基于SWMM和鴻業(yè)軟件對種植屋面雨水管理模擬及評估

嚴(yán)一鳴，左明明，管冰鏡，張義悅，王鑫瑜，朱曙光

(1. 安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽合肥 230601；2.安徽省水污染控制與廢水資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230601；3.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽合肥 230601)

近幾年，隨著國家對海綿城市建設(shè)的大力推進(jìn)，海綿城市建設(shè)中的低影響開發(fā)技術(shù)(low impact development,LID)得到了廣泛關(guān)注及應(yīng)用。LID措施能有效實(shí)現(xiàn)“滲、蓄、滯、凈、用、排”等目標(biāo)，是解決城市水害、水質(zhì)惡化等問題的有力措施，有利于在源頭削減雨水徑流、凈化雨水水質(zhì)、保護(hù)城市的水文機(jī)制[1-3]。

在LID措施中，種植屋面是一種有效手段，得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注與實(shí)踐。李俊生等[4]進(jìn)行了種植屋面的截留截污研究，研究表明種植屋面對于中小型降雨具有良好的削減能力。章孫遜等[5]則分析了不同植被類型的種植屋面在徑流量和水質(zhì)方面的影響程度。傳統(tǒng)的種植屋面具有良好的截留截污能力，但建造工藝繁瑣復(fù)雜，構(gòu)造結(jié)構(gòu)高達(dá)11層，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)層損壞，則較難修復(fù)。左明明等[6]對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，簡化后的新型種植屋面的結(jié)構(gòu)僅有4層，同樣具有良好的處理能力。為評估傳統(tǒng)和新型種植屋面的性能，可以建立模型，通過軟件進(jìn)行模擬分析。常用的海綿城市模擬軟件有SWMM(storm water management model)、SCAD(sponge city aided design)、SWAT(soil and water assessment tool)等，其中，應(yīng)用最為廣泛的SWMM是美國環(huán)保局為解決日益嚴(yán)重的城市排水問題而推出的暴雨徑流管理模型，可對單場暴雨或連續(xù)降雨產(chǎn)生的徑流進(jìn)行動態(tài)模擬。國內(nèi)外眾多學(xué)者[7-13]利用SWMM進(jìn)行雨洪控制效果模擬，做了大量的工程研究。鴻業(yè)暴雨排水和低影響開發(fā)模擬系統(tǒng)(簡稱為“鴻業(yè)海綿軟件”)依據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》、《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》等規(guī)范文件，以 AutoCAD 為平臺，可實(shí)施低影響開發(fā)措施下的模擬計(jì)算。由于鴻業(yè)海綿軟件推出時(shí)間較短，相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐需進(jìn)一步檢驗(yàn)。

本文建立了傳統(tǒng)和新型2類種植屋面改造方案，通過SWMM軟件和鴻業(yè)海綿軟件分別進(jìn)行模擬分析，對不同建設(shè)情景的徑流控制及污染物削減能力進(jìn)行模擬評估和比較分析[8-10,13-15]，為種植屋面在海綿城市建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域概況

本研究對象為安徽省合肥市某規(guī)劃改造小區(qū)，共16棟樓，屋頂面積為7 680 m2，現(xiàn)狀屋面無任何截留措施，徑流系數(shù)為0.85。該區(qū)域地勢平坦，地表坡度為3%。2種改造方案分別采用傳統(tǒng)和新型種植屋面，其中，新型種植屋面主要是采用新型的防水涂料和瀝青化學(xué)阻根防水卷材[6]，具有更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2 模型構(gòu)建及參數(shù)率定

2.1 模型構(gòu)建

結(jié)合研究區(qū)域的地圖、降雨情況、土壤滲透性、街道清掃及面源污染情況等，利用SWMM和鴻業(yè)海綿軟件分別進(jìn)行分析建模。根據(jù)地形及雨水管網(wǎng)現(xiàn)狀，將研究區(qū)域按樓棟劃分為16個(gè)子匯水區(qū)域、12個(gè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)排出口、12個(gè)管段，研究區(qū)域的管網(wǎng)概化模型如圖2所示。

2.2 研究方法及參數(shù)率定

暴雨重現(xiàn)期分別取2、10、100 a，通過SWMM軟件和鴻業(yè)海綿軟件分別擬合出不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的雨水滯蓄和凈化效果，并進(jìn)行比較[15-17]。選用芝加哥雨型，采用合肥市的暴雨強(qiáng)度公式，如式(1)。

(1)

其中：q——暴雨強(qiáng)度，L/(s·ha)，1 ha=0.01 km2；

P——重現(xiàn)期，取2、10、100 a；

t——降雨歷時(shí)，取60 min。

基質(zhì)層厚度為100 mm，滲入模型采用常用的HORTON模型，參考案例和軟件用戶手冊[18]，參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

改造方案流量徑流系數(shù)為0.5，其中，傳統(tǒng)種植屋面土壤的孔隙率為0.5，新型種植屋面孔隙率為0.8。土壤滲透性為6.1 mm/h，初始屋面雨水CODCr和SS含量分別為366 mg/L和302 mg/L。

表1 HORTON模型Tab.1 HORTON Model

表2 地表水污染物參數(shù)模型率定結(jié)果[19-20]Tab.2 Model Calibration Results of Pollutant Parameters in Surface Water[19-20]

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同重現(xiàn)期下的2種模型水文模擬

(1)當(dāng)重現(xiàn)期為2 a、降水為60 min時(shí)，情景模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 重現(xiàn)期2 a降雨歷時(shí)1 h情況下的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation Results with a Return Period of 2 Years and Duration of Rainfall for 1 h

由圖3(a)可知，隨著降雨歷時(shí)的增加，總徑流量先上升再下降，2種改造方案均具有顯著的削減效果。其中，傳統(tǒng)種植屋面與無LID措施相比，徑流峰值減少了80%，新型與傳統(tǒng)種植屋面模擬趨近。由圖3(b)可知，傳統(tǒng)種植屋面與無LID措施相比，徑流峰值減少了78.9%；新型在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上，減少了2.78%?？梢钥闯觯?個(gè)軟件的模擬結(jié)果相近。

(2)當(dāng)重現(xiàn)期為10 a、降水為60 min時(shí)，情況模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可知，2種改造方案均具有良好的削減效果。其中，傳統(tǒng)種植屋面與無LID措施相比，峰值總徑流量減少了80%，新型與傳統(tǒng)模擬趨近。由圖4(b)可知，傳統(tǒng)在無LID的基礎(chǔ)上，峰值總徑流量減少了79.1%；新型在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上，減少了2.91%。

圖4 重現(xiàn)期為10 a降雨歷時(shí)1 h情況下的模擬結(jié)果Fig.4 Simulation Results with a Return Period of 10 Years and Duration of Rainfall for 1 h

(3)當(dāng)重現(xiàn)期為100 a，降水為60 min時(shí)，情況模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 重現(xiàn)期100 a降雨歷時(shí)1 h情況下的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation Results with a Return Period of 100 Years and Duration of Rainfall for 1 h

由圖5(a)可知，傳統(tǒng)種植屋面與無LID措施相比，峰值總徑流量減少了78.9%，新型與傳統(tǒng)相比，減少了6.6%。由圖5(b)可知，傳統(tǒng)在無LID的基礎(chǔ)上，峰值總徑流量減少了79.3%；新型在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上，減少了2.7%。

基于前述不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下總徑流量的變化，為了直觀地比較3種方案的產(chǎn)流量，進(jìn)而分析2種改造方案的處理效果，做出不同降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)流變化分析，如圖6所示。

圖6 不同重現(xiàn)期下產(chǎn)流量模擬結(jié)果Fig.6 Simulation Results of Runoff Flow under Different Return Periods

由圖6可知，2種軟件對3種情況下產(chǎn)流量模擬結(jié)果趨勢相似。在相同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下，無LID措施時(shí)徑流量及產(chǎn)流量較高，且隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加。由圖5可知，相同重現(xiàn)期下的總徑流量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在35 min左右到達(dá)峰值。傳統(tǒng)種植屋面和新型種植屋面方案對徑流削減效果顯著，其中，傳統(tǒng)種植屋面對徑流峰值的削減達(dá)到80%左右，對總產(chǎn)流量的削減在78%左右；新型種植屋面在傳統(tǒng)屋面的基礎(chǔ)上，對徑流峰值和總產(chǎn)流量的削減率進(jìn)一步提高2.8%和11.2%。這主要得益于新型種植屋面基質(zhì)的高孔隙率以及優(yōu)化的結(jié)構(gòu)層[11,13]。傳統(tǒng)種植屋面的土壤孔隙率僅為0.5，而新型種植屋面的孔隙率高達(dá)0.8，提高了60%的孔隙率，因此，具有更好的雨水滯蓄能力。同時(shí)，對結(jié)構(gòu)層的優(yōu)化，使得新型種植屋面的結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)種植屋面相比，減少了7層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此，更利于雨水的下滲及儲蓄，從而提高了削減效果。

為了驗(yàn)證軟件模擬與實(shí)際結(jié)果的差異，選取了合肥市2019年7月12日、2019年8月5日、2019年8月28日3次的自然降雨產(chǎn)流量情況，將3次降雨的產(chǎn)流量取平均值，進(jìn)而與2個(gè)軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖8 地表徑流COD含量模擬Fig.8 Simulation of Surface Runoff COD Content

圖7 實(shí)測數(shù)據(jù)與軟件模擬結(jié)果對比Fig.7 Comparison between Measured Data and Software Simulation Results

由圖7可知，2種軟件的模擬結(jié)果與實(shí)測值接近，均可作為實(shí)際工程建設(shè)中的輔助參考。

3.2 不同重現(xiàn)期下的2種模型水質(zhì)模擬

選用雨水污染指標(biāo)COD和SS的濃度變化進(jìn)行模擬分析。

3.2.1 不同重現(xiàn)期下COD削減模擬

為了直觀地比較無LID措施、傳統(tǒng)屋面和新型屋面對雨水中污染物的處理效果，做出3種類型屋面地表徑流COD含量變化，如圖8所示。

在SWMM模擬結(jié)果中，由于SWMM在最大增長參數(shù)設(shè)置中未計(jì)入初始增長，數(shù)值相對于鴻業(yè)模擬結(jié)果較小。由圖8可知，2種軟件對3種地表類型COD含量變化模擬結(jié)果趨勢相似。隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增加，地表徑流COD含量隨之增大，2種改造方案均具有良好的削減效果。圖8(a)SWMM中，傳統(tǒng)種植屋面的削減率為76.5%～77.1%，新型在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高了11.5%～12.1%。由圖8(b)可知，若以傳統(tǒng)種植屋面為改造方案，對COD的削減率約為87.9%～89.7%。新型種植屋面在傳統(tǒng)種植屋面的基礎(chǔ)上，能提高10%～12%。結(jié)果表明，新型種植屋面對雨水COD有更好的處理效果。

為了驗(yàn)證2種軟件對COD削減的模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的差異，對3次自然降雨后進(jìn)出水COD濃度變化進(jìn)行測定，結(jié)果如表3所示。

表3 COD實(shí)測數(shù)據(jù)Tab.3 Measured Data of COD

圖9 地表徑流SS含量模擬Fig.9 Simulation of SS Content in Surface Runoff

由表3可知，對于傳統(tǒng)種植屋面，COD的削減率為76.1%～76.9%；對于新型種植屋面，COD的削減率為88.0%～89.3%。實(shí)測結(jié)果與2個(gè)軟件的模擬結(jié)果相近，軟件模擬均具有可靠性。

3.2.2 不同重現(xiàn)期下SS削減模擬

不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的SS濃度變化模擬結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，2個(gè)軟件的模擬結(jié)果趨勢相近，隨著重現(xiàn)期的增大，地表徑流中SS的含量也隨之增加。2種改造方案均具有良好的削減效果。SWMM模擬中，由于軟件本身未將初始增長計(jì)入，模擬數(shù)據(jù)偏小。由圖9(a)可知，與無LID措施相比，傳統(tǒng)種植屋面對SS的削減率達(dá)到了75%～77.1%；新型在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上削減率提高了11.5%～13.4%。由圖9(b)可知，傳統(tǒng)在無LID措施基礎(chǔ)上，對SS的削減率約為82%～87.1%，新型比傳統(tǒng)提高了13.2%～15.9%。由此可知，新型種植屋面對雨水SS有更好的處理效果。

為了驗(yàn)證2種軟件對SS削減的模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的差異，對3次自然降雨后進(jìn)出水SS濃度變化進(jìn)行測定，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，對于傳統(tǒng)種植屋面，SS的削減率為74.9%～77.0%；對于新型種植屋面，COD的削減率為82.3%～86.9%。實(shí)測結(jié)果與2個(gè)軟件的模擬結(jié)果相近，軟件模擬貼合實(shí)際。

4 結(jié)論

(1)針對規(guī)劃改造小區(qū)，基于SWMM和鴻業(yè)海綿軟件模擬分析2類種植屋面改造方案的處理效果。結(jié)果顯示，2種方案對雨水的截留及截污效果顯著，其中，新型種植屋面的處理效果更佳。分析原因，主要是新型種植屋面的土壤孔隙率更高，且具有簡化后優(yōu)良的結(jié)構(gòu)層，更有利于雨水的下滲及污染物的削減，增強(qiáng)了處理效果。

表4 SS實(shí)測數(shù)據(jù)Tab.4 Measured Data of SS

(2)在水文模擬中，對于2類種植屋面改造方案，SWMM軟件和鴻業(yè)海綿軟件模擬情況總體相近。其中，傳統(tǒng)種植屋面對徑流峰值和總產(chǎn)流量的削減分別達(dá)到80%、78%；新型種植屋面在傳統(tǒng)種植屋面的基礎(chǔ)上，對徑流峰值和總產(chǎn)流量的削減進(jìn)一步提升2.8%和11.2%。

(3)在水質(zhì)模擬中，2類種植屋面改造方案均具有良好的截污效果。其中，SWMM模擬結(jié)果顯示，傳統(tǒng)種植屋面對COD和SS的削減率分別約為77%和76%。鴻業(yè)模擬中計(jì)入了指標(biāo)的初始增長，因此，增大了總削減量，結(jié)果顯示，COD和SS的削減率分別為89%和85%。2個(gè)軟件對新型種植屋面處理效果的模擬接近，結(jié)果顯示，在傳統(tǒng)屋面基礎(chǔ)上削減率提高了12%。

(4)2種軟件作為 LID 技術(shù)在規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)用推廣的有效工具，均能較好地進(jìn)行雨水過程模擬，模擬細(xì)節(jié)的差異可以通過兩者的聯(lián)合使用進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，進(jìn)而為實(shí)際工程建設(shè)提供技術(shù)支持與指導(dǎo)。