基于SWMM模型的低影响开发与调蓄池组合设施模拟分析

刘 垟， 吴 涛

(安徽建筑大学 环境能源工程学院， 安徽 合肥 230601)

城市水环境是城市生态系统的重要组成部分，在生态调节、涵养水源和防洪防涝等方面起到了重要作用，水质状况的变化对景观价值和生态价值有重要影响[1]。近年内，我国城市建设规模持续扩大，城市化进程中逐渐暴露诸多问题，极端暴雨和不透水面积的增加使得内涝频发和大量污染物溶入城市洪流，产生的面源污染对城市水环境的威胁和破坏日益严重[2]。《城镇水务2035年行业发展规划纲要》中强调了雨水径流污染物总量的削减，城镇降雨径流污染已成为水体污染的主要来源之一[3-4]。

雨水调蓄池作为海绵城市的重要组成部分，在削减洪峰及控制面源污染等方面发挥关键作用。詹志威等[5]对武汉巡司河区域的模拟研究表明，箱涵和调蓄池相结合的控制措施具有较大的调蓄能力和输水能力，在提升研究区域的径流总量和污染物削减比例方面作用明显。杜佐道等[6]改造研究区雨水调蓄池与渠道连接形式，由串联改造为并联，改建后的洪峰水位及洪峰流量削减率均大幅降低。目前为止，分散的、小规模的低影响开发措施被学者广泛应用于调污削峰及面源污染治理中，取得了良好效果。但在大中城市的广泛应用中，逐渐暴露了LID措施存在的问题，如堵塞、材料耐受能力差等。研究表明，可以通过替换合适粒径材料或增加辅助性设施来进行解决，如增设初沉池、雨水调蓄池等[7]。本文以合肥市翡翠湖为研究对象，利用SWMM模型建立下垫面及管网模型，模拟不同LID措施与雨水调蓄池组合工艺对研究区域的水质改善及雨洪控制效果，为巢湖流域及其他地区的洪涝防治工程提供借鉴意义。

1 项目概况

合肥市位于长江淮河之间，属亚热带季风性湿润气候，年均温15.7 ℃，年均降雨量约为1 001 mm[8]。翡翠湖位于翡翠路与繁华大道交口西侧，系安徽省在册小(一)型水库，占地面积约134.8 hm2。湖区上游是主要汇水区，中下游仅为路面及景区内地表径流的雨水，整个集水区面积合计约793 hm2。现有的雨水管网排水直接进入湖体，造成湖水水质恶化。

2 SWMM模型构建

美国环境保护署开发的SWMM模型是一个动态降雨-径流模拟模型[9]。运用模型中LID模块对不同重现期下单场暴雨事件过程的洪峰流量、地表径流和水质变化进行模拟，研究单设调蓄池、LID措施和调蓄池+LID情形下的削减效果。

2.1 模型概化

根据研究区域地形及雨水汇入管道情况，借助鸿业相关软件及ArcGIS将其概化为44个子汇水区，雨水管网概化为52个连接节点和54条管道，地表径流分别经12个排放口进入流域内。子汇水区的概化模型图如图1所示。

图1 子汇水区概化模型图

2.2 暴雨强度公式及雨型

采用合肥市的暴雨强度公式，运用芝加哥雨型进行雨量的时段分配：

(1)

式中：t为降雨历时，min；P为设计重现期，a；Q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)。

设计暴雨重现期分别为0.5 a、1 a、3 a、5 a，雨峰系数r为0.4，降雨历时为120 min，降雨历时间隔为1 min。不同重现期下历时120 min的芝加哥雨型如图2所示，降雨强度呈单峰型，先逐渐增加并在48 min左右达到峰值，随后逐渐减小。

图2 P=0.5 a、1 a、3 a、5 a设计降雨过程线

2.3 参数确定

参数包括水文和水动力参数。本文选用Horton入渗模型，水文模块参数主要包括入渗速率、地表坡度和宽度、非渗透面积百分比、曼宁糙率系数等[10]，水动力模块参数主要包括管径和曼宁糙率系数等。子流域的面积通过ArcGIS直接生成，子流域的平均坡度通过ArcGIS中3Danalyst栅格表面坡度进行获取，不透水率借助ENVI软件进行加载获取，子汇水区宽度通过公式计算得到，曼宁系数、衰减常数、洼蓄量及下渗速率参考SWMM操作手册，具体参数设置如表1所示。

水质模拟包括累积模拟和冲刷模拟。根据研究区域实际情况，累积模拟选择饱和累积函数，冲刷模拟选择指数冲刷函数[11]。将研究区下垫面分为屋面、路面和绿地3种类型。针对研究区域的水质情况，将3种常用的水质指标COD、TN和TP作为污染物指标。根据实际情况和文献[12]，确定研究区域的模拟参数如表1～表3所示。

表1 水文水力相关参数取值

表2 污染物累计参数取值

表3 污染物冲刷参数取值

3 SWMM模拟结果与分析

3.1 单一调蓄池模拟控制效果评估

研究区域子汇水区共有13个排口，产生污染物及雨洪流量最多的排口为E8、E9、E10和E12如图3所示。釆用雨水调蓄池对4个排口初期雨水进行截流调蓄。根据《室外排水设计规范》GB 50014—2006，调蓄4.0～8.0 mm初期雨水，雨水调蓄池取4 mm的初期雨水截留量。雨污管网利用研究区域的地形坡度进行排除，满足设计过水能力要求。雨水调蓄池设计：① 采用简单公式法计算大致体积；② 根据研究区域的水质情况及不同降雨强度的实际情况，进行降雨情景SWMM模型的输入；③ 导入历年降雨情景，进行入流模拟；④ 当雨水径流控制指标达到目标值后，后期雨水从输入面源污染调蓄池转向雨洪利用调蓄池，确定面源污染调蓄池雨水体积V1；⑤ 依次进行历年降雨场景的输入，重复步骤③、步骤④。最终确定调蓄池的容积为V=max{V1，V2，V3，…}。雨水调蓄池具体设置参数如表4所示。

(1)

式中：V为蓄水容积，m3；hy为设计降雨厚度(降雨量)，mm；δ为初期雨水弃流量，mm；ψc为雨量径流系数；F为汇水面积，hm2。

表4 调蓄池设计池体数据

图3 现状排口及汇水分区

单设调蓄池的条件下，不同重现期下的COD、NH3-N和TP的平均削减率分别为21.49%、18.86%和17.51%,模拟结果如图4所示。调蓄池对于污染物的削减有显著作用，削减率比较稳定，并且对于不同污染物削减率不会有较大改变。

(a)TP排放量及去除率 (b)COD排放量及去除率 (c)NH3-N排放量及去除率

3.2 单一LID模拟控制效果评估

根据研究区域的实际情况，拟选用4种LID措施：生物滞留措施(雨水花园)、透水铺装(路面)、绿色屋顶和下沉式绿地。为明确4种LID措施的具体布置面积，将3年一遇降雨作为边界条件，对比不同面积下的单一LID措施模拟效果。结合SWMM操作手册、国内外工程实践和有关文献，明确了模型中各LID主要技术参数，具体参数如表5所示。

表5 LID设施相关参数取值

当设置重现期为3 a的降雨条件下，对4种LID设施在不同的设置面积下独立运行模拟，设置LID的面积占总面积的1%、2%、3%、4%和5%。利用SWMM模拟设置不同面积比例LID措施后峰值流量和总径流量的变化，如图5所示。图5表明在布设LID措施后，研究区的径流流量及峰值流量均有明显减幅。对于径流流量和峰值流量生物滞留措施的控制效果最为显著，在布设面积为5%的情况下，峰值流量和径流总量的削减率分别为53.94%和47.49%。在相同布设面积条件下，对绿色屋顶进行单独模拟后的峰值流量和径流总量的削减率分别达到47.78%和44.93%，置换成下沉式绿地后的峰值流量和径流总量削减率分别达到36.25%和35.19%，同一布设情景下的透水铺装，峰值流量和径流总量的削减率分别达到12.63%和13.98%。

(a)径流流量削减率 (b)峰值流量削减率

对5种面积比例下进行模拟，透水铺装路面的径流削减效果明显弱于其他3种LID措施。分析原因主要有两点：一方面，生物滞留措施的植物及土壤层、下沉式绿地的下凹空间和绿色屋顶的蓄水层均有相当的储水功能；另一方面，透水铺装只能通过渗透基层增强雨水的渗透能力。因此，径流洪峰方面的削减弱于其他3种措施。然而在延后洪峰流量的能力方面，透水铺装优于其他LID措施。其他3种LID措施在上述5种面积比例下几乎没有延后洪峰作用，推测原因是布设面积过小。此外，透水铺装有1～4 min的推延作用，主要原因是透水铺装路面所特有的渗透性要优于其他LID措施。

生物滞留措施与下沉式绿地对于雨洪控制效果明显，但投入实际使用时会对地面原有构造效能产生一定程度的影响，由于其面层及土壤层蓄水能力会对周边构筑物的根基造成威胁，不能大面积使用。相比于其他3种LID措施，透水铺装路面延后洪峰流量的能力最为明显，可以选择使用。下沉式绿地的景观效果和雨洪控制效果明显低于生物滞留措施，优选生物滞留措施。虽然绿色屋顶有着削减径流洪峰和节能环保的作用，但考虑到研究区域为已建成区域，布设绿色屋顶造价昂贵，且建筑物可能缺乏支撑起这样一个大量附加重量的能力，导致超出负荷引起倒塌，不作为考虑。

综上分析，确定的模型中LID设置情景如下：生物滞留措施和透水铺装路面分别占研究区域总面积的3.5%和4.5%，沿主要道路进行布设，宽度随效果进一步调整。

3.3 组合方案控制方案效果评估

相比较独立设置调蓄池，LID+调蓄池组合系统在重现期为0.5 a、1 a、3 a和5 a的降雨情形下，峰值流量的削减率分别为42.68%、29.26%、18.52%和12.79%，如图6所示。随着重现期的增大，削减率逐渐下降，趋近于单设调蓄池时的控制情况，因此随着降雨重现期的增大，LID设施在径流峰值的控制效果逐渐减弱。径流总量随重现期改变而变化的情况和峰值流量大致相同，P=0.5 a的条件下，削减率为32.79%；P=1 a的条件下，削减率为25.97%；P=3 a的条件下，削减率为20.41%；P=5 a的条件下，削减率为15.39%。若要进一步提升雨洪流量削减效果与延后洪峰时间，可以通过铺设更大面积LID措施来实现。

图6 添加LID设施后的雨洪控制削减率

为了对比各单元对污染物削减效果，将3种常用的水质指标COD、NH3-N和TP作为评价污染物指标。相比于单设调蓄池，添加LID设施后，4种重现期下污染物削减率均有明显提升，如图7所示。当重现期分别为0.5 a、1 a、3 a和5 a时，COD的削减量分别提升了193.28 kg、331.39 kg、372.76 kg和396.18 kg，削减量最高提升了116.79%。此外，NH3-N和TP的削减规律和COD类似。

(a)TP污染物截留量 (b)COD污染物截留量 (c)NH3-N污染物截留量

在LID+调蓄池组合系统中，对两种措施的污染物削减效果独立对比如图8所示。单设调蓄池时污染物截留量明显高于组合系统中调蓄池污染物截留量，以NH3-N为例，当重现期为0.5 a、1 a、3 a和5 a时，调蓄池污染物截留量分别由9.878 kg、12.09 kg、23.05 kg和32.65 kg下降到3.65 kg、5.16 kg、12.03 kg和20.55 kg。主要原因是地表径流产生的污染物在经调蓄池调控之前，LID措施已进行初步处理，调蓄池的污染物截留量相较于单设时明显下滑。此外，在组合系统中，LID措施的污染物截留量占主要部分。在上述4种重现期降雨条件下，LID措施对COD污染的削减量占总量的比例最低为56.39%，最高能达到77.29%；对于NH3-N，其削减量比例最低为59.58%，最高能达到80.29%。对于TP，其削减量比例最低为58.39%，最高能达到81.29%。因为调蓄池作用的是部分雨水，而LID设施作用的是完整降雨过程形成的降雨径流，因此LID设施截留部分占系统的主要部分。

(a)TP污染物各单元截留量 (b)COD污染物各单元截留量 (c)NH3-N污染物各单元截留量

4 结 语

对4种LID措施在1%、2%、3%、4%、5%的设置面积比例下进行单独模拟，根据研究区域的实际情况和模拟结果设置情景：生物滞留措施和透水铺装路面分别占研究区域总面积的3.5%和4.5%，沿主要道路进行布设，宽度随效果进一步调整。对比单设调蓄池和LID+调蓄池2种方案对雨洪流量控制的效果。在重现期为0.5 a、1 a、3 a和5 a的降雨条件下，相较于单设调蓄池，组合方案中的径流总量分别减少了32.79%、25.97%、20.41%和15.39%，洪峰流量分别减少了42.68%、29.26%、18.51%、12.79%。在延后洪峰方面无明显效果。在LID+调蓄池组合系统中，独立对比各单元对污染物的削减效果，LID削减作用明显，在实际削减总量上的比例分别为76.62%、77.29%、64.86%和56.39%。相较于组合方案，调蓄池在单设时截污效果更加客观。