盧巧慧，黃奕龍,，彭知任

(1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518008；2.懷化市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 懷化 418000)

近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快、城市人口的增加和城市硬化面積迅速擴(kuò)展，城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)和面源污染加大，影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及居民生活，甚至威脅城市安全[1-2]。為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的城市水問(wèn)題，中國(guó)提出了海綿城市建設(shè)并將其作為生態(tài)文明的重要組成部分[3-4]。通過(guò)在源頭、過(guò)程和末端綜合運(yùn)用“綠色”+“藍(lán)色”生態(tài)與灰色設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市雨水徑流總量、峰值和污染物的綜合控制，明顯增強(qiáng)城市的“彈性”和“韌性”[5]。

與英國(guó)的可持續(xù)排水系統(tǒng)、美國(guó)的低影響開發(fā)和澳大利亞的水敏城市設(shè)計(jì)等相比，中國(guó)的海綿城市建設(shè)集成了滯、滲、蓄、凈、用、排的綜合理念，近年來(lái)在基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)和績(jī)效評(píng)估等方面取得大量進(jìn)展[1-7]。由于建設(shè)區(qū)域和監(jiān)測(cè)尺度的差異性，以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的局限、難度和成本，模型模擬成為海綿城市建設(shè)效果評(píng)估的有效工具，尤其對(duì)于城市LID設(shè)施的評(píng)估和預(yù)測(cè)至關(guān)重要[8-10]。當(dāng)前雨洪管理模型Info Works系列模型[11-12]、Mike Urban系列模型[13]、SWMM[14-16]、SUSTAIN[17]等應(yīng)用廣泛，其中SWMM模型因模擬精度高和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在中國(guó)陸續(xù)開展了相關(guān)應(yīng)用研究[18-20]。然而，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究大多關(guān)注海綿建設(shè)前后的雨洪控制效果[21-24]，對(duì)海綿設(shè)施缺乏管養(yǎng)和退化后的雨洪效應(yīng)還鮮見(jiàn)報(bào)道。

本項(xiàng)研究以國(guó)家海綿城市建設(shè)第二批試點(diǎn)城市——深圳市光明區(qū)海綿城市示范點(diǎn)為研究對(duì)象，應(yīng)用SWMM模型模擬不同頻率降雨條件下，區(qū)域海綿設(shè)施建設(shè)及設(shè)施退化后等多種工況下的降雨徑流規(guī)律，以期為海綿城市建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)及SWMM模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為深圳市光明區(qū)鳳凰城海綿試點(diǎn)區(qū)域的一部分(圖1)，總面積約200 hm2。2015年前，研究區(qū)本底主要為山體、林地、綠地、舊村、工業(yè)區(qū)等；2016年，研究區(qū)建成新城公園、群眾體育中心、光明集團(tuán)保障房、萬(wàn)丈坡拆遷安置房、公園路等海綿示范項(xiàng)目，綜合應(yīng)用植草溝、下凹綠地、綠色屋頂、雨水花園、透水鋪裝和雨水調(diào)蓄池等海綿技術(shù)，完成海綿體建設(shè)面積109 hm2(覆蓋率達(dá)到總面積的54%)，區(qū)內(nèi)各種地塊面積見(jiàn)表1。

a)研究區(qū)在深圳市的位置示意

b)研究區(qū)位置放大后衛(wèi)星圖

表1 研究區(qū)各典型地塊面積統(tǒng)計(jì)

近年來(lái)由于自然退化及2020年新冠疫情等影響，研究區(qū)海綿城市建設(shè)后缺乏足夠的管養(yǎng)和維護(hù)，海綿設(shè)施出現(xiàn)以下問(wèn)題：①海綿設(shè)施植被退化、長(zhǎng)勢(shì)不佳，雨水調(diào)蓄空間被擠占；②滲透路面及雨水口破損、堵塞；③植草溝下凹深度及寬度不足等。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)海綿退化面積達(dá)78.8 hm2，占區(qū)域海綿建設(shè)面積(海綿完好范圍+海綿退化范圍+海綿道路退化范圍)的72.3%(圖2)。

圖2 研究區(qū)海綿退化范圍示意

1.2 SWMM模型簡(jiǎn)介

暴雨洪水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署研發(fā)的動(dòng)態(tài)降雨-徑流模擬的計(jì)算機(jī)程序，主要用于城市區(qū)域徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長(zhǎng)期模擬[25]。該模型主要應(yīng)用在排水系統(tǒng)及海綿設(shè)施的設(shè)計(jì)和尺寸確定、非點(diǎn)源污染物負(fù)荷計(jì)算等。同時(shí)，SWMM自身帶有多種低影響開發(fā)模塊，能對(duì)一組或多組低影響開發(fā)措施下城市地表徑流水質(zhì)水量調(diào)控效果進(jìn)行模擬和評(píng)估。

1.3 研究區(qū)域概化

根據(jù)研究區(qū)高程、坡度和下墊面情況等信息，采用人工劃分的方法進(jìn)行子匯水區(qū)概化，最終概化為23個(gè)子匯水區(qū)。另外，根據(jù)研究區(qū)排水管網(wǎng)資料，對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行概化，共布置有15條管道、16個(gè)雨水井節(jié)點(diǎn)和4個(gè)排水口，其中管道曼寧粗糙率取0.013，匯水區(qū)域的雨水經(jīng)過(guò)地面匯流然后進(jìn)入城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)(圖3)。

圖3 研究區(qū)SWMM模型概化

1.4 參數(shù)選取及率定驗(yàn)證

本次模型參數(shù)根據(jù)模型推薦、國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)類似工程[26-28]、研究區(qū)海綿城市規(guī)劃報(bào)告等資料進(jìn)行選取，再采用課題組在2019年7月3日(11.4 mm，中雨)、2019年8月1日(32.8 mm，大雨)2場(chǎng)降雨條件下監(jiān)測(cè)的研究區(qū)實(shí)測(cè)徑流及水質(zhì)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比分析，分別進(jìn)行模型率定及驗(yàn)證，判別準(zhǔn)則采用納什效率系數(shù)NSE及相對(duì)偏差BIAS[29-30]，計(jì)算公式分別見(jiàn)式(1)、(2)，其中NSE值越接近1，BIAS絕對(duì)值越接近于0，表明模型擬合程度越好，模擬數(shù)據(jù)越接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)NSE>0.5且BIAS絕對(duì)值小于0.15時(shí)，構(gòu)建的模型能夠較好地得以應(yīng)用[30]。

(1)

(2)

a)水文模型。研究區(qū)水文模型率定及驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4，率定期內(nèi)NSE、BIAS分別為0.79、0.10，驗(yàn)證期內(nèi)NSE、BIAS分別為0.62、0.11，模型率定驗(yàn)證結(jié)果均滿足NSE>0.5且BIAS絕對(duì)值小于0.15的目標(biāo)要求，說(shuō)明水文模型的模擬效果符合預(yù)期結(jié)果。最終參數(shù)選取見(jiàn)表2，海綿設(shè)施參數(shù)選取見(jiàn)表3。

a)率定結(jié)果(降雨量11.4 mm)

b)驗(yàn)證結(jié)果(降雨量32.8 mm)

表2 子匯水區(qū)水文參數(shù)取值

表3 海綿設(shè)施模擬參數(shù)取值

b)水質(zhì)模型。SWMM模型通過(guò)污染物的累積和沖刷2個(gè)過(guò)程來(lái)模擬面源污染負(fù)荷。本次模擬選用飽和累積函數(shù)和指數(shù)沖刷函數(shù)來(lái)模擬污染物(以SS作為污染物代表性指標(biāo))的產(chǎn)生和傳輸。研究區(qū)的下墊面類型可分為道路、屋面、普通綠地、滲透鋪裝、綠色屋頂、雨水花園和植草溝等。每種類型包含2個(gè)累積參數(shù)(最大累積量和累積速率常數(shù))和2個(gè)沖刷參數(shù)(沖刷系數(shù)和沖刷指數(shù))，道路還包括1個(gè)道路清掃參數(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[26-28]確定SS累積和沖刷的初始值，再采用與水文模型一致的2場(chǎng)降雨條件對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行率定及驗(yàn)證，率定期內(nèi)NSE、BIAS分別為0.65、0.15，驗(yàn)證期內(nèi)NSE、BIAS分別為0.60、0.13，雖然水質(zhì)模型模擬效果相比水文模型均有不同程度的下降，但其結(jié)果仍滿足NSE大于0.5且BIAS絕對(duì)值小于0.15的要求(圖5)，說(shuō)明水質(zhì)模型的模擬效果符合預(yù)期結(jié)果。選取的水質(zhì)模型參數(shù)見(jiàn)表4。

a)率定結(jié)果(11.4 mm)

b)驗(yàn)證結(jié)果(32.8 mm)

表4 水質(zhì)模型參數(shù)選取結(jié)果

1.5 降雨資料選取

選擇距離研究區(qū)最近的石巖水庫(kù)雨量站資料，該站于1960年建設(shè)，至今已有60年實(shí)測(cè)雨量觀測(cè)系列，資料精度滿足規(guī)范要求，因此選取該站1960—2019年的年降雨資料作為本次研究的降雨分析依據(jù)。經(jīng)過(guò)年降雨量P-III擬合，確定1960年為典型平水年，經(jīng)過(guò)比例縮放后得到典型平水年全年降雨量為1 556.59 mm，作為SWMM模型的降雨序列條件。降雨量頻率配線及典型平水年降雨分布見(jiàn)圖6。

a)降雨量頻率配線結(jié)果

b)典型平水年降雨分布

1.6 工況設(shè)計(jì)

將研究區(qū)2015年以前未建設(shè)海綿的工況設(shè)為D1，2016年海綿工程建設(shè)后的工況設(shè)為D2，海綿設(shè)施出現(xiàn)退化的工況設(shè)為D3。其中D1、D2、D3工況的非海綿地塊采用率定驗(yàn)證后的參數(shù)(表2)，D2工況的海綿地塊在表2參數(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)研究區(qū)域海綿城市示范工程的設(shè)計(jì)方案[31]而進(jìn)行部分調(diào)整(表5)，D3工況的海綿地塊采用率定驗(yàn)證后的參數(shù)(表2、3)。為探討不同海綿狀況對(duì)降雨徑流量及SS污染的控制效果，以率定驗(yàn)證后的SWMM模型為基礎(chǔ)，采用平水年降雨數(shù)據(jù)作為模型輸入邊界，模擬分析研究區(qū)D1—D3三種海綿建設(shè)條件下的降雨徑流量及SS污染分布情況。另外，為探討研究區(qū)海綿建設(shè)對(duì)降雨頻率的響應(yīng)，采用1、2、5、10 a等不同重現(xiàn)期降雨頻率作為輸入，模擬分析研究區(qū)建設(shè)海綿后D2工況的降雨徑流及SS污染產(chǎn)出情況。

表5 D2工況海綿設(shè)施模擬參數(shù)取值

2 結(jié)果與分析

2.1 平水年降雨條件下的海綿建設(shè)水文水質(zhì)效應(yīng)

應(yīng)用SWMM模型模擬典型平水年降雨條件下D1—D3三種工況的徑流和污染控制效果(表6)，從模擬結(jié)果來(lái)看，D1、D2、D3三種工況年徑流控制率分別為50.1%、77.0%、67.5%，年SS總量去除率分別為58.3%、81.2%、69.5%。對(duì)比D1、D2工況可知，研究區(qū)在落實(shí)海綿城市建設(shè)后，年徑流控制率提高26.9%，年SS總量去除率提高22.9%，表明海綿城市建設(shè)明顯增加了雨水的入滲和滯蓄，減少了地表徑流量，能有效削減降雨徑流量及徑流污染負(fù)荷[32]。對(duì)比D2、D3工況可知，在海綿設(shè)施退化的情況下，年徑流控制率減少了9.5%，年SS總量去除率降低了11.7%，表明海綿設(shè)施退化抑制了研究區(qū)徑流和污染控制效果。根據(jù)《深圳市海綿城市建設(shè)項(xiàng)目施工、運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)程》[33]，海綿設(shè)施應(yīng)保證每年至少2次檢測(cè)和評(píng)估，在雨前及雨后應(yīng)進(jìn)行海綿設(shè)施運(yùn)行工況檢查和維護(hù)；同時(shí)應(yīng)定期清理植被層枯枝落葉，防止流失堵塞水落口和雨落管，并及時(shí)更換退化植被和鋪裝等。

表6 3種工況年徑流和污染控制效果統(tǒng)計(jì)

2.2 典型場(chǎng)次降雨條件下的海綿建設(shè)水文水質(zhì)效應(yīng)

為分析研究區(qū)海綿建設(shè)對(duì)降雨徑流的控制效果，利用SWMM模型分析建設(shè)海綿后D2工況在設(shè)定場(chǎng)次降雨條件下的產(chǎn)流特征。情景設(shè)置為降雨歷時(shí)2 h、峰值系數(shù)取0.35，降雨重現(xiàn)期分別為1、2、5、10 a的降雨條件，設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線見(jiàn)圖7。在上述設(shè)計(jì)條件下，模擬海綿設(shè)施對(duì)降雨條件的徑流控制作用，不同重現(xiàn)期降雨徑流分布、控制效果見(jiàn)圖8、9，SS濃度分布見(jiàn)圖10，分析結(jié)果見(jiàn)表7。

圖7 不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線

圖8 不同重現(xiàn)期降雨徑流分布

a)1 a重現(xiàn)期

b)2 a重現(xiàn)期

c)5 a重現(xiàn)期

d)10 a重現(xiàn)期

圖10 不同重現(xiàn)期SS濃度分布

表7 D3工況年徑流控制效果統(tǒng)計(jì)

由圖8—11、表7可知，不同降雨重現(xiàn)期下D2工況的徑流特征表現(xiàn)一致，降雨徑流及SS濃度分布均表現(xiàn)為隨著降雨量的增加而逐漸加大，然后在達(dá)到峰值后再逐漸下降，最后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定數(shù)值?？傮w有如下規(guī)律。①對(duì)比1、2、5、10 a的降雨徑流和SS總量去除率可以發(fā)現(xiàn)隨著降雨強(qiáng)度的增加，海綿體對(duì)降雨徑流和污染物的控制效果逐步下降。其原因在于海綿設(shè)施的雨水蓄滲滯能力可有效消納小強(qiáng)度降雨，但隨著降雨強(qiáng)度逐步增加，其雨水控制能力達(dá)到飽和。相對(duì)來(lái)說(shuō)，海綿設(shè)施對(duì)5 a重現(xiàn)期以下的降雨具有較好的徑流和污染控制效果[34]。②對(duì)比1、2、5、10 a的徑流峰值和峰值延后時(shí)間，發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度越大，徑流峰值延后時(shí)間越短、峰值削減率越小，其原因在于海綿設(shè)施蓄滲空間的有限性，可以有效延緩小強(qiáng)度的降雨徑流，對(duì)大強(qiáng)度的降雨徑流不敏感。③隨著降雨強(qiáng)度增大，SS最終穩(wěn)定值越低，這是因?yàn)殡S著降雨強(qiáng)度增大，徑流總量及污染負(fù)荷增加，且徑流總量增加的作用比污染負(fù)荷增量大，徑流稀釋SS的作用增強(qiáng)，在海綿體和降雨徑流雙重作用下促進(jìn)了SS濃度的降低[1,25,35]。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用SWMM模型模擬分析深圳市光明區(qū)海綿示范點(diǎn)在未建設(shè)海綿、建設(shè)海綿后及海綿退化后3種工況下降雨徑流和污染控制作用，所得結(jié)論如下。

a)年降雨情景模擬結(jié)果顯示，D1、D2、D3工況的年徑流控制率分別為50.1%、77.0%、67.5%，年SS總量去除率分別為58.3%、81.2%、69.5%，建設(shè)了海綿設(shè)施的D2、D3對(duì)比未建設(shè)海綿的D1工況年徑流控制率及年SS總量去除率均有明顯提升，表明海綿城市建設(shè)對(duì)降雨徑流控制和污染物削減具有顯著的效果；海綿退化的D3工況對(duì)比海綿設(shè)施完好的D2工況，年徑流控制率減少了9.5%，年SS總量去除率降低了11.7%，說(shuō)明海綿設(shè)施缺乏后續(xù)管養(yǎng)維護(hù)會(huì)明顯降低其控制效果。

b)不同重現(xiàn)期降雨情景模擬結(jié)果顯示，隨著降雨強(qiáng)度的增加，降雨徑流控制率和SS總量去除率均有變小趨勢(shì)，海綿設(shè)施對(duì)重現(xiàn)期5年以內(nèi)的小強(qiáng)度降雨控制效果較好，超過(guò)5年重現(xiàn)期或以上，隨著降雨強(qiáng)度增大，其徑流控制率、峰值延后時(shí)間、峰值削減率和SS總量去除率均有所降低。

c)1、2、5、10 a重現(xiàn)期SS濃度的最終穩(wěn)定值分別為41.9、27.9、17.4、11.8 mg/L，表明隨著降雨強(qiáng)度增大，在海綿體和降雨徑流雙重作用下，SS最終穩(wěn)定值越低。

文章揭示了海綿城市退化對(duì)地表徑流控制的抑制作用，為科學(xué)指導(dǎo)區(qū)域海綿城市建設(shè)及其運(yùn)行維護(hù)提供借鑒，對(duì)促進(jìn)海綿城市后期管理養(yǎng)護(hù)體系完善具有一定的實(shí)際意義。