海绵城市自提出以来,在国内各城市掀起建设热潮^[1]。除了国家住建部、水利部和财政部组织的2批30个国家试点城市外,部分省还组织了省级试点城市。为评估海绵建设效果,也为了海绵设施能有效运行,需针对水质水量制定科学合理的监测方案^[2],通过监测数据的获取分析得到海绵建设效果,从而指导后续的运行维护管理。

平原河网一般采用“重力排水、联圩排涝、流域防洪”三级排水防涝模式,雨水管网大多就近排入附近河道^[3,4],导致管网排放口较多。若采用“源头-过程-末端监测布点”方案^[5],会产生监测设备量大和后期运行维护成本增加的巨大压力。临港滴水湖流域为典型平原河网地区,是上海市海绵城市试点区的组成部分,试点区总面积约为79 km^2[6]。本文以滴水湖流域为例,提出结合模型对在线监测系统优化的方法,满足监测要求的同时降低经济成本和设备维护难度,以期为类似区域提供参考。

根据临港试点区水系及涵闸分布特点,将试点区分成主城区、老城区2个一级汇水分区,如图1所示,其中主城区自成圩区,河湖水位通过涵闸控制,老城区水系与浦东大片水系连通,水位受浦东大片水系调控影响。试点区内实行雨污分流排水体制,除物流园区北部和主城区科创城采用强排模式外,其他区域均就近自排。根据《上海临港试点区海绵城市专项规划》(以下简称《专项规划》)在一级汇水分区下划分了11个二级汇水分区,其中主城区共8个,老城区共3个,如图1所示。

根据《专项规划》,至2018年试点区建设项目共97个,包括建筑与小区海绵改造、道路海绵改造、绿地海绵建设、新开河、雨水收集回用等^[7]工程。

目前监测点多分布在临港新城滴水湖引水通道、外围河道、射河涟河、雨水排放口附近和滴水湖区,主要开展水文、水质和生物监测,监测手段为人工监测,周期为每月1次。监测点具体位置图2所示,其中,引水通道布置1个,外围河道布置6个,射河涟河布置28个,雨水排放口附近布置12个,滴水湖区布置了18个。

结合现状人工监测布点情况,以及滴水湖流域海绵城市建设运行效果及维护需求,聚焦滴水湖流域水质水量控制,重点对流域内河湖水质达标率、初雨污染控制率、年径流总量控制率和内涝防治等进行监测,为海绵设施运行维护和管理提供基础。

基于“源头-过程-末端”监测布点原则:源头方面考虑对所有海绵化建设项目和典型海绵设施进行监测,得到源头项目初雨污染控制率和年径流总量控制率;过程方面考虑对所有管网排放口进行监测,得到流域初雨污染控制率和年径流总量控制率,并推算内涝防治能力;末端方面考虑在汇水分区层面对河湖水质进行监测,得到河湖水质达标率。

针对地块建设项目,每个地块项目至少选取1个服务边界清晰的排放口进行监测,道路项目则对建设项目的进口和出口进行监测。每个监测点分别布置流量计和SS计。结合临港试点区近期建设项目,共有38个地块项目和28个道路项目,因而源头监测共有66个监测点。

临港试点区已建雨水管网的排放口共有195个,分布如图3所示。于所有排放口附近布置流量计和SS计。

对流域内产生的水量及污染情况需加以监测,结合试点区地块建设情况、水系布局及汇水分区等因素综合考虑,在涟河与射河交汇点前布置监测点以监测河道服务范围内的地块污染入河情况;此外,需考虑上游来水情况,在主城区与外部河道交汇处布置监测点以监测来水流量及水质情况。综合考虑共布置73个监测点,点位如图4。河道监测指标包括五参数:COD_Mn、总磷、氨氮、流量和水位。

将临港试点区监测系统分为“大-中-小”3个系统,分别对应汇水分区、典型项目和典型设施3个层面。结合《专项规划》的研究成果,在利用模型工具总结流域内水质水量变化特点的基础上,于水质水量关键节点处、典型项目及典型设施处布置监测点,获取必要水质水量资料,并通过模型工具分析得到全域建设效果。

汇水分区层面,主要监测降雨量、水质达标率、管网关键节点;典型项目层面,主要监测项目的年径流总量控制率和初雨污染控制,结合项目模型模拟结果,计算评估各汇水分区的海绵城市建设效果;典型设施层面,在利用实测和监测数据对模型关键参数率定和验证的基础上,模拟和评估其他类似项目的建设效果。

结合MIKE21水质模型模拟结果对主城区水质监测点位布局进行优化。针对主城区规划用地情况下的污染源输入及相应的水环境整治系统方案进行模拟,主城区水质分布如图5所示。由图5所知,射河水质明显优于涟河,因而射河主要考虑主城区引水口和滴水湖入水口进行监测即可;涟河由于汇水分区边界处流速较低,水质易较差,因而涟河的监测点主要考虑汇水分区边界。

结合Infoworks水力模型,对管网监测点位布局进行优化。结合试点区管网模拟分析,选取最能反应管网水质水量变化特征和海绵城市建设效果处进行监测,以反映管网排水特征。总体可分成3类:①沿街餐饮、市政混接或小区混接等雨污混接点下游雨水管内水质变化较大,于该处布置监测点可对雨污混接改造效果进行监测;②通过模拟可以发现,部分雨水管水量变化较大而易造成下游积水,拟对该处进行监测;③考虑通过布置移动监测点获取水质水量数据,对模型进行参数率定和模型验证。

结合Infoworks水力模型构建典型源头项目的精细化模型,项目类型覆盖建筑小区、道路和绿地,每种类型分别选取1～2个项目。图6、图7分别为某典型项目LID模型构建与模拟值、监测值率定结果。

综合构建思路与模型应用优化,监测方案的监测对象及指标选取如表1所示。

结合模型模拟分析结果和现场条件调研情况,以及典型项目和典型设施监测点集中布置的原则,确定了监测点数量共71个,监测点位置如图8所示。典型项目中,建筑小区分别为新芦苑F区、海事小区,道路为沪城环路和云鹃路,绿地为口袋公园;典型设施分别选取人工湿地(2个项目)、透水铺装、多孔纤维棉、生物滞留带、雨水花园等进行监测。其中移动和固定监测点实为同一设备。

采用“源头-过程-末端”监测思路进行布点时,地块和管网监测共需261套流量和水位监测设备,河道共需73套水质监测设备。

采用模型优化后,地块和管网监测共需24套流量和水位监测设备,河道布置32套监测设备即可满足监测要求。从而大量减少监测设备购买费用,也为后期运行维护减少工作量及投资。

本文以滴水湖流域监测布点为例,构建结合模型优化的监测方案,通过流域水质水量模型的构建和分析,优化在线监测点方案,在满足监测需求的情况下,减少监测点布置数量,既节约了投资,也降低后期运行维护难度。