基于KOSIM模型城市三级海绵系统构建及评价——以南昌市高铁东站地区为例

邹志华,陈纪朝,熊文军

(1.南昌市城市规划设计研究总院,江西南昌 330013;2.华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉 430077)

近年来,我国部分城市存在内涝、水质型缺水、水环境恶化等问题[1],采用传统的建设理念已经很难解决。对此,我国自2014年以来大力推行海绵城市建设理念[2],通过海绵设施的“渗、滞、蓄、净、用、排”等作用削减径流量及径流面源污染,缓解上述问题。年径流量控制率及污染物削减率是海绵城市建设的主要评价指标,目前可以用于水量及水质模拟的主流软件包括KOSIM、MIKE、InfoWorks、SWMM等。其中,MIKE及InfoWorks为付费商业软件,获取难度较大,使用时操作复杂[3-4];SWMM为开源软件,使用较为方便,但主要适用于水质模拟[5];KOSIM模型为德国汉诺威水有限公司开发的长历时污染负荷模型,可以将降雨-径流-污染物输送的动态连续过程可视化,从水量和水质两个方面进行评估,更为直观地体现选用海绵设施的有效性[6-7]。

南昌市高铁东站地区位于中心城区边缘,未来将作为南昌市重要的交通枢纽及创新门户展示区。目前正处于开发建设阶段,在地表径流和面源污染控制方面正逐步完善。对此,高铁东站区域拟构建三级海绵系统,通过布置分散式、半集中式和集中式调蓄设施对于雨水径流进行调蓄与净化,同时采用KOSIM模型对于区域内年径流量控制率及污染物削减率进行模拟,对所选择海绵设施的有效性进行验证,并在此基础上优化建设方案,直至满足区域海绵城市建设目标要求。KOSIM模型为三级海绵系统建设方案评估提供了强有力的技术支撑,并为其他区域的海绵城市建设效果评估提供了借鉴参考。

1 研究区域及三级海绵建设方案

1.1 研究区域概况

项目研究区域位于江西省南昌市,气候温暖,多年平均气温为17.8 ℃,雨量充沛,年平均降水量为1 576.9 mm(1956年—2019年)。高铁东站区域位于中心城区边缘,总面积约为22.42 km2,重点研究范围如图1内部框线所示,面积约为13 km2。

图1 研究范围

区域现状整体呈现城乡结合部特征,根据ArcGIS软件分析结果,农林用地及水面面积为12.84 km2,建设用地面积为9.43 km2,规划后绿化及水面面积为3.45 km2,建设用地面积为15.47 km2。由于规划地块的开发,区域内地表硬化的比例显著增加,需要更为有效地利用区域内绿地,构建海绵设施,以更好满足区域内径流控制的功能。区域规划前后用地分布如图2所示。

图2 区域用地分布

区域现状主要存在问题为:水生态方面,区域现状开发导致区域内湿地、林地减少,部分岸线进行了硬化处理,对于水生态造成了一定的破坏;水安全方面,区域内管网排水能力较为不足,地面硬化率较高,缺乏对于雨水径流量的控制措施;水环境方面,区域内虽已经推行雨污分流制,但根据市政管护部门的初步排查情况,混错接情况仍然存在,农业污水面源污染缺乏控制措施,且污水管网有待完善。

1.2 三级海绵建设方案

1.2.1 三级海绵系统

三级海绵系统由分散式、半集中和集中式3类海绵设施组成。根据《海绵城市建设技术指南》第4章第3节、第5节及第8节相关内容,分散式海绵设施包括植草沟、雨水花园、砾石沟、调蓄塘等,常常与建筑和小区相结合,调蓄量≥16 mm,对于初期雨水有较好的净化作用,雨量大时雨水通过溢流进入市政管网;半集中式海绵设施通常布置在公共区域,面积较分散式海绵设施更大,包括自然的蓄水型生态滤池、下沉式绿地、大型植草沟、可淹没的运动场等,调蓄量加权值为7.5 mm,布置在雨水管道溢流处,用于处理不能流入分散式系统的径流;集中式海绵设施包括调蓄沉淀池、生态滤池、湿地等,布置在管网排入中心湖和区域出口前,集中净化污染严重的径流,截留处理分散式体系未能收集到的错接污水和污染物负荷。

通过对管网及调蓄设施的合理布置,在以下4种降雨工况下,三级海绵系统可以在雨水净化和径流调蓄方面发挥不同的功能(表1)。本研究中低水系统由明渠和绿廊组成,绿廊指绿化带形式的海绵设施。

表1 三级海绵系统在不同工况下的功能

1.2.2 海绵城市建设管控单元划分

本研究区域海绵城市建设管控单元划分主要以排水分区为单元,结合地形及雨水管网布置情况,利用ArcGIS软件将高铁东站区域分成6大海绵城市建设分区,20个子管控单元(图3)。

图3 海绵城市建设管控单元划分

1.2.3 三级海绵调蓄空间指标分配

本研究中各单元需求的海绵调蓄空间利用式(1)求得。

V=1 000HφF

(1)

其中:V——设计调蓄容积,m3;

H——设计降雨量,mm,根据年径流总量控制率确定;

φ——综合雨量径流系数,由加权计算得到;

F——单元汇水面积,km2。

各管控单元分区特征及数据如表2所示。

表2 海绵城市管控单元组团及分区特征

将各区域数据代入式(1)可求得,本研究区域需求的海绵调蓄空间共465 712 m2。

本研究依据管控区域的海绵城市建设适宜性及公共绿地空间的可利用性对三级海绵措施的调蓄空间进行合理预分配,分配原则为:优先考虑源头分散式海绵措施,在源头控制径流,源头海绵措施应保证大于16 mm的调蓄空间;其次,考虑初期雨水截流强度,末端集中式海绵措施应保证大于4 mm的调蓄空间;最后,基于总目标考虑半集中式海绵措施的调蓄空间,半集中式海绵措施应保证大于5 mm的调蓄空间。

根据上述原则,本研究中预分配的三级海绵系统提供的海绵调蓄空间总和为474 367 m3,大于需求的海绵调蓄空间(465 712 m3),能够满足相关指标要求。各管控单元三级海绵调蓄空间指标分配如表3所示。

表3 各管控单元三级海绵调蓄空间指标分配

2 KOSIM模型构建

2.1 模型构建思路

KOSIM模型以研究区域的管控单元为基本模块,主要构建依据为区域管网系统的流体特征和三级海绵措施之间的流体力学关系。模型构建了集水区产流、污水混接入流、分散式海绵措施、半集中式海绵措施以及集中式海绵措施的处理,以及溢流设施的溢流等过程,同时考虑已建调蓄池和再生水处理站的处理能力,对于区域内径流量及污染物削减情况进行模拟评价。

模型基本构建原理如图4所示,所需的区域年降雨量、水系年蒸发量、区域内硬化面比率等参数通过实测获得,污染物输入量及海绵设施的污染物去除率由经验值选取[8]。图4中CRBF、RUE、SM、SS分别代表选用的集中式海绵措施、溢流限流设施、半集中式海绵措施、分散式海绵措施,Dry代表区域混接的流量,V代表选取海绵措施的体积,Qab代表所选设施控制或溢流的流量,[EW]=0代表区域内水量平衡。

图4 KOSIM模型基本原理

2.2 模拟区域

对于研究区域范围进行模拟,区域内各管控单元位置分布如图5所示。

图5 模拟区域管控单元分布

2.3 边界条件设置

本模型中将水系蒸发量、区域降雨量、地表硬化率、污染物输入量及海绵设计净化能力等数据作为边界条件。

取南昌市年平均蒸发量为1 263.7 mm,实测方法参照《水面蒸发观测规范》(SL 630—2013);降雨量选取了2011年(枯水年)、2015年(丰水年)、2019(平水年)3个代表年份的实测1 h降雨数据,测定方法参照《降水量观测规范》(SL 21—2015);区域集水区数据包括各集水区的面积及折合硬化率,利用ArcGIS软件对于各管控单元实测得到。管网混错接输入的污染物量结合其他地区新建城区开发过程中的经验值确定,管网中存在错接情况的比率取5%,管网外来水占比取15%。人均综合生活用水(居民生活用水与公共建筑用水总和)取149 L/d,生活污水污染物指标取为CODCr=50 g/(人·d),TN=11 g/(人·d),TP=0.95 g/(人·d);地表径流污染物参数参考了中国及欧洲的相关文献[8],综合考虑取值为CODCr=6×104kg/(km2·a),TN=2×103kg/(km2·a),TP=2×102kg/(km2·a)。海绵设施的净化能力根据已有项目实际处理经验选取[9],分散式海绵措施加权径流污染综合处理能力取值:CODCr为75%,TN为50%,TP为40%;半集中式海绵措施加权径流污染综合处理能力取值:CODCr为80%,TN为 60%,TP为45%;集中式海绵措施加权径流污染综合处理能力取值:CODCr为 85%,TN为60%,TP为50%。

3 模拟结果与分析

本研究分别在枯水年、平水年、丰水年3种降雨工况条件下对于三级海绵系统的处理状态进行了模拟,并对于各工况下的年径流总量控制率及污染物削减率进行了评价。模拟的总体目标是区域总体和各管控单元的年径流总量控制率>80%,污染物削减率(以CODCr计)大于50%,单位硬化面积CODCr排出负荷小于250 kg/a。如果模型验证区域内各指标达不到目标要求,则需要调整三级海绵设施的规模,直至满足要求为止。

3.1 年径流总量控制率

3种工况下区域产流量区别较大,丰水年比常水年产流量多38%,常水年比枯水年产流量多59%。

在区域整体径流总量控制效果上(表4),模拟结果显示各工况下三级海绵措施预分配方案均能达到年径流总量控制率80%的要求。枯水年区域径流总量控制率最高,考虑为径流控制率与处理负荷有关,处理负荷越低,径流控制效果越好。

表4 基于KOSIM模型复核的年径流总量控制率效果

以平水年(2019年)为例对各管控单元进行分析,模拟结果显示预分配的三级海绵措施对于径流量的控制效果均较好,各单元径流控制率均能达到86%。同时,通过分析得到,区域内源头分散式海绵措施规模越大,对径流控制的效果越好,C0、G0、S3、E1、E2等公共绿地空间较多的区域年径流控制率较高。各管控单元径流控制率如图6所示。

图6 基于KOSIM模型复核的各管控单元年径流总量控制率分布

3.2 污染物削减率

本研究中地表径流及外来混错接污水带来的污染总量以CODCr计,各工况下污染负荷总量差别不大。

在区域整体污染物削减效果上(表5),模拟显示各工况下预分配的三级海绵措施对于污染物的削减率差别不大,枯水年略高,均能满足大于50%的要求,单位硬化面积CODCr排出负荷均能达到低于2×104kg/(km2·a)的目标。

表5 基于KOSIM模型复核的污染物削减率效果

以平水年(2019年)为例对于各管控单元的污染物(CODCr、TN和TP)削减率进行分析,模拟结果的显示预分配的三级海绵措施对于各个管控单元的径流污染都进行了一定程度的削减,其中CODCr削减率大于57%,满足大于50%的要求,TN削减率大于50%,TP削减率大于39%。单位面积硬化面积CODCr排出年负荷都达到了低于2.5×104kg/(km2·a)的要求,其中C0管控单元CODCr排出负荷为1.5×104kg/(km2·a),污染控制水平较好。各管控单元污染物削减率如图7所示。

图7 基于KOSIM模型复核的各管控单元污染物削减率分布

4 结论

通过KOSIM模型模拟,得出以下结论。

(1)在南昌市高铁东站区域建设三级海绵系统,合理布置区域内管网及调蓄设施,调配分散式、半集中式、分散式3类海绵设施的规模。KOSIM模型模拟结果显示,建设方案在枯水年、平水年、丰水年3种工况下对于年径流总量控制和污染物削减均有着较好的效果。区域年径流总量控制率达到86%,CODCr削减率达到75%,单位硬化面积CODCr排出量低于2×104kg/(km2·a),均能满足区域海绵城市建设的总体目标。

(2)KOSIM模型相较于其他水文模型,能够较好地反映区域内管网系统水量及污染物总量的动态变化情况,使用方便,可靠性好。

(3)KOSIM模型通过模拟不同降雨条件下各类型海绵设施的径流控制效果,能够为海绵城市建设方案评估提供有力的技术支撑,有助于海绵城市区域建设效果达标。