基于SWMM模型的萍鄉(xiāng)城市道路LID措施組合模式研究

李 浩 裘鴻菲 馬薛騎 李婭琪

在城市化及氣候變化過(guò)程中，世界上許多城市出現(xiàn)了洪澇災(zāi)害頻發(fā)，徑流污染加重、水體環(huán)境惡化等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，不同國(guó)家采取了不同的應(yīng)對(duì)措施。我國(guó)在借鑒西方經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，采用一些過(guò)程、末端措施來(lái)改善的同時(shí)，已經(jīng)開(kāi)始嘗試采用基于源頭控制的低影響開(kāi)發(fā)（LID）技術(shù)并做了大量相關(guān)基礎(chǔ)研究[1]。2019年4月11日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《海綿城市建設(shè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51345—2018），對(duì)規(guī)范海綿城市建設(shè)，完善考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供了準(zhǔn)則。經(jīng)過(guò)近些年的研究及發(fā)展，海綿城市的研究視角和格局更加多元和系統(tǒng)[2]，但由于各地區(qū)氣候、土壤、水文等基礎(chǔ)情況不同，建立不同地區(qū)和不同尺度的雨洪管理實(shí)踐數(shù)據(jù)庫(kù)就非常有必要[3]。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于海綿城市道路的研究，胡愛(ài)兵[4]以深圳光明新區(qū)LID道路為例，介紹了SWMM模型構(gòu)建方法，設(shè)置對(duì)照組對(duì)比分析了LID設(shè)施道路在削減徑流峰值和徑流總量的作用；許萍[5]、張碩[6]利用SWMM模型深入分析了影響LID控制效果的參數(shù)取值范圍并進(jìn)行了優(yōu)化及敏感度分析，為L(zhǎng)ID設(shè)施在道路的應(yīng)用上提供了參數(shù)率定借鑒。Chuanhui Gu[7]通過(guò)建立一種水文模型模擬了LID對(duì)流域的雨水徑流及道路鹽污染，結(jié)果表明LID設(shè)施可以降低徑流和道路鹽污染濃度，同時(shí)LID可以通過(guò)加強(qiáng)地下水補(bǔ)給來(lái)稀釋河流中的鹽污染。Yuning Cheng[8]在考慮美學(xué)偏好、垃圾管理和節(jié)水方面的功能要求之上提出了一種新型雨水管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)實(shí)際項(xiàng)目的自然和社會(huì)因素要求。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究對(duì)象多集中于北京、上海、深圳等地，但由于每個(gè)地區(qū)城市水文環(huán)境以及城市下墊面等相關(guān)情況的特殊性，因地制宜運(yùn)用低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)就顯得尤為必要。為此，本文在借鑒前人研究成果之上，運(yùn)用SWMM模型對(duì)江西萍鄉(xiāng)地區(qū)城市道路的低影響開(kāi)發(fā)的效益及參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究，篩選對(duì)雨水控制效果較好的方案組合，更好地發(fā)揮低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)效益，為萍鄉(xiāng)市海綿城市建設(shè)提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況

本文選擇江西省萍鄉(xiāng)市新建設(shè)的G320國(guó)道武功山大道段作為研究對(duì)象。萍鄉(xiāng)市位于江西省西部，全年雨量充沛，市區(qū)多年平均降水量為1586m m，降雨集中于汛期4—6月。武功山大道主要分為兩期，全長(zhǎng)10.4km，道路路幅寬度60m，其中一期工程（硤石橋至通久路段即一期工程）位于萍鄉(xiāng)市中心城區(qū)，全長(zhǎng)約6.7km，是萍鄉(xiāng)市東西向交通的中心軸線(xiàn)。二期工程（上柳源與青山交界處至硤石橋）全長(zhǎng)3.7km，道路路幅寬度為60m，主路為雙向6車(chē)道，輔路為雙向4車(chē)道，綠化率為15%。根據(jù)萍鄉(xiāng)市海綿城市辦2015年試點(diǎn)建設(shè)任務(wù)要求，此工程年徑流控制率需達(dá)到65%～85%。根據(jù)萍鄉(xiāng)市海綿城市辦2015年試點(diǎn)建設(shè)任務(wù)要求及《海綿城市建設(shè)指南》中的要求，將年徑流控制率保持在70%～85%。在控制目標(biāo)為70%時(shí)，設(shè)計(jì)降雨量為19.5mm；在控制目標(biāo)為85%時(shí)，設(shè)計(jì)降雨量為33mm（表1）。

表1 萍鄉(xiāng)市年徑流總量控制率及對(duì)應(yīng)降雨量關(guān)系一覽表

2 LID場(chǎng)景布設(shè)方案

低影響開(kāi)發(fā)模式布設(shè)的原則為：以當(dāng)?shù)氐乃囊貥?gòu)思整體設(shè)計(jì)框架，從微觀角度采用便捷的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量減少不透水面積[9]，延長(zhǎng)徑流路徑，充分利用入滲能力以延長(zhǎng)徑流時(shí)間，構(gòu)建多功能的土地景觀[10]。本文結(jié)合萍鄉(xiāng)市G312國(guó)道現(xiàn)有開(kāi)發(fā)建設(shè)情況，遵循LID布設(shè)原則，提出建立植草溝、下沉式綠地、雨水花園3種LID布設(shè)方案（圖1），然后將其分別與透水鋪裝進(jìn)行組合。考慮到后期維護(hù)便捷以及道路承重要求，透水鋪裝主要布設(shè)在非機(jī)動(dòng)車(chē)道和人行道，而機(jī)動(dòng)車(chē)道依然采用常規(guī)材料鋪設(shè)（表2）。

圖1 海綿城市道路LID場(chǎng)景布設(shè)方案

表2 道路LID 措施運(yùn)用

3 模型構(gòu)建

3.1 SWMM模型簡(jiǎn)介

暴雨雨洪管理模型SWMM是在US EPA（Environmental Protection Agency）資助下于1971年開(kāi)發(fā)的一款用于模擬降雨徑流的暴雨洪水管理模型，包括水文、水力、水質(zhì)三個(gè)模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水量、水力、水質(zhì)過(guò)程的模擬。新版SWMM5.1模型中添加了LID措施模塊，可模擬透水鋪裝、下凹綠地、植草溝、生物滯留區(qū)等典型低影響措施，并在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[11]。本研究主要利用水文模塊、水力模塊水質(zhì)模塊和LID模塊進(jìn)行模擬，涉及的過(guò)程包括地表產(chǎn)流、地表匯流、管網(wǎng)匯流。

3.2 研究區(qū)域概化

（1）道路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理（表3）

表3 模型基本數(shù)據(jù)及獲取途徑

選取武功山大道為研究對(duì)象，基于SWMM軟件構(gòu)建城市暴雨計(jì)算模型。首先做好相關(guān)資料收集工作，主要包括降雨歷時(shí)、下墊面數(shù)據(jù)等；其次對(duì)道路CAD底圖進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選整合處理，保留工業(yè)路檢查井?dāng)?shù)量、檢查井地面高程標(biāo)注[12]；管道數(shù)量、管道上下游管底標(biāo)高、管道標(biāo)注等基本圖元屬性數(shù)據(jù)。為后期處理背景圖片，繪制相應(yīng)的管段、節(jié)點(diǎn)、匯水面積等圖元信息做好準(zhǔn)備工作。

（2）子匯水區(qū)劃分

根據(jù)道路功能的不同及雨水管網(wǎng)的分布現(xiàn)狀，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行概化。LID城市道路子匯水區(qū)具體劃分原則如下：道路路面、各個(gè)綠化帶（包括中央綠化帶和兩側(cè)綠化帶）、人行道非機(jī)動(dòng)車(chē)道、輔道自成獨(dú)立的匯水區(qū)；縱坡坡度變化處；在十字路口、丁字路口處，依據(jù)各側(cè)道路的坡向來(lái)劃分匯水區(qū)；其他設(shè)施，例如公交車(chē)站等，根據(jù)其實(shí)際徑流流向來(lái)劃分匯水區(qū)。依據(jù)以上原則及方法，對(duì)該道路進(jìn)行子匯水區(qū)劃分。

模擬對(duì)象選定為武功山大道一期工程已建部分道路，截取典型路段長(zhǎng)進(jìn)行研究，紅線(xiàn)寬度為60m，其雨水系統(tǒng)概化基于以下兩點(diǎn)假設(shè)：①降雨在整個(gè)道路上是均勻的，即各點(diǎn)降雨強(qiáng)度相等。②將整個(gè)區(qū)域劃分為若干個(gè)子匯水區(qū)，每個(gè)子匯水區(qū)雨水就近匯入管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)[13]，然后基于SWMM模型的應(yīng)用要求，結(jié)合研究區(qū)域管網(wǎng)資料與LID城市道路子匯水區(qū)具體劃分原則，將研究區(qū)域劃分為95個(gè)子匯水區(qū)，雨水管網(wǎng)概化為37個(gè)節(jié)點(diǎn)和57段管道，雨水管道最大直徑設(shè)置為600mm，共設(shè)置4個(gè)排出口（圖2）。

圖2 萍鄉(xiāng)市G320國(guó)道某段道路SWMM模型概化

3.3 參數(shù)選擇

模型參數(shù)的取值主要結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r并參考SWMM模型用戶(hù)手冊(cè)[14]中的推薦值及相關(guān)文獻(xiàn)[15]。降雨入滲過(guò)程采用Horton入滲模型進(jìn)行模擬, 模型需要輸入的最大入滲率f∞、最小入滲率f0、衰減系數(shù)α分別取76.2mm/h、10mm/h、3h-1。地表徑流的匯流計(jì)算采用非線(xiàn)性水庫(kù)模型，模擬排水系統(tǒng)流量演算的水力模型選用動(dòng)力波模型。對(duì)TNTPCOD三種主要污染物進(jìn)行水質(zhì)模擬，選用飽和函數(shù)、指數(shù)函數(shù)分別模擬污染物的累積和沖刷過(guò)程[16]。其他模型參數(shù)見(jiàn)表4[10]、表5[16]。

表4 SWMM模型基本參數(shù)的取值

表5 不同土地利用方式地表污染物累計(jì)及沖刷模擬參數(shù)

3.4 設(shè)計(jì)雨型

芝加哥雨型是由Keifer等根據(jù)降雨記錄的統(tǒng)計(jì)平均值得出的，復(fù)合IDF曲線(xiàn)（強(qiáng)度-歷時(shí)-頻率曲線(xiàn)）關(guān)系生成[17]，得到了國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者的認(rèn)可[18-19]，目前已成為我國(guó)《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》（2014）版推薦雨型。因此運(yùn)用采用芝加哥雨型作為降雨設(shè)計(jì)模型，按照萍鄉(xiāng)市暴雨強(qiáng)度公式，可分別計(jì)算出設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1年、3年、5年、10年的降雨量，峰值出現(xiàn)時(shí)間約為降雨后的95分鐘前后，得到降雨總量結(jié)果分別為44.8065mm、61.481mm、69.234mm、79.755mm以及不同重現(xiàn)期下萍鄉(xiāng)市3小時(shí)降雨時(shí)程分布情況（圖3）。萍鄉(xiāng)市暴雨強(qiáng)度公式如式所示：

圖3 不同重現(xiàn)期下的降雨分布情況示意圖

式中：q 為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（L/s·ha）

P 為設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期（年）

T 為降雨歷時(shí)（分鐘）

4 模擬結(jié)果與分析

本研究基于前期研究基礎(chǔ)[20-22]之上主要分析各組合LID設(shè)施在不同下凹深度下，其對(duì)雨水徑流控制以及污染負(fù)荷控制的效益。

4.1 LID組合措施雨洪控制效益分析

經(jīng)過(guò)模型的運(yùn)算及計(jì)算，得到不同參數(shù)下LID設(shè)施組合模式徑流控制結(jié)果（表6）。通過(guò)對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)。

表6 不同參數(shù)下LID措施組合模式徑流控制效果

①L I D 組合模式能夠起到削減和滯后洪峰的作用，各重現(xiàn)期下L I D組合模式徑流峰值有所減少，峰現(xiàn)時(shí)間滯后，這是優(yōu)于個(gè)LID措施能在一定程度上提高城市“滲”“滯”“蓄”的能力。

②對(duì)于不同下凹深度下，隨著下凹深度的增加，滲透鋪裝+下凹式綠地與滲透鋪裝+雨水花園組合模式的雨水徑流控制效果差異性明顯。而且二者在小重現(xiàn)期下對(duì)于雨水徑流削減效果接近，可以替換使用。隨著重現(xiàn)期增大，二者組合模式差異性凸顯，滲透鋪裝+雨水花園組合能夠發(fā)揮更好的調(diào)蓄效益。

③三種組合模式均可以有效延緩峰值，同時(shí)部分參數(shù)下，LID組合模式出現(xiàn)徑流峰值先增大后減小的情況，這是由于組合模式徑流控制效果在開(kāi)始尚未達(dá)到飽和，在某一重現(xiàn)期下達(dá)到分界值，隨著重現(xiàn)期增大，效果逐漸減小。

在最優(yōu)參數(shù)下，滲透鋪裝+下沉式綠地和滲透鋪裝+雨水花園模式?jīng)]有發(fā)生溢流，滲透鋪裝+植草溝發(fā)生溢流。因此，通過(guò)模型對(duì)滲透鋪裝+下沉式綠地和滲透鋪裝+雨水花園模式進(jìn)行目標(biāo)控制評(píng)價(jià)。

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中對(duì)年徑流總量控制率的要求，確定江西地區(qū)徑流控制目標(biāo)為70%≤α≤85%。城市年徑流總量控制率70%對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量值約為24.5mm。年徑流總量控制率85%對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量值約為43.3mm。根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式將重現(xiàn)期和控制目標(biāo)70%～85%，分別將重現(xiàn)期調(diào)整為p=0.56和p=1.09，并得出其降雨分布示意圖（圖4）。

圖4 P=0.56a和1.09a不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的降雨分布情況示意圖

通過(guò)模型驗(yàn)證在p=0.56和p=1.09年時(shí)（即徑流控制目標(biāo)為70%和85%時(shí)），不同LID措施組合的雨水在一定范圍內(nèi)是否發(fā)生溢流。

由表7可知，在不同參數(shù)下，為滿(mǎn)足控制率為70%的目標(biāo)即p=0.56時(shí)，滲透鋪裝+下沉式綠地組合模式和滲透鋪裝+雨水花園組合模式在下凹深度為100～200mm時(shí)都能達(dá)到控制率要求，在p=1.09時(shí)，滲透鋪裝+下沉式綠地組合模式和滲透鋪裝+雨水花園組合模式在下凹深度為200mm時(shí)可以滿(mǎn)足指南85%的控制目標(biāo)。

表7 不同參數(shù)下雨水徑流控制目標(biāo)評(píng)價(jià)

4.2 LID組合措施控污效益分析

通過(guò)前期模型運(yùn)算發(fā)現(xiàn)，各LID設(shè)施的下凹深度對(duì)污染物負(fù)荷的控制效果差異不大，因此，僅研究在下凹深度為200mm時(shí)各LID組合模式控污效果（表8）。水質(zhì)模擬結(jié)果分析如下。

表8 不同參數(shù)下LID措施組合模式控污效果

①由表8可知，在不同暴雨強(qiáng)度下，含有LID措施的城市道路污染負(fù)荷總量均低于不含有LID設(shè)施的城市道路污染符合總量，說(shuō)明LID設(shè)施對(duì)雨水徑流中的污染物具有一定的凈化作用。

②在相同重現(xiàn)期下，各LID組合模式的削減效果依次為：雨水花園+滲透鋪裝＞下沉式綠地+滲透鋪裝＞植草溝+滲透鋪裝。在一年重現(xiàn)期時(shí)，雨水花園+滲透鋪裝比植草溝+滲透鋪裝對(duì)污染物削減率高約25%，且隨著重現(xiàn)期的增大，差異逐漸縮小，在10年重現(xiàn)期時(shí)，差異縮小到約5%。

③隨著暴雨重現(xiàn)期的增大，各LID設(shè)施對(duì)各項(xiàng)污染物負(fù)荷總量的削減率逐漸下降，當(dāng)重現(xiàn)期達(dá)到10時(shí)，各LID設(shè)施對(duì)各項(xiàng)污染物負(fù)荷總量的削減率下降到50%左右，這是因?yàn)殡S著降雨強(qiáng)度的增加，徑流中的污染物也相應(yīng)增多，但LID設(shè)施的凈化能力與滯蓄有限，使得超標(biāo)暴雨無(wú)法進(jìn)入設(shè)施內(nèi)部?jī)艋S著溢流設(shè)施進(jìn)入雨水管網(wǎng)流出。

④當(dāng)滿(mǎn)足徑流控制目標(biāo)為70%和85%時(shí)，即暴雨重現(xiàn)期P=0.56，P=1.09時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的滲透鋪裝下沉式綠地和滲透鋪裝+雨水花園的污染物負(fù)荷總量削減率如表9所示。

表9 不同參數(shù)下雨水控制目標(biāo)評(píng)價(jià)

通過(guò)表9可以發(fā)現(xiàn)，滲透鋪裝+下沉式綠地和滲透鋪裝+下沉式綠地和滲透鋪裝+雨水花園兩種組合模式均能有效降低CODTNTP三種污染物，削減率均高于70%，且兩種組合方式的在暴雨小重現(xiàn)期下凈化能力相當(dāng)。

結(jié)語(yǔ)

利用SWMM模型對(duì)萍鄉(xiāng)市G320國(guó)道3種LID設(shè)施組合模式出口的斷面徑流及污染物負(fù)荷進(jìn)行模擬，表明：①利用SWMM模型對(duì)萍鄉(xiāng)市G320國(guó)道3種LID設(shè)施組合模式出口的斷面徑流及污染物負(fù)荷進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)不同組合方案的雨洪控制效果與控污效果不同，降雨重現(xiàn)期越大，各組合方案的雨洪控制效果與控污效果越小，而各組合方案之間的雨洪控制效果與控污效果的差異越顯著。②為了滿(mǎn)足國(guó)家城市年徑流總量控制率，可以在滿(mǎn)足要求的方案里選擇LID設(shè)施下凹深度最低的方案，既節(jié)約建設(shè)成本，又保證了LID設(shè)施的綜合效益。③綜合考慮經(jīng)濟(jì)性等因素，對(duì)于萍鄉(xiāng)市而言，為了達(dá)到徑流總量控制率70%的要求，下沉式綠地+透水鋪裝組合、雨水花園+透水鋪裝組合中下沉式綠地與雨水花園的下凹深度分別到達(dá)200mm、150mm即可。

資料來(lái)源：

文中圖表均為作者自繪或改繪。