《武汉工程大学学报》 2021年02期
219-225
出版日期：2021-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于暴雨洪水管理模型的海绵道路非点源污染负荷削减效果评估
近年，受国外学者对城市非点源污染研究的影响，国内也越来越重视城市的非点源污染，国内学者通过暴雨洪水管理模型（storm water management model，SWMM），设置低影响开发措施（low impact development，LID）对城市非点源污染进行模拟研究。吴忠等［1］研究了小区在实施3种单项LID措施下对雨水的截污减排能力；蔡甜等［2］研究了校园在不同的重现期、雨峰系数、前期干旱天数等气象条件下，污染物浓度的变化情况。相对而言，国内研究人员运用SWMM模型多数集中于小区、校园等中尺度区域进行模拟研究，这需对研究区域进行高度概化，难以真实反映土地利用现状，并且多数研究于城市内涝方面，对城市非点源污染方面研究较少［3］，因此，对土地利用方式相对单一的小尺度区域的模拟研究更能精确地反应实际情况，提高模拟结果的准确信。本文对小尺度区域的某条城市次干道进行系统的水质模拟研究，基于前期研究成果和工程提供的数据资料，通过SWMM模型，重点模拟2、10和100 a重现期下城市道路中的非点源污染负荷在不同海绵措施方案下的迁移过程和削减情况，评估海绵道路对污染负荷的影响，可进一步推动城市非点源污染的研究。1 SWMM模型概述SWMM模型是一种降雨径流模型，主要有水文模块、水力模块和水质模块，3种模块分别对应3种模拟过程［4］，具体模拟过程如下：水文过程模拟中地表产流是由有洼蓄、无洼蓄不透水区和透水区组成，透水区的下渗模型包括霍顿模型（应用最广泛，效果较好）、格林-安普特模型（适用于具有湿润锋的土壤层，对土壤资料要求较高）和径流曲线法（主要适用于大尺度区域）。水力过程模拟中管网汇流采用水动力学方法进行计算，包括稳定流法（适用于枝状的管网中）、动力波法（时间长度较短，适用于短期模拟）和运动波法（时间步长较长，适用于长期模拟）［5］。水质过程模拟是SWMM模型通过污染物的累积和冲刷过程模拟非点源污染的产生和传输过程［6］，具体过程如图1所示，而所采用的计算函数有累积增长函数（包括无增长、幂增长、指数增长以及饱和增长）和冲刷函数（包括无增长、指数函数、性能曲线）等［7］。图1 水质模拟过程Fig. 1 Water quality simulation process根据研究区域的地质资料及现状信息，该研究区域为小尺度流域且不具有湿润锋的土壤层，因此水文下渗模型选择霍顿模型；根据工程所提供的管网资料及要求，管网的传输形状呈枝状但要求短期模拟，因此，水力模拟方法选择动力波法；根据现场的污染物累积及冲刷规律，在水质模拟中增长函数和冲刷函数分别选择饱和函数和指数函数。具体饱和函数和指数函数的表达式分别如式（1）和式（2）所示。[B=C1tC2+t] （1）式（1）中：B为污染物积累量（kg）；t为降雨历时（s）；C1为单位流域内的最大污染物积累量（kg）；C2为半饱和常数。[Wt=(1-e-E3It)Bt1? 000Vt] （2）式（2）中：Wt时间t时污染物的冲刷量；E3为冲刷指数；I为降雨强度（mm/h）；t为降雨时间（h）；Vt为t时间内地表径流量（m3）；Bt为t时间内污染物的累积量（kg）。2 研究区域概况研究区域是一条工业路，位于武汉市青山区，该道路呈南北走向，南边连接友谊大道，北边连接和平大道，地势整体北高南低。道路占地面积约6.91 hm2，绿化率31.22%，土地利用类型主要为混凝土、绿地、人行道，如图2所示。道路海绵改造全长1 203.172 m，红线宽50 m。该区的降雨多集中于5月至8月且近几年全年降雨平均总量为1 107.3 mm。3 SWMM模型建立3.1 研究区域概化武汉市青山区工业路根据土地利用现状、地面高程、坡度和管网分布等原则进行划分，将工业路分为83条雨水管道，173个子汇水区，78个节点，1个排水口，如图3所示。3.2 模型参数的选择及验证SWMM模型在运行前需要设置水文水力参数和水质参数［8］，这些参数可以根据工程所提供的数据资料和SWMM模型应用手册［9］及文献［10-11］选择。模型的精度决定了模拟结果的可信性与准确性，前期对参数设置的越精细，所得的模拟结果越符合实际，因此，在选择模型参数后需对模型进行验证［12］，验证结果满足要求，即可确定模型参数最终的选择结果。3.2.1 模型参数选择 水文、水力模块中参数包括子汇水面积、节点、管道等属性参数和LID措施参数。根据对研究区域的分析及参考SWMM手册取值范围，对其中曼宁粗糙率、地表洼蓄量和Horton模型参数等不确定的属性参数进行选择，选择结果如表1所示，其他属性参数可根据工程提供的资料和CAD测量获取；根据研究区的土地利用类型，选取的LID措施有下凹式绿地及透水铺装，其中透水砖采用陶瓷透水砖，透水路面采用透水沥青混凝土，透水系数的标准不可低于0.1 mm/s［13］，连续孔隙率的标准不可低于15%，具体LID参数根据工程改造要求、文献［14-15］和SWMM手册进行选择，选择结果如表2所示。表1 水文水力参数Tab. 1 Hydrological and hydraulic parameters[参数类型 参数名称 取值范围 参数选择 曼宁粗糙率 不透水区域 0.011~0.033 0.012 透水区域 0.05~0.8 0.17 管道 0.011~0.025 0.012 地表洼蓄量 不透水洼蓄量 / mm 0.2~10 2 透水洼蓄量 / mm 2~10 6 无洼不透水区所占比 / % 5~85 25 Horton下渗模型 最大入渗率 / （mm/h） 25~80 69 最小入渗率 / （mm/h） 0~10 10 衰减系数 / h-1 2~7 4 ]水质模块中的主要参数包括增长参数、冲刷参数和污染因子的初始浓度。根据一般径流中污染物指标，选取悬浮物（suspended solids，SS）、化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、总氮量（total nitrogen，TN）、总磷量（total phosphorus，TP）4种污染物作为主要的污染因子，采用的增长函数和冲刷函数分别为饱和函数和指数函数，根据武汉市相关研究资料，具体饱和函数和指数函数的参数值如表3所示，并将饱和函数中的半饱和时间参数定为5 d。根据郭琳等［16］对地表累积物特性的研究成果，结合武汉市实际情况，模型清扫1次/d，地表累积物去除效率为50%。表2 LID措施参数Tab. 2 LID measure parameters[类型 参数 下凹绿地 透水砖 透水路面 表面层 存水高度 / mm 180 2 2 表面粗糙度 0.17 0.014 0.014 表面覆盖系数 0.65 0 0 表面坡度 / % 1 2 1.5 路面层（下凹绿地为土壤层） 厚度 / mm 300 50 120 孔隙率 0.502 0.150 0.150 不渗透表面分数 0 0 土壤层产水能力 0.170 渗透性 / （mm/h） 360 220 土壤层萎蔫点 0.078 堵塞因子 0 0 土壤层导水率 / （mm/h） 14.4 导水率坡度 9 - - 吸上水头 / mm 98.92 - - 蓄水层 厚度 / mm 100 500 550 孔隙比 0.61 0.61 0.52 渗水速率 / （mm/h） 14.4 14.4 0 堵塞因子 0 0 0 暗渠 流量系数 - - 2.1 流量指数 - - 0.5 偏移高度 / mm - - 0 ]表3 污染因子增长和冲刷参数Tab. 3 Pollution factors growth and scouring parameters[污染因子 最大增长 /（kg/hm2） 冲刷系数 冲刷指数 行车道 绿地 人行道 行车道 绿地 人行道 行车道 绿地 人行道 SS 260 60 260 0.013 0.006 0.013 2 1.4 2 COD 150 45 150 0.010 0.004 0.010 2 1.4 2 TN 6 12 6 0.009 0.002 0.009 2 1.4 2 TP 0.4 1.1 0.4 0.006 0.002 0.006 2 1.4 2 ]考虑到大气会对天然雨水的污染，经降雨实测分析4种污染因子在天然雨水中的初始质量浓度分别取10、20、1和0.02 mg/L，在下垫面中污染因子本底的初始含量分别取109、105、2.8和0.58 kg/hm2。选取研究区2019年7月内实测的降雨事件，将选择的参数输入SWMM模型对污染因子SS、COD、TN、TP的负荷进行模拟，选用纳什系数ENS作为评价模型的指标，系数在0.65以上，模型质量较好［17］。4种污染因子的模型参数选择结果如图4（a－d）所示，可以看出模拟的污染负荷过程与实测数据的拟合程度良好，4个模型ENS值均大于0.65，表明模型可靠。图4 SS模型参数选择结果（a）和验证结果（e），COD模型参数选择结果（b）和验证结果（f），TN模型参数选择结果（c）和验证结果（g），TP模型参数选择结果（d）和验证结果（h）Fig. 4 Selection results （a） and verified results of SS model parameter （e），selection results （b） and verified results of COD model parameter （f），selection results of TN model parameter （c） and verified results （g），selection results （d） and verified results （h） of TP model parameter3.2.2 模型参数验证 为了模型的稳定，需对构建的模型进行验证，选择研究区2019年8月内实测的降雨事件进行验证，污染因子SS、COD、TN、TP的负荷模拟验证结果如图4（e-h）所示，其拟合程度较好，4个ENS值均大于0.7，表明模型参数的选择符合模拟要求，可用于水质过程模拟。3.3 降雨选择模型所需的降雨数据可通过实测或合成获取，本研究选择通过合成获取。通常合成的降雨过程线由雨型和暴雨强度公式来确定［18］，雨型选取目前应用最广泛的芝加哥雨型［19］，暴雨强度公式选取中南市政设计院编制的公式［式（3）］。降雨时长为2 h最佳，时间间隔为1 min，峰值系数r取0.45。合成的降雨过程线如图5所示。[q=9831+0.65lgPt+40.56] （3）式（3）中：q为平均暴雨强度（mm/min）；P为设计降雨重现期（a）；t为设计降雨历时（min）。图5 不同重现期暴雨曲线Fig. 5 Rainstorm curves in different return period3.4 海绵道路方案设计根据土地利用现状及设计要求，将原道路中的绿化带、人行道和非机动车道分别改造为下凹式绿地、透水人行道和透水路面。考虑到机动车道荷载量大，而透水铺装会减少路面的承载能力，机动车道不采用LID措施。通过对下凹式绿地和透水铺装进行组合搭配，选出3组LID措施方案进行模拟：方案I，单独采用下凹绿地；方案II，在方案I的基础上增设透水砖；方案III，在方案II的基础上增设透水路面。具体方案规模如表4所示。当采用上述3种LID方案时，行车道与人行道上的雨水经产汇流及下渗最终都汇入下凹式绿化带中，当遇到暴雨时，下凹绿地蓄水完全饱和，水位会上升至高于下凹绿地的雨水口，并溢流入市政管道系统。表4 海绵道路方案设计Tab. 4 Plan design of sponge road [方案 LID措施及规模 / hm2 下凹绿地 透水砖 透水路面 方案I 1.09 - - 方案II 1.09 1.50 - 方案III 1.09 1.50 1.24 ]注：“-”表示未布置4 结果与讨论水质模拟过程中，也可同时得出排水口流量的变化情况。因此通过SWMM模型模拟计算出在2、10、100 a下传统方案及LID措施组成的3组方案的流量及污染负荷的迁移过程，如图6～图10所示，污染负荷对比结果如表5所示。在重现期2、10和100 a降雨条件下，方案I与传统方案相比，排出口SS负荷分别减少24.46%、22.28%和21.28%；COD负荷分别减少20.32%、16.33%和15.31%；TN负荷分别减少20.31%、13.85%和11.61%；TP负荷分别减少18.39%、14.00%和13.13%。方案II与传统方案相比，排出口SS负荷分别减少48.25%、42.98%和40.52%；COD负荷分别减少45.51%、38.40 %和35.71%；TN负荷分别减少46.38%、37.10%和33.07%；TP负荷分别减少39.38%、28.40%和24.77%。方案III与传统方案相比，排出口SS负荷分别减少50.70%、39.04%和26.89%；COD负荷分别减少49.57%、37.75%和27.48%；TN负荷分别减少51.23%、38.88%和29.07%；TP负荷分别减少44.75%、29.62%和17.57%。5 结 论（1）3组城市道路LID方案相比于传统方案对污染负荷和径流峰值的削减均具有显著效果，但是随着暴雨强度的增加，道路表面冲刷加剧，海绵道路对各污染负荷和径流量的控制效果越来越弱，因此，海绵道路方案更适合于小降雨事件。且对SS、COD、TN和TP负荷削减率分别提高了21.28%~50.70%、15.31%~49.57%、11.61%~51.23%、13.13%~44.75%。（2）3组城市道路LID方案中，方案II和方案III对污染负荷的削减效果明显优于方案I，而方案III较方案II多设计了透水路面，但两组方案对污染负荷的控制效果接近，说明透水路面对于污染负荷的控制效果较差。