南河河道修復工程中海綿設施的效果評估

李昆朋， 劉邦俊， 吳 雨， 許貽喬， 吳 磊

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司， 江蘇 南京 210000；2.南京市雨花臺區水務總站， 江蘇 南京 210000；3.東南大學 能源與環境學院， 江蘇 南京 210000)

傳統城市雨洪管理的規劃設計理念是“快速排除”和“末端集中”，使用管渠、泵站等“灰色”硬質設施直排雨水[1-2]。這種管理中存在3類問題：第一，主要依靠硬性設施來外排徑流雨水，增加了市政雨水管網及水體容納排澇設施壓力；第二，初期降雨未經植物層的凈化，大量污染物隨雨水入河，影響城市水環境質量；第三，雨水大量流失，浪費水資源，導致排不出水，但實際又缺水的矛盾[3]。如考慮將設計理念轉變為“慢排緩釋”和“源頭分散”，優先利用“綠色”措施來組織排水，既能避免洪澇，又可以有效收集利用雨水。由此便誕生了“海綿城市”的概念，其內涵在于“滲、滯、蓄、凈、用、排”。具體含義指城市能夠像海綿一樣會“呼吸”，在適應環境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的彈性，在下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時，將蓄存的水“釋放”并加以利用[4]。形成城市內部良性水循環模式，在此過程中既解決了洪澇災害問題，又自動吸收了系統的污染物質，對城市水土起到凈化作用。

海綿城市通常包括低影響開發雨水系統、城市雨水管渠系統和超標雨水徑流排放系統，其中低影響開發雨水是最主要的實現途徑[5]。低影響開發雨水系統(Low Impact Development，LID)指在城市開發建設過程中，通過生態化措施，盡可能維持城市開發建設前后水文特征不變，緩解不透水面積增加造成的徑流總量、徑流峰值與徑流污染的增加等對環境造成的不利影響[4]。其規劃控制目標包括總量控制、徑流峰值控制和徑流污染控制。徑流總量控制一般是低影響開發雨水系統的首要規劃控制目標，而徑流峰值和污染一般通過徑流總量控制來實現。對于徑流峰值，一般低影響開發設施對中小型降雨事件的峰值削減效果較好，而對大暴雨事件的錯峰、延峰幅度較低。對于徑流污染，其控制指標采用SS、TP、TN、COD等[6]，其中SS和COD常被選為主要控制指標。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

南河位于江蘇省南京市主城西南，是建鄴區和雨花臺區的一條界河。南河當前現狀存在生態環境較差、安全得不到保障、未充分發揮區域生態補水功能、濱水空間功能品質與兩岸城市建設不協調等問題。南河工程的建設，主要滿足黑臭水體整治、引排體系完善、防洪安全保障、濱水空間提升、區域可持續發展等方面的需要，將南河建設成為一條清澈的河、生態的河、美麗的河、創新的河。為此，南河工程指揮部將海綿化建設技術引入工程紅線范圍內的河濱地帶，作為削減該地段入河雨水量、延緩雨水峰值和控制初雨污染的工程措施。

南河河道全長9.30 km，設計河底高程5.00 m，常水位7.50 m，洪水位11.10 m。兩側岸坡為生態岸坡，主要形式是硬質護坡，局部為草皮、仿木樁等，其面積約為32 200 m2。

1.2 海綿設施

根據《南河海綿化建設設計方案》，南河沿岸選用滲透性鋪裝和植草溝作為海綿化建設的措施。滲透性鋪裝按照面層材料不同可分為透水磚鋪裝、透水水泥混凝土鋪裝和透水瀝青混凝土鋪裝，嵌草磚、園林鋪裝中的鵝卵石、碎石鋪裝等也屬于滲透鋪裝。主要適用于廣場、停車場、人行道以及車流量和荷載較小的道路，如建筑與小區道路、市政道路的非機動車道等。其特點是適用區域廣，施工方便，可補充地下水，并具有一定的峰值流量削減和雨水凈化作用，但易堵塞，寒冷地區有被凍融破壞的風險。

南河雨花區選用的滲透性鋪裝形式為濱水步道透水磚路，總長度2.54 km，平均寬度2.5 m，總面積約占匯水面積的6%。透水磚路自上而下包括透水混凝土磚60 mm、1∶3水泥砂漿30 mm、透水混凝土100 mm和厚碎石墊層100 mm，底部由素土夯實，兩側有白花崗巖作為護堤。

植草溝指種有植被的地表溝渠，適用于建筑與小區內道路，廣場、停車場等不透水面的周邊，城市道路及城市綠地等區域，可收集、輸送和排放徑流雨水，并具有一定的雨水凈化作用，可用于銜接其他各單項設施、城市雨水管渠系統和超標雨水徑流排放系統。植草溝具有建設及維護費用低，易與景觀結合等優點。

南河項目建設植草溝總長度20.04 km，面積約為8 000 m2，占匯水面積的8%。植草溝寬度約為400 mm，深度400 mm，包括200 mm的種植土層和200 mm的排水層(內含穿孔集水管)，以礫石排水層分隔。植草溝未設置縱向坡度。雨花區二標段及三標最新段所設計植草溝的植被類型為天堂草，三標最后一段(K6+650～K7+550)采用細葉結縷草，規格均為30 g/m2。

1.3 研究方法

海綿化建設常用城市雨洪模型進行評估。城市雨洪模型的類別繁多，目前應用較廣泛的雨洪模型可分為水文模型與水力模型2類。水文模型采用系統分析的方法，將匯水區域中復雜的水文變化概化為“黑箱”或者“灰箱”系統；水力模型以水力學為理論基礎，通過聯立連續性方程與動量方程模擬水體自身以及水體與河床、管道、污染物等其他介質之間的相互關系?，F行的雨洪模型多將水文模型與水力模型進行耦合，可用于城市排洪防澇規劃，城市市政雨水管網設計以及非點源污染控制等[7-8]。

國外對于相關理論的研究始于20世紀30年代。進入20世紀60年代后，計算機技術的蓬勃發展為城市雨洪模型提供了良好的技術保障。據統計，與城市雨洪模擬相關的模型有40余種。目前應用較廣泛的模型包括 SWMM、HSPF、Inforworks CS、MIKE、MOUSE等[9]。

SWMM(Storm Water Management Model，暴雨雨水管理模型)由麥特卡爾夫&艾迪公司、美國佛羅里達大學、美國水資源有限公司聯合研發，首發于1971年。經過數十年的研究發展，軟件進行了多次升級，目前最新版本為5.1010。自5.0版本開始，SWMM加入了LID控制模塊，為低影響開發的設計規劃以及推廣提供了條件。

SWMM模型憑借自身操作簡單易掌握、運用范圍廣、包含LID模塊、模擬誤差相對較小、模型源代碼均開源等優點在國內外得到廣泛應用。據統計，國內與SWMM相關的文獻達千余篇，研究相對成熟。結合研究區域的實際情況，本文選擇SWMM作為雨洪模擬模型。

2 模型構建

2.1 基本參數

2.1.1 氣候條件

溫度采取系統缺省值，蒸發量平均值為0.1079 mm/d。

2.1.2 水文條件

(1)雨量計：根據南京市暴雨強度公式計算并錄入。共8種雨量條件(0.5～50a)，降雨過程線如圖1(以累積降水量表示)。

圖1 南京市不同重現期下的降雨過程線

(2)子匯水面積：將每條植草溝對應的匯水區域劃分為一個子匯水面積，沒有植草溝的區域根據實際分布情況劃分為4個子匯水面積。系統由南到北共分為25個子匯水面積，部分具體參數(面積、坡度、特征寬度等)由海綿設施平面圖及大樣圖讀出，敏感參數則需率定(見章節參數率定)。具體設置見表1。

(3)LID控制：南河右岸所選海綿設施概化圖,見圖2。其中植草溝底部含排水管，并非典型的植草溝結構，可以用SWMM中的Bio-Retention Cell措施進行模擬，其結構包括表面層(含植被)、土層和排水層。具體參數(表面、土壤、排水材料等)取經驗值。

圖2 滲透性鋪裝與植草溝示意圖

2.1.3 水力條件

將南河概化為管段，子匯水區域對應的排放口概化為排放口節點。管段形狀、長度、標高等參數從設計平面圖中讀取。

2.1.4 水質條件

(1)污染物：根據面源污染的特性，選取COD和SS為主要污染物，觀察其控制情況；

(2)土地利用：創建綠地、道路、屋面3種土地利用類型，按照每個區域實際情況賦值。

表1 子匯水區域詳情

2.2 參數率定

敏感參數包括洼蓄量、曼寧粗糙系數及下滲參數，針對南河河濱地帶土壤情況，本文采取Horton公式計算下滲情況。取值范圍如表2。

根據SWMM校準原理，以重現期P=0.5 a的降雨過程線為例進行校準。道路、屋面和綠地的徑流系數取常用經驗值，根據各區域土地利用比例做加權，得到綜合徑流系數Ψ≈0.62，該值與目標值(0.6)相吻合。以該值為校準目標，校準過程見表3。

表2 經驗參數取值范圍

表3 模型參數校準過程

采取第3次的校準值，利用重現期P=10 a的降雨過程線，得出綜合徑流系數經校驗后的模型綜合徑流系數Ψ=0.73，說明調整后的參數集的適應性滿足常見重現期范圍，并且與實際情況較為契合。

按照上述條件運行，得到連續性誤差在0.18%以內的運行結果。根據SWMM用戶手冊，連續性控制在10%以內即可看作合理。

3 結果分析

3.1 對系統徑流排放的影響

分別模擬了0.5 a、1 a、2 a、5 a、10 a和20 a降雨重現期的LID模式、傳統開發模式下的徑流排放情況，如圖3所示。

由圖3可看出，海綿設施對于控制徑流和洪峰有一定作用。具體統計見表4～5。

從表4～5中可看出，在P=0.5 a時，南河岸邊匯水區在建設有海綿設施的影響下，相比傳統開發模式(沒有海綿設施)的累計徑流量減少了1 366 m3(占總量的31%)，徑流時間縮短了70 min，峰值流量削減了0.16 m3(占總量的31%)；P=1 a時，南河岸邊匯水區在海綿設施影響下的累計徑流量減少了1 949 m3(占總量的26%)，徑流時間縮短了60 min，峰值流量削減了0.25 m3(占總量的28%)；P=2 a時，南河岸邊匯水區在海綿設施的影響下，累計徑流量減少了2 516 m3(占總量的24%)，徑流時間縮短了57 min，峰值流量削減了0.34 m3(占總量的26%)；P=5 a時，南河岸邊匯水區的累計徑流量減少了3 253 m3(占總量的22%)，徑流時間縮短了54 min，峰值流量削減了0.45 m3(占總量的23%)；P=10 a時，南河岸邊匯水區的累計徑流量減少了3 810 m3(占總量的21%)，徑流時間縮短了54 min，峰值流量削減了0.54 m3(占總量的23%)；P=20 a時，南河岸邊匯水區的累計徑流量減少了4 256 m3(占總量的20%)，徑流時間縮短了53 min，峰值流量削減了0.63 m3(占總量的22%)。

由以上分析可知，南河工程所設計的海綿設施對于中小強度降雨的徑流控制效果較好，隨著重現期的增大，其優勢逐漸降低。

3.2 對水質的影響

南京市降雨以中小型降雨為主，因此采用P=1 a的降雨過程線為例，分析道路、綠地和道路、綠地與屋面混合3種典型子匯水區域對應排放口的污染物變化情況(圖4)，可看出海綿設施在各個區域內均有利于污染物的控制，但由于各排放口所服務區域的用地性質的不同，其控制效果略有差異。對于以道路和屋面為主的匯水區域，滲透性鋪裝和植草溝對SS和COD的凈化效果較好，可以達到40%以上，隨著綠地所占比例的加大，海綿設施對污染物的削減能力逐漸下降。由此可見，海綿化建設更適用于不滲透比例較大、滲透性較差的區域。

4 結 論

南河的海綿化建設包括滲透性鋪裝和植草溝2種措施。2種海綿設施均勻分布于南河沿岸，共同對降雨所產生的徑流和面源污染起到了良好的控制作用。

圖3 (0.5a,1a,2a,5a,10a,20a)重現期徑流排放模擬情況

表4 不同重現期徑流排放情況

圖4 3種土地利用類型的排放口污染負荷

表5 植草溝對徑流排放的影響

表6 不同土地利用類型的排放口污染負荷

本文利用SWMM軟件模擬了南京市南河修復過程中海綿設施的作用，發現海綿設施能夠對控制徑流和凈化污染物起到積極作用。在徑流控制方面，南河工程所設計的海綿設施對于中小強度降雨的徑流控制效果較好，相比傳統開發模式，徑流時間可縮短50～70 min，累計徑流和徑流峰值最高可削減30%以上。隨著重現期的增大，其優勢逐漸降低。在面源污染控制方面，海綿化建設在整個區域內都能起到控制污染物的作用，但區域用地性質的不同會導致其控制效果略有差異。在不滲透比例較大、滲透性較差的區域，海綿設施可以最大程度地發揮作用。對于以道路和屋面為主的匯水區域，滲透性鋪裝和植草溝對SS和COD的凈化效果較好，可以達到40%以上。隨著綠地所占比例的加大，海綿設施對污染物的削減能力逐漸下降。