低影响开发城市内涝及水质调控模拟分析

苗小波， 吕 谋， 梁风超， 王珞桦

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

0 引 言

近年来，随着城市化的飞速发展，我国大多城市内涝频发，径流污染严重，暴雨严重影响城市排水，影响城市排水的原因很多，如城市不透水率增加、雨水管网承载能力不足等[1]。地表径流系数增大、下渗率下降，导致暴雨天气下易发洪涝灾害以及地下水补给不足。降雨径流控制主要为降雨径流总量、洪峰流量、雨水污染物控制，其目的为减少管网荷载、降低内涝风险、减少污染物对生态的影响[2]。

研究采用低影响开发(简称LID)措施进行降雨径流源头控制[3]，LID是一种土地规划和雨水管理方法[4]，旨在通过促进更高的渗透和雨水处理来更好地模拟自然流态的策略，因地制宜改善下垫面属性，增大下渗率，降低径流系数，利用自然过程(如渗透、储蓄)来减少径流量，尽可能地控制径流来源，同时削减污染物改善水质[5]。常用的LID措施包括透水铺装、雨水花园、生物滞留设施、绿色屋顶、渗渠、植草沟等[6,7]。

研究以东部某城市海绵城市试验区域为例，基于地理信息系统GIS和暴雨洪水管理模型SWMM构建雨水管网模型[8-10]，对比分析LID模式和传统模式汇水区径流、节点积水、管道荷载和排放污染物负荷情况，研究LID水量水质调控效果。

1 研究方法

1.1 模型构建

根据测绘实测数据，通过GIS提取管网信息，增加SWMM模型所需字段并赋值处理计算数据，采用泰森多边形工具自动绘制子汇水区域，根据DEM数据进行坡度分析，生成各汇水区域坡度。通过INP.PINS软件将shp文件转换为SWMM平台inp模型文件，简单调整模型，精准快速构建模型。

1.2 LID措施布设

在水文特性中添加LID控制措施，研究采取透水铺装、雨水花园、生物滞留设施，设置各个措施属性，在子汇水区域添加LID措施。

1.3 分析LID调控效果

对比分析布设LID措施前后降雨径流量、洪峰流量、节点积水、管道荷载、排放污染物负荷变化，比较子汇水区径流量、冲刷污染物量，分析节点积水信息、管道充满度、污染物排放总量，推断LID措施对水量水质的调控效果。

2 模型构建及条件设置

2.1 试验模型构建

选取东部某城市部分区域为试验对象，根据测绘GIS数据，利用泰森多边形自动绘制子汇水区域，通过坡度分析计算各汇水区平均坡度，在雨水井、管段、字汇水区域等属性表中增添SWMM模型所需的字段，并通过字段计算器批量赋值。通过INP.PINS软件将元素shp文件转为SWMM模型inp文件。试验模型占地5.27 hm2，共有雨水井31眼，雨水管31条，排放口2个。SWMM模型示意图见图1。

图1 SWMM模型示意图Fig.1 SWMM model diagram

2.2 降雨条件设置

根据当地暴雨强度公式，公式如下：

q=1 919.009×(1+0.997lgP)/(t+10.740)0.738

(1)

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

采用5 a一遇芝加哥雨型降雨曲线[11]，雨峰系数取0.4，生成3 h降雨过程曲线，降雨过程曲线见图2。

图2 降雨过程曲线Fig.2 rainfall process curve

2.3 模型参数设定

模型采用霍顿下渗模型，最大下渗率为60 mm/h，最小下渗速率为4 mm/h，下渗衰减率取4 h-1，演算模型采用动力波。研究区域土地划分为房屋、街道、绿地3种类型，不同土地利用类型污染物参数见表1。

表1 土地利用类型污染物参数Tab.1 Land use types pollutant parameters

2.4 LID调控措施

降雨径流源头控制多采用改变下垫面渗透性的低影响开发措施，常用的LID包括透水铺装、雨水花园、生物滞留设施、植草沟、渗渠等，这些措施通过增加地表渗水率、增加雨水滞留量、吸收储存雨水，降低汇水区径流系数，减少径流量削减雨水污染物。不仅有良好的调控效果，还有美观环保、造价低，符合自然生态理念。

研究选用透水铺装、生物滞留设施、雨水花园3种LID措施，对模型所有子汇水区域均布设LID，LID措施参数设置见表2。根据试验区域，因地制宜布设LID措施，生物滞留设施分散布置且规模不易过大，满足占汇水区面积5%～10%的标准；为美观小区，布设一定比例的雨水花园，修改部分不透水道路为透水铺装。LID措施布设情况见表3。

表2 LID措施参数设置Tab.2 LID measure parameter settings

表3 LID措施布设情况Tab.3 LID measure deployment

2.5 模型参数率定验证

模型参数在经验范围内选取，采用构建好的模型对3场降雨进行模拟，将模拟结果与实测降雨排放口监测数据对比，分别选用洪峰流量的相对误差(dF)、COD峰值浓度的相对误差(dC)。模型仿真模拟许可误差范围为-20%～10%，径流洪峰量允许误差范围为-25%～15%。两目标函数为：

dF=(F实测-F模拟)/F实测×100%

(2)

dC=(C实测-C模拟)/C实测×100%

(3)

3场降雨数据信息及相对误差统计见表4。

由表4中可知，目标函数相对误差率定结果均在误差允许范围内，模型水力和水质情况模拟可信度较高，能真实反映试验区域水力水质情况。

表4 3场降雨数据信息及相对误差统计Tab.4 3-field rainfall data information and relative error statistics

3 调控模拟分析

在5 a一遇降雨过程曲线下，分别在有无设置LID措施下模拟4 h，对比分析两种结果。对子汇水区进行径流、冲刷分析，分析径流量、污染物冲刷量；查看雨水井积水信息、分析管段荷载，分析排放口污染物负荷。推断LID措施的水量及水质调控效果。

3.1 汇水区控制效果分析

以子汇水区S2为例，分析LID模式和传统模式(无LID)汇水区径流及污染物冲刷情况，模拟时段S2汇水区径流变化曲线见图3、径流统计见表5,S2汇水区污染物冲刷量统计见表6，S2汇水区LID功能对比见表7。

图3 S2汇水区径流变化曲线Fig.3 Runoff curve of S2 catchment

表5 S2汇水区径流统计表Tab.5 S2 catchment area runoff statistics

表6 S2汇水区污染物冲刷量统计表 kgTab.6 Statistical table of contaminant erosion levels in S2 catchment

图3、表5可看出，LID模式汇水区径流量一直小于传统模式，总径流量下降38.4%、洪峰径流量削减31.8%，径流系数下降。表6可知，污染物冲刷削减方面，LID模式SS、COD、TP、TN污染物分别削减52.2%、52.2%、58.3%、57.0%，可有效改善径流水质，降低污染物负荷。从表7得知，LID措施透水铺装增加雨水下渗量，生物滞留设施和雨水花园同时拦截储存部分雨水量，LID模式通过增加雨水下渗、拦截储蓄雨水达到降低径流量、削减污染物负荷的目的。

表7 S2汇水区LID功能对比 mmTab.7 Comparison of LID functions in S2 catchment

3.2 节点积水分析

分别查看传统模式和LID模式下试验区域雨水井节点积水情况，统计节点积水数量、积水量、持续时长、峰值流量等信息，传统模式和LID模式节点积水信息表见表8。积水最严重节点为N25，传统模式和LID模式下节点N25水深和洪流变化曲线见图4。

表8 传统模式和LID模式节点积水信息表Tab.8 Node water accumulation information table of traditional mode and LID mode

图4 传统模式和LID模式下节点N25水深、洪流变化曲线Fig.4 Node N25 water depth, flooding change curve in traditional mode and LID mode

相比传统模式，LID模式仅有2个积水点，总积水量减少99.4%，积水时长及峰值流量大大减小，有效缓解节点积水现象，具有很好的控制效果，降低内涝积水概率。图4可看出，最严重积水节点N25，在传统模式下积水量为30.03 t，布设LID措施后积水削减为0.278 t，显著缓解最不利工况。

3.3 管道荷载分析

选取上中下游3段不同位置管道P8、P14、P12，查看管道充满度、流量变化情况，模拟时段传统模式和LID模式下选取管道充满度曲线见图5，传统模式和LID模式管道流量、充满度对比表见表9。

图5 传统模式和LID模式下选取管道充满度曲线Fig.5 Curve fullness curve of selected pipe in traditional mode and LID mode

表9 传统模式和LID模式管道流量、充满度对比表Tab.9 Comparison of pipe flow and fullness of traditional mode and LID mode

可以看出，相比传统模式，布设LID后管道充满度降低、平均流量及洪峰流量下降、满管流时长减少。其中，选取管道平均流量下降34.6%～38.2%，平均充满度降低27.4%～34.3%。设置LID减小了管道荷载，缓解管道过载现象，使其可承载更大的降雨冲击。

3.4 排放口污染物负荷分析

取排放口1，查看模拟时段传统模式和LID模式部分污染物SS、TN浓度随时间变化曲线。统计两种模式下两排放口流量、污染物负荷信息。传统模式和LID模式下排放口1SS、TN浓度变化曲线见图6，传统模式和LID模式排放口流量及污染物负荷对比见表10。

图6 传统模式和LID模式下排放口1部分污染物浓度变化曲线Fig.6 Curve of the concentration of pollutants in the outfall 1 under the traditional mode and the LID mode

表10 传统模式和LID模式排放口流量及污染物负荷对比表Tab.10 Comparison of outfall flow and pollutant load in traditional mode and LID mode

图6可看出，设置LID后，模拟时段前中期排放口污染物浓度明显下降，大量降低初期雨水污染物浓度，模拟中后期两种模式雨水中污染物浓度均大量下降，LID模式浓度稍高于传统模式，是由于排放流量降低幅度略大于污染物总量幅度。从表10可知，相对传统模式，LID模式排放污染物总量减少，平均流量及洪峰流量下降，雨水总量削减37.2%，SS、COD、TP、TN总量分别削减49.9%、49.7%、54.9%、55.5%，保障雨水排放水质，可实现水量和水质的控制。

4 结 论

基于GIS和SWMM构建雨水管网模型，对模型水文水力参数率定，模拟分析LID措施对汇水区径流控制、节点积水、管道荷载和污染物负荷调控效果。结果表明，LID通过增加雨水下渗、拦截储存雨量，减少雨水径流，削减洪峰流量；缓解节点溢流积水情况，减少积水量99.4%，显著缓解最不利节点积水工况；降低管道充满度，缓解管道过载现象，减小对雨水管网的冲击；削减雨水总量37.2%，降低污染物负荷，SS、COD、TP、TN排放总量分别削减49.9%、49.7%、54.9%、55.5%。LID具有降雨径流和水质良好调控效果，大大降低了城市内涝积水和面源污染风险，解决最不利积水影响，使其可应对更大降雨冲击。