周國升，呂 謀，劉志壯，岳宏宇(青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院，青島 266033)

進入21世紀以來，隨著城市進程的不斷加快，國內大多城市都存在洪澇問題，并且伴隨嚴重的污染物負荷.暴雨條件下，城市出現洪澇問題的原因是多方面的，例如排水管網的承載力有限，城市建設導致的透水性降低等.

減少城市區(qū)域內澇發(fā)生的次數，解決污染物負荷問題，增強城市區(qū)域的排水能力，并有效地利用雨水資源，使雨水從簡單排放到有效利用，國內外學者已經把此作為研究的重點方面.低影響開發(fā)(Low-Impact Development，LID)理念應運而生，在城市區(qū)域建設中布設綠色屋頂、道路透水鋪裝、雨水花園、雨水桶、自然排水系統等措施調控洪澇問題，有助于減輕城市洪澇對自然生態(tài)造成的不良影響，有利于自然生態(tài)的發(fā)展，具有不錯的社會、生態(tài)、環(huán)境和經濟效益.

研究模擬采用低影響開發(fā)(LID)措施對區(qū)域進行徑流控制.LID是一種持續(xù)影響的開發(fā)措施，它的目的是通過提高匯水區(qū)域的滲透率來更好地處理雨水，更好地模擬雨水自然流態(tài)，根據實地情況采用不同的方式，增加雨水形成徑流的時間，同時控制雨水沖刷的污染物.LID措施有很多方式，包括道路透水鋪裝、雨水花園、生物滯留設施、滲渠、植草溝等.

選取試驗區(qū)域，分別在無LID模式和LID模式下模擬，對比分析匯水區(qū)參數、檢查井積水數量和總積水量、管道負荷情況和徑流污染物濃度情況，研究分析LID對城市區(qū)域暴雨條件下水量水質的調控效果.

1 研究方法

1.1 構建耦合分析模型

在Global mapper中采用最新的街景圖作為繪制底圖，加載高程地圖，得到信息更準確的管網圖.在Global mapper軟件中繪制檢查井和管段并添加屬性數據后導入GIS系統，在GIS系統繪制匯水區(qū)域并根據實地情況進行調整，從Global mapper中獲取整個區(qū)域的高程數據，裁剪所需區(qū)域，并將其導入GIS中進行格柵裁剪，生成坡度，并復制到各個匯水區(qū)的屬性表.最后使用inp.PINS軟件將GIS生成的shp格式文件轉換成inp文件，在SWMM中設置，進行模型分析.模型構建流程如圖1所示.

圖1 模型構建流程

1.2 LID措施介紹

雨水徑流調控多采用低影響開發(fā)措施(LID)，低影響開發(fā)措施是通過改變下墊面滲透性來控制雨水徑流.LID措施改善下墊面情況，增大匯水區(qū)域下滲率來降低雨水徑流，控制污染物負荷，不僅能起到良好的調控效果，還符合可持續(xù)發(fā)展的要求.

LID措施的種類有很多，簡單介紹幾種主要的LID措施.

透水鋪裝又名透水路面，主要采用透水磚、透水瀝青、鵝卵石等透水率大的多空隙材料作為面層進行鋪裝的路面.透水鋪裝適用于承重較輕或交通流量較少的廣場、人行道、小區(qū)道路等路面，其中透水瀝青還可適用于交通路面等.

生物滯留設施，一般指在地勢低洼地區(qū)構建的植物-土壤蓄水設施，由多種類植物、土壤和微生物組成，攔截下滲、凈化雨水，可應用安裝于不同區(qū)域位置.其結構主要包括蓄水層、覆蓋層和原土層等，主要適用于不同建筑、社區(qū)廣場的內部區(qū)域和周邊綠地，以及城市道路綠化帶等.Davis等研究結果表明，生物滯留設施消納暴雨徑流效果明顯，有效延緩峰現時間[1].

雨水花園，由內而外一般為礫石層、砂層、種植土壤層、覆蓋層和蓄水層，同時設有穿孔管收集雨水，溢流管排除超過設計蓄水量的積水，能夠有效地去除徑流中的懸浮顆粒、有機污染物以及重金屬離子、病原體等有害物質.

2 構建模型

2.1 模型比較

比較SWMM傳統建模和Global mapper耦合SWMM建模的優(yōu)缺點：

傳統的SWMM建模常用的是導入底圖，根據底圖繪制檢查井、管段和匯水區(qū)，然后再輸入它們的基本屬性，設置其他參數進行模擬.這種方法的優(yōu)點是模型整體比較清晰，有底圖對應，能看清楚街景；缺點是檢查井、管段和匯水區(qū)的基本屬性都需要手動輸入，匯水區(qū)邊界的繪制容易存在誤區(qū).傳統的SWMM模型見圖2.

圖2 傳統的SWMM模型

Global mapper耦合SWMM模型是通過Global mapper，GIS，SWMM的層層導入建立的.這種方法的優(yōu)點是檢查井、管段和匯水區(qū)基本屬性的計算準確，模型圖的準確性較高；缺點是沒有底圖的對照效果，模型建立過程比較繁瑣.Global mapper耦合SWMM的模型見圖3.

由圖3統計得出試驗模型面積大約63.75 hm2，子匯水區(qū)6個，檢查井29個，排水管道30條，排放口6個.

2.2 降雨條件設置

依據研究區(qū)域降雨特點及水文、水質分析目標，最終選取對我國華北地區(qū)適用性極大的芝加哥降雨模型[2].芝加哥降雨模型中的暴雨強度公式見式(1).

(1)

式中：q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；t為降雨歷時，min；P為設計重現期，a；A，c，b和n均為地方性參數.

根據相關資料，青島地區(qū)取A=1 919.009，c=0.997，b=10 740，n=0.738，則青島暴雨強度公式為

(2)

降雨過程中存在雨峰，通過暴雨強度公式計算的降雨數據的雨峰系數r=0.34(雨峰系數范圍為0

圖4 區(qū)域降雨過程

2.3 模型參數設定

本研究的水文水力模塊采用Horton下滲模型[4]，模型最大下滲率為86.2 mm/h，最小下滲速率為3.332 mm/h，下滲衰減率取4/h，模型采用常用動力波演算模型.根據實地劃分土地使用類型為房屋、街道和綠地，制作土地使用類型污染物參數表(表1).

表1 土地使用類型污染物參數

2.4 LID措施選擇

青島地處北溫帶季風氣候區(qū)且因頻繁受到黃海洋面季風氣流影響，城市氣候溫和，四季分明，具有顯著的海洋性氣候特點.降雨時空分布極其不均，年均降雨量662.1 mm.試驗區(qū)域位于李滄工業(yè)園，道路多、綠化設施多、居住區(qū)少.模型選用透水鋪裝、生物滯留設施、雨水花園3種布置措施.對模型起始檢查井所在的匯水區(qū)布置LID措施，從初步的模擬結果看初始檢查井的最大高度均達到最高井深，但是初始檢查井的平均深度與其他檢查井基本沒有差距.LID措施布設情況見表2、圖3.

表2 LID措施布設情況

3 模擬結果分析

模型采用3年一遇的降雨強度，降雨歷時為2 h，模擬徑流時間4 h，對比分析LID模式和無LID模式的模擬情況.選取匯水區(qū)的徑流量和匯水區(qū)參數，查看所有檢查井的積水情況、統計積水檢查井的數量和總積水量，分析管道負荷，統計S0匯水區(qū)污染物沖刷量和污染物瞬時濃度變化，分析LID對城市區(qū)域暴雨條件下水量水質的調控效果.

3.1 匯水區(qū)模擬數據分析

選取初始檢查井所在的區(qū)域，對布置LID措施的匯水區(qū)S0進行數據分析，有無LID措施2種不同模式下匯水區(qū)徑流量變化曲線如圖5所示，匯水區(qū)流量數據變化如圖6所示.

由圖5可以看出，LID模式下S0匯水區(qū)徑流量始終小于無LID模式，由圖6可以看出LID模式下的S0匯水區(qū)總徑流量、洪峰徑流量比無LID模式分別減少53.5%，69.4%，徑流系數下降，總下滲量變化幅度不大，這與苗小波、冉小青、洪國喜等[5-7]的研究結論基本一致.

3.2 檢查井和管道負荷分析

查看有無LID模式下所有匯水區(qū)域檢查井積水情況，無LID模式有9個積水點，積水量達到4456 t；LID模式有4個積水點，積水量達到2659 t.有無LID模式J1井深變化如圖7所示.

相比無LID模式，LID模式有4個積水點，總積水量減少40.3%，有效緩解檢查井積水現象，本研究只是在28個匯水區(qū)中選取了10個起始檢查井所在的匯水區(qū)布置LID措施，積水點仍然存在，選擇這樣布置的方法起初是因為初始檢查井都容易滿流，但是從模擬結果看僅僅在初始檢查井所在的匯水區(qū)添加LID設施對解決檢查井溢流問題效果并不明顯.從圖7能夠看出J1檢查井的溢流時間由25 min縮減到2 min，溢流時間下降92%，溢流情況基本得到解決，LID模式整體井深都有所下降.

為了更清楚地看到檢查井和管道負荷的變化，導出同一時刻2種模式下從檢查井J1到排放口OUT5的管段剖面，如圖8和圖9所示.

圖8 無LID模式下管段剖面

圖9 LID模式下管段剖面

通過圖8和圖9的比較可以看出，無LID模式J1檢查井在該時刻仍然存在溢流現象.分析無LID模式J1檢查井溢流的原因主要有2點：①沒有LID措施的調控作用；②區(qū)域J1—J2管段管徑較小，雨水匯集之后不能及時排出.無LID模式管段內的水位明顯高于LID模式，這說明LID措施的調控作用明顯.如果把LID模式所有管段管徑都調成大管徑，即原先400 mm及以下的排水管增加100 mm，400 mm以上的排水管增加200 mm，則LID模式沒有積水點，檢查井溢流現象會消失，但是成本會很高，其他條件也不符合實際情況；如果所有匯水區(qū)都添加上LID措施，積水情況也會明顯改善，所以LID措施布置范圍和管段管徑大小是影響雨水合理排放的重要因素.

3.3 徑流污染物負荷分析

統計2種模式下S0匯水區(qū)徑流污染物沖刷量，如表3所示.

表3 S0匯水區(qū)徑流污染物沖刷量 kg

從表3可以看出，LID模式下S0匯水區(qū)徑流污染物沖刷量減少明顯；SS，COD，TN和TP分別減少401.413，69.5，3.12和3.399 kg，占無LID模式的56.4%，46.2%，42.8%和44.4%.

S0匯水區(qū)徑流污染物瞬時濃度變化如圖10所示.

由圖10可以看出，LID措施對徑流污染物截留作用明顯，這與姚煥玫、曹震震等[8-9]關于SWMM模型的研究結論一致，2種模式下污染物濃度的變化趨勢和峰值濃度時間是一致的，這主要是降雨強度(雨強變化是一致的)的增加導致的污染物沖刷增強.LID模式下的徑流污染物濃度都低于無LID模式，這說明LID措施能有效截留徑流污染物.4種徑流污染物SS，COD，TN和TP峰值濃度的最大降幅分別為35.7%，33.3%，34.3%，32.9%.

4 結論

通過比較Global mapper耦合SWMM建模和傳統SWMM建模，選用模型準確性更高的Global mapper耦合SWMM方法建模，在10個起始檢查井匯水區(qū)添加LID措施，分析添加LID措施對試驗區(qū)域的影響.

1) LID模式下S0匯水區(qū)徑流量始終小于無LID模式，LID模式下的S0匯水區(qū)總徑流量、洪峰徑流量比無LID模式分別減少53.5%，69.4%.相比無LID模式，LID模式下S0匯水區(qū)4種污染物SS，COD，TN和TP峰值濃度的最大降幅分別為35.7%，33.3%，34.3%，32.9%.LID措施對徑流量、洪峰徑流量、污染物沖刷量、徑流污染物濃度都有明顯的削減作用，降低徑流系數.

2) LID模式有4個積水點，總積水量減少40.3%，管段水位明顯下降.LID措施有效緩解了積水量，通過調整發(fā)現大管徑下檢查井溢流情況會消失，大范圍的LID措施布置會明顯改善積水情況.LID布置范圍和管徑是影響雨水合理排放的重要因素.