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        基于SWMM 模型對工業(yè)園區(qū)的LID 方案設(shè)計(jì)研究

        2022-03-09 07:24:44李順
        關(guān)鍵詞:綠色

        李順

        (1、安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽合肥 230601 2、水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥 230601)

        2012 年,“海綿城市”概念首次在中國被提出。在之后的研究探討與實(shí)踐中,我國從最開始借鑒發(fā)達(dá)國家的LID-低影響開發(fā)建設(shè),到形成屬于自己的一套海綿城市建設(shè)理論與指導(dǎo)方案,取得了一定的成果[1]。但由于我國地域跨度大,地形地貌復(fù)雜,2012 年前城市化已經(jīng)得到快速發(fā)展,城市中不透水面積不斷加大,這導(dǎo)致海綿城市理念提出后,需要面對一個(gè)棘手的問題:已建成區(qū)如何按照海綿城市理念進(jìn)行科學(xué)改造。

        1 研究區(qū)域概況

        該研究區(qū)域位于安徽省合肥市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的一個(gè)工業(yè)園區(qū)內(nèi),該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,年平均氣溫15.5℃,年平均降雨量1120mm,地下基巖埋深10-15m,無明顯地下河道,無地質(zhì)斷層[2]。區(qū)域總占地125 公頃,坡度0.3%~0.4%。區(qū)域?qū)嵭杏晡鄯至髦?,雨水總體沿著北→南走向流入玉屏路排水干管,隨后流向下游的派河。

        2 模型構(gòu)建

        2.1 SWMM 子匯水區(qū)劃分

        根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的管網(wǎng)布置圖,再利用衛(wèi)星影像和區(qū)域高程把研究區(qū)域劃分為41 個(gè)子匯水區(qū),57 個(gè)節(jié)點(diǎn),68 個(gè)管段。雨水干管與支管根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求為鋼筋混凝土管,曼寧系數(shù)取0.013[3]。詳細(xì)劃分見圖1。

        圖1 研究區(qū)域SWMM 概化平面

        2.2 設(shè)計(jì)降雨序列

        芝加哥雨型是以暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ),引入暴雨雨峰位置參數(shù),通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)雨強(qiáng)過程線,適用于城市短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)間分配[4]。本次模擬結(jié)合合肥暴雨強(qiáng)度公式[5],運(yùn)用芝加哥雨型模擬重現(xiàn)期為5a、10a 的降雨過程曲線,雨型中峰值比例為0.5,降雨歷時(shí)180min,降雨過程曲線如圖2 所示。

        圖2 不同重現(xiàn)期暴雨的降雨過程線

        合肥市降雨強(qiáng)度公式(1)

        式中,Q 為合肥市設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度(1/s.ha);P 為重現(xiàn)期(a);t 為降雨歷時(shí)(min)。

        3 現(xiàn)狀模擬以及原因分析

        SWMM 演算選用動(dòng)態(tài)波模型,改造前對區(qū)域分別進(jìn)行5a、10a,時(shí)長為6H 的模擬。節(jié)點(diǎn)的溢流等級(jí)見表1。

        表1 節(jié)點(diǎn)溢流水位等級(jí)

        2020 年6 月底的強(qiáng)降雨導(dǎo)致玉屏路與方興大道交口以南350m 處路段積水嚴(yán)重,在本次模擬對應(yīng)節(jié)點(diǎn)1-4 和1-4+2 產(chǎn)生的積水。主要原因有:a.節(jié)點(diǎn)所在的子匯水區(qū)不滲透面積占比過大;b. 玉屏路主管道所預(yù)留的側(cè)邊支管管徑偏小。

        4 LID 方案設(shè)計(jì)

        LID 廣義上指在城市開發(fā)建設(shè)過程中采用源頭消減,中途傳輸,末端調(diào)蓄等手段通過滲、滯、蓄、凈、用、排來降低強(qiáng)降雨帶來的不利影響。相比于傳統(tǒng)排水,低影響開發(fā)更注重源頭與中間的雨水徑流處理[6]。對研究區(qū)進(jìn)行LID 設(shè)計(jì)并且尋找出最佳的參數(shù)設(shè)計(jì)范圍。

        綠色屋頂與下沉式綠地:

        對研究區(qū)域分析得到不同子匯水區(qū)可實(shí)施的綠色屋頂面積占比,最高75%,最低為30%,集中為40%~45%。本研究采用狹義的下沉式綠地,其指低于周邊鋪砌地面或道路在200mm 以內(nèi)的綠地[7]。

        4.1 參數(shù)設(shè)定

        綠色屋頂和下沉式綠地參數(shù)取值范圍由SWMM 手冊確定,部分參數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)值,經(jīng)驗(yàn)值確定不了的敏感性低的參數(shù)直接采用SWMM 默認(rèn)值,參數(shù)敏感性由相關(guān)文獻(xiàn)確定[8],詳細(xì)參數(shù)見表2。

        表2 綠色屋頂和下沉式綠地參數(shù)分析表

        4.2 綠色屋頂?shù)耐寥缹雍穸?/h3>

        綠色屋頂土壤層厚度為中度敏感參數(shù),在取值范圍內(nèi)設(shè)置為變量,研究變量對節(jié)點(diǎn)溢流的影響。以可改造綠色屋頂,面積占比較大,具有代表性的子匯水區(qū)1-21 為例,模擬P=5a、P=10a,綠色屋頂面積在該子匯水區(qū)占比為45%,75%時(shí)節(jié)點(diǎn)1-4+2(最大深度1.5m)溢流情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)P=5a 溢流不明顯,P=10a 溢流水位的最高值和平均值如圖3 所示。

        由圖3 可得:綠色屋頂占比45%,土壤層厚度105~135mm 時(shí)曲線非常平緩且無限接近,這說明變量在該范圍內(nèi)取值時(shí)接近最優(yōu)消洪效果。占比75%,土壤層厚度=105mm 時(shí),節(jié)點(diǎn)已無溢流,達(dá)到最優(yōu)消洪效果。

        圖3 綠色屋頂占比、土壤厚度與節(jié)點(diǎn)水位關(guān)系(a b 分別表示綠色屋頂占比為45%、75%時(shí)節(jié)點(diǎn)水位的最高值和平均值)

        4.3 下沉式綠地變量取值影響

        下沉式綠地的消洪效果與表面層、土壤層的厚度有密切聯(lián)系[9,10]。對多個(gè)子匯水區(qū)模擬發(fā)現(xiàn)下沉式綠地在表面蓄水深=110mm 和土壤層厚度=290mm 時(shí)節(jié)點(diǎn)水位不再下降。這說明該地區(qū)在進(jìn)行下沉式綠地改造時(shí)表面蓄水層和土壤層厚度分別不應(yīng)超過110mm、290mm,否則水位再降低的幅度很小。

        4.4 上游LID 對相對下游LID 的影響

        為了研究上游的子匯水區(qū)LID 措施對下游的子匯水區(qū)排水節(jié)點(diǎn)溢流的影響程度。選取上游的子匯水區(qū)1-19 和下游的子匯水區(qū)1-18,節(jié)點(diǎn)1-4+2 為研究對象。具體步驟:在P=2a,子匯水1-19 先后設(shè)置為有和無下沉式綠地(最優(yōu)參數(shù)),子匯水區(qū)1-18 先后設(shè)置變量為最小和最優(yōu)的下沉式綠地,最后模擬節(jié)點(diǎn)溢流水位(最優(yōu)變量和最小變量是指在表2 中的參數(shù),非變量直接取概定值,變量最優(yōu)由4.1.3 節(jié)確定,變量最小為取值范圍內(nèi)最小值),帶入P=5a,P=10a 重復(fù)上述步驟記錄溢流水位。P=5a,P=10a 溢流水位見圖4。

        由圖4 得:上游無LID 措施,相對下游LID 的優(yōu)化在時(shí)間為2:24 后對降低節(jié)點(diǎn)水位起的作用越來越小;上游有LID措施,相對下游LID 的優(yōu)化則對降低節(jié)點(diǎn)水位一直有可觀的效果。

        圖4 上下游LID 之間聯(lián)系

        5 改造結(jié)果分析

        將綠色屋頂,下沉式綠地對個(gè)別子匯水區(qū)域研究應(yīng)用到所有可設(shè)置LID 的子匯水區(qū)域中,得到重要節(jié)點(diǎn)的溢流水位見表3。

        對比表3 可以看出,幾個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)溢流水位有顯著的降低且不再有重度積水現(xiàn)象,有近50%的節(jié)點(diǎn)在P=10a 時(shí)溢流水位<0.15m。

        表3 P=10a,改造前后主要節(jié)點(diǎn)溢流水位對比

        6 結(jié)論

        6.1 在海綿城市建設(shè)改造中,不同地區(qū)綠色屋頂和下沉式綠地的敏感參數(shù)變量并不是在《指南》和相關(guān)規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)取值越高越好,要因地制宜,選擇適當(dāng)?shù)耐寥篮托钏畬雍穸炔粌H能夠起到接近最優(yōu)消洪效果,還能降低后期維護(hù)的困難。

        6.2 對于整個(gè)區(qū)域排水系統(tǒng),LID 措施加入子匯水區(qū)后會(huì)對該區(qū)域排水節(jié)點(diǎn)起到顯著的消峰作用,對于下游節(jié)點(diǎn)也起到間接性作用,使其他各節(jié)點(diǎn)的溢流時(shí)間降低5~15min 不等,所以在海綿城市建設(shè)中有效地對上游進(jìn)行改造起到的效果是更好的。

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