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基于SWMM的LID设施分区布局及减排效益.pdf
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1、基于 SWMM 的 LID 设施分区布局及减排效益刘波1,戎贵文1,2,陈情情1,陈上志1,贺甜1(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南232001;2.河海大学水利水电学院,南京210098)摘要:为探讨低影响开发(lowimpactdevelopment,LID)设施对缓解城市洪涝灾害以及削减污染负荷的效果,选取绿色屋顶、雨水花园、透水铺装和雨水罐 4 种 LID 设施,通过构建暴雨洪水管理模型(stormwatermanagementmodel,SWMM),并根据实际地形和管网走向将研究区汇水面分为不同分区,分析 LID 设施组合在 7 种布设方案下对径流控制和雨水污染负荷减排的影响
2、。结果表明:对于 7 种布设方案,LID 设施组合均能有效削减径流量和雨水污染负荷,且分区布设时,LID 设施组合在上中游分区对径流量的控制效果较好;在相同设计降雨重现期下,各布设方案的削减效果依次为全区上中游分区中下游分区上下游分区下游分区中游分区上游分区;LID设施组合布设在下游分区时的径流量削减率较布设在上游分区提升 5.19%6.82%,布设在上中游分区较布设在上下游分区提升 1.87%3.62%,较布设在下游分区提升 16.48%18.97%;LID 设施组合全区布设较布设在下游分区提升 29.60%31.17%,较布设在上中游分区提升 12.20%13.12%。因此,在海绵城市规划
3、建设之前建议全区按需布设 LID 设施,在进行老旧小区改造时可着重考虑将 LID 设施布设在上中游分区。关键词:LID 设施组合;SWMM 模型;分区布局;径流系数;污染物中图分类号:TV213文献标志码:ADOI:10.13476/ki.nsbdqk.2023.0090在城市化进程中,天然地面被道路、建筑等不透水面所覆盖,在减少入渗量和蒸散量的同时,增加了径流量和径流污染负荷,两者共同作用改变了地表径流的水文条件,水文变化主要表现为更高的峰值流量和更短的洪峰到达时间1。不透水面积的迅速增加和气候变化显著地影响了局部、区域甚至全球范围内的水文、环境和生态系统2。随着城市化进程的快速发展,老旧小
4、区数量逐渐增多,其污水、雨水管网大多已经老化,存在管网漏水、污水与雨水混排等问题,城市内涝和水体黑臭现象频发。全面推进海绵城市建设以及将其运用到城镇老旧小区改造已成为研究热点之一。因此,推进海绵城市建设对缓解城市内涝风险、改善水资源短缺问题具有重要意义。海绵城市建设倡导从源头滞水、蓄水、渗水和净水,使城市在开发过程中保持良好的雨水储存、渗透和净化功能3-4。绿色屋顶、透水铺装、雨水花园等低影响开发(lowimpactdevelopment,LID)设施作为海绵城市建设的主要工程措施,能够有效促进雨洪的滞、蓄、渗以及蒸散发,从而缓解城市内涝等水问题5。ZHENG等6以深圳市作为研究区域,对比 3
5、 种土地利用类型的 LID 方案,认为基于径流评估、污染物模拟和投资计算的多目标优化模型更为有效。杜颖恩等7研究 LID 设施空间格局对径流控制和雨水径流污染负荷的影响,发现将单一雨水花园布设在下游分区时对径流总量控制和雨水径流污染负荷的净化效果最好。戎贵文等8针对工业园区研究不同 LID设施组合对雨水源头控制和污染负荷削减效果,发现绿色屋顶、雨水罐、雨水花园和透水铺装组合方案对径流量和污染物的削减效果最好,但随着重现期的增大,削减效果均有不同程度的降低。徐宗学等9运用 NSGA-II 算法以 LID 设施的成本、雨洪要素控制率为目标进行 LID 优化布局,发现透水铺装和绿色屋顶组合对径流总量
6、和洪峰流量削减效果收稿日期:2023-06-28修回日期:2023-09-27网络出版时间:2023-10-10网络出版地址:https:/ SWMM 的 LID 设施分区布局及减排效益J.南水北调与水利科技(中英文),2023,21(5):930-939.LIUB,RONGGW,CHENQQ,etal.RegionaldistributionandmitigationbenefitofLIDfacilitybasedonSWMMJ.South-to-NorthWaterTransfersandWaterScience&Technology,2023,21(5):930-939.(inChin
7、ese)930最显著。李尤等10采用改进层次分析法开展下凹式绿地及雨水调蓄池的 LID 空间布局优化研究。关于 LID 设施的优化研究,许多学者致力于对 LID组合类型与目标的优化,以此研究 LID 在雨洪调控方面的性能,但对于 LID 在分区布设方面的考虑较少,通常只选择在不透水面基础上全区布设;有部分学者研究了 LID 设施空间布局的优化,但模拟情景比较单一,没有与 LID 全区布设进行比较,同时也忽略了 LID 设施之间的交互作用,在一定程度上缺乏全面性。LID 设施不仅可以缓解城市洪涝灾害、削减雨水污染负荷,还可以提升老旧小区环境和居民生活质量。本文以淮南市某老旧小区为研究对象,以相同
8、 LID 设施组合类型布设子汇水区面积相当的分区,通过构建暴雨洪水管理模型(stormwatermanage-mentmodel,SWMM),研究 LID 设施组合布设于不同分区时对径流调控和雨水污染负荷削减效果的影响,以不同分区的径流量和雨水污染负荷的削减率为依据,提出关于分区布局的 LID 设施组合布设方案,旨在为海绵城市规划建设提供借鉴。1材料与方法1.1研究区概况研究区位于安徽省淮南市,近 10 年淮南的年平均降水量为 1081.39mm,68 月为每年降水高峰期,平均降水量约占全年的 51%左右。研究对象为某老旧小区,该区整体地势南高北低,东西地势较为平缓,平均坡度 0.8%,容易发
9、生内涝。研究区总面积约为 6.90hm2,屋顶、道路等不透水面积约为4.89hm2,占比 70.9%,不透水率较高。1.2研究方法采用美国环境保护署开发的 SWMM,该模型能够较好地模拟降雨、下渗、地表漫流以及管网排水等 过 程,目 前 被 广 泛 应 用 于 城 市 雨 洪 过 程 模拟11。研究区产流过程的下渗模型采用霍顿下渗模型,汇流过程采用非线性水库法,水质模拟分别采用幂函数累积模型和指数冲刷模型计算污染物累积与冲刷7,12-13。SWMM 中管网计算方法包括恒定流、动力波和运动波 3 种14-15,其中动力波法计算结果较为精确16,且本研究需要添加 LID 设施,管道水流为非均匀流,
10、因此管网计算采用动力波法17。通过数值模拟结果评价不同方案效果,进而得出LID 设施组合布设在不同分区对径流控制和雨水径流污染负荷的影响规律。1.3SWMM 概化对研究区进行现场勘测,根据研究区规划、排水管网分布、坡度走向等18在 SWMM 中对研究区进行概化和子汇水区划分19,共分为 14 个子汇水区、8 个节点、8 条管道和 1 个排放口,概化模型见图 1。子汇水区管道林地水域建设用地节点雨量计排放口NSWENSWE图1研究区概况及子汇水区划分Fig.1Overviewofthestudyareaandsub-catchmentdivision刘波,等基于 SWMM 的 LID 设施分区布
11、局及减排效益9311.3.1设计暴雨采用芝加哥雨型生成器和淮南市暴雨强度公式20(1)生成重现期为 1、3、5、10、20和 30a 的降雨情景,并绘制不同重现期的降雨强度过程线,雨峰系数设定为0.4,降雨历时t 取120min,结果见图2。3060901200100200300400500降雨强度/(mmh1)降雨历时/minP=1 aP=3 aP=5 aP=10 aP=20 aP=30 a图2不同设计重现期降雨强度过程线Fig.2Rainfallintensityprocesslinesofdifferentdesignreturnperiodq=2 030(1+0.7lgP)(t+6.2
12、9)0.71(1)式中:q 为设计降雨强度,mm/min;t 为降雨历时,min;P 为重现期,a。1.3.2参数率定与模型验证为验证模型的可靠性,分别采用 2020 年 7 月11 日与 2021 年 7 月 17 日的两场降雨实测资料进行参数率定与模型验证。子汇水面积、坡度、不透水面积比等通过实测数据获取,地表洼蓄量、曼宁系数、下渗模型的参数等通过查阅国内外相关文献以及 SWMM 用户手册获取2,11,16,见表 1。选择 SS、COD、TN 和TP 作为水质模拟的主要污染物指标21-23,模拟管网末端排放口污染物的质量浓度,将研究区下垫面分为绿地、道路和屋面 3 种土地利用类型,根据实际
13、情况赋予对应的不同子汇水区相应的面积百分比,参数取值范围参考用户手册及相关文献4,22,24,见表 2。同时,采用纳什效率系数(ENS)作为水文模型率定的评价指标,当 ENS0.6 时,模型被认为具有良好的精度25-26。排水口模拟流量与实测流量的拟合 ENS为 0.806 和 0.837,采用 2021 年 7 月 17 日降雨的污染物质量浓度模拟污染过程,ENS均大于0.800,如图 3 所示,表明所构建的模型参数取值合理,拟合度高,所建模型适用于研究区。表1水文相关参数Tab.1Hydrologicalrelatedparameters参数类型参数名称参考范围取值霍顿参数最大入渗率/(m
14、mh1)1010098.7最小入渗率/(mmh1)0.525.022.5衰减常数/h1274排干时间/d7曼宁系数不透水区0.0010.0150.01透水区0.10.30.2洼地蓄水不透水区/mm132透水区/mm3107表2污染物累积与冲刷参数Tab.2Pollutantaccumulationandscouringparameters下垫面类型参数名称SSCODTNTP屋顶最大累积量/(kgkm2)1309030.2速率常数/d10.20.20.20.2冲刷系数0.0030.0040.0030.002冲刷指数1.41.61.41.6路面最大累积量/(kgkm2)24016030.3速率常数
15、/d10.20.20.20.2冲刷系数0.0040.0050.0040.002冲刷指数1.61.61.51.6绿地最大累积量/(kgkm2)407070.6速率常数/d10.20.20.20.2冲刷系数0.0030.0020.0020.001冲刷指数1.21.21.21.20.40.81.21.62.02.4模拟径流降雨强度实测径流ENS=0.8060501001502002503000.40.81.21.62.02.4模拟径流降雨强度实测径流ENS=0.837050100150200250300(a)2020 年 7 月 11 日流量(b)2021 年7 月 17 日流量5010015020
16、0250300SS 模拟降雨强度SS 实测ENS=0.86605010015020025030050100150200250300COD 模拟降雨强度COD 实测ENS=0.861050100150200250300(c)SS(e)TN(f)TP(d)COD0306090120150180234567TN 模拟降雨强度TN 实测时间/min时间/minTN 质量浓度/(mgL1)SS 质量浓度/(mgL1)TP 质量浓度/(mgL1)COD 质量浓度/(mgL1)ENS=0.836050100150200250300降雨强度/(mmh1)050100150200250300降雨强度/(mmh1
17、)降雨强度/(mmh1)降雨强度/(mmh1)降雨强度/(mmh1)降雨强度/(mmh1)流量/(m3s1)流量/(m3s1)03060901201501800306090120150180时间/min时间/min03060901201501800306090120150180时间/min时间/min03060901201501800.10.20.30.40.50.6TP 模拟降雨强度TP 实测ENS=0.899第21卷第5期南水北调与水利科技(中英文)2023年 10 月9320.40.81.21.62.02.4模拟径流降雨强度实测径流ENS=0.8060501001502002503000
18、.40.81.21.62.02.4模拟径流降雨强度实测径流ENS=0.837050100150200250300(a)2020 年 7 月 11 日流量(b)2021 年7 月 17 日流量50100150200250300SS 模拟降雨强度SS 实测ENS=0.86605010015020025030050100150200250300COD 模拟降雨强度COD 实测ENS=0.861050100150200250300(c)SS(e)TN(f)TP(d)COD0306090120150180234567TN 模拟降雨强度TN 实测时间/min时间/minTN 质量浓度/(mgL1)SS 质
19、量浓度/(mgL1)TP 质量浓度/(mgL1)COD 质量浓度/(mgL1)ENS=0.836050100150200250300降雨强度/(mmh1)050100150200250300降雨强度/(mmh1)降雨强度/(mmh1)降雨强度/(mmh1)降雨强度/(mmh1)降雨强度/(mmh1)流量/(m3s1)流量/(m3s1)03060901201501800306090120150180时间/min时间/min03060901201501800306090120150180时间/min时间/min03060901201501800.10.20.30.40.50.6TP 模拟降雨强度T
20、P 实测ENS=0.899图3排放口流量与污染物质量浓度的率定结果Fig.3Calibrationresultsofdischargeandpollutantmassconcentrationofdischarge2优化方案及模拟结果2.1优化方案拟定目前较为常见的 LID 设施主要包括绿色屋顶27、雨水罐、植被浅沟、渗渠、雨水花园和透水铺装28等,而 LID 设施组合也是控制径流的有效措施,可大大降低城市流域的洪涝风险29。研究 LID 设施对城市雨洪过程的影响,一般考虑单项 LID 设施以及不同类型 LID 设施组合的效果30。根据研究区实际地形由高到低的走势以及排水管网的分布走向,将研究
21、区分为上、中、下游分区,并选用绿色屋顶、雨水花园、透水铺装和雨水罐进行 LID 设施组合,将 LID 设施组合布设在不同的分区,以此对径流调控和水质调控的影响进行研究。7 种布设方案如下:方案一:LID 设施组合仅集中布设在上游分区;方案二:LID 设施组合仅集中布设在中游分区;方案三:LID 设施组合仅集中布设在下游分区;方案四:LID 设施组合集中布设在上中游分区;方案五:LID 设施组合集中布设在上下游分区;方案六:LID 设施组合集中布设在中下游分区;方案七:LID 设施组合在原有不透水面积上布设全区。LID 设施组合分区分布见图 4。2.2模拟结果与分析2.2.1径流调控模拟结果与分
22、析根据以上 7 种布设方案分别进行模拟,计算不同重现期下的径流系数和径流量削减率,结果见图 5。由模拟结果可知,不同降雨重现期下,7 种布设方案下的径流系数随着重现期的增大而增大,而径流量削减率随着重现期的增大而减小,其变化趋势随着重现期的增大而逐渐趋于平稳。同一设计降雨重现期下,当 LID 设施组合单块分区布设时,在下游分区的径流控制效果较好;双块分区布设时,在上中游分区的控制效果较好;上游分区的径流控制效果与中游基本相同,上下游分区与中下游的径流控制效果也基本相同;LID 设施组合布设在下游分区时 的 径 流 量 削 减 率 较 布 设 在 上 游 分 区 提升5.19%6.82%;布设在
23、上中游分区较布设在上下游分区提升 1.87%3.62%,较布设在下游分区提升16.48%18.97%。LID 设施组合全区布设较布设在下游分区提升 29.60%31.17%,较布设在上中游分区提升 12.20%13.12%。同时,在上、中、下游分区分别布设 LID 设施组合时,下游分区的原有绿地面刘波,等基于 SWMM 的 LID 设施分区布局及减排效益933积与上、中游分区相比占比较小,但径流调控效果较好,说明当原有绿地面积占比相差不大时,下游分区布设 LID 设施能有效控制雨水径流。(a)上游分区(b)中游分区(c)下游分区(e)上中游分区(f)中下游分区(g)上下游分区(d)全区未布设
24、LID布设 LID图4LID 应用分布Fig.4LIDapplicationdistributions00.20.40.60.81.0现状方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七径流系数0.20.30.40.50.60.7径流量削减率/%方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七(a)径流系数(b)径流量削减率135102030重现期/a135102030重现期/a图5不同重现期下的径流系数及径流量削减率模拟结果Fig.5Simulationresultsofrunoffcoefficientandrunoffreductionrateunderdifferentreturnperiods在
25、 SWMM 中选取重现期为 3a 时的排放口积水深度,见图 6,可以看出:布设 LID 设施后积水深度峰值有明显下降,随着布设面积的增大,地表径流时间也随之增长,有效减缓了经历强降雨时管道的承载力;同时,分区布设相比较于未布设时,其峰值下降也较为明显。因此,在小区建设规划之前,建议全区按需布设 LID 设施组合;进行低影响开发改造时,可根据小区实际地形走势和排水管网分布情况,优先将 LID 设施组合布设在上中游分区或下游分区,以充分发挥 LID 设施组合的综合作用;在不新增加低影响开发建设成本的情况下,径流控制效果达到最佳。第21卷第5期南水北调与水利科技(中英文)2023年 10 月934(
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