基于KOSIM模型城市三級海綿系統(tǒng)構(gòu)建及評價
——以南昌市高鐵東站地區(qū)為例

鄒志華,陳紀(jì)朝,熊文軍

(1.南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院,江西南昌 330013;2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430077)

近年來,我國部分城市存在內(nèi)澇、水質(zhì)型缺水、水環(huán)境惡化等問題[1],采用傳統(tǒng)的建設(shè)理念已經(jīng)很難解決。對此,我國自2014年以來大力推行海綿城市建設(shè)理念[2],通過海綿設(shè)施的“滲、滯、蓄、凈、用、排”等作用削減徑流量及徑流面源污染,緩解上述問題。年徑流量控制率及污染物削減率是海綿城市建設(shè)的主要評價指標(biāo),目前可以用于水量及水質(zhì)模擬的主流軟件包括KOSIM、MIKE、InfoWorks、SWMM等。其中,MIKE及InfoWorks為付費(fèi)商業(yè)軟件,獲取難度較大,使用時操作復(fù)雜[3-4];SWMM為開源軟件,使用較為方便,但主要適用于水質(zhì)模擬[5];KOSIM模型為德國漢諾威水有限公司開發(fā)的長歷時污染負(fù)荷模型,可以將降雨-徑流-污染物輸送的動態(tài)連續(xù)過程可視化,從水量和水質(zhì)兩個方面進(jìn)行評估,更為直觀地體現(xiàn)選用海綿設(shè)施的有效性[6-7]。

南昌市高鐵東站地區(qū)位于中心城區(qū)邊緣,未來將作為南昌市重要的交通樞紐及創(chuàng)新門戶展示區(qū)。目前正處于開發(fā)建設(shè)階段,在地表徑流和面源污染控制方面正逐步完善。對此,高鐵東站區(qū)域擬構(gòu)建三級海綿系統(tǒng),通過布置分散式、半集中式和集中式調(diào)蓄設(shè)施對于雨水徑流進(jìn)行調(diào)蓄與凈化,同時采用KOSIM模型對于區(qū)域內(nèi)年徑流量控制率及污染物削減率進(jìn)行模擬,對所選擇海綿設(shè)施的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化建設(shè)方案,直至滿足區(qū)域海綿城市建設(shè)目標(biāo)要求。KOSIM模型為三級海綿系統(tǒng)建設(shè)方案評估提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,并為其他區(qū)域的海綿城市建設(shè)效果評估提供了借鑒參考。

1 研究區(qū)域及三級海綿建設(shè)方案

1.1 研究區(qū)域概況

項(xiàng)目研究區(qū)域位于江西省南昌市,氣候溫暖,多年平均氣溫為17.8 ℃,雨量充沛,年平均降水量為1 576.9 mm(1956年—2019年)。高鐵東站區(qū)域位于中心城區(qū)邊緣,總面積約為22.42 km2,重點(diǎn)研究范圍如圖1內(nèi)部框線所示,面積約為13 km2。

圖1 研究范圍

區(qū)域現(xiàn)狀整體呈現(xiàn)城鄉(xiāng)結(jié)合部特征,根據(jù)ArcGIS軟件分析結(jié)果,農(nóng)林用地及水面面積為12.84 km2,建設(shè)用地面積為9.43 km2,規(guī)劃后綠化及水面面積為3.45 km2,建設(shè)用地面積為15.47 km2。由于規(guī)劃地塊的開發(fā),區(qū)域內(nèi)地表硬化的比例顯著增加,需要更為有效地利用區(qū)域內(nèi)綠地,構(gòu)建海綿設(shè)施,以更好滿足區(qū)域內(nèi)徑流控制的功能。區(qū)域規(guī)劃前后用地分布如圖2所示。

圖2 區(qū)域用地分布

區(qū)域現(xiàn)狀主要存在問題為:水生態(tài)方面,區(qū)域現(xiàn)狀開發(fā)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)濕地、林地減少,部分岸線進(jìn)行了硬化處理,對于水生態(tài)造成了一定的破壞;水安全方面,區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)排水能力較為不足,地面硬化率較高,缺乏對于雨水徑流量的控制措施;水環(huán)境方面,區(qū)域內(nèi)雖已經(jīng)推行雨污分流制,但根據(jù)市政管護(hù)部門的初步排查情況,混錯接情況仍然存在,農(nóng)業(yè)污水面源污染缺乏控制措施,且污水管網(wǎng)有待完善。

1.2 三級海綿建設(shè)方案

1.2.1 三級海綿系統(tǒng)

三級海綿系統(tǒng)由分散式、半集中和集中式3類海綿設(shè)施組成。根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》第4章第3節(jié)、第5節(jié)及第8節(jié)相關(guān)內(nèi)容,分散式海綿設(shè)施包括植草溝、雨水花園、礫石溝、調(diào)蓄塘等,常常與建筑和小區(qū)相結(jié)合,調(diào)蓄量≥16 mm,對于初期雨水有較好的凈化作用,雨量大時雨水通過溢流進(jìn)入市政管網(wǎng);半集中式海綿設(shè)施通常布置在公共區(qū)域,面積較分散式海綿設(shè)施更大,包括自然的蓄水型生態(tài)濾池、下沉式綠地、大型植草溝、可淹沒的運(yùn)動場等,調(diào)蓄量加權(quán)值為7.5 mm,布置在雨水管道溢流處,用于處理不能流入分散式系統(tǒng)的徑流;集中式海綿設(shè)施包括調(diào)蓄沉淀池、生態(tài)濾池、濕地等,布置在管網(wǎng)排入中心湖和區(qū)域出口前,集中凈化污染嚴(yán)重的徑流,截留處理分散式體系未能收集到的錯接污水和污染物負(fù)荷。

通過對管網(wǎng)及調(diào)蓄設(shè)施的合理布置,在以下4種降雨工況下,三級海綿系統(tǒng)可以在雨水凈化和徑流調(diào)蓄方面發(fā)揮不同的功能(表1)。本研究中低水系統(tǒng)由明渠和綠廊組成,綠廊指綠化帶形式的海綿設(shè)施。

表1 三級海綿系統(tǒng)在不同工況下的功能

1.2.2 海綿城市建設(shè)管控單元劃分

本研究區(qū)域海綿城市建設(shè)管控單元劃分主要以排水分區(qū)為單元,結(jié)合地形及雨水管網(wǎng)布置情況,利用ArcGIS軟件將高鐵東站區(qū)域分成6大海綿城市建設(shè)分區(qū),20個子管控單元(圖3)。

圖3 海綿城市建設(shè)管控單元劃分

1.2.3 三級海綿調(diào)蓄空間指標(biāo)分配

本研究中各單元需求的海綿調(diào)蓄空間利用式(1)求得。

V=1 000HφF

(1)

其中:V——設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積,m3;

H——設(shè)計(jì)降雨量,mm,根據(jù)年徑流總量控制率確定;

φ——綜合雨量徑流系數(shù),由加權(quán)計(jì)算得到;

F——單元匯水面積,km2。

各管控單元分區(qū)特征及數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 海綿城市管控單元組團(tuán)及分區(qū)特征

將各區(qū)域數(shù)據(jù)代入式(1)可求得,本研究區(qū)域需求的海綿調(diào)蓄空間共465 712 m2。

本研究依據(jù)管控區(qū)域的海綿城市建設(shè)適宜性及公共綠地空間的可利用性對三級海綿措施的調(diào)蓄空間進(jìn)行合理預(yù)分配,分配原則為:優(yōu)先考慮源頭分散式海綿措施,在源頭控制徑流,源頭海綿措施應(yīng)保證大于16 mm的調(diào)蓄空間;其次,考慮初期雨水截流強(qiáng)度,末端集中式海綿措施應(yīng)保證大于4 mm的調(diào)蓄空間;最后,基于總目標(biāo)考慮半集中式海綿措施的調(diào)蓄空間,半集中式海綿措施應(yīng)保證大于5 mm的調(diào)蓄空間。

根據(jù)上述原則,本研究中預(yù)分配的三級海綿系統(tǒng)提供的海綿調(diào)蓄空間總和為474 367 m3,大于需求的海綿調(diào)蓄空間(465 712 m3),能夠滿足相關(guān)指標(biāo)要求。各管控單元三級海綿調(diào)蓄空間指標(biāo)分配如表3所示。

表3 各管控單元三級海綿調(diào)蓄空間指標(biāo)分配

2 KOSIM模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建思路

KOSIM模型以研究區(qū)域的管控單元為基本模塊,主要構(gòu)建依據(jù)為區(qū)域管網(wǎng)系統(tǒng)的流體特征和三級海綿措施之間的流體力學(xué)關(guān)系。模型構(gòu)建了集水區(qū)產(chǎn)流、污水混接入流、分散式海綿措施、半集中式海綿措施以及集中式海綿措施的處理,以及溢流設(shè)施的溢流等過程,同時考慮已建調(diào)蓄池和再生水處理站的處理能力,對于區(qū)域內(nèi)徑流量及污染物削減情況進(jìn)行模擬評價。

模型基本構(gòu)建原理如圖4所示,所需的區(qū)域年降雨量、水系年蒸發(fā)量、區(qū)域內(nèi)硬化面比率等參數(shù)通過實(shí)測獲得,污染物輸入量及海綿設(shè)施的污染物去除率由經(jīng)驗(yàn)值選取[8]。圖4中CRBF、RUE、SM、SS分別代表選用的集中式海綿措施、溢流限流設(shè)施、半集中式海綿措施、分散式海綿措施,Dry代表區(qū)域混接的流量,V代表選取海綿措施的體積,Qab代表所選設(shè)施控制或溢流的流量,[EW]=0代表區(qū)域內(nèi)水量平衡。

圖4 KOSIM模型基本原理

2.2 模擬區(qū)域

對于研究區(qū)域范圍進(jìn)行模擬,區(qū)域內(nèi)各管控單元位置分布如圖5所示。

圖5 模擬區(qū)域管控單元分布

2.3 邊界條件設(shè)置

本模型中將水系蒸發(fā)量、區(qū)域降雨量、地表硬化率、污染物輸入量及海綿設(shè)計(jì)凈化能力等數(shù)據(jù)作為邊界條件。

取南昌市年平均蒸發(fā)量為1 263.7 mm,實(shí)測方法參照《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》(SL 630—2013);降雨量選取了2011年(枯水年)、2015年(豐水年)、2019(平水年)3個代表年份的實(shí)測1 h降雨數(shù)據(jù),測定方法參照《降水量觀測規(guī)范》(SL 21—2015);區(qū)域集水區(qū)數(shù)據(jù)包括各集水區(qū)的面積及折合硬化率,利用ArcGIS軟件對于各管控單元實(shí)測得到。管網(wǎng)混錯接輸入的污染物量結(jié)合其他地區(qū)新建城區(qū)開發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)值確定,管網(wǎng)中存在錯接情況的比率取5%,管網(wǎng)外來水占比取15%。人均綜合生活用水(居民生活用水與公共建筑用水總和)取149 L/d,生活污水污染物指標(biāo)取為CODCr=50 g/(人·d),TN=11 g/(人·d),TP=0.95 g/(人·d);地表徑流污染物參數(shù)參考了中國及歐洲的相關(guān)文獻(xiàn)[8],綜合考慮取值為CODCr=6×104kg/(km2·a),TN=2×103kg/(km2·a),TP=2×102kg/(km2·a)。海綿設(shè)施的凈化能力根據(jù)已有項(xiàng)目實(shí)際處理經(jīng)驗(yàn)選取[9],分散式海綿措施加權(quán)徑流污染綜合處理能力取值:CODCr為75%,TN為50%,TP為40%;半集中式海綿措施加權(quán)徑流污染綜合處理能力取值:CODCr為80%,TN為 60%,TP為45%;集中式海綿措施加權(quán)徑流污染綜合處理能力取值:CODCr為 85%,TN為60%,TP為50%。

3 模擬結(jié)果與分析

本研究分別在枯水年、平水年、豐水年3種降雨工況條件下對于三級海綿系統(tǒng)的處理狀態(tài)進(jìn)行了模擬,并對于各工況下的年徑流總量控制率及污染物削減率進(jìn)行了評價。模擬的總體目標(biāo)是區(qū)域總體和各管控單元的年徑流總量控制率>80%,污染物削減率(以CODCr計(jì))大于50%,單位硬化面積CODCr排出負(fù)荷小于250 kg/a。如果模型驗(yàn)證區(qū)域內(nèi)各指標(biāo)達(dá)不到目標(biāo)要求,則需要調(diào)整三級海綿設(shè)施的規(guī)模,直至滿足要求為止。

3.1 年徑流總量控制率

3種工況下區(qū)域產(chǎn)流量區(qū)別較大,豐水年比常水年產(chǎn)流量多38%,常水年比枯水年產(chǎn)流量多59%。

在區(qū)域整體徑流總量控制效果上(表4),模擬結(jié)果顯示各工況下三級海綿措施預(yù)分配方案均能達(dá)到年徑流總量控制率80%的要求。枯水年區(qū)域徑流總量控制率最高,考慮為徑流控制率與處理負(fù)荷有關(guān),處理負(fù)荷越低,徑流控制效果越好。

表4 基于KOSIM模型復(fù)核的年徑流總量控制率效果

以平水年(2019年)為例對各管控單元進(jìn)行分析,模擬結(jié)果顯示預(yù)分配的三級海綿措施對于徑流量的控制效果均較好,各單元徑流控制率均能達(dá)到86%。同時,通過分析得到,區(qū)域內(nèi)源頭分散式海綿措施規(guī)模越大,對徑流控制的效果越好,C0、G0、S3、E1、E2等公共綠地空間較多的區(qū)域年徑流控制率較高。各管控單元徑流控制率如圖6所示。

圖6 基于KOSIM模型復(fù)核的各管控單元年徑流總量控制率分布

3.2 污染物削減率

本研究中地表徑流及外來混錯接污水帶來的污染總量以CODCr計(jì),各工況下污染負(fù)荷總量差別不大。

在區(qū)域整體污染物削減效果上(表5),模擬顯示各工況下預(yù)分配的三級海綿措施對于污染物的削減率差別不大,枯水年略高,均能滿足大于50%的要求,單位硬化面積CODCr排出負(fù)荷均能達(dá)到低于2×104kg/(km2·a)的目標(biāo)。

表5 基于KOSIM模型復(fù)核的污染物削減率效果

以平水年(2019年)為例對于各管控單元的污染物(CODCr、TN和TP)削減率進(jìn)行分析,模擬結(jié)果的顯示預(yù)分配的三級海綿措施對于各個管控單元的徑流污染都進(jìn)行了一定程度的削減,其中CODCr削減率大于57%,滿足大于50%的要求,TN削減率大于50%,TP削減率大于39%。單位面積硬化面積CODCr排出年負(fù)荷都達(dá)到了低于2.5×104kg/(km2·a)的要求,其中C0管控單元CODCr排出負(fù)荷為1.5×104kg/(km2·a),污染控制水平較好。各管控單元污染物削減率如圖7所示。

圖7 基于KOSIM模型復(fù)核的各管控單元污染物削減率分布

4 結(jié)論

通過KOSIM模型模擬,得出以下結(jié)論。

(1)在南昌市高鐵東站區(qū)域建設(shè)三級海綿系統(tǒng),合理布置區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)及調(diào)蓄設(shè)施,調(diào)配分散式、半集中式、分散式3類海綿設(shè)施的規(guī)模。KOSIM模型模擬結(jié)果顯示,建設(shè)方案在枯水年、平水年、豐水年3種工況下對于年徑流總量控制和污染物削減均有著較好的效果。區(qū)域年徑流總量控制率達(dá)到86%,CODCr削減率達(dá)到75%,單位硬化面積CODCr排出量低于2×104kg/(km2·a),均能滿足區(qū)域海綿城市建設(shè)的總體目標(biāo)。

(2)KOSIM模型相較于其他水文模型,能夠較好地反映區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)水量及污染物總量的動態(tài)變化情況,使用方便,可靠性好。

(3)KOSIM模型通過模擬不同降雨條件下各類型海綿設(shè)施的徑流控制效果,能夠?yàn)楹＞d城市建設(shè)方案評估提供有力的技術(shù)支撐,有助于海綿城市區(qū)域建設(shè)效果達(dá)標(biāo)。