汪星，戎貴文，孫雙科，鄭鐵剛*，胡良宇

(1. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南232001；2. 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

近年來大規(guī)模城市建設(shè)導(dǎo)致地表不透水面積迅速增加，改變了這些地區(qū)的原有自然水文循環(huán)；雨水徑流產(chǎn)生侵蝕、洪水和增加污染負荷等有害影響[1-2].由于對水環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，城市雨水徑流管理已成為一個關(guān)鍵問題[3-4].2013年，中國政府啟動海綿城市(SPC)建設(shè)倡議，旨在改變城市雨水徑流量，使其模擬雨水自然循環(huán)過程[5].2014年，中國政府發(fā)布了“海綿城市建設(shè)指南”指導(dǎo)中國海綿城市建設(shè)[6-7].當前，全球許多國家已經(jīng)對低影響開發(fā)技術(shù)(LID)進行了廣泛研究，包括進行一系列試驗和對LID滲透行為及水質(zhì)改善情況的研究[8-9].

美國環(huán)境保護署(EPA)開發(fā)的SWMM模型在模擬城市雨洪中應(yīng)用廣泛.目前已有眾多學(xué)者運用SWMM 5.0(含LID模塊)模擬并評估了場降雨事件及連續(xù)降雨事件.徐多[10]利用SWMM模擬不同設(shè)計降雨條件下對萍鄉(xiāng)市北星小學(xué)的徑流控制效果；向晨瑤等[11]借助SWMM模型對清華大學(xué)校園進行了精密模擬，使用2場實測的降雨數(shù)據(jù)分析了集水區(qū)的產(chǎn)流過程和街道積水情況；趙樹旗等[12]初步研究了城市校園內(nèi)雨水徑流的污染情況.

當前，中國高校的傳統(tǒng)校區(qū)皆建于城市主城區(qū)，受歷史局限性等影響，校園內(nèi)建筑密度較大，排水管網(wǎng)設(shè)計標準較低.而近年來隨著中國高等教育事業(yè)的快速發(fā)展，高校規(guī)模不斷擴大，大部分高校開始興建新校區(qū).與傳統(tǒng)校區(qū)相比，新建校區(qū)一般位于市郊或大學(xué)城，占地面積較大，建筑密度低，公共空間大，有利于布置各種LID設(shè)施.因此，如何合理地在新建校區(qū)布設(shè)LID設(shè)施是亟須解決的問題.文中以安徽省淮南市安徽理工大學(xué)山南新校區(qū)為研究對象，基于SWMM模型模擬在不同降雨重現(xiàn)期下對地表徑流量和出口峰值流量的控制作用，以及對污染物的削減作用.

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域概況

以安徽理工大學(xué)校園為研究對象，研究區(qū)域占地總面積約1 979 740.80 m2，地勢呈現(xiàn)西高東低，其中綠地約1 117 186.14 m2，瀝青路面約235 365.01 m2，透水鋪裝約351 886.07 m2，建筑屋面約178 930.52 m2，其他區(qū)域約96 373.06 m2.

1.2 模型建立和評價標準

利用SWMM模型進行水文和水質(zhì)模擬.根據(jù)研究區(qū)域的土地利用狀況、排水管網(wǎng)布局和地面高程，建立研究區(qū)域的SWMM模型.研究區(qū)域概況如圖1所示，其中A1:綠地，A2：透水鋪裝，A3：瀝青路面，A4：水面，A5：屋面，A6：其他，分為16個子匯水區(qū)、15個雨水管段、16個節(jié)點及1個排水口.采用Nash-Sutcliffe系數(shù)(NSE)來確定水質(zhì)模型模擬結(jié)果的準確性，計算公式為

圖1 研究對象概況圖

(1)

1.3 LID措施的選取

常見的LID措施有雨水花園、綠色屋頂、雨水罐、下沉式綠地和植草溝等，由圖1可見，研究對象的主要研究區(qū)域為綠地、瀝青道路和建筑屋頂.應(yīng)用于綠地的常見LID措施為雨水花園和下沉式綠地.文獻資料表明，雨水花園一般應(yīng)用于住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)等小區(qū)域綠地，而下沉式綠地適用于大面積綠地區(qū)域，符合文中研究區(qū)域特點，且成本造價較雨水花園低，因此文中研究選擇下沉式綠地作為LID措施之一.另外，瀝青道路占本研究區(qū)域總面積的12%，植草溝可替代雨水管網(wǎng)，完成道路兩側(cè)雨水的輸送和排放，進而減輕排水管網(wǎng)的壓力，故為文中研究選擇的另一LID措施.常應(yīng)用于建筑屋頂?shù)腖ID措施為綠色屋頂和雨水罐，但綠色屋頂?shù)膽?yīng)用范圍小，成本造價和后期維護成本高，不適用于大面積建筑屋頂，因此選用適用范圍廣、成本低的雨水罐.綜上所述，文中研究將雨水罐、下沉式綠地和植草溝作為LID措施開展研究工作.

1.4 模型參數(shù)的選取

1.4.1 暴雨強度設(shè)計計算

(2)

式中：i為降雨強度，mm/h；t為降雨歷時，min；P為重現(xiàn)期，a.

城市內(nèi)澇產(chǎn)生的因素很多，除暴雨外，城市道路硬化面積增大、排水管網(wǎng)老化以及植被蓄水能力下降等都會對內(nèi)澇的產(chǎn)生存在一定的影響，同時，不能忽視雨型對內(nèi)澇產(chǎn)生的影響.文中結(jié)合實際選用芝加哥雨型，采用淮南市暴雨強度計算公式計算重現(xiàn)期P為5，10，20 a的淮南市降雨情景，繪制降雨過程線，雨峰相對位置取0.3，降雨歷時t取4 h，結(jié)果如圖2所示.

圖2 降雨過程的設(shè)計曲線

1.4.2 模型參數(shù)率定及驗證

水文模型和水質(zhì)模型的相關(guān)參數(shù)取值主要結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，參考SWMM模型用戶手冊中的推薦值及文獻，并由實測資料率定.降水入滲過程采用HORTON模型，地表徑流的匯流計算采用非線性水庫法[13]，模擬排水系統(tǒng)流量演算的模型使用動力波模型，模型主要參數(shù)取值：透水地表的洼地儲蓄量W透為5.08 mm，不透水地表的洼地儲蓄量W不透為1.27 mm，透水地表的曼寧系數(shù)n透為0.240，不透水地表的曼寧系數(shù)n不透為0.013，最大入滲率λmax為76 mm/h，最小入滲率λmin為18 mm/h，衰減系數(shù)K為4 h-1，排干時間T為7 d[14].

通過監(jiān)測2019年3月27日、7月6日2場降雨事件的徑流數(shù)據(jù)，對水文模型參數(shù)進行率定，2次率定結(jié)果顯示，NSE值分別為0.903 0和0.927 4，誤差較小，能夠滿足本研究需要；并且采用2019年5月8日、7月15日2場降雨事件的徑流數(shù)據(jù)對水文模型參數(shù)進行驗證.驗證結(jié)果如圖3所示，圖中q為降雨量，mm；D為徑流深度，mm，模擬徑流過程與實測徑流過程趨勢基本一致，2次驗證的NSE值分別為0.945 0和0.931 0，模型參數(shù)滿足要求，能夠滿足文中研究的需要.

圖3 水文模型參數(shù)驗證

在SWMM中，水質(zhì)過程模擬中考慮了降雨濕沉降等6種污染物來源,而文中污染物主要來源為地表徑流，故以此開展模型選擇.地表徑流污染模擬有污染物累積和沖刷2種，其中，污染物累積有冪函數(shù)累積、指數(shù)函數(shù)累積和飽和函數(shù)累積3種模型，作者對3種模型進行了對比發(fā)現(xiàn)，飽和函數(shù)累積模型預(yù)測效果較好，適用于文中模擬污染物的累積過程.另外，污染物沖刷模型包括指數(shù)沖刷模型、流量特性沖刷曲線模型和次降雨平均濃度模型，其中，流量特性沖刷曲線模型和次降雨平均濃度模型均僅考慮了徑流量對沖刷過程的影響，指數(shù)沖刷模型是唯一同時考慮污染物累積量和降雨徑流量對沖刷過程影響的模型，故選用指數(shù)沖刷模型開展模擬研究[15].

在生態(tài)保護部2018年發(fā)布的《國家水污染物排放標準制訂技術(shù)導(dǎo)則》中明確指出，水污染排放需要控制的全部污染物，首要控制污染物就是COD和NH3-N，其次控制污染物為TN和TP，即這4種污染物是文中重點關(guān)注對象.文中研究區(qū)域為校園，水污染排放大部分為生活污水，數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示生活污水中NH3-N占TN的80%以上，具有代表性，故此，選擇COD，NH3-N和TP進行水質(zhì)評價.

此外，鑒于研究區(qū)域整體尚未完工，故選取了近年降雨量具有代表性的幾場降雨實測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行率定與驗證.分別選取2019年4月25日和2019年4月27日2場降雨對水質(zhì)模型參數(shù)進行率定與驗證.驗證結(jié)果表明，NSE值大于0.500 0，均值為0.873，表明模型初設(shè)水質(zhì)參數(shù)可應(yīng)用于本研究.

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境效益

2.1.1 徑流量削減

圖4為4種LID實踐的徑流削減量，圖中H1為植草溝，H2為下沉式綠地，H3為雨水罐，H4為組合LID，RF為流量削減量.

圖4 4種LID實踐的徑流削減量

由于這些LID實踐設(shè)施面積和匯水區(qū)面積不同，且地表徑流產(chǎn)生在不同的降水深度下，為準確比較各LID實踐的徑流削減效果，在LID單位面積上對徑流削減效果進行分析，單位設(shè)施面積即1 m2的LID設(shè)施面積.圖4a顯示不同LID實踐單位設(shè)施面積徑流削減量，雨水罐由于容積有限，在重現(xiàn)期P為5 a時已達到飽和狀態(tài)，除雨水罐外，其余3種LID實踐的徑流削減量隨重現(xiàn)期的增加而增加.即4種LID實踐的單位面積削減量從大到小依次為雨水罐，植草溝，下沉式綠地，組合LID.

由于很難確定徑流削減量的變化是否可歸因于這4種LID實踐不同的徑流削減能力或不同的匯水區(qū)面積，因此，在匯水區(qū)單位面積上對徑流削減效果進行分析，單位匯水區(qū)面積即1 m2的匯水面積.圖4b顯示4種LID實踐在單位匯水區(qū)面積上的徑流削減量，雨水罐在重現(xiàn)期為5 a時已達到飽和狀態(tài)，其余3種LID實踐的徑流削減量隨重現(xiàn)期的增加而增加.所述4種LID實踐的單位匯水區(qū)面積徑流削減量從大到小依次為下沉式綠地、組合LID、植草溝、雨水罐.但是結(jié)合單位面積徑流削減量分析，最有效的LID實踐不是下沉式綠地，因為下沉式綠地是通過大的設(shè)施面積來得到較高的徑流削減量.無論從單位設(shè)施面積還是單位匯水區(qū)面積削減量，植草溝具有較大的徑流削減量，在徑流削減量方面效率最高，因為植草溝能在下滲的同時儲存部分徑流.

2.1.2 流量控制

圖5為應(yīng)用LID實踐前后水文效應(yīng)的模擬結(jié)果，圖中Q為流量，H5為無LID.在模擬應(yīng)用LID實踐前后的過程中，蒸發(fā)損失可忽略不計.如圖5所示，LID實踐對流量峰現(xiàn)時間有延時效應(yīng).在重現(xiàn)期為5, 10 a時，植草溝、下沉式綠地和組合LID 3種LID實踐對峰現(xiàn)時間的延時效應(yīng)十分明顯，而雨水罐對峰現(xiàn)時間的延時作用十分有限，主要是因為雨水罐僅應(yīng)用于屋面，且雨水罐能容納的徑流量較少.在重現(xiàn)期為20 a時，4種LID實踐的延時效應(yīng)均不明顯，此時，由于降雨強度較大，4種LID實踐達到飽和狀態(tài)，LID設(shè)施失去滯蓄作用.

此外，由圖5還可得出，LID實踐對流量的整體削減效果明顯.根據(jù)峰值流量，雨水罐并無削減效果，植草溝的削減能力極弱(不足5%)，而下沉式綠地和組合LID的削減率超過35%，具有良好的削減效果.根據(jù)出口總流量，4種LID實踐均有一定的削減效果，除下沉式綠地外，隨著重現(xiàn)期的增加，其余3種LID對出口總流量的削減率逐漸提高；對于下沉式綠地，隨著重現(xiàn)期增加，削減率有所下降，但是在3種重現(xiàn)期下，削減率均超過70%，能有效緩解城市管網(wǎng)排水負荷.因此，模擬結(jié)果進一步表明，該區(qū)域LID實踐在雨水管理中發(fā)揮重要作用.

圖5 不同重現(xiàn)期下地表徑流過程線

2.1.3 水質(zhì)評價

雨水罐主要起到蓄水作用，對污染物移除作用很小，所以對其他3種LID實踐方案中出口的COD，NH3-N和TP負荷m進行評價.植草溝對COD，NH3-N和TP的削減率為21.56%～66.15%；下沉式綠地對COD，NH3-N和TP的削減率為73.41%～90.29%；組合LID對COD，NH3-N和TP的削減率為50.23%～83.31%；具體數(shù)據(jù)詳見表1，表中R為削減率.

表1 不同LID實踐方案的污染負荷削減效果

由此可知，3種LID實踐均能有效地去除上述污染物.在相同重現(xiàn)期時，污染物去除率從大到小依次為COD，TP，NH3-N；對于同一污染物，下沉式綠地對污染物的去除效果最好；組合LID在重現(xiàn)期等于5 a時對NH3-N的去除率高于其余污染物，在重現(xiàn)期為10 a時，其余LID實踐對污染物的去除率最高，并且去除率呈現(xiàn)出隨重現(xiàn)期增大先增大再減小的趨勢.由式(3)可知，污染物負荷的削減通常是通過水質(zhì)處理降低污染物的濃度(例如土壤的過濾、吸附、離子交換、沉淀及生化作用)，以及減少入口流量(入口流量的大幅度減少能使污染物負荷大量降低)2種方式實現(xiàn)的.LID實踐通過上述2種方式削減污染物負荷.

M=cin×Vin-cout×Vout，

(3)

式中：M為污染負荷削減量，mg；cin為入口水流污染物濃度，mg/L；Vin為入口流量，L；cout為出口水流污染物濃度，mg/L；Vout為出口流量，L.

2.2 成本效益分析

2.2.1 單位成本效益

通常采用成本/效益或效益/成本計算單位成本效益.本研究的效益為模擬所得各種污染物的削減率.成本中建設(shè)成本參考《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[6]，下沉式綠地的建設(shè)成本設(shè)為40元/m2，植草溝的建設(shè)成本設(shè)為100元/m2，雨水罐的建設(shè)成本設(shè)為500元/m2；每個設(shè)施每年的維護費用按成本的相應(yīng)百分比進行計算，即下沉式綠地為8%，植草溝為8%，雨水罐為2%.本研究單位成本效益擬通過計算成本/污染物削減率得到，單位為萬元/1%.

2.2.2 不同LID設(shè)施成本效益分析

雨水罐和組合LID分別為最低成本(347.4萬元)和最高成本(13 508.1萬元)方案.雨水罐只應(yīng)用于屋面，使用面積較小(4 963.3 m2)且維護成本低，由于研究區(qū)域可改造成下沉式綠地的面積較大，沉式綠地具有最高的總成本.

由于雨水罐對污染物的削減作用十分微弱，基于其余3種LID實踐的效益和成本，對單位污染物削減率成本進行了分析.圖6為污染物削減成本效益，圖中CCOD為每1%COD污染物削減率成本，萬元；CTP為每1%TP污染物削減率成本，萬元；CNH3-N為每1%NH3-N污染物削減率成本，萬元.結(jié)果表明：單位削減率成本均最低的LID實踐為植草溝，最高為組合LID實踐，并且在降雨重現(xiàn)期為10 a時，植草溝、下沉式綠地和組合LID實踐對3種污染物均具有最低的單位削減率成本.與COD和TP的單位削減率成本相比較，NH3-N具有最高的單位削減率成本.

圖6 污染物削減成本效益

從成本效益上分析，下沉式綠地和組合LID實踐具有良好的污染控制效果，但是這2種LID實踐在單位削減率成本上較高；同時，雖然植草溝不能有效地控制徑流污染物，但其具有較低的單位削減率成本.

2.2.3 屋面雨水收集利用

屋面的雨水水質(zhì)好，水頭高，易于收集，利用雨水罐收集屋面雨水具有較高的經(jīng)濟效益.中國城市人口的人均日生活用水量為175 L，生活必須飲用水僅占人均生活用水量的2.18%，所占比例最低，而沖廁、淋浴和廚用等非飲用水消耗大量的生活用水[16]，這些非飲用水可用處理過的雨水代替.

文中雨水罐總?cè)莘e約為4 694 m3，3種重現(xiàn)期下雨水罐均達到飽和狀態(tài)，該區(qū)域人數(shù)約27 000人，按照學(xué)生人均每天生活用水量為127 L，同時去除收集的雨水在處理過程中有10%的損失，則1次降雨收集的屋面雨水作為非飲用水可供1.2 d使用.淮南市學(xué)校自來水價格為3.38元/m3，收集的屋面雨水可節(jié)約14 279.148元，具有良好的經(jīng)濟效益.

3 結(jié) 論

基于SWMM模型和成本效益分析，定量分析了不同LID實踐方案的性能，得出如下幾點結(jié)論：

1) 植草溝在單位設(shè)施面積和單位匯水區(qū)面積上削減量較大，徑流削減效率最好，同時植草溝對流量峰現(xiàn)時間有明顯的延時效應(yīng)，并能有效削減出口污染負荷.

2) 下沉式綠地和組合LID能有效削減峰值流量，緩解管網(wǎng)排水負荷，同時下沉式綠地和組合LID對污染物的削減率較高.

3) 從成本效益上，污染物控制效果較好的下沉式綠地和組合LID的單位削減率成本較高，雖然植草溝對污染物控制效果不理想，但其具有較低的單位削減率成本.

4) 綜合環(huán)境效益和成本效益，在校園雨水徑流控制應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先考慮植草溝，單從環(huán)境效益，下沉式綠地的控制效果最好，可在徑流控制目標較高的區(qū)域應(yīng)用，此外收集并利用屋面雨水具有良好的經(jīng)濟效益.