基于SWMM的青島市紅島片區(qū)海綿城市建設(shè)案例分析

張壹超 丁 玥 郭文萱 張 倩 劉志強(qiáng)

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

城市化的推進(jìn)在給人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展造成了不可逆的影響[1-3]。為解決越來(lái)越突出的城市化問(wèn)題，住建部于2014年10月編制了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南(試行)》，旨在提高城市建設(shè)發(fā)展的可持續(xù)性[4,5]，現(xiàn)如今，我國(guó)海綿城市體系的建設(shè)正如火如荼地進(jìn)行[6-9]。為節(jié)省人力、物力，以SWMM為代表的軟件模擬以其方便快捷的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于海綿城市體系的規(guī)劃、建設(shè)與評(píng)估中，為項(xiàng)目實(shí)施的合理性提供了數(shù)據(jù)支撐[10-13]。本研究以青島市紅島片區(qū)為例，通過(guò)運(yùn)用SWMM模型對(duì)該區(qū)域海綿城市建設(shè)的途徑進(jìn)行研究，以期為紅島片區(qū)海綿城市建設(shè)的有效性提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 青島市紅島片區(qū)概況

1.1 地形概況

紅島片區(qū)為丘陵地貌，呈現(xiàn)中部高四周低的分布趨勢(shì)，平均海拔為11.6 m，最高海拔為52.6 m，最低海拔為1.5 m，局部地區(qū)地形起伏較大；坡向呈東高西低趨勢(shì)，平均坡度為1.2%，分布較為均勻。利用ArcGIS對(duì)Landset8遙感衛(wèi)星采集的中等分辨率影像進(jìn)行處理及分析，得到該片區(qū)地形高程及坡向變化如圖1所示。

1.2 氣候概況

青島市地處北溫帶季風(fēng)區(qū)，空氣濕潤(rùn)，雨量充沛，降水量年平均662.1 mm；溫度適中，四季分明，平均氣溫約為12.7 ℃。其中，夏季平均氣溫為24.0 ℃，濕熱多雨；冬季平均氣溫為-0.4 ℃，降水較少。

1.3 降水概況

根據(jù)紅島片區(qū)1989年—2019年的年降雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，最小年降雨量發(fā)生在1992年，僅為408 mm；最大年降雨量發(fā)生在2007年，為1 353 mm。紅島片區(qū)降雨變化圖如圖2所示。

1.4 土壤特征

對(duì)照中國(guó)土壤類型分布圖進(jìn)行分類，紅島片區(qū)的土壤主要以棕壤為主，除此之外還包括潮土、砂姜黑土等類型。堤防工程手冊(cè)中各土壤滲透系數(shù)，棕壤土為6.0×10-5m/s；潮土為3.0×10-5m/s～1.5×10-7m/s；砂姜黑土為3.5×10-7m/s～4×10-6m/s；根據(jù)各土壤滲透系數(shù)以及實(shí)地考察得出：棕壤土具有持水性能好，抗旱能力強(qiáng)的特點(diǎn)，即使在年降雨量分布不均時(shí)仍能保證植被的存活及生長(zhǎng)。

1.5 適建性分析

結(jié)合紅島片區(qū)實(shí)地情況采用評(píng)價(jià)因子評(píng)分法，因研究區(qū)域距工業(yè)區(qū)及水源地距離較遠(yuǎn)，因此主要考慮坡度與土壤類型對(duì)片區(qū)適建性進(jìn)行定量分析，最終結(jié)論如圖3所示，研究區(qū)域內(nèi)由適宜建設(shè)區(qū)與較適宜建設(shè)區(qū)構(gòu)成，無(wú)禁建設(shè)區(qū)。

2 研究區(qū)域模型建立

2.1 研究區(qū)域模型構(gòu)建

首先將經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的CAD圖導(dǎo)入SWMM，并結(jié)合用地性質(zhì)劃分子匯水區(qū)。其次由于城市排水管網(wǎng)較為復(fù)雜，建模前需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。最終確立如圖4所示的排水分區(qū)概化圖，包括21個(gè)匯水分區(qū)、54個(gè)節(jié)點(diǎn)、54個(gè)管段及7個(gè)排水口。

2.2 研究區(qū)域參數(shù)率定

青島市的暴雨強(qiáng)度公式如下：

式中：P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，年；

q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·ha)；

t——降雨歷時(shí)，min。

在芝加哥降雨過(guò)程線基礎(chǔ)上，雨峰系數(shù)采用0.4，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期采用P=0.65年，1年，2年，5年和100年的短歷時(shí)(2 h)降雨，模型運(yùn)行得到的降雨過(guò)程線如圖5所示。

本次模型建立中所需經(jīng)驗(yàn)參數(shù)包括洼蓄量與曼寧粗糙系數(shù)以及Horton公式參數(shù)[14,15]等，具體參考值如表1所示。

表1 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值范圍

2.3 低影響開(kāi)發(fā)效果模擬

LID設(shè)施的布設(shè)形式分為場(chǎng)地層面與子匯水區(qū)層面[16]，兩者的主要區(qū)別在于是否將LID設(shè)施作為單獨(dú)匯水區(qū)進(jìn)行設(shè)置，其中場(chǎng)地層面的LID屬性需要通過(guò)子匯水區(qū)的特征來(lái)體現(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是雨水的處理路徑較為清晰，適合小面積區(qū)域或?qū)λ|(zhì)控制效果的模擬；而子匯水區(qū)層面是在匯水區(qū)內(nèi)直接加入預(yù)先定義好的LID設(shè)施，該方法適合未明確LID設(shè)施布設(shè)方案或較大面積研究區(qū)的效果模擬。

本次研究根據(jù)片區(qū)實(shí)際情況，在各地塊中合理布設(shè)LID設(shè)施，并采用子匯水區(qū)層面的布設(shè)方法進(jìn)行模擬。

3 結(jié)果與討論

3.1 低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施設(shè)置前后水量模擬效果

表2 不同重現(xiàn)期徑流排放情況對(duì)比表

利用SWMM模型對(duì)不同重現(xiàn)期下地塊總降雨徑流量的變化過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)圖6及表2所示，在不同重現(xiàn)期條件下，整個(gè)系統(tǒng)在LID模式下的徑流排放情況明顯好于傳統(tǒng)城市開(kāi)發(fā)模式，將峰現(xiàn)時(shí)間分別推延了2 min，2 min，1 min和1 min；將徑流開(kāi)始時(shí)間分別推延了10 min，5 min，5 min和2 min；將徑流時(shí)間分別縮短了55 min，50 min，50 min和2 min；峰值徑流量也分別減少了4.1 m3/s，3.7 m3/s，3.1 m3/s和8.1 m3/s。從結(jié)果可以看出，LID設(shè)施在少量降雨時(shí)的控制效果優(yōu)于大雨或暴雨事件，但總體效果較為明顯。

3.2 低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施設(shè)置前后水質(zhì)模擬效果

為了方便對(duì)排水區(qū)域徑流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)徑流總量控制目標(biāo)進(jìn)行考核，本次研究過(guò)程中在各子排水系統(tǒng)都設(shè)置獨(dú)立的排水口。采用P=0.65年的降雨過(guò)程線模擬不同排放口的徑流排放情況，并且由于排放口1處于排水分區(qū)1的腹地，其服務(wù)面積較大，因此利用排放口1的模擬數(shù)據(jù)作為反映排水分區(qū)1水質(zhì)變化情況的依據(jù)。排放口1的出水水質(zhì)參數(shù)變化如圖7所示。

根據(jù)圖7所示，低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施對(duì)于TN，TP等易產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的污染物質(zhì)的控制率分別達(dá)到了55%，59%；對(duì)于SS及COD等常規(guī)污染物質(zhì)的去除也能達(dá)到很好的效果，其污染物峰值削減率為55%，45%，其污染物質(zhì)去除率較高的主要原因?yàn)樵搮^(qū)域?yàn)樯顓^(qū)及綠地區(qū)，可布設(shè)的低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施選擇較多，驗(yàn)證了低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施對(duì)于環(huán)境的良性發(fā)展的重要作用。

4 結(jié)語(yǔ)

以低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施為主體的海綿城市體系較好地緩解了現(xiàn)階段我國(guó)存在的城市化問(wèn)題。但是目前海綿城市體系較側(cè)重于對(duì)低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)的構(gòu)建，缺乏對(duì)相關(guān)設(shè)施構(gòu)建必要性的論證，從而忽略了地方建設(shè)的特色；此外，現(xiàn)階段海綿城市的建設(shè)主要以小區(qū)、公園、道路為主，沒(méi)有將城市作為一個(gè)海綿整體進(jìn)行規(guī)劃，從而忽略了與豎向設(shè)計(jì)之間的聯(lián)系。因此，如何將地方特色融入海綿建設(shè)并實(shí)現(xiàn)水質(zhì)、水量機(jī)制的聯(lián)動(dòng)，在今后海綿城市項(xiàng)目建設(shè)中值得我們深思。