調(diào)蓄池規(guī)模對初期雨水截留效果及截流管水文參數(shù)影響研究

姜章澤君，肖存艷，李連文，詹 健

(南昌大學建筑工程學院，南昌 330031)

0 引 言

城鎮(zhèn)化進程的不斷加快導致城市不透水面積激增，地表下滲率不斷減小。當降雨情況出現(xiàn)，雨水徑流對地表由于前期干旱累積的污染物進行沖刷，沖刷后的徑流污水匯入自然水體，致使其遭受污染和破壞[1]。近年來，城市水體的污染問題已然成為城市可持續(xù)發(fā)展道路上的一只攔路虎，因此，解決初期雨水沖刷造成的面源污染問題刻不容緩。

調(diào)蓄池作為控制城市面源污染的一項有效措施，以其良好的截留效果和經(jīng)濟適用性在國外得到了較好的推廣應用。作為在雨水徑流流量高峰期暫時受納徑流的收集設施，調(diào)蓄池的規(guī)模大小對截留效果起到關(guān)鍵性作用，已有較多學者對此進行了研究，李田[2]采用模型對調(diào)蓄池在徑流及其污染物控制方面的效果進行研究，得出特定的調(diào)蓄池規(guī)模與控制率之間的關(guān)系；薛英文等[3]以編程手段模擬雨水管內(nèi)水量及水質(zhì)的動態(tài)變化過程，分析得出調(diào)蓄池的最佳截留時間，在此基礎上計算調(diào)蓄池的設計容積；Mascarenhas等[4]以城市化地塊為例，研究了調(diào)蓄池在控制洪澇災害方面的效果，結(jié)果表明合理的選址與容積設置對降低洪澇風險起到積極作用。但是，現(xiàn)有研究一般僅將調(diào)蓄池作為獨立設施進行研究，旨在探究其規(guī)模與截污效能間的關(guān)聯(lián)性，并未將其置于管道系統(tǒng)內(nèi)進行整體性分析，對多個調(diào)蓄池協(xié)同運行的耦合作用也甚少涉及。據(jù)此，本文以聯(lián)用式雙調(diào)蓄池作為研究對象，在分析該聯(lián)用系統(tǒng)對初期雨水徑流及其所攜帶污染物的削減效應的同時，研究截流管道系統(tǒng)水文參數(shù)的變化情況，為初期雨水面源污染控制提供一定理論參考。

1 研究區(qū)概況及其概化

本文選取位于南昌市城區(qū)東北部的儒樂湖作為研究區(qū)域。儒樂湖流域匯水面積為15.7 km2，來水匯入儒樂湖經(jīng)儒樂湖閘注入贛江西河。據(jù)區(qū)域鄰近的南昌站資料統(tǒng)計顯示，多年平均降水量1 599.0 mm，降水量年內(nèi)分配很不均勻，主汛期4-6月降水量占年降水量的50%左右，枯水期11月-次年1月降水量占年降水量10%左右；儒樂湖入庫1 957.4～2015.3 多年平均流量為 2.70 m3/s，多年平均徑流量8 520 萬m3。研究區(qū)地形特征大致為東北高西南低，地表匯流方向總體趨勢為由東北向西南，借用徑流自身重力勢能使其盡可能順坡流動，同時簡化末端管網(wǎng)、保留拓撲結(jié)構(gòu)、綜合考慮土地利用類型，基于GIS軟件將其劃分為88個子匯水區(qū)，雨水管網(wǎng)概化為54個雨水檢查井和72條雨水管線。根據(jù)服務區(qū)相關(guān)平面設計圖進行排查，將雨水排放口設在研究區(qū)西南側(cè)。將相關(guān)數(shù)據(jù)導入SWMM模型的研究區(qū)概化圖見圖1。

圖1 研究區(qū)概化圖Fig.1 Generalization chart of the study area

2 模型建立與驗證

2.1 模型建立

2.1.1 水文模塊參數(shù)設置

本文采用Horton入滲模型模擬雨水下滲過程[5]，Horton模型主要涉及的水力學計算方程如下：

(1)

式中：f0為雨水在初始時刻的下滲速率；f∞為土壤在飽和臨界時刻后的下滲速率；fp,t為t時刻下雨水滲入土壤層的速率，mm/h；kd為入滲速率衰減系數(shù)，h-1；F(tp)為tp時刻下的總?cè)霛B量。

在實際建模過程中，參考SWMM模型用戶手冊[6]并借鑒相關(guān)研究成果[7]，對模型關(guān)鍵參數(shù)進行賦值。在入滲系數(shù)的設置過程中，取最大入滲系數(shù)A值為72 mm/h，最小入滲系數(shù)B值3.302 mm/h；取入滲速率衰減系數(shù)為3 h-1；可滲透區(qū)域洼地蓄水量和曼寧系數(shù)N值分別取5.04 mm和0.24；非滲透區(qū)域洼地蓄水量和曼寧系數(shù)N值分別取1.51 mm和0.01；管道的曼寧系數(shù)N值取0.013。模型以非線性水庫模型描述地表匯流過程，以動態(tài)波模型對研究區(qū)進行水質(zhì)水量演算。

2.1.2 水質(zhì)模塊參數(shù)設置

水質(zhì)模塊包括地表污染物累積模型和沖刷模型。首先對地表污染物累積模型進行參數(shù)設置，根據(jù)研究區(qū)地形數(shù)據(jù)，將研究區(qū)下墊面劃分為屋面、道路、綠地3種不同的類型，以TSS、CODcr、TN、TP 5個指標為代表描述徑流沖刷地表過程中污染物的產(chǎn)生情況，并采用指數(shù)函數(shù)模型模擬污染物沖刷效應，以飽和函數(shù)模型模擬污染物累積效應。根據(jù)儒樂湖流域污染物實際監(jiān)控數(shù)據(jù)，設定模擬降雨的前期干旱天數(shù)為7 d，雨水中TSS、CODcr、TP、TN的濃度取值依次為5，15，0.05，1.1 mg/L。其他取值參照SWMM模型用戶手冊及國內(nèi)外相關(guān)文獻[8]。

2.1.3 降雨模型設置

由于單峰雨型在南昌市實測短歷時強降雨中所占比例較高，且近年來單場降雨越趨極端，實際雨峰顯出尖銳化、狹長化的性質(zhì)，雨峰多出現(xiàn)在前中部，與芝加哥雨型模擬的設計降雨特征極為符合[9]，故本次模擬選用芝加哥降雨模型[10]設計單峰降雨作為研究區(qū)的降雨情景。通過查閱資料可得南昌市的暴雨強度公式為：

(2)

式中：q為降雨強度，L/(s·hm2)；P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

根據(jù)南昌市暴雨強度公式，設單場降雨總歷時為2 h，雨峰系數(shù)0.4，從而確定了重現(xiàn)期為0.1、0.5、1、2、3、5 a下的6場降雨情景，如圖2所示。

圖2 不同重現(xiàn)期下的模擬降雨量Fig.2 Simulated rainfall under different recurrence periods

2.2 模型參數(shù)率定與驗證

本研究以中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)2018年4月13日、4月14日公布的南昌市降雨數(shù)據(jù)對水質(zhì)模型進行率定。在降雨過程中，于研究區(qū)附近路面的上、中、下3個位置選取3個監(jiān)測斷面，同步檢測水文及水質(zhì)指標，其中水文監(jiān)測內(nèi)容為水位和流速等指標，水質(zhì)檢測內(nèi)容為TSS、COD、TN、TP等。將監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果相比較，以相對偏差最小為原則，多次調(diào)試參數(shù)以獲取最優(yōu)值。

以2018年4月14日降雨為例，確定所需參數(shù)取值如表1所示。

表1 污染物累積和沖刷模型參數(shù)值Tab.1 Contaminant accumulation and erosion model parameter values

以上述場次降雨作為率定實例，其模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果如圖3、圖4所示。參數(shù)率定采用蒙特卡羅方法(Monte Carlo)，并用納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency，簡稱NSE)來評價模擬結(jié)果曲線與監(jiān)測時間序列的吻合程度。納什系數(shù)公式如下：

(3)

式中：RNS為納什系數(shù)；QS為i時刻濃度實測值，mg/L；Qm為i時刻的濃度模擬值，mg/L；QP為實測數(shù)據(jù)的平均濃度值，mg/L。納什系數(shù)越接近于1，說明模擬結(jié)果與監(jiān)測曲線吻合程度越高；納什系數(shù)大于0.7，則表示模擬值與實測值較吻合[11]。經(jīng)試驗與計算，得到各指標的RNS見表2。

圖3 徑流量-模擬實測圖Fig.3 Flow rate under simulation/measurement diagram

圖4 污染物濃度-模擬實測圖Fig.4 Pollutant concentration under simulation/measurement diagram

表2 污染物納什系數(shù)計算結(jié)果Tab.2 Pollutant RNS calculation results

由表2可知，TSS、CODcr、TN、TP的納什系數(shù)均均達到0.7以上，說明模型與實測結(jié)果的吻合度較高，可將模型應用于該研究區(qū)的水質(zhì)模擬過程。

2.3 SWMM模型方案確立

要對研究區(qū)的初期雨水進行截留，需向區(qū)域內(nèi)添加調(diào)蓄池設施。考慮到研究區(qū)面積較大，且西部片區(qū)地勢較低，為保證初期雨水徑流被截流完全前，截流管不發(fā)生過載現(xiàn)象，擬在儒樂湖沿岸設置兩座調(diào)蓄池，調(diào)蓄池1位于研究區(qū)東南側(cè)，調(diào)蓄池2位于儒樂湖中段，如圖5所示。由公式計算[12]及現(xiàn)狀資料大致將調(diào)蓄池1、2規(guī)模定為5 000、8 000；6 000、9 000；7 000、10 000；8 000、11 000；9 000、12 000；10 000、13 000 m3六組進行分析，并通過模擬分析確定其準確容積。

圖5 方案設計概化圖Fig.5 Generalization chart of the program design

3 模型應用及分析

3.1 研究區(qū)現(xiàn)狀排水能力分析

現(xiàn)狀條件下，即在無截留管和雨水調(diào)蓄池設置的情況下，雨水經(jīng)服務區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)后直接由排放口進入儒樂湖內(nèi)。不同重現(xiàn)期下降雨及相關(guān)徑流、排放、檢查井溢流數(shù)據(jù)見表3所示。

不同降雨重現(xiàn)期下，降雨強度越大，對應的降雨量也越大，所產(chǎn)生的徑流總量也越多。由表3可知，研究區(qū)范圍內(nèi)的非設計管段，在三年設計重現(xiàn)期條件下管渠大部分無過載現(xiàn)象，研究區(qū)內(nèi)檢查井節(jié)點少數(shù)發(fā)生溢流。但雨水徑流除少部分被植被截留之外，其他全部由管渠系統(tǒng)排入湖內(nèi)，對湖內(nèi)水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

3.2 不同規(guī)模調(diào)蓄池截流情況分析

據(jù)相關(guān)研究成果[13]，雨水污染程度高峰期主要出現(xiàn)在降雨初期10～15 min的時間內(nèi)，且雨水徑流帶來的面源污染中，約70%污染物集中在初期沖刷效應中[14]，故本模擬主要針對初期雨水的截流效果及污染情況進行分析。

《室外排水設計規(guī)范》(GB50014-2006)(2016年)中規(guī)定南昌地區(qū)雨水管渠設施重現(xiàn)期一般為2～3 a，考慮到研究區(qū)非設計管段的設計重現(xiàn)期為3 a，經(jīng)綜合分析及模擬試算后選擇P=3 a設計降雨，降雨歷時2 h，其累計降雨量為73.64 mm，降雨

表3 研究區(qū)現(xiàn)狀相關(guān)水文參數(shù) 萬m3

(由于綠地植被等的下滲、滯留和蓄水作用，無調(diào)蓄設施時仍存在一定的儲水量)。

曲線如圖6所示。對不同調(diào)蓄池容積所對應的不同工況進行分析，通過SWMM模型模擬并加以調(diào)試以保證初期雨水截流期間，截流管不會發(fā)生過載現(xiàn)象，確保初期雨水順暢的被截流至調(diào)蓄池內(nèi)。

擬定調(diào)蓄池1、2規(guī)模分別為0.5、0.8；0.6、0.9；0.7、1.0；0.8、1.1；0.9、1.2；1.0、1.3 萬m36組進行分析，具體劃分見表4所示。

由SWMM模擬得出在不同調(diào)蓄池規(guī)模下，調(diào)蓄池對地表徑流的截留率和污染物的削減率，以及相應排放總量和排放口污染物總量見表5。

圖6 三年重現(xiàn)期下降雨徑流與降雨強度隨時間變化曲線Fig.6 Variation curve of rainfall runoff and rainfall intensity with time under a 3-year recurrence period

萬m3

表5 不同規(guī)模調(diào)蓄池截留率統(tǒng)計表Tab.5 Statistical table of interception rate of different scale storage tanks

顯然，調(diào)蓄池規(guī)模越大，截流量也越大，相應的雨水排放量越小。雨水截留率相對較低，但由于初期雨水中攜帶了高負荷的污染物，故污染物削減率隨調(diào)蓄池規(guī)模增大有顯著增加。具體的截留率及削減率變化趨勢見圖7。

圖7 不同調(diào)蓄池規(guī)模下雨水截留率與污染物削減率關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between rainwater interception rate and pollutant reduction rate of different scale storage tanks

由表5及圖7可知，調(diào)蓄池1、2的設置對雨水截留量有著明顯的提升作用，其截留量保持在12%～22%之間，且隨著調(diào)蓄池容積的增長，雨水截留率的增長也較為平穩(wěn)；相較而言，調(diào)蓄池對于污染物的削減效果更為明顯，各污染物的削減率均達到50%以上，在一定范圍內(nèi)，調(diào)蓄池容積越大，污染物的削減率越高且增長速率越快。污染物削減率以TN、TP的增長較為迅速，削減率也高于其他污染物，而TSS和CODcr的削減率則較低；以上兩個調(diào)蓄池所截留的總徑流深度也有明顯增加，表明調(diào)蓄池的增設在一定程度上能控制更多的徑流量，排放口的雨水排放量也隨調(diào)蓄池容積增大而減小，表明降雨初期所產(chǎn)生的高污染物負荷的雨水徑流進入調(diào)蓄池內(nèi)，從而緩解儒樂湖的水污染壓力。

隨著調(diào)蓄池內(nèi)進水量不斷增加，池內(nèi)蓄水量持續(xù)增多，池內(nèi)污染物負荷也逐漸加大，但與沖刷前期相比，后期的污染物濃度仍有所下降，主要是由于前期地面污染物已被徑流沖刷，后期地面污染物濃度減小，導致進入調(diào)蓄池內(nèi)的徑流所含污染物濃度下降，與池內(nèi)既有的儲水混合后，池內(nèi)總污染物濃度下降。調(diào)蓄池內(nèi)污染物濃度變化曲線如圖8所示(以調(diào)蓄池規(guī)模Ⅲ下TSS濃度為例)。

由圖8可知，由于對初期雨水的截留作用，兩個調(diào)蓄池內(nèi)污染物濃度均較高，且調(diào)蓄池2內(nèi)的污染物濃度高于調(diào)蓄池1。在截流過程中，調(diào)蓄池持續(xù)接收進水，由于池底面積較大，初期進水流量增長緩慢，隨著降雨強度的逐漸增大，后期進水流量增長較為迅速。當調(diào)蓄池蓄滿后，不再接收雨水徑流，并在整場降雨截流過程后將調(diào)蓄池內(nèi)的雨水進行外排。因此，截流過程停止后，調(diào)蓄池內(nèi)進水流量為0，且各污染物濃度維持不變。將不同截流規(guī)模下的各污染物排放濃度歸納至表6。

圖8 調(diào)蓄池內(nèi)污染物濃度與進水流量隨時間變化曲線Fig.8 Variation curve of pollutant concentration and influent flow with time in storage tank

表6 不同截流規(guī)模下各污染物排放濃度Tab.6 Pollutant discharge concentration of different interception scale

3.3 不同規(guī)模調(diào)蓄池所對應截流管徑及其流速流量分析

調(diào)蓄池的規(guī)模大小也影響著截流管管徑的大小，調(diào)蓄池容積越大，其調(diào)蓄雨量越大，所對應的截流量也越大。在保證雨水截留率和污染物削減率的基礎上，以截流管在初期雨水截留過程中不發(fā)生過載為前提，確定各截流管對應的流量和流速，與調(diào)蓄池相連接的連接管的流量和流速變化過程如圖9、圖10所示。

圖9 不同調(diào)蓄池規(guī)模下連接管流速變化曲線Fig.9 Variation curve of flow velocity in connection tube of different scale storage tanks

圖10 不同調(diào)蓄池規(guī)模下連接管流量變化曲線Fig.10 Variation curve of flow discharge in connection tube of different scale storage tanks

顯然，隨調(diào)蓄池容積增加，所截留的降雨量也增多，因此所需的截流管管徑也相應增大。調(diào)蓄池1服務區(qū)域為金山大道至金水大道段，服務面積為1.34 km2，而調(diào)蓄池2所調(diào)蓄的金山大道至空港大道段服務面積為1.80 km2，且整段管渠也長于調(diào)蓄池1所對應的截流管，因此所需匯流時間更長，可適當降低管網(wǎng)負荷。

當調(diào)蓄池容積一定時，各段管渠中的流速及流量變化也可反映整個降雨過程中雨強的變化。根據(jù)南昌市暴雨強度公式，在截流過程中，降雨量持續(xù)增大，但增長速度較緩，因而在此過程中，降雨主要影響管徑及匯流過程，對各管段的最大流量和流速影響并不大。顯然，隨調(diào)蓄池容積增大，雨水截留量增多，管渠的截流雨量和流量流速也逐漸加大，相應的連接管管徑也需加大。由模擬結(jié)果可知，截流管管徑隨調(diào)蓄池容積增大而擴大的同時，管渠內(nèi)的流量和流速也相應在增大，總體上均呈現(xiàn)增長的趨勢，管內(nèi)流量在0.5～3 m3/s范圍內(nèi)變化，流速在1～3 m/s左右。相比而言，連接管管徑較大，但連接管中流量和流速的變化范圍較小，其主要作用為集中收集雨水匯入調(diào)蓄池，故其流量與流速也均較大，連接管中流速保持在2～4 m/s，流量保持在2.5～4 m3/s。

對本模擬案例而言，調(diào)蓄池的增設極大程度上緩解了各段管渠的壓力，調(diào)蓄池1截留的服務面積小于調(diào)蓄池2，則調(diào)蓄池1的容積也小于調(diào)蓄池2 ，所對應連接管的流速和流量增長速率也較快。并且，當截流過程停止后，由于重力流以及整個管渠持續(xù)高流量的影響，流量在后期仍會穩(wěn)步上升一小段時間，但此時流速持續(xù)下降，說明截留水量減少。由于降雨模型的影響，當雨峰到來時，雨強較大，導致后期降雨的流量和流速均會達到峰值，但此時初雨已被全部截留，不會再對儒樂湖水質(zhì)產(chǎn)生影響，因此不在模型討論范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論與建議

(1)通過建立研究區(qū)域的水文水質(zhì)模型，模擬了聯(lián)用式雙調(diào)蓄池系統(tǒng)中調(diào)蓄池規(guī)模對該區(qū)域初期雨水徑流的截留效果。由模擬結(jié)果可知，調(diào)蓄池的設置對初雨徑流量及其面源污染的削減率分別可達到13.74%和50.52%以上，且雙調(diào)蓄池規(guī)模越大，雨水截留率和污染物削減率越大，對控制面源污染具有明顯效果。

(2)在以T=3 a為例的典型重現(xiàn)期下，將調(diào)蓄池置于管道系統(tǒng)內(nèi)統(tǒng)籌分析，模擬調(diào)蓄池規(guī)模對與其相連的截流管水文參數(shù)的影響，結(jié)果表明截流管內(nèi)流量與流速變化范圍分別為0.5～3 m3/s與1～3 m/s，且與調(diào)蓄池規(guī)模成正相關(guān)關(guān)系。

(3)不同規(guī)模的雙調(diào)蓄池聯(lián)用組合具有不同的作用效果和經(jīng)濟成本，后續(xù)研究可對經(jīng)濟效益評估作進一步研究。