表 1子汇水区参数取值

South Architecture - - Landscape and Landscape Architecture -

拿大水力计算研究所(CHI)基于SWMM 基础之上开发的软件,该模型中有专门模块用于设置LID措施,可在研究区域加载不同的LID 设施,研究不同LID 设施的组合形式对雨水径流和水质的控制效果,可有效地评估LID 水文效应 [7]。Ahiablame 等 [8] 使用 PCSWMM模拟透水铺装、雨水花园等 LID措施对城市洪水的影响,结果表明LID 措施

[9]能有效地减少径流量;张忠广等 基于 PCSWMM 模型以人工湿地为主要手段对城市降雨和水资源分配情况进行了模拟,指出LID措施可达到水平衡、防洪与水质指标的要求;

[10]

牛帅等 模拟分析了生态滞蓄池、渗透铺装、集水箱措施对雨水径流和峰值的降低效果,且指出LID 设施对于短时间降雨的效果更加明显。鉴于此,本文以广州市典型社区为例,利用 PCSWMM 模型研究 LID水文效应,为社区海绵化改造提供科学依据。

1 模型构建

1.1 PCSWMM模型概述

PCSWMM 为加拿大 CHI 于 1984 年以 SWMM为核心持续开发并改进的城市雨洪模型,具有强大的水文水动力模块,支持 1D-2D模型耦合,结果表达比SWMM 更直接、形象和便捷,广泛应用于排水管道和暴雨管理研究。PCSWMM模型可模拟与暴雨径流相关的水量和水质问题,包含 LID控制模块,能够模拟LID设施对降雨的减缓程度 [7]。PCSWMM 内嵌 GIS 功能,支持多种格式数据,包括 ArcGIS、Geomedia SQL、MapInfo、Microstation、AutoCAD、SQL、OpenGIS、GML、KML 及其他类型矢量图或栅格图,通过系统自身整合提供智能化工具用于模型的建立、优化和分析。

1.2 研究区域概况

研究区域位于广州市荔湾区花地河以西、龙溪中路以北,该区域三面被河流围绕,结合排水分界线及流向,形成一个独立封闭的排水系统,该区域用地主要由居住、绿地、道路用地组成,总面积为43.29 万m2。现有研究区域排水管网 CAD图、高清卫星遥感影像图等资料,其中遥感影像 图影像级别为19级,清晰度较高,能清晰识别屋顶、道路、绿地等下垫面信息,为后期建模分析不透水率、下垫面比例及 LID措施布置等提供支持。

1.3 排水系统概化

在 PCSWMM模型中,水力要素包括节点和管段,其中节点包括铰点(窨井、雨水篦子、探测点、转折点)、出水口和蓄水设施(蓄水池和湖泊),管道包括排水管道和沟渠。考虑到雨水篦子对模拟结果无太大影响,且雨水篦子管线管径较小,删除雨水篦子可以提高模型计算速度及精度,故一般将雨水篦子删除[7]。

研究区域管网数据源自排水管网CAD图,该区域为新建小区,采用的是雨污分流制,故仅提取雨水管网,管线均为圆形,由该排水管网CAD图可提取管线起点和终点的XYZ坐标和地表标高、管径、长度及流向等。其中,起点和终点即为检查井位置,可根据起点和终点的XY坐标确定检查井位置,导入PCSWMM模型。起点和终点的Z坐标即为该管线的入口标高、出口标高,可通过PCSWMM 导入工具导入PCSWMM模型,但需注意从CAD管网图中提取出的数据为管径的下沿埋深标高,故此时PCSWMM 模型的偏移量应选择标高进行导入,如选择的深度作为偏移量还需作进一步转换。检查井的地表标高如前所述可以直接从 CAD中提取出来,井底标高即为与该检查井相连的所有管道中最低的管道Z值。经处理后导入PCSWMM模型,该研究区域共有检查井130个、出水口2个及管段 130 根。

采用等分角线法划分本研究区域的排水系统子汇水区,即在道路中心线的交点处做对应角的角平分线,角平分线相交组成该子汇水区。由于每个子汇水区中检查井数较多,汇水区只指定其中一个检查井,根据就近排放原则,结合检查井图层利用泰森多边形法则对其进行细分,最终研究区域被划分为132个子汇水区。

1.4 模型参数率定

PCSWMM模型参数包括水量和水质两部分,水量模型参数参考 PCSWMM模型手册及邻近地区相关研究成果确定 [11-13],具体取值(表 1)。

2016 年 9月期间,共采集 20160902、20160907 和20160910共三场降雨径流,将研究区域的下垫面类型划分为道路、屋顶、绿地,于降雨时针对不同类型下垫面每隔 10min收集一次雨水径流,用于分析的不同类型下垫面雨水径流污染物类型主要为 BOD5、CODCr、TSS、NH3-N、TN、TP 等水质指标。

采用 2016 年 9 月 10日监测降雨和水质数据,以BOD5、CODcr、TSS、NH3-N、TN、TP 等水质指标作为目标对模型水质参数进行率定,模型参数参考相关文献取初值[7],根据模拟结果与实测数据误差调整水质模型参数直至最优。鉴于监测数据质量问题(如数据个数问题),绿地和道路采用2016 年 9 月 7日所监测的水质及降雨数据进行模型参数验证,屋顶采用2016 年 9 月 2日所监测的水质及降雨数据进行模型参数验证。为保证模型精度,对应不同下垫面不同水质指标的水质参数分别选取最大值、平均值、某一时刻的瞬时值即同时刻值作为限制条件计算相对误差E,计算公式如下式,得到模型参数(表2 ~ 4),模拟误差(表5)。

式中:E 为相对误差,%;Csim,max为模拟结果最大值; Csim,avg 为模拟结果平均值;Csim,same 为同时刻模拟值; Cobs,max 为实测结果最大值;Cobs,avg 为实测结果平均值; Cobs,same 为同时刻实测值;Cobs ——为实测最大值、平均值、同

时刻值三者的平均值。

从表 5可以看出,绝大部分相对误差小于10%,模拟结果精度较高,能够较好地反映该区域面源污染状况,说明所构建的PCSWMM模型具有较好的精度和可靠性。

2 LID 方案设计

低影响开发雨水利用技术主要通过利用不同设施的不同功能即“渗”、“滞”、“蓄”、“净”、“用”、“排”等来达到减少外排径流总量、削减洪峰流量、净化雨水水质、改善生态环境、雨水资源化利用等目标,

当然各个功能之间往往密不可分,同一LID 措施可能兼有多个功能,如下凹式绿地兼有“渗”、“蓄”、“净”、“用”等4项功能。

2.1 LID 计算原理

各类低影响开发措施由不同的“层”构成,如透水铺装由透水面层、透水基层、透水底基层等组成,绿色屋顶由植物层、基质层、过滤层、排水层等组成,下沉式绿地和生物滞留设施由蓄水层、种植土、原土层等组成。 PCSWMM模型基于各种低影响开发措施的基本原理概化为7 种 LID调控措施,分别为生物滞留池、下渗沟槽、透水铺装、雨水桶、植草沟、雨水花园和绿色屋顶。PCSWMM模型也是通过竖向层的组合表示,主要包括表层、土壤层、路面层、蓄水层、暗渠(排水层)等,不同的LID 措施含有不同的层,具体各LID措施所含层(表 6)[14、15]。

PCSWMM 模型有7 种 LID措施,现以生物滞留池为例介绍 LID计算原理,其他LID措施类似,在此不再介

绍。PCSWMM将每个 LID措施概化为一个含有填充物,填充物含有孔隙的蓄水池(图1),蓄水池中表层接受直接降雨和其他不透水区的降雨入流,种植有植物,并需设置表层厚度、空间植被覆盖率、曼宁系数和坡度等参数,当表层蓄满时径流便从顶端溢流流出;土壤层需设置厚度、孔隙率、土壤持水率、凋萎点、水力传导度、水力传导坡度和水吸力等,其中孔隙率决定孔隙的体积,即可以蓄存的水的体积,凋萎点指土壤在最干旱时所含水量,而土壤持水率指水分在土壤层和其他竖向层之间不发生水分交换的最大含水量,故土壤持水率需大于凋萎点,否则模型会报错;蓄水层即类似于蓄水池蓄水,需要设置蓄水层厚度、孔隙率和下渗速率,蓄水层可以下渗雨水至本地土壤层;如果设置了排水层,蓄水层便会通过排水层向外排水,排水层需设置出流系数、出流指数及管底抬高等。

LID设施表层、土壤层和蓄水层水文特性如蓄水水深、土壤含水量等通过水量平衡方程计算,具体参考PCSWMM模型使用手册。

2.2 LID 布局

PCSWMM 模型中 LID控制措施是在子汇水区属性中设置,可以在同一子汇水区中设置多种不同LID 措施和多个同种 LID措施单元。有两种不同的方法可以将LID措施置入子汇水区,分别为:①向一个没有LID 措施的子汇水区加入一种或多种LID 措施(图2左);②同一个子汇水区只添加一种LID 措施(图2右)。第一种方法允许将多个 LID措施混合置于一个子汇水区中,但各LID措施并列运行,每个LID措施分别处理其对应面积的子汇水区水流部分,不可以一个LID措施的出流数据作为另一个 LID措施的入流数据。

第二种方法允许LID措施占据整个子汇水区,并允许接受来自上游子汇水区的出流作为该子汇水区的入流,故可以满足流向设置,但第二种方法需要创建新的子汇水区,并设置新的LID子汇水区面积属性。

无论是第一种还是第二种LID措施设置方法,在设置完 LID措施后,均需根据实际情况调整子汇水区不透水率,如将不透水区设置为透水区后,需重新计算不透水率,尤其第二种方法,还需调整新创建的子汇水区面积和原子汇水区面积。

参考相关文献及各地区低影响开发手册[17],选取下垫面的 50%改造为对应的低影响开发措施,分析各种方案情况下 LID措施的效果,具体方案如下:

(1)方案A:将屋顶的 50%改造为绿色屋顶,绿色屋顶雨水直接排放,绿地的50%改造为下凹绿地,剩余的 50%原屋顶产生的雨水汇流至下凹绿地收集处理。

(2)方案B:将道路的 50%改造为透水铺装,绿地的 50%改造为下凹绿地,50%原屋顶的雨水汇流至下凹绿地收集处理。

(3)方案C:将屋顶的 50%改造为绿色屋顶,道路的50%改造为透水铺装,绿地的50%改造为下凹绿地,绿色屋顶和透水铺装雨水直接排放,剩余的50% 原屋顶的雨水汇流至下凹绿地收集处理排放。本模型中所涉及的绿色屋顶、透水铺装和下凹式绿

[11、17、18]

地等 LID参数参考相关文献 和模型手册,具体设计参数(表7 ~ 9)。

3 LID措施的水文效应

采用广州市暴雨强度公式,降雨重现期分别取0.5、1、2、5、10、20年,利用芝加哥雨型得到不同重现期设计降雨过程线,运用PCSWMM模型评估各种方案低影响开发效果。

3.1 0.5 年一遇 2h设计降雨

当研究区域遭遇 0.5 年一遇 2h 设计降雨时,LID措施添加前、方案A、方案B和方案C 这 4种情况下出水口 #1和出水口#2的流量峰值、不同指标污染物浓度峰值以及4种情况下的径流量、不同指标污染物负荷量及其削减率(表10~12)。

由表 10流量数据可知,方案A、方案B、方案C的出水口#1和出水口#2的流量均小于LID 添加前,说明各方案对流量均有明显的削减作用。比较3个方案的流量可以发现方案A> 方案 B> 方案C,这是由于3个方案的削减效果不同造成的,方案C为方案A与方案B组合,效果优于方案A和方案B,而方案B削减效果优于方案A。

由表 10污染物数据可知,方案A、方案B和方案C在出水口#1和出水口#2的径流污染物浓度峰值均有明显削减,但个别污染物如出水口#1 的 BOD5 径流污染物浓度峰值却比 LID措施添加前还高,出水口#1 除 TP 以外径流污染物浓度峰值方案C比方案B还高。这是由于PCSWMM模型在计算冲刷带来的污染物时,不区分LID区域和非 LID区域,直接采用子流域全部径流和面积来计算。LID区域内的降雨被直接用于稀释污染物,而非LID区域内的降雨需要转换为径流才可用于稀释污染物,两者有时会有近一半甚至一个量级的差距,导致设置了LID措施的出水口污染物浓度峰值有可能高于未设置LID措施的出水口污染物浓度峰值,或者多添加了某项LID措施的出水口浓度峰值高于未添加该项LID 措施的出水口污染物浓度峰值。

尽管方案A、方案B和方案C的个别污染物浓度峰值高于 LID措施添加前,但由于污染物负荷量是由流量 乘以浓度累加所得,故此污染物负荷量仍有不同程度地削减。由表11 和表 12可知,当研究区域遭遇0.5 年一遇 2h设计降雨时,对比LID措施添加前、方案A、方案 B和方案C这 4种情况下的出水口径流量和各水质指标,发现各项指标削减情况如下:径流量分别减少了约45.96%、63.36% 和 64.77%,BOD5 污染负荷分别减少了约 38.02%、53.22% 和 56.93%,CODCr污染负荷分别减少了约 33.71%、54.44% 和 57.44%,TSS 污染负荷分别减少了约 33.91%、47.61% 和 51.20%,NH3-N污染负荷分别减少了约 37.66%、47.89% 和 51.91%, TN 污 染 负 荷 分 别 减 少 了 约 40.48%、51.48% 和55.29%,TP污染负荷分别减少了约 50.20%、69.02%和 71.37%。

3.2 不同重现期降雨综合评估

同理,模拟不同设计重现期降雨的径流与污染物负荷量,发现遭遇不同重现期设计降雨中峰值削减规律与0.5年一遇设计降雨相似,以下不再论述。汇总不同重现期情况下方案A、方案B和方案C这 3种情况下的径流量及各水质指标的削减率(表13)。

由表 13可知,各种方案下出水口径流量及各水质指标污染物负荷削减率情况如下:

(1)当研究区域采用方案A、方案B和方案C时,其削减率均随着重现期增大而减小,这是由于LID 措施

蓄水能力有限,当降雨量增大时,即分母增大导致削减率减小。

(2)相同重现期降雨条件下,削减率方案C> 方案B> 方案A,说明削减效果方案C优于方案B,方案B 优于方案A。方案C为方案A与方案B组合,效果应当优于方案A与方案B,方案B为将方案A中的绿色屋顶调整为透水铺装,而绿色屋顶含有排水垫层,为“蓄”、“排”结合型LID措施,透水铺装未设置排水层,为“蓄”型 LID措施,透水铺装效果优于绿色屋顶,故方案B 优于方案A。

(3)当研究区域遭遇0.5年一遇到20年一遇设计降雨时,采用方案A、方案 B和方案C时的径流量和各污染物负荷均有明显削减,其中方案 A、方案 B和方案C的径流量削减率分别为45.96%~41.96%、63.36%~54.48% 和 64.77%~58.27%,BOD5 削减率分别为 38.02%~14.15%、53.22%~19.98% 和 56.93%~ 24.35%,CODCr 削 减 率 分 别 为 33.71%~17.89%、54.44%~26.96% 和 57.44%~30.98%,TSS 削减率分别为 33.91%~9.09%、47.61%~12.90% 和 51.20%~15.39 %,NH3-N 削 减 率 分 别 为 37.66%~25.57%、47.89%~30.61% 和 51.91%~34.43%,TN 削减率分别为40.48%~22.07%、51.48%~27.28% 和 55.29%~31.35%, TP削减率分别为 50.20%~46.04%、69.02%~59.91% 和71.37%~63.72%。

结论

(1)构建了研究区域PCSWMM模型,利用监测所得降雨和水质数据对其进行参数率定,结果表明相对误差大多小于10%,说明所构建的 PCSWMM模型具有较好的精度和可靠性。

(2)提出方案A、方案B和方案C等3种LID方案,分别采用重现期为 0.5、1、2、5、10、20 年的设计降雨对这3种方案进行评估,发现3种方案的径流量和污染物负荷量削减效果均较为明显,径流量和污染物削减率均随着重现期增大而减小。

(3)相同重现期降雨条件下,削减率方案C> 方案B> 方案A,说明削减效果方案C优于方案B,方案B 优于方案A,即削减效果中下凹式绿地、透水铺装和绿色屋顶的组合比两两组合的削减效果要明显。

(4)方案A、方案B和方案C在不同设计重现期下的径流削减率可达 41.96%~64.77%,BOD5、CODCr、TSS、NH3-N、TN 和 TP的污染负荷削减率分别为14.15% ~56.93%、17.89%~57.44%、9.09%~51.20%、25.57%~ 51.91%、22.07%~55.29% 和 46.04%~71.37%。 图、表来源

图1、2:根据参考文献 [11] 相关内容改绘;文中的表格均由作者绘制。

参考文献

[1]杨阳,林广思.海绵城市概念与思想[J].南方建筑,2015(3): 59-64.

[2] 彭翀 , 张晨 ,顾朝林.面向“海绵城市”建设的特大城市总体规划编制内容响应[J]. 南方建筑,2015(3):48-53.

[3]车伍,赵杨,李俊奇.海绵城市建设热潮下的冷思考[J].南方建筑,2015(4):104-107.

[4]仝贺,王建龙,车伍.等基于海绵城市理念的城市规划方法探讨 [J]. 南方建筑,2015(4):108-114.

[5]李俊奇,任艳芝,聂爱华,等.海绵城市:跨界规划的思考[J]. 规划师,2016(5):5-9.

[6]郭湘闽,危聪宁.高密度城区分布式海绵化改造策略[J].规划师,2016(5):23-28.

[7]吴海春,黄国如.基于 PCSWMM模型的城市内涝风险评估[J].水资源保护,2016,32(5):11-16.

[8]Ahiablame L,Shakya R.Modeling flood reduction effects of low impact development at a watershed scale [J]. Journal of Environmental Management,2016,171:81-91.

[9]张忠广,黄津辉,林超,等. 基于 LID理念的城市水资源综合管理规划研究 [J]. 水电能源科学,2013,31(7):29-32. [10]牛帅,黄津辉,曹磊,等.基于水文循环的低影响开发效果评价 [J]. 建筑节能,2015,2:79-84.

[11]蔡庆拟,陈志和,陈星,等.低影响开发措施的城市雨洪控制效果模拟 [J]. 水资源保护,2017,33(2):31-36.

[12] 聂铁锋.广州市城区暴雨径流非点源污染负荷核算技术研究 [D].广州:华南理工大学 ,2012.

[13]Wu H,Huang G,Meng Q,et al.Deep Tunnel for Regulating Combined Sewer Overflow Pollution and Flood Disaster:A Case Study in Guangzhou City,China[J]. Water,2016,8(329):1-14.

[14] 吴建立.低影响开发雨水利用典型措施评估及其应用[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

[15]何爽,刘俊,朱嘉祺. 基于 SWMM模型的低影响开发模式雨洪控制利用效果模拟与评估[J].水电能源科学,2013,31(12): 42-45.

[16]Storm Water Management Model Reference Manual Volume III–Water Quality[M].Cincinnati:U.S.Environmental Protection Agency,2016.

[17]胡爱兵,任心欣,丁年,等. 基于 SWMM 的深圳市某区域LID设施布局与优化 [J]. 中国给水排水,2015,31(21):96100.

[18]苏义敬,王思思,车伍,等.基于“海绵城市”理念的下沉式绿地优化设计[J]. 南方建筑,2014(3):39-43.

图 1生物滞留池概化图

图 2 LID置入子汇水区方案

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