低影响开发技术的雨洪控制效果及水质影响分析----基于SWMM 模型

官奕宏，吕 谋，王 灿，杨婷婷

(青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

美国环保局1971年首次提出SWMM(Storm Water Management Model)----城市暴雨雨水管理模型，SWMM自开发至今已多次更新，目前发展至SWMM Version 5[2,7]。SWMM 5具有友好的可视化界面和更完善的处理功能，能够用颜色标记汇流区域，输出时间系列图、表格和管道剖面图等。而且这版当中加入LID处理方面能力，SWMMH可以明确模拟常见的5种不同LID控制: ①生物滞留网格，雨水花园、街道植物园和绿色屋顶是生物滞留网格的各种变化形式；②渗渠；③连续多孔路面系统；④雨桶(或者水槽)；⑤草洼[6]。低影响开发的模型模拟相较于传统的开发实践快速、简单，且可避免实地试验监测所受到的经济技术条件制约，能够在场地开发前模拟规划中的LID措施效果，可减少建设的盲目性[1,9]。目前国内相关研究多以小区等小范围内进行低影响开发模拟，本文以胶州市新城区某区域为例，在不同强度降雨条件下，运用SWMM模型模拟与评估低影响开发设施对水量和水质的控制效果[3]，本文的研究结果可以为大区域低影响开发技术的应用提供参考，也可以为胶州市海绵城市建设提供一定的技术支持。

1 研究区概况

胶州市位于山东半岛西南隅，地处东经119°37′～126°12′、北纬36°～36°30′，属东亚季风大陆性气候。其中胶州市新城区位于老城区南面，北至扬州路，南至香港路，西至杭州路，东至胶黄铁路，面积约2104 hm2，排水体制为雨污分流。本次研究新城区其中的一部分，研究区总面积为305.2 hm2，其中现状不渗透面积192.276 hm2(占总面积的63%)，主要由屋面和路面所组成；透水面积112.924(占总面积的37%)，主要为绿地。

2 研究区域模型的构建

2.1 研究区域雨水系统概化

新城区主要含3类下垫面，分别为屋面、路面和绿地，不透水区域主要为屋面和路面，绿地为透水区域。结合该区域的雨水系统调查结果和SWMM模型的应用要求，对研究区域进行概化，共划分子汇水区56个、雨水管段83条、检查井节点86个、末端排放口3个，研究区域概化模型如图1所示。

图1 研究区域概化模型图Fig.1 Generalized model diagram of study area

2.2 LID场景布设方案

本文结合胶州市新城区该区域现状和常规开发建设情况，提出以下3种LID布设方案。

(1)雨水花园。雨水花园在进行选址时应充分考虑周围建筑物的情况，区域绿地的位置、种类、性质以及功能，因地制宜，在充分利用原有地形地貌的基础上进行建造[4]。基于此，在胶州市新城区设置雨水花园17.396 4 hm2，占总面积的5.7%。

(2)透水铺装。透水铺装适合建造于人行道、广场、非机动车道、居民区和商业区的停车场等区域，交通负荷量大的道路不适合建造透水路面[5]，并且要求距离地下最高水位90cm以上，水平距离饮水井30cm以上。基于此，在胶州市新城区设置透水铺装39.065 6 hm2，占总面积的12.8%。

(3)上述2种组合方案。将上述2种LID措施组合布设，各LID措施均与其单独布设时一致。组合方案的布设总面积为56.462 hm2，占总面积的18.5%。

2.3 水质、水文模块参数设置

水质模块包括污染物累积增长模块和冲刷模块。污染物累积增长模块选择指数函数累积模型，污染物冲刷模块选择指数冲刷模型。其中地表径流冲刷污染物以《海绵城市建设技术指南》中推荐的SS,COD,TN,TP 4种污染物质进行模拟。经3场实测降雨(3场降雨基本特征见表1)得到天然雨水中的污染物浓度平均值如下:SS为58.23 mg/L；COD为40.23 mg/L；TN为1.28 mg/L；TP为0.39 mg/L。

表1 监测降雨事件的基本特征Tab.1 Monitoring the basic characteristics of rainfall events

水文模块包括产流模块和汇流模块。结合研究区域的土地特点，产流模块选用Horton入渗模型来模拟研究区域的产流入渗过程，汇流模块采用非线性水库模型[8]，模型准确与否的关键取决于参数的率定。

参数率定过程是基于实测降雨事件数据校准过程，以峰值流量相对误差dF和COD峰值浓度相对误差dC作为评价标准。模拟仿真结果的许可误差范围为-20%～10%。两个目标函数定义为：

通过反复调整模型中各参数，最终确定率定结果和率定参数值，如表2、表3及表4所示。

表2 目标函数相对误差率定结果Tab.2 The relative error rate results of objective function

表3 不同土地利用类型的参数值Tab.3 Parameter values for different types of land use

表4 水文参数值Tab.4 Parameter values for hydrology

从表2可以看出，在3种降雨等级下，最终选择的参数模拟仿真结果都在容许误差范围内，因此本文建立的模型能够真实反映胶州市新城区雨水系统的水文及水质情况。

2.4 设计降雨模型

本次研究采用青岛市最新的暴雨强度公式和芝加哥降雨过程线模型合成降雨情景，选择雨峰系数r=0.4，降雨采用时间间隔t=1 min，降雨历时为2 h。

暴雨强度计算公式：

式中：q为暴雨强度，L/(s·hm2)；P为重现期，a；t为时间间隔，min；A、C、b和n为参数。

青岛市不同重现期下参数A、C、b和n取值见表5，将不同重现期的参数带入上述公式中可得到不同重现期的暴雨强度公式如表6所示。

表5 青岛市参数值Tab.5 Parameter values of Qingdao

表6 青岛市暴雨强度公式Tab.6 Rainfall intensity formula in Qingdao

3 模拟结果与分析

3.1 雨洪控制效果分析

在不同重现期下，运用SWMM对现状、常规开发建设模式以及低影响开发建设模式进行动态波模拟，得出结果如表4所示。

由表4可知，常规开发模式的径流系数和峰值流量与现状相比都增大，低影响开发建设模式较前两种模式的径流系数和峰值流量都要小，这说明低影响开发模式的雨洪控制作用非常明显。3种低影响模式与常规开发模式对比发现，雨水花园开发模式较常规开发模式在重现期1.5，2，3，5和10 a时的径流系数分别降低了20%,19%,19%，18%和17%，峰值流量分别降低了19%,20%,20%，22%和20%；透水铺装开发模式在重现期1.5，2，3，5和10 a时的径流系数分别降低了29%,29%,29%，28%和28%，峰值流量分别降低了28%,28%,29%，29%和24%；组合LID开发模式在重现期1.5，2，3，5和10 a时的径流系数分别降低了47%,47%,46%，46%和45%，峰值流量分别降低了47%,47%,47%，47%和47%。上述结果表明，对于雨洪控制的效果，低影响开发模式中，组合LID >透水铺装>雨水花园。

表7 不同重现期下系统水文状态的模拟结果Tab.7 The simulation results of the system under different rainfall intensity of hydrological condition

图2是在P=1.5 a情况下不同模式中排放口1的出水流量变化，从图2中可知，常规开发模式下排放口1出水流量峰值最高，组合LID开发模式的流量峰值最低，各模式的峰现时间基本一致。出现这种现象的原因是常规开发模式的不渗透性最大，为78%，表面截留能力最小，因此流量最高；而采用低影响开发设施可明显提高透水率，增强雨水的入渗与蒸发作用，减少场地内的径流总量，所以峰值流量较其他模式明显降低。

图2 不同模式下排放口1的出水流量Fig.2 Water flow of different modes for outlet 1

3.2 水质控制效果分析

图3和图4分别是在P=1.5 a情况下，不同模式中排放口1的出水SS和COD变化。从图中可知，不同模式下SS和COD排放量均呈现先上升后下降的趋势，且上升速度较快；常规开发模式下排放口1出水有机物排放量峰值最高，组合LID开发模式的有机物排放量峰值最低；低影响开发模式的峰现时间有所推迟；3种低影响开发模式中，对于有机物的净化能力，组合LID>透水铺装>雨水花园。出现上述现象是因为相比其他模式常规开发模式的不渗透性最大，滞蓄空间最小，雨水不能进入设施内部进行入渗与净化，只能随溢流设施进入雨水管网，最终排入附近水系；而低影响开发模式下，LID设施对雨水有很强的滞蓄能力，对雨水中的污染物具有很好的入渗和净化作用，可减轻区域内雨水对水系的面源污染。

图3 不同模式下排放口1的出水SS含量Fig.3 SS content of different modes for outlet 1

图4 不同模式下排放口1的出水COD含量Fig.4 COD content of different modes for outlet 1

图5是在不同重现期下，组合LID开发模式中排放口1的COD排放量变化情况，由图可知，随着降雨强度的增大，排放口出水COD含量达到峰值的时间越短，且降雨强度越大，出水COD的峰值也越大。出现上述现象的原因主要是因为：降雨强度越大，雨水径流冲刷作用越强，径流中携带的污染物也越多。通过上述模拟结果分析得出，污染物排放量增长主要集中在初期，所以有效地控制雨水的污染办法就是控制好初期雨水，控制好初期雨水并进行有效处理成为低影响开发模式的重要研究方向。

图5 不同降雨强度下排放口1的出水COD含量Fig.5 COD content of different rainfall intensity for outlet 1

4 结 论

(1)常规建设模式的径流系数、洪峰流量较现状都增大；低影响开发建设模式较现状和常规模式都有所降低；而对于不同低影响开发模式的雨洪控制效果，组合LID>透水铺装>雨水花园。

(2)常规开发模式对有机物排放的控制效果较差，LID设施对雨水有很强的滞蓄能力，对雨水中的污染物具有很好的入渗和净化作用，可减轻区域内雨水对水系的面源污染。

(3)降雨强度越大，低影响开发模式有机物排放量峰值出现越早且越大，控制好初期雨水并进行有效处理成为低影响开发模式的重要研究方向。

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