潘文斌,柯錦燕,鄭 鵬,占 昕 (福州大學環(huán)境與資源學院,福建 福州 350116)

城市化發(fā)展改變了區(qū)域自然地貌和天然排水系統(tǒng),導致不透水面積大幅度增加,再加上全球氣候的變化,導致區(qū)域降雨特性發(fā)生改變,暴雨極端事件增加[1-2].這些變化引起城市降雨、徑流要素的改變,帶來了水資源短缺、水環(huán)境污染和城市雨洪災害的 3大水文問題,嚴重制約城市的健康發(fā)展[2].為緩解城市發(fā)展帶來的消極影響,我國在2015年4月公布了16個海綿城市試點名單,計劃在未來3a內建成一個可存儲、滲透和凈化雨水的可持續(xù)雨水管理系統(tǒng),形成一套可推廣、可復制的工作機制、政策制度和技術標準.

海綿城市的核心理念是低影響開發(fā)(LID),強調通過源頭分散的小型控制設施,維持和保護場地自然水文功能,該理念已在西方國家得到普遍認可,并逐步與城市的規(guī)劃建設相結合[3-4].國內外學者亦在不同尺度下,通過實地監(jiān)測和數(shù)學建模等方法對LID措施的雨洪控制效果進行研究,發(fā)現(xiàn)LID措施能夠有效地起到徑流調控、水質凈化和雨水利用等作用,極大程度減少研究區(qū)域的開發(fā)對水文循環(huán)的影響[5-9].值得注意的是,部分研究指出LID措施的控制效果會受到降雨強度的影響[10-11],但目前關于LID措施在不同降雨特性下對城市雨洪控制效果研究較少.針對此,本文以福州市某高密度居民住宅區(qū)為例,模擬分析單個和組合布設的LID措施在不同降雨特性下(降雨重現(xiàn)期、降雨歷時和雨峰系數(shù))對內澇節(jié)點的雨洪控制效果,探索適合該小區(qū)的LID布設方式,進而為海綿城市建設提供理論依據(jù),為其相關規(guī)范和標準的制定提供參考和借鑒.

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 PCSWMM模型

PCSWMM 是加拿大水力計算研究所(CHI)基于美國環(huán)保署(EPA)的SWMM模型開發(fā)的綜合性商業(yè)化軟件,廣泛應用于城市排水管道和暴雨管理研究中.除具備與 SWMM 模型一樣的核心程序和功能外,最新的PCSWMM 2015整合設計了最新的、功能強大的地理信息系統(tǒng)引擎,支持 1D/2D 模型的耦合,可模擬完整的污染物遷移和降雨徑流過程,并為區(qū)域 LID管理提供決策性意見[12].PCSWMM 模型提供的 LID控制模塊可以精確模擬不同類型的LID調控,如對滯留、下滲和蒸發(fā)的調控.在模型中,LID調控可由一組連接在一起的垂向圖層表示(如表面層、路面層、土壤層和蓄水層等),每個圖層的參數(shù)單獨定義.在PCSWMM 運行期間,利用水量平衡方程可以跟蹤每個LID圖層實時的出流和儲水情況[13].

1.2 研究區(qū)概況及其概化

圖1 研究區(qū)域地理位置及其排水系統(tǒng)概化Fig.1 Geographical position and the drainage system generalization of the study area

1.3 模型參數(shù)的選擇

1.3.1 模型水文水力參數(shù)的選擇 研究區(qū)域子匯水區(qū)的面積、特征寬度、平均坡度和不透水率,是基于福州市規(guī)劃設計研究院提供的土地利用類型分類圖和地形圖,通過 GIS軟件提取.管道形狀和斷面尺寸、管道起止點偏置值、檢查井內底標高、檢查井最大深度等由福州市規(guī)劃設計研究院和提供.模型不確定參數(shù)的選取主要結合實際情況,并參考SWMM模型用戶指南的推薦值和國內外相關文獻[13-17].降雨入滲過程采用霍頓方程(Horton)進行模擬.地表徑流的產流模型分為有洼蓄量的不透水地表、無洼蓄量的不透水地表和透水地表 3個部分單獨計算.地表徑流的匯流計算采用非線性水庫模型,模擬排水系統(tǒng)流量演算的水力模型選用動力波模型.模型主要參數(shù)取值見表1.

表1 模型主要參數(shù)的取值Table 1 Main uncertain parameter values in the model

1.3.2 LID參數(shù)設置 基于8種不同的用地布局情景分析不同的LID措施對內澇節(jié)點雨洪的控制效果,分別為:(1)現(xiàn)狀用地布局情景(不采取任何的 LID 措施);(2)LID1用地布局情景(滲透鋪裝措施);(3)LID2用地布局情景(植被淺溝&雨水花園組合措施);(4)LID3用地布局情景(綠色屋頂措施); (5)LID12用地布局情景(滲透鋪裝&植被淺溝&雨水花園組合措施);(6)LID13用地布局情景(滲透鋪裝&綠色屋頂組合措施);(7)LID23用地布局情景(植被淺溝&雨水花園&綠色屋頂組合措施);(8)LID123用地布局情景(滲透鋪裝&植被淺溝&雨水花園&綠色屋頂組合措施).

表2 LID設計參數(shù)值Table 2 Parameter values of LID designs

對LID措施簡介如下:(1)滲透鋪裝:將小區(qū)內每個子匯水區(qū)的硬質不透水路面全部改裝為滲透路面,布設的滲透路面總面積為 1.899hm2.(2)植被淺溝和雨水花園組合:將小區(qū)內每個子匯水區(qū)的普通綠地全部改裝為植被淺溝,布設總面積為 1.384hm2.將小區(qū)內每個子匯水區(qū)的水面全部改裝為雨水花園,布設總面積為0.180hm2.因雨水花園的布設面積較小,故本研究將植被淺溝與雨水花園組合,作為一種單獨的 LID措施來分析.(3)綠色屋頂:將小區(qū)內每個子流域的屋面全部改裝為綠色屋頂,布設總面積為 0.948hm2.(4)組合方案:將上述3種單獨的LID控制措施分別進行兩兩組合布設及三個組合布設,各 LID措施的布設面積及設置均與其單獨布設時一致.其中,滲透鋪裝&植被淺溝&雨水花園組合措施的布設總面積為 3.463hm2,滲透鋪裝&綠色屋頂組合措施的布設總面積為 2.847hm2,植被淺溝&雨水花園&綠色屋頂組合措施的布設總面積為2.512hm2,滲透鋪裝&植被淺溝&雨水花園&綠色屋頂組合措施的布設總面積為4.411hm2.

不同 LID措施的參數(shù)設置主要參考 PCSWMM用戶手冊的推薦值及國內外相關學者給定的參考值[13-20],具體LID參數(shù)設置見表2.

1.3.3 水質參數(shù)設置 以 SS為研究對象,利用PCSWMM 的污染物模塊及其土地利用模塊、污染物累積模塊和污染物沖刷模塊進行研究小區(qū)內澇節(jié)點污染負荷模擬.結合不同土地利用情況對污染物的累積及沖刷的影響,利用飽和函數(shù)模型和指數(shù)函數(shù)模型進行污染物的堆積和沖刷模擬.通過研究區(qū)域實際情況及查看相關的文獻獲取模型的水質參數(shù)(表 3),本研究中植被淺溝、雨水花園、滲透鋪裝和綠色屋頂對 SS負荷的去除率分別為 60%,80%,90%,80%,根據(jù)研究區(qū)實際情況,確定模型中街道清掃間隔為1d,地表累積污染物的去除效率為70%.模擬前期干旱天數(shù)為 7d,并假定降水中所含的 SS為10mg/L[22-24].

表3 不同下墊面的SS模擬參數(shù)Table 3 SS simulation parameters for different underlying surfaces

1.4 暴雨強度的計算

陳奕[25]在對福州市暴雨強度公式優(yōu)化研究中得出,福州市城區(qū)暴雨強度公式為:

式中:q為t時間內的平均降雨強度,L/(s·hm2);t為降雨歷時,min;P為降雨重現(xiàn)期,a.為了評估 LID措施在不同降雨特性下對城市內澇節(jié)點雨洪的影響,利用式(1)分別求出不同降雨重現(xiàn)期(表 4)、不同降雨歷時(表5)、不同雨峰系數(shù)的降雨數(shù)據(jù)(不同雨峰系數(shù)的降雨情景其降雨重現(xiàn)期均為10a一遇,降雨歷時2h,降雨強度45.264mm/h,時間步長5min,模擬時間4h,雨峰系數(shù)分別取0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8及0.9),采用芝加哥降雨過程線模型(CHM法)[26-27]合成降雨情景.

此次研制出的10 kV配電網(wǎng)不停電作業(yè)綜合絕緣抱桿，較傳統(tǒng)帶電作業(yè)用絕緣抱桿相比，有了多方面的功能提升，整套工具更安全、更適用、更方便，體現(xiàn)在以下6個方面：

表4 不同降雨重現(xiàn)期的降雨情景Table 4 The rainfall scenarios under different rainfall return periods

表5 不同降雨歷時的降雨情景Table 5 The rainfall scenarios under different rain durations

2 結果與討論

2.1 現(xiàn)狀用地布局情景下雨洪模擬情況

模擬現(xiàn)狀用地布局情景下不同降雨重現(xiàn)期(P)的雨洪情況,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內澇節(jié)點從P=0.5a的4個增加到P=100a的38個.研究區(qū)域的西北方小區(qū)受災較為嚴重,該小區(qū)在 P=0.5a時就開始出現(xiàn)內澇節(jié)點,在P=100a時,內澇節(jié)點的個數(shù)達到該小區(qū)檢查井個數(shù)的75 %.

因此選用受災較為嚴重的西北方小區(qū)進行LID措施布設,模擬分析在不同降雨特性下(降雨重現(xiàn)期、降雨歷時和雨峰系數(shù))各LID措施布設情景對區(qū)域內排水管網(wǎng)的雨洪控制效果.布設區(qū)域檢查井 J3深度最小(1m),在各個 P下均出現(xiàn)積水現(xiàn)象,且 LID措施對其控制效果較其它節(jié)點更明顯,故選用J3節(jié)點為研究對象.J3所在匯水區(qū)滲透鋪裝、植被淺溝、綠色屋頂布設的面積百分比分別為:43.10%,46.04 %,10.86 %.圖2為LID布設區(qū)域的概化圖,總面積為 4.411hm2,將該小區(qū)概化為 12個子匯水區(qū)(S1～S12),12個檢查井(J1～J12)和 11條管道(C1～C11).根據(jù)下墊面類型將整個布設區(qū)域的現(xiàn)狀用地劃分為4類,分別為路面、綠地、水面、屋面,其面積占比分別為 43.08 %、31.29 %、4.08 %和21.55 %(圖3).

圖2 LID布設區(qū)域管線Fig.2 Drainage system designed in the LID layout area

圖3 LID布設區(qū)域土地利用分類Fig.3 Land use classification in the LID layout area

2.2 不同降雨重現(xiàn)期(P)下LID控制效果模擬

選取洪峰流量、積水時間、積水深度和SS峰值濃度為控制指標,模擬分析在不同降雨特性下各LID措施布設情景在節(jié)點J3的雨洪控制效果.隨著P的增長,現(xiàn)狀用地布局情景下,節(jié)點J3的洪峰流量、積水時間和積水深度增大.不同P下的雨洪控制效果見圖4～圖7.

圖4 LID布設在不同降雨重現(xiàn)期對洪峰流量的削減Fig.4 Peak discharge reduction of different LID layout scenarios under different rainfall return periods

模擬結果表明,在不同的P下,布設LID措施使節(jié)點的洪峰流量減小,積水時間縮短,積水深度降低,且在小P的情景下對指標的控制效果更顯著.(1)對于洪峰流量,各LID用地布局情景的削減總量隨著P的增大而增加,其中LID2和LID23分別在P=20a和P=50a時對其削減總量達到最大,其后會隨著P的增大而減小.(2)對于積水時間,LID1和LID2在P=2a對其削減總量達到最大,LID3、LID13和LID23為P=5a,其后都會隨著P的增大而減小;LID12和LID123的削減總量隨著P的增大不斷增加,但在設定的P內未達到最大值.(3)對于積水深度,LID2在P=20a對其削減總量達到最大,其后會隨著P的增大而減小,其余LID措施布設情景削減總量隨著P的增長不斷增大.(4)單個LID控制措施中以滲透鋪裝措施的控制效果最佳,其在P=1a時開始發(fā)生洪流,在P=2a時時開始發(fā)生積水;綠色屋頂措施的控制效果最差,在P=0.5a時開始發(fā)生洪流,這是因為 J3節(jié)點所在的子匯水區(qū)(S10)內 LID布設措施主要是滲透鋪裝和植被淺溝,綠色屋頂?shù)牟荚O面積較小,分別占整個子匯水區(qū)的43.10%、46.04%和 10.86%,故綠色屋頂?shù)目刂菩Ч?而滲透鋪裝對地表徑流的滯蓄庫容比植被淺溝的大,故其對節(jié)點積水的控制效果比植被淺溝好.組合布設情景, LID123控制效果最佳,在設定的P內均未發(fā)生洪流. LID12在P=100a時發(fā)生洪流,但洪峰流量較小,洪流持續(xù)時間較短,幾乎為零,并未發(fā)生積水.LID23控制效果最差,在P=0.5a時,開始發(fā)生洪流并積水.

圖5 LID布設在不同降雨重現(xiàn)期對積水時間的削減Fig.5 Ponding time reduction of different LID layout scenarios under different rainfall return periods

圖6 LID布設在不同降雨重現(xiàn)期對積水深度的削減Fig.6 Ponding depth reduction of different LID layout scenarios under different rainfall return periods

隨著P的增大,現(xiàn)狀用地布局情景的SS峰值濃度隨之減小,這是由于隨著降雨量的增長,地表污染負荷總量變化不大,而地表徑流量大量增加,降雨徑流對地表污染物沖刷的增加量小于地表徑流的增加量,故使得節(jié)點中的SS峰值濃度減小.不同LID布設情景下,LID2和 LID23從 P=5a時開始,節(jié)點 SS峰值濃度大于現(xiàn)狀用地;其余布設情景,對 SS峰值濃度均有一定的削減作用,模擬結果分析如下:(1)LID2、LID3和 LID23用地布局情景的節(jié)點 SS峰值濃度隨著 P的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,其原因是這3種LID措施對徑流量的削減量較大,在降雨量較小時,對徑流量的控制效果較好,產生的地表徑流量較少,不足以沖刷地表中截留的污染物質,故隨著降雨量的增大,沖刷的污染物逐漸增多,SS沖刷的增加量大于徑流的增加量,故節(jié)點中 SS峰值濃度增大.繼續(xù)增大降雨量,3種 LID措施對地表徑流的削減效果逐漸減小,地表徑流量較大,而地表污染物質總量變化不大,SS沖刷的增量小于徑流的增量,故節(jié)點中的污染峰值濃度減小.(2)LID1、LID12、LID13和LID123措施的節(jié)點SS峰值濃度隨著P的增大而增加,其主要原因是這4種LID措施對地表徑流的削減效果遠遠大于其他 LID措施,產生的地表徑流較小,當降雨量增加,沖刷的 SS增量一直大于徑流的增量,故節(jié)點的SS峰值濃度一直增大.(3)在不同的P下,LID2和LID23對SS峰值濃度的削減效果較差.隨著 P的增大,LID1、LID12、LID13和LID123措施對節(jié)點SS峰值濃度的削減百分比逐漸減小,而LID2、LID3和LID23措施的削減百分比則先減小后增加.不同LID措施在P較小時的削減效果更顯著.

圖7 LID措施在不同降雨重現(xiàn)期對SS峰值濃度的削減Fig.7 SS peak concentration reduction of different LID layout scenarios under different rainfall return periods

2.3 不同降雨歷時(t)下LID控制效果模擬

隨著t的增長,現(xiàn)狀用地布局情景下,節(jié)點J3的洪峰流量、積水深度和SS峰值濃度減小,而積水時間增大.不同t下的雨洪控制效果見圖8～圖11.

圖8 LID布設在不同降雨歷時對洪峰流量的削減Fig.8 Peak discharge reduction of different LID layout scenarios under different rainfall durations

圖9 LID布設在不同降雨歷時對積水時間的削減Fig.9 Ponding time reduction of different LID layout scenarios under different rainfall durations

模擬結果表明,在不同的t下,布設LID措施使節(jié)點的洪峰流量減小,積水時間縮短,積水深度降低,且在低降雨歷時的條件下的控制效果更顯著.(1)對于洪峰流量,各LID用地布局情景的削減總量隨著t的增長而減小.(2)對于積水時間,LID2、LID3和LID23在t=1.5h時,削減總量最小,而后隨著t的增長不斷增大.其余LID布設情景,削減總量隨著t的增長不斷增大,但在設定的 t內未達到最大值.(3)對于積水深度,各LID布設情景的削減總量隨著t的增長不斷減小.(4)單個LID控制措施中以滲透鋪裝措施的控制效果最佳,綠色屋頂措施的控制效果最差.組合布設情景中,LID123控制效果最佳,在設定的 t內均未發(fā)生洪流.LID12在t=1h發(fā)生洪流,但洪峰流量較小,而且未產生積水.

圖10 LID布設在不同降雨歷時對積水深度的削減Fig.10 Ponding depth reduction of different LID layout scenarios under different rainfall durations

圖11 LID布設在不同降雨歷時對SS峰值濃度的削減Fig.11 SS peak concentration reduction of different LID layout scenarios under different rainfall durations

隨著t的增長,現(xiàn)狀用地布局情景的SS峰值濃度隨之減小,這是由于降雨強度減小,地表徑流對污染物的沖刷強度減弱,故使得節(jié)點中的 SS峰值濃度減小.不同LID布設情景下,得到以下模擬結果:(1)LID2和LID23布設之后,在不同的t下,節(jié)點SS峰值濃度比現(xiàn)狀用地布局大,且在短t中更為顯著.這是由于對比現(xiàn)狀用地,植被淺溝布設后其土壤內含有SS,在短t中,降雨強度較大,沖刷的SS總量較大,而地表徑流產生量較小,所以峰值濃度比現(xiàn)狀用地更大.(2)單個LID控制措施中以滲透鋪裝措施的控制效果最佳,植被淺溝的控制效果最差.組合布設情景中,LID123控制效果最佳,LID23的控制效果最差.(3)不同LID措施在不同t下對節(jié)點SS峰值濃度的削減百分比有先減小后增加的趨勢.

2.4 不同雨峰系數(shù)(r)下LID控制效果模擬

隨著雨峰的后移,現(xiàn)狀用地布局情景下,節(jié)點 J3的洪峰流量增大,積水時間和 SS峰值濃度減小,積水深度略有增加.不同 r下的雨洪控制效果見圖 12～圖15.

圖12 LID布設在不同雨峰系數(shù)對洪峰流量的削減Fig.12 Peak discharge reduction of different LID layout scenarios under different rain peak coefficients

圖13 LID布設在不同雨峰系數(shù)對積水時間的削減Fig.13 Ponding time reduction of different LID layout scenarios under different rain peak coefficients

模擬結果表明,在不同的r下,布設LID措施使節(jié)點的洪峰流量減小,積水時間縮短,積水深度降低.(1)對于洪峰流量,各LID用地布局情景的削減總量隨著雨峰的后移而增長,在r=0.7時達到最大,在r=0.8時下降,之后又會增長.(2)對于積水時間,各 LID用地布局情景的削減總量在 r=0.1時達到最大值,隨著雨峰的后移,增加總量下降,到r=0.9時又開始增大.(3)對于積水深度,各LID用地布局情景的削減總量隨著r的變化規(guī)律均不相同.(4)單個LID控制措施中以滲透鋪裝措施的控制效果最佳,綠色屋頂措施的控制效果最差;組合布設情景中,LID12和LID123在不同r下節(jié)點均未發(fā)生洪流.

圖14 LID布設在不同雨峰系數(shù)對積水深度的削減Fig.14 Ponding depth reduction of different LID layout scenarios under different rain peak coefficients

圖15 LID措施在不同雨峰系數(shù)對SS峰值濃度的削減Fig.15 SS peak concentration reduction of different LID layout scenarios under different rain peak coefficients

隨著雨峰的后移,現(xiàn)狀用地布局情景的 SS峰值濃度隨之減小,這是由于在雨峰前期,地表徑流逐漸入滲到地下,隨著雨峰的后移,入滲逐漸達到飽和,地表開始慢慢積水,致使地表徑流峰值隨著雨峰的后移而增大,而被降雨徑流沖刷的地表污染物的負荷量變化不大,故使得徑流中污染物峰值濃度減小,節(jié)點 SS濃度的峰值減小.不同 LID布設情景下,LID2和LID23從r=0.4開始,節(jié)點SS峰值濃度大于現(xiàn)狀用地;其余布設情景,在各r下對SS峰值濃度均有一定的削減作用,模擬結果分析如下:(1)LID2、LID3和 LID23用地布局情景的SS峰值濃度均隨著雨峰的后移逐漸減小,其原因是這3種用地布局情景產生的地表徑流量較大,在雨峰前期,地表徑流逐漸入滲到地下,隨著雨峰的后移,入滲逐漸達到飽和,地表開始慢慢積水,致使地表徑流峰值隨著雨峰的后移逐漸增大,而被降雨徑流沖刷的地表污染物的負荷量變化不大,故使得徑流中污染物峰值濃度減小.(2)LID12和 LID123用地布局情景 SS峰值濃度隨著雨峰的后移逐漸增加.SS峰值濃度增加的原因是在以上2種用地布局情景下,地表徑流量大量減少,隨著雨峰系數(shù)的后移,地表積累的污染物受雨水沖刷變多,徑流的峰值流量增大,使得地表徑流中攜帶的污染物的量也增加.節(jié)點中的SS負荷增多,而雨水深度減小,故濃度峰值增加.(3)單個LID控制措施中以滲透鋪裝措施的控制效果最佳,植被淺溝的控制效果最差;組合布設情景中,LID12和LID123在不同r下控制效果較佳.

3 結論

3.1 總體來說,布設 LID 措施之后,在不同降雨情景下,節(jié)點的洪峰流量減小、積水時間減少、積水深度變小;除了LID2和LID23節(jié)點SS峰值濃度會高于現(xiàn)狀用地,其余布設情景下,SS峰值濃度減小.

3.2 對于水量控制,在不同降雨情景下,各LID布設組合的削減效果以LID123措施的削減效果最佳,在單個 LID控制措施中,滲透鋪裝的控制效果最佳,LID3的控制效果最差.對于水質控制,在不同降雨情景下,LID3措施對節(jié)點SS峰值濃度的削減效果比LID2措施的效果好.LID12措施對節(jié)點SS峰值濃度的削減效果比LID13措施的效果好.LID措施對節(jié)點水量和水質的控制效果在低降雨重現(xiàn)期和長降雨歷時的降雨情景下更顯著.由于西北小區(qū)受臺風天氣影響及其下墊面類型的限制,LID12、LID13和LID123措施是緩解該布設區(qū)域發(fā)生洪澇災害的最佳布設措施.

3.3 為了更有效地控制城市內澇,除了采取 LID綠色基礎設施之外,排水管網(wǎng)系統(tǒng)的更新速度應與城市發(fā)展速度相一致,增大排水管網(wǎng)的設計標準,并適當?shù)丶尤牖疑A設施,如儲水單元、調節(jié)設施等.在今后研究中,應加強灰色基礎設施與綠色基礎設施相結合,更加系統(tǒng)的將LID措施與當?shù)匾延械挠晁{控措施有機結合而實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)性發(fā)展,更合理的與實際情況相結合,充分利用空間場地,達到最佳的控制效果,并將側重點逐漸轉移到與城市規(guī)劃、景觀規(guī)劃等大尺度的布局結合,從宏觀角度去協(xié)調各個技術措施,發(fā)揮各個工程技術措施的綜合效益.