一種基于實測和 MUSIC 模型的生物滯留池績效考核指標計算方法

常儇宇，郭 清

（昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇 昆山 215337）

0 引言

在城市建設過程中，城市化進程改變了區域下墊面條件，也改變了天然狀態下的水循環機制，進而對自然水循環造成嚴重的干擾破壞，引發水體污染以及河流生態系統破壞等問題［1-2］。海綿城市建設采用低影響開發模式的海綿設施，從源頭控制徑流的產生，使城市開發后的水文特征接近于開發前，以控制面源污染，緩解城市內澇。

生物滯留池作為一種常見的海綿設施，可在徑流控制的同時，有效完成雨水凈化，實現對其建設區域的水文水質改善，得到了越來越廣泛的應用［3］。目前對生物滯留池的研究主要在設計和運用階段，如基于 SWWM 模型利用其中的 LID 模塊，研究生物滯留池在不同布設位置、不同布設規模以及不同重現期的情況下其對于區域徑流的調控作用，以期為實際城市改造建設中生物滯留池的設計和運用提供依據［4］；利用 HYD RUS-1D 軟件，構建了水分和溶質在不同填料生物滯留池中的運移模型，研究了不同情景下生物滯留池對水量和水質的調控效果研究［5］。在推進海綿城市建設的同時，開展生物滯留池在實際降雨過程中的績效考核指標評估，不僅可以為海綿城市建設效果評價和成果展示提供依據，也對促進生物滯留池性能改進和海綿建設目標落實具有重要意義。生物滯留池的績效考核指標為年徑流總量控制率和年 SS 總量去除率。年徑流總量控制率定義為通過自然與人工強化的入滲、滯蓄等方式，控制的降雨徑流量與年降雨總量的比值；年 SS 總量去除率等于年徑流總量控制率與低影響開發設施對 SS 的平均去除率的乘積［6-7］。

《海綿城市建設績效評價與考核辦法（試行）》（建辦城函〔2015〕635 號）、GB/T 51345-2018《海綿城市建設評價標準》，提到應利用有效的監測數據對海綿城市進行客觀定量評價，如基于在線監測技術制定在線監測方案，利用所獲取的連續監測數據進行計算與分析，來實現不同層級效果的評估［8］；對生物滯留池安裝了現場監測系統，以驗證其對污染物的去除能力以及徑流控制能力［9-10］。但目前現場監測條件，無法實現其改造效果的多年實時監測，且現有監測存在偏差較大、數據缺失較多、監測周期較短等問題，針對生物滯留池的績效考核很難進行定量預測和評價。

本文以實際工程為例，介紹了一種基于實測和 MUSIC 模型的生物滯留池績效考核指標計算方法，可對生物滯留池在實際多年降雨過程中的績效考核定量評價提供參考。

1 研究項目設施及考核指標

1.1 研究項目設施

研究生物滯留池所在圩區為昆山市廟涇圩區，屬于低洼圩區，周圍地勢平坦土壤滲透性能差，地下水位埋深約為 1～1.5 m，生物滯留池結構設計如圖 1 所示，豎向結構包括滯留層、覆蓋層、過濾層、排水層。滯留層深度根據植物耐淹性能和土壤滲透性能確定，設計為200 mm，并設 100 mm 的超高；過濾層采用的填料根據現場土壤性質進行配比，滲透系數為 200 mm/h，具體設計參數如表 1 所示。

表1 生物滯留池結構設計

1.2 考核指標

生物滯留池的績效考核指標為年徑流總量控制率和年 SS 總量去除率，根據年徑流總量控制率和年總懸浮物去除率的定義，對生物滯留池的績效考核指標計算如下所示：

年徑流總量控制率 =（年進流量-年出流量）/ 年進流量×100%；

年總懸浮物去除率 =（年進流總懸浮物濃度-年出流總懸浮物濃度）/ 年進流總懸浮物濃度×100%。

圖1 生物滯留池結構設計詳圖（單位：mm）

2 實測

2.1 施工階段的實測

生物滯留池的建設應嚴格按照核查后的海綿城市建設施工圖進行建設，建成的生物滯留池應當保證景觀優美、匯流順暢、排水安全、功能達標。因此，施工過程中的嚴格控制是生物滯留池運行績效發揮的前提。

2.1.1 場地豎向銜接的檢查和測量

場地豎向處理直接影響場地內部雨水徑流控制效果以及雨水排放安全，是生物滯留池發揮績效的先決條件。場地豎向處理應滿足地面自然排水要求，坡度不宜過?。ㄒ话悴恍∮?0.3 %）。在建設生物滯留池時，應先對場地豎向地形進行確認，確保雨水能夠順利匯流進入生物滯留池，按照施工圖紙核算開挖深度，核對完成面標高、溢流口標高在豎向上能否與匯水分區內的道路、鋪裝、綠地順利銜接。

2.1.2 內部結構層施工的檢查和測量

生物滯留池的施工階段應對其內部結構參數和填料性能進行實測。填料性能包括保水層孔隙率、填料滲透系數和填料孔隙率。內部結構參數包括過濾層厚度、過渡層厚度、排水層厚度、是否鋪設隔水層以及是否有保水層。生物滯留池開挖、整坡、介質回填等各環節，均應當滿足場地坡度、坡向以及生物滯留池整體的深度、各層級厚度要求。

過濾層又名種植土層，是生物滯留池的核心組成部分，是實現生物滯留池功能的關鍵結構層。過濾層至少應承擔實現對雨水的暫時滯蓄而后緩慢滲排、過濾、吸附雨水徑流中的顆粒及懸浮污染物、提供植物生長所需的養分和水分的功能。因此，應確保過濾層介質滲透系數、孔隙率滿足對滯留池發揮績效起主要作用。施工過程中如有條件，應該在多次水密壓實的基礎上進行現場滲透性試驗。

溢流井建設應嚴格按照施工圖設計施工，在施工過程中應進行現場核測，不得采用豎向管道替代溢流井盲管；管頂標高應低于出流管管頂標高，即至少應采用管頂平接的方式進行管道銜接；溢流井蓋應該滿足匯水范圍內設計暴雨排放，且應簡潔、美觀、尺寸適合，并具有防堵塞的能力。經現場檢查發現研究項目的溢流設施簡潔、美觀，與設計相符。

2.1.3 植物選配

植物是生物滯留池的構成要素，發揮著保障生物滯留池長期穩定地發揮生態功能、減少土壤沖刷、凈化徑流污染、展現美好景觀方面的重要作用。植物的選擇應遵循的原則為具有干濕交替的耐受性，能滿足長期耐旱、短期耐澇；具有特定土壤類型和生長條件的耐受性；本土的或經馴化引進的植物品種；嚴禁選擇具有侵略性或侵略性根系的植物品種。經現場檢查發現研究項目生物滯留池植物選配較好，能發揮凈化徑流污染、減少土壤沖刷的作用，外觀美感也得到了充分體現。

2.2 竣工階段的實測

竣工階段的實測主要為生物滯留池表面結構參數、整體豎向構造抽測、附屬設施、排水性能及植物栽種情況。生物滯留池竣工階段表面結構參數包括生物滯留池面積、生物滯留池周長和滯留層高度。

排水性能包括溢流井井口內徑、排水層盲管內徑和管底高程以及溢流井排水管內徑和管底高程。排水性能的計算是將排水層盲管內徑和溢流井排水管內徑分別與其設計值進行對比，根據排水層盲管管底高程和溢流井排水管管底高程判斷排水管線是否反接，對設計排水能力進行折算最終獲得實際排水性能。

2.3 實測結果匯總

施工階段及竣工階段主要檢測結果如表 2 所示。

表2 施工階段及竣工階段生物滯留池實測項目匯總

3 模擬計算

3.1 模擬軟件

MUSIC 是世界主要的雨水徑流水質管理及預測模擬軟件，通用于政府、咨詢設計及施工等水務業各方，為城市匯水區內雨水管理的戰略規劃提供科學依據，為規劃師和景觀設計師完成規劃設計任務提供技術支持，可協助政府機構進行項目規劃的審批和監測。其通過模擬處理系統出水水質在輸入的連續水文條件（降雨量及蒸發量數據）下的變化情況，不僅可以對單一處理系統多年平均表現進行分析評估，更適用于預測不同雨水處理流程等綜合管理策略的效果。

3.2 模型建立

使用 MUSIC 模擬軟件建立匯水區域匯集，經生物滯留池滲透、滯蓄和凈化，最終排放至排水節點的雨水控制流程模型。匯水區域模型采用 Source Node 中的 Urban 節點，生物滯留池模型采用 Treatment Node 中的 Bioretention 節點。

3.2.1 匯水區（Urban）模型

選取 Source Node 節點中的 Urban 類型作為本項目匯水區模型。匯水區徑流計算模型如圖 2 所示。降雨落在匯水區后轉化為蒸發量、儲存量及地表徑流。匯水區污染物由地表徑流計算模型產生，污染物濃度分別按照基本徑流和暴雨徑流的對數正太分布隨機模型選取。

圖2 匯水區徑流計算模型

3.2.2 生物滯留池（Bioretention）模型

選取 Treatment Node 節點中的 Bioretention 類型作為本項目生物滯留池、干式植草溝模型。其徑流計算模型如圖 3 所示。

MUSIC 中 Treatment Node 節點的污染物控制過程采用一階 k-C*模型進行模擬計算，如式（1）所示。

式中：C*為本底濃度，mg/L；k 為指數衰減系數，m/a；Cin為進水濃度，mg/L；Cout為出水濃度，mg/L；q 為水力負荷，m/a。

圖3 生物滯留池徑流計算模型

3.3 模型模擬

將實測值代入模擬軟件中生物滯留池績效考核指標的相關影響參數進行模擬計算，得出設施的年進流量、年出流量及年進流總懸浮物濃度和年出流總懸浮物濃度。生物滯留池績效考核指標的相關影響參數包括生物滯留池面積、填料面積、無隔水層寬度、滯留層高度、過濾層厚度、填料滲透系數、填料孔隙率、保水層孔隙率、溢流堰寬度、下滲系數、植物特性；生物滯留池鋪設隔水層時，無隔水層寬度為 0。實測值和模型參數對應關系如表 3 所示。

3.3.1 模型修正

模型關鍵參數指數為衰減系數 k 和本底濃度 C*，修正方法為在模擬軟件中調整指數衰減系數 k 和本底濃度 C*，直到總懸浮物去除率模擬值和檢測值一致，確定最終的模型關鍵參數指數衰減系數 k 和本底濃度 C*。

為對模型進行修正，研究采用生物滯留池總懸浮物去除率現場試驗，根據昆山地區實際降雨產生的地表徑流污染物濃度，配制雨水，在一定流速下，均勻流入生物滯留池，實測生物滯留池的進水、出水濃度，計算得到該生物滯留池的污染物去除率［10］。修正總懸浮物去除率模型中的 k、C*參數，模擬值與檢測值一致，經現場試驗結果和模擬調整，修正結果為 k=800，C*=20。

表3 實測值和模型參數對應關系

3.3.2 模型計算

采用昆山市 2005 年 1 月～2015 年 12 月共 11 年的水文資料，其中降雨量為 6 min 連續降雨數據，蒸發量為多年平均月蒸發數據，數據匯總如圖 4 所示。以 6 min 為間隔進行連續性模擬。昆山市 2005 年 1 月～2015 年 12 月的年平均降雨量為 1 18 3 m m，年平均蒸發量為1 031 mm。

圖4 昆山市 2005 年 1 月～2015 年 12 月水文數據匯總圖

運行修正后的實測值模型，得到Mean Annual Loads 模擬結果如圖 5 所示。

模型模擬得到年進流量為 243 m3/a，年出流量為56.1m3/a，年進流總懸浮物濃度為 40.3 kg/a，年出流總懸浮物濃度為 2.11 kg/a。

圖5 模擬結果

帶入模擬得到的年進流量、年出流量、年進流總懸浮物濃度及年出流總懸浮物濃度，得到研究項目生物滯留池考核指標：

年徑流總量控制率=（243 m3/a-56.1 m3/a）/243 m3/a×100 %= 76.9 %；

年總懸浮物去除率=（40.1 kg/a-2.87 kg/a）/40.1 kg/a×100 %= 92.84 %。

4 結語

1）生物滯留池因其高效的徑流控制能力、污染物去除能力而在工程項目中得以廣泛使用，考核其運行績效是海綿城市建設評價的重要組成部分。通過對生物滯留池建設過程中影響其績效發揮的參數進行實測，并引入了雨洪模擬軟件對實測后的生物滯留池帶入實參進行計算，可以對其績效考核指標進行定量評價。

2）為保證生物滯留池績效能充分發揮，必須在建設中嚴格把控施工質量，對影響績效發揮的重要參數進行檢查和檢測。

3）文中介紹的 MUSIC 模擬軟件只是眾多雨洪管理軟件中的一種，在實際的操作過程中可以選擇其他如 SWMM 模擬軟件或自編模擬軟件。

4）本方法由于監測數據及實驗數據有限，需待數據完善進一步提高精度，如模型參數需要在獲得多個雨季周期監測數據后進行多次率定。Q