海绵城市生态单元的功能研究——以武夷山市为例

齐 迪

(大连理工大学环境工程设计研究院有限公司，辽宁大连116024)

近年来，为落实生态文明建设的相关要求，以增强城乡防洪抗旱排涝能力为主要目标的海绵城市工程，开始成为城市建设工程领域的新热点。在防洪排涝功能之外，海绵城市工程还是实现城市水生态环境修复及改善等多重目标的有效手段。海绵城市建设实质上是通过渗、滞、蓄、净、用、排等措施，将降水就地消纳并进行回收利用[1]。其核心理念与循环经济理念高度契合，是实现生态文明建设的重要途径。海绵城市建设的本质是构建雨水系统设施的低影响开发(Low Impact Development，LID)模式。该模式最早在美国被提出，其本质是一种能够有效缓解降水过程中城市内涝及面源污染问题的市政工程理念。低影响开发主要通过人工湿地等生态单元设施来降低雨水径流量及污染物排放量，基于循环经济理念实现开发区域的可持续水循环。生态文明作为我国五位一体建设总布局的关键一环，其建设需要与总布局中的经济建设等环节统筹推进。循环经济提倡发展经济的同时，要与生态环境相和谐，故通过海绵城市的生态单元发展循环经济，能够有效推进我国生态文明建设及五位一体总布局的实现。

我国关于海绵城市建设的研究起步较晚，能够参考的工程案例也相对较少。加之雨水径流污染具有时空分布离散及污染物成分复杂多变的特征，因此，利用暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，简称SWMM)软件对雨水径流及水质情况进行模拟，是当前海绵城市研究的重要途径。SWMM是美国环保署开发的雨水管理模型，可模拟降雨过程中地表径流量及污染物排放总负荷，是市政工程领域的重要工具软件[2]。海绵城市工程由若干LID设施构建，LID设施中的生物滞留系统等生态单元可通过植物、土壤与微生物的三重协同作用实现水体净化及可持续的资源循环，故其对雨水径流的拦蓄及净化功能都较为突出。根据应用位置不同，其又可细分为人工湿地及生态树池等不同生态单元。在海绵城市中，由构筑物及动植物生存其间的景观单元被称为生态单元[3]。生物滞留系统等生态单元作为小型生态系统，其运行机制与生态文明思想高度契合。故本研究通过SWMM软件建模，对生态单元为主体构建的海绵城市工程的雨水径流拦蓄及净化功能进行分析，并结合其对市政设施灰绿结合的创新驱动，从多方面评价海绵城市生态单元的功能。

1 研究区域概况

海绵城市建设对我国降水较多的南方城市具有更为突出的意义，故选择处于1 000mm等降水线附近的福建武夷山市中心城区，作为开展研究及建立SWMM模型的地理信息背景区域。武夷山市处于江西与福建两省交界地带，具有显著的夏季高温多雷雨的亚热带季风气候特征。市区中心的崇阳溪沿岸地带是一个人员及建筑比较密集的区域，其土地开发利用程度在全市处于较高水平。三面环山的崇阳溪河流沿岸地势相对平缓，土地不透水率高且排水设施老旧，因此，该区域的洪涝风险较高。综合多方面因素考量，最终选取的SWMM模型建立区域位于崇阳溪西侧河岸，区域东侧边界是当地的城区主干路武夷大道，东北方向与环岛西路紧邻，西侧及南侧边界则是百花路以及中洲排洪沟。上述边界所构成的闭合空间便是SWMM模型建立的背景区域。

2 海绵城市生态单元的径流拦蓄及净化功能模拟

雨水资源具备一定的利用价值，但是城市地表渗透性不足，为降低暴雨天气时城市洪涝灾害发生的可能性，雨水只能通过泵站及雨水管网等灰色设施快速排放，从而导致了雨水资源的浪费。由于雨水资源并未能在城市运行和经济循环中得到高效合理的利用，因此，传统的雨水排放模式并不利于循环经济的发展。同时，我国城市普遍采用的合流制排水模式，在暴雨天气时部分污水会从雨水管网直排到自然水体，对生态环境造成污染。而海绵城市的低影响开发理念则与循环经济发展及生态文明建设的要求高度契合，可有效解决上述问题。利用SWMM软件对武夷山市进行海绵城市模拟改造，可对海绵城市生态单元的雨水径流拦蓄及净化功能进行模拟，进而探究全新的生态文明建设路径。

2.1 研究区域子汇水区划分及管网概化

研究区域内除西部空间留有一定面积的未开发土地及景观绿化带外，区域剩余空间的建筑密度均处在一个较高的水平。将卫星影像图作为背景导入到SWMM软件模型中，同时根据当地排水管网的相关资料在背景图上绘制管道及节点。在绘制过程中略去小管径及短距离的管道，保留主干管道以完成排水管网的概化。绘制完成后，需要根据图纸及相关资料手动输入管径及管道长度。而位于管道两端的铰点，则需要手动输入定义“内”底标高，并以此来推算管道的坡度大小。最终经概化整理得出19条管道(GQ)、19个管道连接铰点(J)以及3个排放口(PFK)。雨水管网的详细信息如表1所示。

表1 管道数据统计 m

在排水管网模型概化基础上，结合卫星地图及实际地形便可以对研究区域进行子汇水区划分。子汇水区划分过程中需要充分考量土地利用类型信息等相关因素，同时尽可能保证各子汇水区在地图上以规则图形呈现。根据上述划分原则并结合相关资料信息，将研究区域共计划分为19个子汇水区，并将其按照ZMJ1～ZMJ19的顺序进行编号。根据图1中的相关信息，将SWMM模型的土地利用类型划分为道路、房屋屋顶和绿化带三大类。参考卫星遥感光谱识别的研究成果[4]，并结合实际的土地规划利用情况，将道路、房屋屋顶和绿化带的不透水率分别设定为75%，80%及25%。根据不同类型的土地在子汇水区域中的面积占比，加权求和后得到每一个子汇水区域的不渗透性系数。单一子汇水区的主要参数信息如表2所示。

表2 子汇水区参数

2.2 降水参数设置

降水参数是建立SWMM模型的重要基础，在市政排水工程领域，暴雨强度公式是反映降雨规律、指导城市排水防涝工程设计和相关设施建设的核心依据。暴雨强度公式是在分析整理特定地区历史雨量记录的基础上，根据统计学方法推导出的。我国在市政工程领域常用的暴雨强度公式为：

式中：q——平均降雨强度，mm/min；P——降雨重现期，a；t——降雨历时，min；A1、C、b、n——地方参数，通过统计学方法进行计算确定。

将官方修正测定的相关数据参数带入公式(1)，最终得到的福建武夷山地区的暴雨强度公式为：

根据武夷山当地防洪规划文件内容，最终选择的降水模型重现期为20 a。因武夷山地区降雨持续时间通常在2 h以上，故将模型的降雨历时设置为3 h。通过暴雨强度公式只可以计算出平均降雨强度，为保证模拟数据的精度需要完全还原整个降雨过程。故基于当地暴雨强度公式利用芝加哥雨型降水分布，模拟出各时间点的分钟降雨量。芝加哥雨型主要基于某一特定重现期的暴雨强度公式参数，结合雨峰位置系数推求，得到设计降雨过程的详细数据。该模型具有模拟精度高及数据误差低等优点，同时研究表明其对我国南方地区相对适用[5]。将雨型的雨峰位置系数取值为0.4，随后便可以通过该系数及暴雨强度公式构建完整的芝加哥雨型曲线。将计算得出的分钟瞬时降水量输入到SWMM中，最终得到重现期为20 a，降水历时为180 min的武夷山地区芝加哥雨型降水曲线如图1所示：

图1 SWMM模型子汇水区降水曲线

2.3 其他模型参数设置

选择Horton方程作为模型的渗入方程。参考SWMM使用手册中的推荐取值范围，同时结合当地实际情况，设置最大入渗速率为18 mm/h，最小入渗速率为8 mm/h，入渗衰减系数为软件预设的4 h-1。将不渗透性及渗透性粗糙系数N值分别设定为0.01和0.03。同时将不渗透性及渗透性洼地蓄水深度分别设定为12 mm和2 mm。

2.4 研究区域海绵城市建设方案及参数设置

选择处于未开发状态的ZMJ12子汇水区作为海绵城市工程的模拟建设区域，在该区域构建人工湿地型的生物滞留系统，通过其对雨水径流及污染物的拦蓄回用量，来量化分析海绵城市建设对循环经济的贡献度。在SWMM中生物滞留系统需要定义的参数有土壤层的厚度、植物覆盖指数及蓄水深度等，其相关参数设置情况如表3所示：

表3 生物滞留设施参数

2.5 海绵城市建设的雨水拦蓄回用功能分析

在ZMJ12添加生物滞留系统LID控制选项，并按照表3中的参数设置LID单元参数，LID单元的子汇水区面积占比设为50%。设置LID单元前后分别执行模拟操作并将相关数据进行对比，软件模拟结果如表4所示。

表4 海绵城市建设雨水径流拦蓄模拟效果

根据软件模拟的结果，在3 h的降水过程中海绵城市LID单元共拦蓄雨水径流650 m3，可对城市内涝起到有效的缓解作用。同时人工湿地拦蓄的雨水经净化后，可作为景观绿化用水进行回用产生经济价值，能够对循环经济的发展起到显著的推动作用。

2.6 海绵城市建设的雨水污染物净化分析

常见的雨水径流污染物指标有总氮(TN)、总磷(TP)及化学需氧量(COD)等，上述污染物在地表上以垃圾碎屑的形式累积并在降水时被雨水冲刷到径流中。SWMM操作手册根据实测调研结果总结出了城市径流的水质特性表，比较有代表性的雨水径流污染物浓度情况如表5所示：

表5 城市径流水质特性 mg·L-1

各类污染物溶解到雨水径流后，会随着雨水径流被一同拦蓄到人工湿地中。雨水中的氮磷元素超量直排到自然水体中会引发水体富营养化，由此引发的污染已经成为水生态环境领域的突出问题[6]。但是人工湿地可以将雨水中的TN及TP作为系统植物生长的营养物质，从而实现了废物资源化。人工湿地的氮元素转化利用主要通过硝化及反硝化反应完成，反硝化反应中各类COD污染物可以作为反应的碳源，从而实现了资源化循环利用。经初步估算，在软件模拟的3 h降水过程中，人工湿地至少可减少1.2 kg的TN污染物排放、0.3kg的TP污染物排放以及53.3 kg的COD污染物排放。其中部分污染物可成为植物及微生物生长的营养物质，重新参与物质循环进而进行资源化利用。人工湿地等海绵城市单元在实现资源回收的同时降低了对自然环境的影响，故其可以对循环经济发展起到创新推动作用。

3 海绵城市生态单元对市政设施灰绿结合的推动

虽然以灰色市政设施为主的传统排水模式并不符合循环经济发展的要求，但是将灰色基础设施完全排除在城市经济运行体制之外也并不符合循环经济原理。而以人工湿地等海绵城市生态单元为结合点，可以实现灰色市政基础设施与海绵城市绿色设施的无缝连接，能够在推动循环经济发展的同时，有效缓解我国的水环境污染问题。

以武夷山市中心区域为例，根据模拟建设方案在中洲排洪沟南侧ZMJ12增设人工湿地设施，对研究区域内市政设施的灰绿结合便会起到一定的推动作用。在极端暴雨天气时，若人工湿地内的蓄水容积达到设计上限，为降低洪涝灾害发生的风险，可利用提升泵将人工湿地的雨水直接引入到中洲排洪沟排放，可最大限度发挥沟渠等灰色设施排水速度快的特点。而当旱季时由于人工湿地中的植物生长需要保持一个最低的水位高度，故当降水不足时需要引入水源补入。在该工况下经污水处理厂二级生化处理排放的尾水，可以作为水源引入到人工湿地中。其在补充人工湿地蓄水量及植物生长所需氮磷元素的同时，还可以通过人工湿地进行深度净化达到更高的水质要求。故通过市政设施的灰绿结合，污水厂尾水中的各类污染物可进一步实现减排及资源化利用。

研究表明，在应对当前的城市内涝及水污染问题过程中，在充分利用灰色基础设施的速排优势的基础上，结合绿色基础设施的生态功能及循环经济特性才能达到事半功倍的效果[7]。而通过海绵城市建设实现市政设施的灰绿结合，可实现市政基础设施的最优化配置，从而实现循环经济发展及生态文明建设的创新推动。

4 结论

研究结果显示，海绵城市的生态单元能够拦蓄26.97%的雨水径流，并可将其实现资源化利用。同时其内部的植物可将雨水径流中的TN及TP等污染物重新带入到生态循环中，从而实现减量化排放。而以海绵城市生态单元为结合还可实现市政设施的灰绿结合，在优化资源配置的同时进一步提升各类水体污染物的回收利用率，在实现污染物低排放的同时实现资源的高利用。综上所述，海绵城市生态单元可以从多方面推动循环经济的发展，其在满足可持续发展要求的同时，对生态文明建设具有积极的正面意义。