胡云進 王 松 郜會彩

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；2.浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江 紹興 312000；3.浙江省山體地質災害防治協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 紹興 312000)

0 引言

城市化進程的不斷加快導致城市道路面積的不斷增加，道路硬化用地面積占城市建設用地面積的15%～20%[1].研究發(fā)現(xiàn)，降雨形成的徑流雨水最先在地勢低的路面快速形成，突破管道排水能力后，大量雨水匯集呈現(xiàn)面型擴散導致地表漫流的產生，影響道路行車安全；近年來道路雨洪問題日益受到關注.張超[2]等人利用模型分析了不同降雨頻率下透水路面和原生路面對徑流的處理能力，得出透水路面與總徑流量的關系曲線.胡愛兵[2]等人以深圳光明新區(qū)為例，模擬了傳統(tǒng)市政道路與LID市政道路在連續(xù)降雨條件下的徑流情況，發(fā)現(xiàn)LID措施對降雨峰值流量有一定程度的削減.朱浩然[3]等人利用SWMM對城市道路的不同透水鋪裝結構進行了模擬分析，得出全透型路面對雨水的消納處理能力優(yōu)于半透型路面和排水型路面，優(yōu)化率在45%～85%之間.黃兵[4]等人以昆明市市政道路為例，建立了SWMM模型，對兩場典型降雨進行了模擬，表明模擬結果和監(jiān)測結果相吻合，Nash效率系數為0.71～0.82.馬箐[5]等人利用SWMM對水質進行研究分析，得出組合LID措施比單一LID措施的污染物去除效果更佳，對非點源污染物的去除更顯著.宮曼莉[6]等人對透水鋪裝與生物滯留池組合下道路面源污染進行去除效果評估，發(fā)現(xiàn)污染物顆粒與構造和粗糙度有關，此種組合形式可以有效地削減污染物含量.許申來[7]等人對北方地區(qū)海綿城市建設的探索以及鄒宇[8]對南方地區(qū)海綿城市建設的研究表明，南北方城市因為地域不同、降雨條件差異等，LID措施也有不同的效果，但未進行LID措施組合的區(qū)域適應性分析.

綜上所述，目前大多數學者基于SWMM模型進行了單一或組合LID措施的水文及水質模擬，但是對低高頻降雨下道路LID措施選擇以及區(qū)域適應性分析研究很少.本文針對LID措施組合區(qū)域適應性研究的不足，以某市主干道LID措施設計為例，分析不同LID措施組合對道路徑流削減以及污染物去除的效果，研究不同LID措施組合的區(qū)域適應性，以期為今后城市道路LID措施的優(yōu)化組合與設計等提供參考.

1 模擬模型建立

1.1 研究區(qū)域概況

本文選取的研究區(qū)域是某市雙向四車道城市道路，路段總長1 500 m，橫斷面寬36 m，主要由機動車道、綠道、中央分隔帶和兩側綠化帶組成.研究區(qū)域面積為9.57公頃，其中不透水面積為6.31公頃、透水面積為3.26公頃；各個子匯水區(qū)的不透水面積率在39%～85%之間.各個子區(qū)域具有不同的地表特征，因此將每一部分劃分為獨立的子匯水區(qū)，在子匯水區(qū)域中可以根據需求設置不同LID措施，結合本文研究對象為道路區(qū)域，考慮機動車道荷載作用，在綠道采用透水鋪裝結構，中央分隔帶設置為生物滯留池，兩側綠化帶采用下沉式綠地.結合區(qū)域地形、土地利用類型調查結果和管網數據，利用泰森多邊形將研究區(qū)域劃分為17個子匯水區(qū)，17個節(jié)點和4個出水口，建立的研究區(qū)SWMM排水管網模型如圖1所示.

圖1 研究區(qū)域排水管網模型概化圖

1.2 模型邊界設定

模型上下邊界為城市市政排水管網的排水口，左右邊界為兩側道路紅線，雨水順路坡進行排放.

1.3 模型參數率定

采用Horton入滲模型來模擬地表降水的下滲過程，需要輸入的參數包括最大入滲速率、穩(wěn)定入滲參數和入滲衰減系數[9]等，見式(1).

f=f1+(f0-f1)e-kt

(1)

f0為最大入滲速率(mm·h-1)；f1為穩(wěn)定入滲速率；k為入滲衰減系數(h-1)；t為入滲歷時(h).通過查閱資料得到該地區(qū)土質為砂質壤土[10]， 取f0=76.8 mm·h-1，f1=3.3 mm·h-1，k=4 h-1.模擬過程采用運動波進行流量計算，研究區(qū)域各部分的主要參數見表1.

1.4 LID措施參數設置

文獻[11]的研究表明，下沉式綠地相對于平式和普通綠地削減徑流量和洪峰流量的效果更佳[11].因此，LID措施設計主要對傳統(tǒng)的排水設計進行改進，將設置在機動車道與非機動車道的綠化隔離帶改造為生態(tài)排水系統(tǒng)；考慮機動車道需承受荷載作用，僅將非機動車道改造為透水鋪裝.結合運行維護便利性，海綿城市道路中LID措施的布設選為透水鋪裝、生物滯留池和下沉式綠地.LID措施設計參數見表2～表4.

表1 模型主要參數

類型參數單位取值坡度/%1不透水下墊面面積比例%39～85曼寧系數-0.013洼蓄量mm1.27透水下墊面最大入滲速率mm·h-176.8穩(wěn)定入滲速率mm·h-13.3衰減速率常數h-14地表干燥期d7曼寧系數-0.15洼蓄量mm7.62管渠最大深度m0.4粗糙系數-0.024

表2 生物滯留池參數

表層土壤層蓄水層底部排水層蓄水深度/mm200厚度/mm300 高度/mm350 排水系數/(mm·h-1)18.7植被覆蓋深度0.2孔隙率0.43 孔隙比0.75 排水指數0.5表面粗糙系數0.24產水能力0.2 導水率/(mm·h-1)300 暗渠偏移高度/mm100表面坡度/%1枯萎點0.09 堵塞因子0 導水率/(mm·h-1)10.5 導水率坡度5 吸水頭/mm90

表3 透水鋪裝參數

表層透水鋪裝層蓄水層底部排水層蓄水深度/mm2厚度/mm160高度/mm250 排水系數/(mm·h-1)15.8植被覆蓋深度0孔隙率0.33孔隙比0.5 排水指數0.5表面粗糙系數0.013不透水表面系數0導水率/(mm·h-1)250 暗渠偏移高度/mm50表面坡度/%1.5滲透性/(mm·h-1)250堵塞因子0 堵塞因子0

表4 下沉式綠地參數

表層土壤層蓄水層底部排水層蓄水深度/mm100厚度/mm250高度/mm450排水系數/(mm·h-1)0植被覆蓋深度0.85孔隙率0.43孔隙比0.75排水指數0表面粗糙系數0.24產水能力0.11導水率/(mm·h-1)250暗渠偏移高度/mm0表面坡度/%1枯萎點0.05堵塞因子0導水率/(mm·h-1)30導水率坡度5吸水頭/mm61

1.5 降雨雨型的選取

根據研究區(qū)域的暴雨強度設計公式，采用芝加哥雨型生成器(式(2))生成降雨歷時120 min、峰值比例為0.4[12]的3種重現(xiàn)期下的降雨雨型(5R、10R、20R).模擬計算均采用以上三種不同重現(xiàn)期下的雨型，計算時間步長為1 min，降雨雨型見圖2.

(2)

式中，q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；p為降雨重現(xiàn)期；t為降雨歷時，min.

圖2 研究區(qū)域不同重現(xiàn)期下的降雨雨型

2 LID措施組合水文水質模擬分析

在加入LID措施之前，先對傳統(tǒng)模型進行模擬分析.發(fā)現(xiàn)在5R降雨下，當雨量達到峰值時，有8個節(jié)點產生積水；10R降雨下有10個節(jié)點產生積水且一個節(jié)點積水嚴重；20R降雨下有11個節(jié)點產生積水且2個節(jié)點積水嚴重；傳統(tǒng)道路設施方案在不同重現(xiàn)期下的徑流系數均大于0.8，普通的道路綠化沒有起到減少和滯留地表徑流的作用.

根據道路上所配選的三種LID措施，對傳統(tǒng)措施與LID措施組合情況進行對比分析.共設置三種工況：①傳統(tǒng)措施；②透水鋪裝與生物滯留池組合措施；③透水鋪裝與下沉式綠地組合措施.按照每個匯水區(qū)的面積，對不透水面積及相應的綠地面積進行配比不同的LID措施.根據道路設施的布設情況，將人行道和自行車道改設為透水鋪裝，綠化區(qū)按百分比進行劃分.

2.1 水文模擬

在5R、10R、20R三種不同重現(xiàn)期降雨下，對徑流量、徑流系數和峰值流量進行對比分析(見表5).發(fā)現(xiàn)加入兩種LID組合措施后，區(qū)域內的徑流量削減率在37.1%～48.6%之間，徑流削減效果明顯，LID組合措施的徑流系數可降低至0.42，峰值流量削減率可達到34.4%.由表5可知，透水鋪裝與生物滯留池組合對徑流量的削減能力大于透水鋪裝與下沉式綠地組合；透水鋪裝與生物滯留池組合對不同重現(xiàn)期降雨的徑流量削減率變化不大，在48.5%左右；透水鋪裝與下沉式綠地組合隨降雨強度的增加削減率逐漸降低.

加入兩種LID組合措施后，分析了不同降雨重現(xiàn)期下研究區(qū)域內節(jié)點內澇情況，5R降雨下在降雨達到峰值時區(qū)域內節(jié)點積水個數降低至6個；10R降雨下節(jié)點積水個數降低至7個，有一

表5 不同降雨重現(xiàn)期下傳統(tǒng)措施與組合措施水文量值的對比

水文量值重現(xiàn)期傳統(tǒng)措施透水鋪裝與生物滯留池透水鋪裝與下沉式綠地徑流量/mm(削減率/%)P=5R1222.03630.71(48.40)698.82(42.80)P=10R1404.62723.34(48.50)848.31(39.60)P=20R1587.65816.14(48.60)998.33(37.10)徑流系數(削減率/%)P=5R0.820.42(46.30)0.47(48.80)P=10R0.840.43(45.40)0.51(45.40)P=20R0.850.44(47.10)0.54(44.70)峰值流量/(m3·s-1)(削減率/%)P=5R0.3120.205(34.30)0.205(34.30)P=10R0.3720.244(34.40)0.244(34.40)P=20R0.4320.284(34.30)0.302(30.1)下滲量/mm(增長率/%)P=5R181.27318.66(76)363.2(100)P=10R182.29348.28(91)394.63(116)P=20R183.11377.74(106)425.97(133)

個節(jié)點積水嚴重；20R降雨下節(jié)點積水個數降低至8個，有一個節(jié)點積水嚴重.由此可知在加入兩種LID組合措施后對道路節(jié)點積水的削減作用較為明顯.

由表5下滲量可知，兩種LID組合措施對提高雨水的下滲能力作用明顯，下滲增長率在76%～133%之間；透水鋪裝與下沉式綠地組合措施的下滲能力強于透水鋪裝與生物滯留池組合措施.

2.2 水質模擬

根據研究區(qū)域內雨水污染物等資料的分析結果，在模型中加入三種雨水污染物：SS、COD、TN，分析不同LID組合措施對污染物的去除作用.

傳統(tǒng)措施下道路區(qū)域徑流污染物的含量偏大，在5R降雨下SS、COD、TN的徑流污染物含量占各污染物總量的81.8%，下滲污染物含量占各污染物總量的12.1%，見圖3.在10R降雨下SS、COD、TN的徑流污染物含量占各污染物總量的83.6%，下滲污染物含量占各污染物總量的10.8%；在20R降雨下SS、COD、TN的徑流污染物含量占各污染物總量的85.1%，下滲污染物含量占各污染物總量的9.8%.由此可知，隨著雨強的增大，徑流污染物含量不斷增加，下滲污染物含量不斷降低，主要是由于隨雨強增大，土壤的孔隙被污染物堵塞， 阻礙污染物的下滲， 導致徑流污染物含量增加，下滲污染物含量降低.

圖3 5R降雨下傳統(tǒng)措施污染物含量分析圖

兩種不同LID組合措施對污染物的去除能力基本相同，在5R、10R、20R降雨下對污染物去除率均為44.8%左右.徑流污染物含量和下滲污染物含量對比分析結果見圖4.

圖4 5R降雨下組合措施②(透水鋪裝+生物滯留池)和③(透水鋪裝+下沉式綠地)徑流污染物含量與下滲污染物含量對比圖

由圖4可知各污染物的徑流含量，在加入透水鋪裝與生物滯留池組合措施后，5R降雨下SS、COD和TN徑流含量削減率為49.1%；在加入透水鋪裝與下沉式綠地組合措施后，5R降雨下SS、COD和TN徑流含量削減率為43.7%.透水鋪裝與生物滯留池組合措施對徑流污染物含量削減效果優(yōu)于透水鋪裝與下沉式綠地組合措施.

由圖4可知，在加入透水鋪裝與生物滯留池組合措施后，5R降雨下SS、COD和TN下滲污染物含量增長率為83.5%；在加入透水鋪裝與下沉式綠地組合措施后，5R降雨下SS、COD和TN下滲污染物含量增長率為108.8%.透水鋪裝與下沉式綠地組合措施對提高污染物下滲量優(yōu)于透水鋪裝與生物滯留池組合措施.

在10R降雨下，透水鋪裝與生物滯留池組合措施對SS、COD和TN徑流含量削減率為49.2%，下滲污染物含量增長率為99.7%；透水鋪裝與下沉式綠地組合措施對SS、COD和TN徑流含量削減率為40.5%，下滲污染物含量增長率為125.9%.20R降雨下，透水鋪裝與生物滯留池組合措施對SS、COD和TN徑流含量削減率為49.3%，下滲污染物含量增長率為115.9%；透水鋪裝與下沉式綠地組合措施對SS、COD和TN徑流含量削減率為38.0%，下滲污染物含量增長率為143.1%.具體見圖5.

圖5 不同降雨重現(xiàn)期下組合措施②(透水鋪裝+生物滯留池)和③(透水鋪裝+下沉式綠地)徑流含量削減率和下滲損失增長率對比圖

由圖5可知，隨著雨強的增大，透水鋪裝與生物滯留池組合措施對各污染物徑流含量的削減率基本保持不變，下滲污染物含量增長率不斷增加，增長率為16.2%；透水鋪裝與下沉式綠地組合措施對各類污染物徑流含量的削減率不斷降低，下滲污染物含量增長率為17.1%.

3 LID措施組合的區(qū)域適應性分析

我國南北方城市存在氣候差異，年降雨量從南向北遞減；北方城市降雨少且蓄水能力差，而南方城市降雨多且歷時較長.生物滯留池措施可通過植物、土壤和微生物系統(tǒng)對道路徑流進行蓄滲并凈化雨水中的污染物，在雨水豐富時期將雨水滯留在池里面可降低管網的排水壓力；下沉式綠地措施可收集道路雨水，并進行下滲補給地下水，也可進一步設置地下雨水回收設施，將雨水進行二次利用[13].

根據南北方地區(qū)降雨特點以及前述水文水質模擬結果可知，透水鋪裝與生物滯留池組合在南方地區(qū)對削減徑流量和徑流污染物含量的效果優(yōu)于透水鋪裝與下沉式綠地組合措施，以目前我國南方地區(qū)雨水多降雨頻繁的特點，透水鋪裝與生物滯留池組合措施可以將雨水滯留在池里面形成小型水生態(tài)景觀，不僅可削減地表徑流量而且對改善道路生態(tài)有一定的優(yōu)勢.相對于南方地區(qū)，北方地區(qū)的雨水資源較少、蒸發(fā)量大，道路雨水應注重下滲收集，透水鋪裝與下沉式綠地組合措施在對道路雨水進行匯集下滲的同時，可設置地下雨水收集模塊，盡量減少雨水的蒸發(fā)并收集更多的雨水資源，以便后期的二次利用.

綜上分析，透水鋪裝與生物滯留池組合措施適合用于南方多雨地區(qū)，透水鋪裝與下沉式綠地組合措施適合用于北方少雨地區(qū).

4 結束語

傳統(tǒng)措施與LID組合措施的水文模擬結果表明，LID組合措施可有效削減降雨產生的地表徑流，并提高區(qū)域雨水的下滲能力；透水鋪裝與生物滯留池組合措施對徑流的削減強于透水鋪裝與下沉式綠地組合措施，但后者對區(qū)域下滲能力提高效果優(yōu)于前者.水質模擬結果表明，透水鋪裝與生物滯留池組合措施對徑流污染物含量削減效果優(yōu)于透水鋪裝與下沉式綠地組合措施，但后者對提高污染物下滲損失的效果更好.因此，在北方雨水短缺地區(qū)促進雨水下滲更為重要，更適宜采用透水鋪裝與下沉式綠地組合措施；而在南方雨水豐富地區(qū)，透水鋪裝與生物滯留池組合措施對削減地表徑流及去除污染物效果更佳，因此適宜采用透水鋪裝與生物滯留池組合措施.