致城市水體污染加劇[2]。

國內外對城市非點源污染管理措施展開了大量的研究，比較顯著的研究成果有美國的最佳管理措施(best management practices，BMPs)、英國的可持續排水系統(sustainable urban drainage system，SUDS)、新西蘭的低影響開發(low impact development，LID)技術等。其中，LID提倡采用工程措施和非工程措施作為非點源污染的削減措施，非工程措施一般是采取一系列的管理措施控制污染，工程措施是通過工程設施的建立控制和削減污染，減少雨水徑流中污染物的濃度和排放總量[3]，常見的有綠色屋頂、透水鋪裝、雨水花園等，這些控制措施在不同降雨條件下對城市雨水徑流及污染物作用效果不同。國內外許多學者采用暴雨雨水管理模型(storm water management model，SWMM)對城市雨水徑流及水質進行模擬，模擬效果較好[3-9]。本文采取SWMM模型，研究在不同降雨重現期和不同雨型條件下LID措施對城市雨水徑流及污染物的削減效果，以期為城市海綿城市工程建設提供參考。

1 研究方法

1.1 SWMM模型

SWMM是20世紀70年代由麥特卡夫-埃迪有限公司、佛羅里達大學和美國水資源有限公司3個單位聯合研制的一個綜合性數學模型，可以用來模擬完整的城市降雨徑流和污染物的運動過程[4]。SWMM模型是應用最為廣泛的城市雨洪模型，其排水管網模型的模擬過程主要由3部分構成，即地表徑流模擬、地表污染物模擬和管網傳輸系統模擬。

地表徑流模擬過程包括了從降雨開始到進入排水管道之前的水文過程，由產流模型和匯流模型兩部分組成。產流過程就是降雨扣除損失形成凈雨的過程，模型根據下墊面及地表排水狀況，將研究區域劃分為若干個子匯水區，子匯水區的下墊面分為有洼蓄量的不透水地表、無洼蓄量的不透水地表和透水地表，3種類型的下墊面分別進行產流計算，子匯水區的出流量為3個部分出流量之和。地表匯流演算是把各個子流域的凈雨過程轉化成流域的出流過程，在SWMM模型中，每個子匯水區都被看成是一個非線性水庫，其容量就是最大的洼蓄量，當“水庫”的水深超過了最大洼蓄量時就會產生徑流，如圖1所示。

圖1 子匯水區非線性水庫模型

地表污染物模擬包括污染物累積模型和沖刷模型，累積模型包括冪函數累積模型、指數函數累積模型和飽和函數累積模型，沖刷模型包括指數模型、流量特性沖刷曲線模型和次降雨平均濃度模型[7]。

管網傳輸系統模擬一般將排水系統概化為由節點連接起來的一系列的管道。主要是通過輸送模塊和擴展輸送模塊來進行排水系統的流量演算，由求解圣維南方程組得到。

1.2 LID控制措施

LID技術是采用植被洼地、植草溝、雨水花園、滯留槽和可滲透地表等措施減小集水區的不可滲透地表的影響，或將這些措施直接連接到區域內的雨水系統中[3]。本研究涉及的LID控制措施有雨水花園、透水鋪裝、綠色屋頂。

a. 雨水花園通常是由具有吸收能力的工程性或本地土壤基質、覆蓋層和灌木、花草等植物構成的茶碟狀或者淺挖的景觀洼地。可用于暫時儲蓄和處理來自落水管、排水管、人行道等產生的雨水徑流，并滲透到土壤層中[10]。雨水花園對應的LID措施的參數包括表面層參數：蓄水深度為200 mm，植被覆蓋率為0.15，表面粗糙系數及表面坡度為0；土壤層參數：厚度為800 mm，孔隙率為0.479，產水能力為0.371，枯萎點為0.251，導水率為0.5 mm/h，導水率坡度為15，吸水頭為290 mm；蓄水層參數：高度為300 mm，孔隙比為0.5，導水率為250 mm/h，堵塞因子為0；暗渠層的參數率定都為0。

b. 透水鋪裝是指將透水性好、孔隙率高的基建材料鋪設在道路或者廣場等開放空間的面層或基層，使雨水徑流暫時儲存在基層中，可以滲入周圍土地土壤層或者通過排水暗管匯入市政管網，從而達到控制徑流的作用。透水鋪裝對應的LID措施的參數包括表面層參數：蓄水深度為60 mm，植被覆蓋率為0.6，表面粗糙系數為0.15，表面坡度為0.4；路面層參數：厚度為150 mm，孔隙比為0.18，不滲透表面小數為0，滲透性為200 mm/h，堵塞因子為0；蓄水層參數：高度為300 mm，孔隙比為0.5，導水率為250 mm/h，堵塞因子為0；暗渠層的參數率定都為0。

c. 綠色屋頂是將植物種植于建筑物頂部，不與自然土壤直接接壤的雨水控制設施。綠色屋頂對應的LID措施的參數包括表面層參數：蓄水深度為40 mm，植被覆蓋為0.2，表面粗糙系數和表面坡度為0；土壤層參數：厚度為150 mm，孔隙率為0.479，產水能力為0.371，枯萎點為0.251，導水率為0.5 mm/h，導水率坡度為15，吸水頭為290 mm；蓄水層參數：高度為300 mm，孔隙比為0.5，導水率為250 mm/h，堵塞因子為0；暗渠層的參數率定都為0[11]。

2 實例應用

選取佛山市新城片區的依云水岸小區為研究對象，研究區域面積為134 270 m2。佛山市位于珠江三角洲腹部，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，氣候溫和，雨量充足。年降雨量1 600～1 700 mm，年平均降雨日140 d，在時間分布上，降水主要集中在3—9月。佛山新城片區位于佛山市順德區樂從鎮北部，北臨東平水道，東至華陽路，南沿裕和路、富華路，西沿汾江路。研究區域下墊面及管網等信息來自《佛山新城市政規劃專項規劃說明書》和《雨水工程現狀圖》，降雨數據及節點監測井水深來自于實際監測。模型涉及的設計降雨量按照佛山市2011年編制的單一重現期暴雨強度公式計算，設計雨型根據芝加哥雨型計算。

2.1 模型參數率定

SWMM模型中包含水文模塊和水質模塊兩部分。水文模塊參數確定分為兩部分，一部分根據物理意義直接獲得，還有一部分需要率定得到。水質模塊包括污染物累積模型和沖刷模型，本研究選取飽和函數累積模型和指數沖刷模型，模型參數參考國內研究[7-9,12-13]得到，見表1和表2。

表1 累積模型參數

表2 沖刷模型參數

2.1.1 模型參數率定的誤差分析與效率檢驗準則

Nash與Suteliffe在1970年提出了模型效率系數(確定性系數)來評價模型模擬的精度，它直觀地體現了實測與模擬的擬合程度的好壞[7]。本研究采用3個目標函數作為評價實測與模擬的擬合程度好壞的指標，分別是反映節點水深精度的相對誤差Re，反映節點水深過程與實測水深過程吻合程度的模型效率系數NS和相關系數R2，3個評級指標的計算公式為

(1)

(2)

(3)

2.1.2 水文參數率定

根據《佛山市雨水工程現狀圖》對研究區域排水管網系統進行了適當概化，提取研究區域管網及節點的數據信息，其中包括代表管道圖形要素的空間位置、檢查井的埋深、管道的長度、流向、管徑等屬性信息，得到研究區域的排水管網概化圖(圖2)。根據用地屬性的不同劃分為5個排水小區，其中ZHS58和ZHS59是居住小區，ZHS83、ZHS84和ZHS85是道路；根據檢查井位置確定4個節點；根據雨水管道的布設確定4條管道；根據雨水排放口確定1個雨水出口。雨量站位置位于ZHS58樓頂，采用J104檢查井水深作為模型的校檢數據。

圖2 研究區排水管網概化圖

根據降雨監測資料，選取2017年9月4日10:00～13:00的降雨過程作為模型模擬的降雨序列，前期干旱天數為5 d。由于SWMM模型中敏感的參數有子匯水區寬度、不滲透性粗糙系數、滲透性粗糙系數、不滲透性洼地蓄水、滲透性洼地蓄水以及無洼地蓄水不滲透性，因此需要對這些參數進行率定[4,7]，模型中土壤滲透模型參數參考《佛山市海綿城市建設試點城市申報實施方案》，采用Green-Ampt入滲模型，參數吸入水頭為210 mm、導水率為0.46 mm/h，經過參數的不斷調整，最終率定結果見表3，計算得到參數調整后模型的NS為0.93、R2為0.96、Re為-19.4%，模型模擬結果較好。

表3 水文參數率定結果

2.2 模型驗證

選取2017年9月4日16:10～17:00的降雨過程對模型進行驗證，此次降雨歷時為50 min，將降雨數據輸入到建立好的SWMM模型中，進行時間長度為3 h的模擬，得到的模擬結果見圖3。計算得到模型的NS、R2和Re分別為0.88、0.91和14%，模型模擬精度較好。

圖3 模型驗證節點深度過程線

3 結果與分析

3.1 設計降雨

為綜合分析不同降雨條件下采取LID措施對雨水徑流及污染物的削減效果，本研究設定以下4種降雨強度：1年一遇、3年一遇、5年一遇和10年一遇，降雨歷時為2 h，根據《佛山新城市政專項規劃說明書》，1年一遇、3年一遇、5年一遇和10年一遇的降雨量按照佛山市2011年編制的單一重現期暴雨強度公式計算，分別見式(4)～(7)，設計雨型根據芝加哥雨型計算，見式(8)。

q=3 189.598/t+11.9980.728

(4)

q=2 969.154/t+10.4230.652

(5)

q=2 890.678/t+9.8410.624

(6)

q=2 791.429/t+9.0990.587

(7)

(8)

式中：q為歷時t內的平均雨強，mm/min；I為瞬時降雨強度，mm/min；t1為峰前歷時，min；t2為峰后歷時，min；r為雨峰系數；A、n、b為參數[4]。r的取值決定降雨峰值出現時間，從而決定降雨類型。本研究設定8種降雨雨型，r分別取值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，大致分為前鋒型、中鋒型和后峰型降雨。芝加哥雨型的缺點是雨峰過于尖瘦，特別當暴雨公式中A、n、b值較小時，因此本文中采用5 min時間間隔計算降雨強度。根據上述分析，分兩種典型降雨情景研究：情景一是重現期相同，r值不同，由于海綿城市建設適用于高頻率小雨強，因此研究重現期為1年一遇時8種不同雨型下的雨水徑流及污染物的削減效果；情景二是r值相同，重現期不同，由于國內大量統計資料表明，大部分地區r值介于0.3～0.5之間[4]，因此研究r值為0.4時4種不同重現期下的雨水徑流及污染物的削減效果。兩種情景下的降雨過程見圖4。

3.2 LID控制措施削減效果分析

3.2.1 總量削減效果分析

參考《佛山市海綿城市建設試點城市申報實施方案》，一般情況下居住小區的下墊面構成為綠地占30%，建筑占30%，道路及鋪裝占40%，其他用地參照此標準和實際情況確定。采取的徑流污染控制措施以雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝為主，不同LID措施的地塊指標比例見表4。

a. 不同雨型總量削減效果分析。模擬情景一下未采取LID措施和采取LID措施兩種情況，并計算采取LID措施對雨水徑流及污染物的削減率，結果見圖5。

(a) 情景一 (b) 情景二

LID措施對應下墊面條件不同下墊面條件下LID措施對應的比例/%占地塊比例/%LID措施面積/m2雨水花園綠地601824169透水鋪裝道路及人行道、停車場、廣場903648337綠色屋頂建筑(屋頂)601824169

圖5 情景一下徑流量及污染物削減率與r值關系

由圖5可知，在平均降雨強度不變的情況下，隨著r值的增大，LID措施下的子匯水區出口處的雨水徑流量以及污染物濃度的削減率呈現相同的變化規律，均呈現先增大后減小的變化趨勢，與降雨量隨雨峰系數的變化趨勢一致，說明削減效果與降雨量密切相關。在r值較小或較大時，采取LID措施下的削減率小于雨峰系數位于中間時候，在r值為0.3～0.5時，雨水徑流量以及污染物削減率達到最大，這與r=0.5時雨量最小有關[15]。相對于污染物的削減率變化，雨水徑流量隨r值的變化幅度較小，并且當r值較小時，即前鋒或者中鋒時，雨水徑流及污染物的削減率較高，隨r值變化幅度較小，而當r值較大時，即后峰型降雨時，削減率下降幅度變大，尤其是污染物濃度。

b. 不同重現期總量削減效果分析。模擬情景二下未采取LID措施和采取LID措施兩種情況，并計算采取LID措施對雨水徑流及污染物的削減率，結果見圖6。

圖6 情景二下徑流量及污染物削減率與重現期關系

由圖6可知，當r值相同，隨重現期的增大，采取LID措施下的子匯水區出口處的雨水徑流量以及污染物的削減率變化規律相同，均呈現下降趨勢，即雨水徑流及污染物的削減率與重現期呈現負相關。在降雨強度較小時，采取LID措施對子匯水區的徑流及污染物呈現較好的削減效果，與海綿城市建設適用于高頻率小雨強相對應。相對于污染物的削減率變化，雨水徑流量隨r值的變化幅度較小，相對r值對雨水徑流及污染物削減率的影響，重現期對削減率的影響更大。

3.2.2 徑流峰值削減效果分析

a. 不同雨型徑流峰值削減效果分析。模擬情景一下未采取LID措施和采取LID措施兩種情況，計算采取LID措施對雨水徑流峰現時間的延遲和對峰值的削減率，徑流峰值及其削減率與r值的關系見圖7，不同r值下采取LID措施前后的徑流與污染物峰現時間見表5。

圖7 徑流峰值削減率與r值關系

由圖7可見，當重現期不變時，子匯水面出口處的徑流峰值均隨雨峰系數的增大，呈現增大的趨勢。在采取LID措施后，對徑流峰值有明顯的削減作用，削減率隨r值的增大呈現先增大后減小的變化趨勢，與3.2.1中情景一下徑流量削減率隨r值的變化關系一致。在中鋒型降雨時，LID措施對徑流量峰值的削減效果最明顯，削減率最大，出現這種現象的原因可能與中鋒型降雨峰值小于前鋒型降雨和后峰型降雨有關。

表5 不同r值下采取LID措施前后的徑流與污染物峰現時間 min

表6 不同重現期下采取LID措施前后徑流與污染物的峰現時間 min

由表5可見，當r為某一定值時，采取LID措施后的徑流峰現時間始終滯后未采取LID措施，說明采取LID措施對徑流峰現時間有很好的延時作用，且延時效果隨r值的增大呈現減小的趨勢。當重現期不變，徑流量的峰現時間隨著r值的增大逐步后移，與降雨峰值及徑流量峰值隨r值的變化趨勢一致。

b. 不同重現期徑流峰值削減效果分析。模擬情景二下未采取LID措施和采取LID措施兩種情況，計算采取LID措施對雨水徑流及污染物峰現時間的延遲和對峰值的削減率，不同重現期下采取LID措施前后徑流與污染物的峰現時間見表6，徑流峰值及其削減率與重現期的關系見圖8。

由表6可見，當重現期為某一定值時，采取LID措施后的徑流及污染物峰現時間始終滯后未采取LID措施，說明采取LID措施對徑流峰值有很好的延時作用，尤其在降雨重現期較小時尤為明顯，延時效果隨重現期的增大呈現較小的趨勢。當r值不變，部分污染物的峰現時間隨重現期增加呈現前移的趨勢，其中TP表現最為明顯。

圖8 徑流峰值及其削減率與重現期關系

由圖8可見，當r值不變時，未采取LID措施和采取LID措施兩種情況下，子匯水面出口處的徑流峰值均隨重現期的增大而增大，這與降雨強度隨重現期的增大而增大有關。在采取LID措施后，對徑流峰值有明顯的削減作用，削減率隨重現期的增大而減小，與3.2.1中情景二下的子匯水區徑流量削減率與重現期的變化關系一致。在重現期較小時，對徑流峰值有較好的削減作用，這可能因為重現期較小時，降雨量較小，產生的污染物少，LID措施對污染物處理效果較好。而隨著重現期增大，降雨量也隨著增大，產生的污染物增多，LID措施對污染物的處理效果降低有關。徑流量過程和徑流峰值隨重現期的變化一致，這可能是LID措施下徑流量和徑流峰值削減率與重現期的相關關系一致的原因。

4 結 論

采取LID措施對雨水徑流及污染物的總量和峰值均有削減作用，對峰現時間有延遲作用。雨水徑流及污染物的削減率隨雨峰系數r值的增大呈先增大后較小的變化趨勢，在r值為0.3～0.5時削減率達到最大。雨水徑流及污染物的削減率隨重現期的增大而減小，在降雨強度較小時，LID措施對子匯水區的徑流及污染物呈現較好的削減效果。峰現時間的延遲效果與r值和重現期均呈負相關，徑流峰值削減率隨r值的增大呈先增大后減小的變化趨勢，隨重現期的增大而減小，與徑流量與降雨條件的變化關系一致。相對雨峰系數，重現期對徑流量及污染物的削減率、峰現時間延遲以及徑流峰值削減率的影響更顯著。