官奕宏，呂 謀，王 燦，楊婷婷

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

美國環(huán)保局1971年首次提出SWMM(Storm Water Management Model)----城市暴雨雨水管理模型，SWMM自開發(fā)至今已多次更新，目前發(fā)展至SWMM Version 5[2,7]。SWMM 5具有友好的可視化界面和更完善的處理功能，能夠用顏色標(biāo)記匯流區(qū)域，輸出時(shí)間系列圖、表格和管道剖面圖等。而且這版當(dāng)中加入LID處理方面能力，SWMMH可以明確模擬常見的5種不同LID控制: ①生物滯留網(wǎng)格，雨水花園、街道植物園和綠色屋頂是生物滯留網(wǎng)格的各種變化形式；②滲渠；③連續(xù)多孔路面系統(tǒng)；④雨桶(或者水槽)；⑤草洼[6]。低影響開發(fā)的模型模擬相較于傳統(tǒng)的開發(fā)實(shí)踐快速、簡單，且可避免實(shí)地試驗(yàn)監(jiān)測所受到的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件制約，能夠在場地開發(fā)前模擬規(guī)劃中的LID措施效果，可減少建設(shè)的盲目性[1,9]。目前國內(nèi)相關(guān)研究多以小區(qū)等小范圍內(nèi)進(jìn)行低影響開發(fā)模擬，本文以膠州市新城區(qū)某區(qū)域?yàn)槔?，在不同?qiáng)度降雨條件下，運(yùn)用SWMM模型模擬與評估低影響開發(fā)設(shè)施對水量和水質(zhì)的控制效果[3]，本文的研究結(jié)果可以為大區(qū)域低影響開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用提供參考，也可以為膠州市海綿城市建設(shè)提供一定的技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

膠州市位于山東半島西南隅，地處東經(jīng)119°37′～126°12′、北緯36°～36°30′，屬東亞季風(fēng)大陸性氣候。其中膠州市新城區(qū)位于老城區(qū)南面，北至揚(yáng)州路，南至香港路，西至杭州路，東至膠黃鐵路，面積約2104 hm2，排水體制為雨污分流。本次研究新城區(qū)其中的一部分，研究區(qū)總面積為305.2 hm2，其中現(xiàn)狀不滲透面積192.276 hm2(占總面積的63%)，主要由屋面和路面所組成；透水面積112.924(占總面積的37%)，主要為綠地。

2 研究區(qū)域模型的構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域雨水系統(tǒng)概化

新城區(qū)主要含3類下墊面，分別為屋面、路面和綠地，不透水區(qū)域主要為屋面和路面，綠地為透水區(qū)域。結(jié)合該區(qū)域的雨水系統(tǒng)調(diào)查結(jié)果和SWMM模型的應(yīng)用要求，對研究區(qū)域進(jìn)行概化，共劃分子匯水區(qū)56個(gè)、雨水管段83條、檢查井節(jié)點(diǎn)86個(gè)、末端排放口3個(gè)，研究區(qū)域概化模型如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域概化模型圖Fig.1 Generalized model diagram of study area

2.2 LID場景布設(shè)方案

本文結(jié)合膠州市新城區(qū)該區(qū)域現(xiàn)狀和常規(guī)開發(fā)建設(shè)情況，提出以下3種LID布設(shè)方案。

(1)雨水花園。雨水花園在進(jìn)行選址時(shí)應(yīng)充分考慮周圍建筑物的情況，區(qū)域綠地的位置、種類、性質(zhì)以及功能，因地制宜，在充分利用原有地形地貌的基礎(chǔ)上進(jìn)行建造[4]。基于此，在膠州市新城區(qū)設(shè)置雨水花園17.396 4 hm2，占總面積的5.7%。

(2)透水鋪裝。透水鋪裝適合建造于人行道、廣場、非機(jī)動(dòng)車道、居民區(qū)和商業(yè)區(qū)的停車場等區(qū)域，交通負(fù)荷量大的道路不適合建造透水路面[5]，并且要求距離地下最高水位90cm以上，水平距離飲水井30cm以上。基于此，在膠州市新城區(qū)設(shè)置透水鋪裝39.065 6 hm2，占總面積的12.8%。

(3)上述2種組合方案。將上述2種LID措施組合布設(shè)，各LID措施均與其單獨(dú)布設(shè)時(shí)一致。組合方案的布設(shè)總面積為56.462 hm2，占總面積的18.5%。

2.3 水質(zhì)、水文模塊參數(shù)設(shè)置

水質(zhì)模塊包括污染物累積增長模塊和沖刷模塊。污染物累積增長模塊選擇指數(shù)函數(shù)累積模型，污染物沖刷模塊選擇指數(shù)沖刷模型。其中地表徑流沖刷污染物以《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中推薦的SS,COD,TN,TP 4種污染物質(zhì)進(jìn)行模擬。經(jīng)3場實(shí)測降雨(3場降雨基本特征見表1)得到天然雨水中的污染物濃度平均值如下:SS為58.23 mg/L；COD為40.23 mg/L；TN為1.28 mg/L；TP為0.39 mg/L。

表1 監(jiān)測降雨事件的基本特征Tab.1 Monitoring the basic characteristics of rainfall events

水文模塊包括產(chǎn)流模塊和匯流模塊。結(jié)合研究區(qū)域的土地特點(diǎn)，產(chǎn)流模塊選用Horton入滲模型來模擬研究區(qū)域的產(chǎn)流入滲過程，匯流模塊采用非線性水庫模型[8]，模型準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵取決于參數(shù)的率定。

參數(shù)率定過程是基于實(shí)測降雨事件數(shù)據(jù)校準(zhǔn)過程，以峰值流量相對誤差dF和COD峰值濃度相對誤差dC作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。模擬仿真結(jié)果的許可誤差范圍為-20%～10%。兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)定義為：

通過反復(fù)調(diào)整模型中各參數(shù)，最終確定率定結(jié)果和率定參數(shù)值，如表2、表3及表4所示。

表2 目標(biāo)函數(shù)相對誤差率定結(jié)果Tab.2 The relative error rate results of objective function

表3 不同土地利用類型的參數(shù)值Tab.3 Parameter values for different types of land use

表4 水文參數(shù)值Tab.4 Parameter values for hydrology

從表2可以看出，在3種降雨等級下，最終選擇的參數(shù)模擬仿真結(jié)果都在容許誤差范圍內(nèi)，因此本文建立的模型能夠真實(shí)反映膠州市新城區(qū)雨水系統(tǒng)的水文及水質(zhì)情況。

2.4 設(shè)計(jì)降雨模型

本次研究采用青島市最新的暴雨強(qiáng)度公式和芝加哥降雨過程線模型合成降雨情景，選擇雨峰系數(shù)r=0.4，降雨采用時(shí)間間隔t=1 min，降雨歷時(shí)為2 h。

暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：q為暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；P為重現(xiàn)期，a；t為時(shí)間間隔，min；A、C、b和n為參數(shù)。

青島市不同重現(xiàn)期下參數(shù)A、C、b和n取值見表5，將不同重現(xiàn)期的參數(shù)帶入上述公式中可得到不同重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度公式如表6所示。

表5 青島市參數(shù)值Tab.5 Parameter values of Qingdao

表6 青島市暴雨強(qiáng)度公式Tab.6 Rainfall intensity formula in Qingdao

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 雨洪控制效果分析

在不同重現(xiàn)期下，運(yùn)用SWMM對現(xiàn)狀、常規(guī)開發(fā)建設(shè)模式以及低影響開發(fā)建設(shè)模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)波模擬，得出結(jié)果如表4所示。

由表4可知，常規(guī)開發(fā)模式的徑流系數(shù)和峰值流量與現(xiàn)狀相比都增大，低影響開發(fā)建設(shè)模式較前兩種模式的徑流系數(shù)和峰值流量都要小，這說明低影響開發(fā)模式的雨洪控制作用非常明顯。3種低影響模式與常規(guī)開發(fā)模式對比發(fā)現(xiàn)，雨水花園開發(fā)模式較常規(guī)開發(fā)模式在重現(xiàn)期1.5，2，3，5和10 a時(shí)的徑流系數(shù)分別降低了20%,19%,19%，18%和17%，峰值流量分別降低了19%,20%,20%，22%和20%；透水鋪裝開發(fā)模式在重現(xiàn)期1.5，2，3，5和10 a時(shí)的徑流系數(shù)分別降低了29%,29%,29%，28%和28%，峰值流量分別降低了28%,28%,29%，29%和24%；組合LID開發(fā)模式在重現(xiàn)期1.5，2，3，5和10 a時(shí)的徑流系數(shù)分別降低了47%,47%,46%，46%和45%，峰值流量分別降低了47%,47%,47%，47%和47%。上述結(jié)果表明，對于雨洪控制的效果，低影響開發(fā)模式中，組合LID >透水鋪裝>雨水花園。

表7 不同重現(xiàn)期下系統(tǒng)水文狀態(tài)的模擬結(jié)果Tab.7 The simulation results of the system under different rainfall intensity of hydrological condition

圖2是在P=1.5 a情況下不同模式中排放口1的出水流量變化，從圖2中可知，常規(guī)開發(fā)模式下排放口1出水流量峰值最高，組合LID開發(fā)模式的流量峰值最低，各模式的峰現(xiàn)時(shí)間基本一致。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是常規(guī)開發(fā)模式的不滲透性最大，為78%，表面截留能力最小，因此流量最高；而采用低影響開發(fā)設(shè)施可明顯提高透水率，增強(qiáng)雨水的入滲與蒸發(fā)作用，減少場地內(nèi)的徑流總量，所以峰值流量較其他模式明顯降低。

圖2 不同模式下排放口1的出水流量Fig.2 Water flow of different modes for outlet 1

3.2 水質(zhì)控制效果分析

圖3和圖4分別是在P=1.5 a情況下，不同模式中排放口1的出水SS和COD變化。從圖中可知，不同模式下SS和COD排放量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且上升速度較快；常規(guī)開發(fā)模式下排放口1出水有機(jī)物排放量峰值最高，組合LID開發(fā)模式的有機(jī)物排放量峰值最低；低影響開發(fā)模式的峰現(xiàn)時(shí)間有所推遲；3種低影響開發(fā)模式中，對于有機(jī)物的凈化能力，組合LID>透水鋪裝>雨水花園。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)橄啾绕渌Ｊ匠Ｒ?guī)開發(fā)模式的不滲透性最大，滯蓄空間最小，雨水不能進(jìn)入設(shè)施內(nèi)部進(jìn)行入滲與凈化，只能隨溢流設(shè)施進(jìn)入雨水管網(wǎng)，最終排入附近水系；而低影響開發(fā)模式下，LID設(shè)施對雨水有很強(qiáng)的滯蓄能力，對雨水中的污染物具有很好的入滲和凈化作用，可減輕區(qū)域內(nèi)雨水對水系的面源污染。

圖3 不同模式下排放口1的出水SS含量Fig.3 SS content of different modes for outlet 1

圖4 不同模式下排放口1的出水COD含量Fig.4 COD content of different modes for outlet 1

圖5是在不同重現(xiàn)期下，組合LID開發(fā)模式中排放口1的COD排放量變化情況，由圖可知，隨著降雨強(qiáng)度的增大，排放口出水COD含量達(dá)到峰值的時(shí)間越短，且降雨強(qiáng)度越大，出水COD的峰值也越大。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)椋航涤陱?qiáng)度越大，雨水徑流沖刷作用越強(qiáng)，徑流中攜帶的污染物也越多。通過上述模擬結(jié)果分析得出，污染物排放量增長主要集中在初期，所以有效地控制雨水的污染辦法就是控制好初期雨水，控制好初期雨水并進(jìn)行有效處理成為低影響開發(fā)模式的重要研究方向。

圖5 不同降雨強(qiáng)度下排放口1的出水COD含量Fig.5 COD content of different rainfall intensity for outlet 1

4 結(jié) 論

(1)常規(guī)建設(shè)模式的徑流系數(shù)、洪峰流量較現(xiàn)狀都增大；低影響開發(fā)建設(shè)模式較現(xiàn)狀和常規(guī)模式都有所降低；而對于不同低影響開發(fā)模式的雨洪控制效果，組合LID>透水鋪裝>雨水花園。

(2)常規(guī)開發(fā)模式對有機(jī)物排放的控制效果較差，LID設(shè)施對雨水有很強(qiáng)的滯蓄能力，對雨水中的污染物具有很好的入滲和凈化作用，可減輕區(qū)域內(nèi)雨水對水系的面源污染。

(3)降雨強(qiáng)度越大，低影響開發(fā)模式有機(jī)物排放量峰值出現(xiàn)越早且越大，控制好初期雨水并進(jìn)行有效處理成為低影響開發(fā)模式的重要研究方向。

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