嚴(yán)一鳴,左明明,管冰鏡,張義悅,王鑫瑜,朱曙光
(1. 安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院,安徽合肥 230601;2.安徽省水污染控制與廢水資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥 230601;3.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽合肥 230601)
近幾年,隨著國(guó)家對(duì)海綿城市建設(shè)的大力推進(jìn),海綿城市建設(shè)中的低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)(low impact development,LID)得到了廣泛關(guān)注及應(yīng)用。LID措施能有效實(shí)現(xiàn)“滲、蓄、滯、凈、用、排”等目標(biāo),是解決城市水害、水質(zhì)惡化等問(wèn)題的有力措施,有利于在源頭削減雨水徑流、凈化雨水水質(zhì)、保護(hù)城市的水文機(jī)制[1-3]。
在LID措施中,種植屋面是一種有效手段,得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注與實(shí)踐。李俊生等[4]進(jìn)行了種植屋面的截留截污研究,研究表明種植屋面對(duì)于中小型降雨具有良好的削減能力。章孫遜等[5]則分析了不同植被類型的種植屋面在徑流量和水質(zhì)方面的影響程度。傳統(tǒng)的種植屋面具有良好的截留截污能力,但建造工藝繁瑣復(fù)雜,構(gòu)造結(jié)構(gòu)高達(dá)11層,一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)層損壞,則較難修復(fù)。左明明等[6]對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,簡(jiǎn)化后的新型種植屋面的結(jié)構(gòu)僅有4層,同樣具有良好的處理能力。為評(píng)估傳統(tǒng)和新型種植屋面的性能,可以建立模型,通過(guò)軟件進(jìn)行模擬分析。常用的海綿城市模擬軟件有SWMM(storm water management model)、SCAD(sponge city aided design)、SWAT(soil and water assessment tool)等,其中,應(yīng)用最為廣泛的SWMM是美國(guó)環(huán)保局為解決日益嚴(yán)重的城市排水問(wèn)題而推出的暴雨徑流管理模型,可對(duì)單場(chǎng)暴雨或連續(xù)降雨產(chǎn)生的徑流進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者[7-13]利用SWMM進(jìn)行雨洪控制效果模擬,做了大量的工程研究。鴻業(yè)暴雨排水和低影響開(kāi)發(fā)模擬系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為“鴻業(yè)海綿軟件”)依據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》、《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》等規(guī)范文件,以 AutoCAD 為平臺(tái),可實(shí)施低影響開(kāi)發(fā)措施下的模擬計(jì)算。由于鴻業(yè)海綿軟件推出時(shí)間較短,相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐需進(jìn)一步檢驗(yàn)。
本文建立了傳統(tǒng)和新型2類種植屋面改造方案,通過(guò)SWMM軟件和鴻業(yè)海綿軟件分別進(jìn)行模擬分析,對(duì)不同建設(shè)情景的徑流控制及污染物削減能力進(jìn)行模擬評(píng)估和比較分析[8-10,13-15],為種植屋面在海綿城市建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。
本研究對(duì)象為安徽省合肥市某規(guī)劃改造小區(qū),共16棟樓,屋頂面積為7 680 m2,現(xiàn)狀屋面無(wú)任何截留措施,徑流系數(shù)為0.85。該區(qū)域地勢(shì)平坦,地表坡度為3%。2種改造方案分別采用傳統(tǒng)和新型種植屋面,其中,新型種植屋面主要是采用新型的防水涂料和瀝青化學(xué)阻根防水卷材[6],具有更優(yōu)化的結(jié)構(gòu),如圖1所示。
結(jié)合研究區(qū)域的地圖、降雨情況、土壤滲透性、街道清掃及面源污染情況等,利用SWMM和鴻業(yè)海綿軟件分別進(jìn)行分析建模。根據(jù)地形及雨水管網(wǎng)現(xiàn)狀,將研究區(qū)域按樓棟劃分為16個(gè)子匯水區(qū)域、12個(gè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)排出口、12個(gè)管段,研究區(qū)域的管網(wǎng)概化模型如圖2所示。
暴雨重現(xiàn)期分別取2、10、100 a,通過(guò)SWMM軟件和鴻業(yè)海綿軟件分別擬合出不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的雨水滯蓄和凈化效果,并進(jìn)行比較[15-17]。選用芝加哥雨型,采用合肥市的暴雨強(qiáng)度公式,如式(1)。
(1)
其中:q——暴雨強(qiáng)度,L/(s·ha),1 ha=0.01 km2;
P——重現(xiàn)期,取2、10、100 a;
t——降雨歷時(shí),取60 min。
基質(zhì)層厚度為100 mm,滲入模型采用常用的HORTON模型,參考案例和軟件用戶手冊(cè)[18],參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。
改造方案流量徑流系數(shù)為0.5,其中,傳統(tǒng)種植屋面土壤的孔隙率為0.5,新型種植屋面孔隙率為0.8。土壤滲透性為6.1 mm/h,初始屋面雨水CODCr和SS含量分別為366 mg/L和302 mg/L。
表1 HORTON模型Tab.1 HORTON Model
表2 地表水污染物參數(shù)模型率定結(jié)果[19-20]Tab.2 Model Calibration Results of Pollutant Parameters in Surface Water[19-20]
(1)當(dāng)重現(xiàn)期為2 a、降水為60 min時(shí),情景模擬結(jié)果如圖3所示。
圖3 重現(xiàn)期2 a降雨歷時(shí)1 h情況下的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation Results with a Return Period of 2 Years and Duration of Rainfall for 1 h
由圖3(a)可知,隨著降雨歷時(shí)的增加,總徑流量先上升再下降,2種改造方案均具有顯著的削減效果。其中,傳統(tǒng)種植屋面與無(wú)LID措施相比,徑流峰值減少了80%,新型與傳統(tǒng)種植屋面模擬趨近。由圖3(b)可知,傳統(tǒng)種植屋面與無(wú)LID措施相比,徑流峰值減少了78.9%;新型在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上,減少了2.78%??梢钥闯?,2個(gè)軟件的模擬結(jié)果相近。
(2)當(dāng)重現(xiàn)期為10 a、降水為60 min時(shí),情況模擬結(jié)果如圖4所示。
由圖4(a)可知,2種改造方案均具有良好的削減效果。其中,傳統(tǒng)種植屋面與無(wú)LID措施相比,峰值總徑流量減少了80%,新型與傳統(tǒng)模擬趨近。由圖4(b)可知,傳統(tǒng)在無(wú)LID的基礎(chǔ)上,峰值總徑流量減少了79.1%;新型在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上,減少了2.91%。
圖4 重現(xiàn)期為10 a降雨歷時(shí)1 h情況下的模擬結(jié)果Fig.4 Simulation Results with a Return Period of 10 Years and Duration of Rainfall for 1 h
(3)當(dāng)重現(xiàn)期為100 a,降水為60 min時(shí),情況模擬結(jié)果如圖5所示。
圖5 重現(xiàn)期100 a降雨歷時(shí)1 h情況下的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation Results with a Return Period of 100 Years and Duration of Rainfall for 1 h
由圖5(a)可知,傳統(tǒng)種植屋面與無(wú)LID措施相比,峰值總徑流量減少了78.9%,新型與傳統(tǒng)相比,減少了6.6%。由圖5(b)可知,傳統(tǒng)在無(wú)LID的基礎(chǔ)上,峰值總徑流量減少了79.3%;新型在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上,減少了2.7%。
基于前述不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下總徑流量的變化,為了直觀地比較3種方案的產(chǎn)流量,進(jìn)而分析2種改造方案的處理效果,做出不同降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)流變化分析,如圖6所示。
圖6 不同重現(xiàn)期下產(chǎn)流量模擬結(jié)果Fig.6 Simulation Results of Runoff Flow under Different Return Periods
由圖6可知,2種軟件對(duì)3種情況下產(chǎn)流量模擬結(jié)果趨勢(shì)相似。在相同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下,無(wú)LID措施時(shí)徑流量及產(chǎn)流量較高,且隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加。由圖5可知,相同重現(xiàn)期下的總徑流量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在35 min左右到達(dá)峰值。傳統(tǒng)種植屋面和新型種植屋面方案對(duì)徑流削減效果顯著,其中,傳統(tǒng)種植屋面對(duì)徑流峰值的削減達(dá)到80%左右,對(duì)總產(chǎn)流量的削減在78%左右;新型種植屋面在傳統(tǒng)屋面的基礎(chǔ)上,對(duì)徑流峰值和總產(chǎn)流量的削減率進(jìn)一步提高2.8%和11.2%。這主要得益于新型種植屋面基質(zhì)的高孔隙率以及優(yōu)化的結(jié)構(gòu)層[11,13]。傳統(tǒng)種植屋面的土壤孔隙率僅為0.5,而新型種植屋面的孔隙率高達(dá)0.8,提高了60%的孔隙率,因此,具有更好的雨水滯蓄能力。同時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)層的優(yōu)化,使得新型種植屋面的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,與傳統(tǒng)種植屋面相比,減少了7層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此,更利于雨水的下滲及儲(chǔ)蓄,從而提高了削減效果。
為了驗(yàn)證軟件模擬與實(shí)際結(jié)果的差異,選取了合肥市2019年7月12日、2019年8月5日、2019年8月28日3次的自然降雨產(chǎn)流量情況,將3次降雨的產(chǎn)流量取平均值,進(jìn)而與2個(gè)軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行比較,如圖7所示。
圖8 地表徑流COD含量模擬Fig.8 Simulation of Surface Runoff COD Content
圖7 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與軟件模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between Measured Data and Software Simulation Results
由圖7可知,2種軟件的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值接近,均可作為實(shí)際工程建設(shè)中的輔助參考。
選用雨水污染指標(biāo)COD和SS的濃度變化進(jìn)行模擬分析。
3.2.1 不同重現(xiàn)期下COD削減模擬
為了直觀地比較無(wú)LID措施、傳統(tǒng)屋面和新型屋面對(duì)雨水中污染物的處理效果,做出3種類型屋面地表徑流COD含量變化,如圖8所示。
在SWMM模擬結(jié)果中,由于SWMM在最大增長(zhǎng)參數(shù)設(shè)置中未計(jì)入初始增長(zhǎng),數(shù)值相對(duì)于鴻業(yè)模擬結(jié)果較小。由圖8可知,2種軟件對(duì)3種地表類型COD含量變化模擬結(jié)果趨勢(shì)相似。隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增加,地表徑流COD含量隨之增大,2種改造方案均具有良好的削減效果。圖8(a)SWMM中,傳統(tǒng)種植屋面的削減率為76.5%~77.1%,新型在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高了11.5%~12.1%。由圖8(b)可知,若以傳統(tǒng)種植屋面為改造方案,對(duì)COD的削減率約為87.9%~89.7%。新型種植屋面在傳統(tǒng)種植屋面的基礎(chǔ)上,能提高10%~12%。結(jié)果表明,新型種植屋面對(duì)雨水COD有更好的處理效果。
為了驗(yàn)證2種軟件對(duì)COD削減的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差異,對(duì)3次自然降雨后進(jìn)出水COD濃度變化進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表3所示。
表3 COD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Measured Data of COD
圖9 地表徑流SS含量模擬Fig.9 Simulation of SS Content in Surface Runoff
由表3可知,對(duì)于傳統(tǒng)種植屋面,COD的削減率為76.1%~76.9%;對(duì)于新型種植屋面,COD的削減率為88.0%~89.3%。實(shí)測(cè)結(jié)果與2個(gè)軟件的模擬結(jié)果相近,軟件模擬均具有可靠性。
3.2.2 不同重現(xiàn)期下SS削減模擬
不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的SS濃度變化模擬結(jié)果如圖9所示。
由圖9可知,2個(gè)軟件的模擬結(jié)果趨勢(shì)相近,隨著重現(xiàn)期的增大,地表徑流中SS的含量也隨之增加。2種改造方案均具有良好的削減效果。SWMM模擬中,由于軟件本身未將初始增長(zhǎng)計(jì)入,模擬數(shù)據(jù)偏小。由圖9(a)可知,與無(wú)LID措施相比,傳統(tǒng)種植屋面對(duì)SS的削減率達(dá)到了75%~77.1%;新型在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上削減率提高了11.5%~13.4%。由圖9(b)可知,傳統(tǒng)在無(wú)LID措施基礎(chǔ)上,對(duì)SS的削減率約為82%~87.1%,新型比傳統(tǒng)提高了13.2%~15.9%。由此可知,新型種植屋面對(duì)雨水SS有更好的處理效果。
為了驗(yàn)證2種軟件對(duì)SS削減的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差異,對(duì)3次自然降雨后進(jìn)出水SS濃度變化進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表4所示。
由表4可知,對(duì)于傳統(tǒng)種植屋面,SS的削減率為74.9%~77.0%;對(duì)于新型種植屋面,COD的削減率為82.3%~86.9%。實(shí)測(cè)結(jié)果與2個(gè)軟件的模擬結(jié)果相近,軟件模擬貼合實(shí)際。
(1)針對(duì)規(guī)劃改造小區(qū),基于SWMM和鴻業(yè)海綿軟件模擬分析2類種植屋面改造方案的處理效果。結(jié)果顯示,2種方案對(duì)雨水的截留及截污效果顯著,其中,新型種植屋面的處理效果更佳。分析原因,主要是新型種植屋面的土壤孔隙率更高,且具有簡(jiǎn)化后優(yōu)良的結(jié)構(gòu)層,更有利于雨水的下滲及污染物的削減,增強(qiáng)了處理效果。
表4 SS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.4 Measured Data of SS
(2)在水文模擬中,對(duì)于2類種植屋面改造方案,SWMM軟件和鴻業(yè)海綿軟件模擬情況總體相近。其中,傳統(tǒng)種植屋面對(duì)徑流峰值和總產(chǎn)流量的削減分別達(dá)到80%、78%;新型種植屋面在傳統(tǒng)種植屋面的基礎(chǔ)上,對(duì)徑流峰值和總產(chǎn)流量的削減進(jìn)一步提升2.8%和11.2%。
(3)在水質(zhì)模擬中,2類種植屋面改造方案均具有良好的截污效果。其中,SWMM模擬結(jié)果顯示,傳統(tǒng)種植屋面對(duì)COD和SS的削減率分別約為77%和76%。鴻業(yè)模擬中計(jì)入了指標(biāo)的初始增長(zhǎng),因此,增大了總削減量,結(jié)果顯示,COD和SS的削減率分別為89%和85%。2個(gè)軟件對(duì)新型種植屋面處理效果的模擬接近,結(jié)果顯示,在傳統(tǒng)屋面基礎(chǔ)上削減率提高了12%。
(4)2種軟件作為 LID 技術(shù)在規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)用推廣的有效工具,均能較好地進(jìn)行雨水過(guò)程模擬,模擬細(xì)節(jié)的差異可以通過(guò)兩者的聯(lián)合使用進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),進(jìn)而為實(shí)際工程建設(shè)提供技術(shù)支持與指導(dǎo)。