城市化是人类社会发展的必经之路, 随着我国社会经济的发展进入快车道, 城市也随之不断扩张, 城市圈愈来愈大。而城市化建设改变了其流域的水文特性, 区域降雨径流量相对于开发前成倍增加。城市现有的雨水排水系统已经超负荷运转, 近年来, 很多城市都出现了不同程度的洪涝灾害, 城市的洪涝和内涝风险加大, 在安全方面造成了巨大隐患, 经济方面带来了严重损失, 解决城市洪涝灾害问题成为当务之急。而且, 大量的雨水经地面径流后, 成为了一个巨大的污染源, 对河流及湖泊危害越来越严重^[1~3]。

　　 针对上述城市化进程中面临的洪涝灾害频发、径流污染加重等问题, 本文尝试采用SWMM模型模拟城区降雨情形, 找到严重内涝区域, 提出相应措施使之能够得到缓解。

　　 SWMM是一个面向城市区域的雨水径流水量和水质分析的计算机模型, 该模型可动态模拟单场或连续降雨中的地面径流与排水管网中水量和水质的变化过程。SWMM自1971年由美国环保局开发以来, 已经经历过多次升级, 本文采用的是2016年9月发布的SWMM5.1.011。SWMM在世界范围内广泛应用于城市地区的暴雨洪水、分流制和合流制排水系统的规划、分析和设计。

　　 天门市地处鄂中腹地江汉平原, 城区地势平坦, 地形南高北低、西高东低, 地貌属于江汉冲积平原。一般地面高程为26~31 m (吴淞高程系) 。天门河横穿城区, 把城区分成北南两部分, 本文研究区域为天门河以北城区 (以下简称天门北城区) 。

　　 研究区域排水系统概化基于以下2点假设:

　　 (1) 降雨在整个区域上是均匀的, 即各点降雨强度相等。

　　 (2) 将整个区域划分为若干个子汇水区, 每个子汇水区雨水就近汇入管网节点。

　　 根据天门北城区排水管网资料, 将研究区域划分为76个子汇水区, 雨水管网概化为150个节点和149段管道, 22个排放口, 3个电排站。

　　 研究区域排水系统概化如图1所示。

　　 SWMM模型模拟中的关键点就是相关参数的确定。根据研究区域的实际情况, 参考SWMM模型用户手册中的典型值取值范围和相关的文献, 对模型基本参数进行设定。

　　 (1) 入渗模型。入渗模型采用Horton模型, 最大入渗速率为76.2 mm/h, 最小入渗速率为3.81mm/h, 对应的衰减系数为4h^-1。

　　 (2) 产流模型。透水地表曼宁系数为0.2, 不透水地表曼宁系数为0.015;透水地表洼地蓄水深度为6mm, 不透水地表洼地蓄水深度为2 mm;无洼地蓄水的不透水地表百分数为25%, 坡度根据地形图计算为1%。

　　 (3) 汇流模型, 采用非线性水库模型。

　　 (4) 水力模型。由于动力波可以模拟回水、分流等复杂情况, 故水力模型选用动力波。

　　 由于历史原因, 天门市本地无暴雨强度公式, 本文采用临近地区汉口的暴雨强度公式为设计暴雨强度公式, 见式 (1) :

　　 式中q———设计暴雨强度, L/ (s·hm²) ;

　　 P———重现期, 年;

　　 t———降雨历时, min。

　　 设计雨型采用芝加哥雨型^[4], 降雨重现期为P=1年、2年、5年、10年, 降雨历时为2h, 退水时间为2h, 模拟总历时4h。雨峰系数r取值如下:P=1年、2年时, r=0.4;P=5年时, r=0.45;P=10年时, r=0.5。设计降雨雨型如图2所示。

　　 采用暴雨重现期为1年、2年、5年、10年2h设计暴雨过程作为模型的输入, 模拟天门北城区的内涝情况。不同暴雨重现期溢流时间较长的节点数如表1所示。

　　 由表1可见, 在暴雨重现期P=1年时, 没有溢流时间超过1h的节点, 仅有部分处于城区地势低洼地带的节点溢流且溢流时间较短, 对道路上车辆的通行和居民的生活影响较小。但随着暴雨重现期的增大, 节点出现溢流的数目明显增多, 溢流时间也显著延长。在实际情况下, 如果节点溢流时间达到1h以上, 很有可能在雨水口附近道路处产生路面积水, 造成城市内涝^[5]。在之后的研究中将识别和分析这些影响居民工作和生活的严重溢流节点。

　　 根据模型模拟结果, 节点J22、节点J93和节点J146溢流最为严重。3个溢流节点模拟结果见表2。

　　 与节点J22、节点J93、节点J146溢流相关的子汇水区ZMJ38、ZMJ39、ZMJ9和ZMJ28的位置如图3所示, 土地利用情况如图4所示。

　　 拟根据子汇水区的土地利用情况对各子汇水区设置合适的LID, 减少不渗透硬化面积, 从源头上降低雨水径流量, 削弱初期雨水污染, 从根本上改变传统排水系统易渍涝、易污染的状况。

　　 低影响开发 (LID) 措施是上世纪90年代中期由美国马里兰州乔治王子郡和西雅图市、波特兰市共同提出的一种新型雨水管理理念, 其基本思想是通过分散的、小规模的源头控制设施来实现对降雨所产生的径流和污染的控制, 使区域开发建设后尽量接近于开发建设前的自然水文状态^[6]。LID的设置思路主要包括以下5个方面: (1) 渗, 改变下垫面; (2) 滞, 增加径流时间; (3) 蓄, 增加储水空间; (4) 滤, 减少径流污染; (5) 净, 减少径流污染。几种措施的联合作用, 使整个区域组成一个整体, 共同削减雨洪, 控制污染, 在起到削峰控污作用的同时, 也达到美观的效果。

　　 根据天门北城区的特点, 确定采用LID和城市管渠相结合的排水模式。

　　 为验证LID措施的有效性, 对与3个严重溢流节点J22、节点J93、节点J146相关的子汇水区ZMJ9、ZMJ38、ZMJ39和ZMJ28设置组合LID措施, 这些区域以住宅小区、公共绿地和学校为主, 本次研究采用下凹式绿地+渗透铺装+绿色屋顶的组合LID措施。绿色屋顶能够有效节流降雨, 可使降落到地面的雨水量减少, 还具有美化环境的景观功能;下凹式绿地能有效利用公共绿地内的绿化带积蓄雨水;渗透铺装能够加强地表入渗, 有效减少地表径流量^[7]。

　　 经文献查阅及实地考察, 对LID措施的参数进行了设定。下凹式绿地表层蓄水深度150 mm, 蓄水层孔隙比0.5。渗透铺装的面层厚度为60 mm, 蓄水层孔隙比为0.43。绿色屋顶透水层厚度100mm, 排水垫层厚度300mm, 孔隙比0.5。下凹式绿地率为30%, 渗透铺装率为45%, 绿色屋顶率为25%。组合LID措施面积占子汇水区ZMJ9、ZMJ38、ZMJ39和ZMJ28总面积的30%。

　　 设置LID措施后, 对天门北城区排水系统进行模拟, 分析LID措施对雨水径流量的控制效果, 结果见表3。

　　 以子汇水区ZMJ38、ZMJ39处的排放口PFK9为例, 分析LID措施对管道峰值流量的削减效果, 结果见表4。

　　 以子汇水区ZMJ38为例, 分析LID措施对地表径流量峰值的削减效果, 结果见表5。

　　 从表3和表4可看出, 在子汇水区ZMJ9、ZMJ38、ZMJ39和ZMJ28设置组合LID措施后, 对严重溢流节点溢流时间和总溢流量的控制效果较好, 由于对管道峰值流量削减起决定作用的是调蓄池, 因当地实际条件的限制, 本文所设置的组合LID措施并没有调蓄池, 即便如此, 由下凹式绿地、渗透铺装、绿色屋顶组合而成的LID措施对管道峰值流量的削减还是起到了一定的作用。此方案的缺陷在于随着暴雨重现期的增大, LID措施对节点溢流的控制和管道峰值流量的削减效果会逐渐减弱。从表5可看出, 采用LID措施后地表径流量峰值的削减率可稳定在20%以上。

　　 (1) 地表污染物累积模型参数。地表污染物累积过程可用式 (2) 表示^[8,9]:

　　 式中P_c———研究区域地表污染物累积量, g/m²;

　　 M———由于大气降尘、垃圾累积、植被残体以及交通影响降落于研究区域的污染物量, g/ (m²·d) ;

　　 t———从最近一次降雨算起的时间长度 (也称无雨期历时) , d;

　　 k₁———污染物转化系数;

　　 k₂———污染物的去除速度系数, d^-1。

　　 对式 (2) 分离变量后积分得式 (3) 、式 (4) :

　　 当t较大时, e^-k2^t接近于0, 此时区域内的污染物输入和损失达到平衡, 地表所积聚的污染物量达到最大值。由此可见, 在未降雨情况下, 地表污染物累积量在一定时间会达到最大值, 其后一般不再增长。

　　 将式 (4) 中k₁M合成一个参数P_M, 参考相关文献资料并结合当地情况, 无雨期历时t取5d, k₂取0.968d^-1;P_M取值如下:当污染物为COD时P_M取1.703g/ (m²·d) , 当污染物为TN时P_M取0.369g/ (m²·d) , 当污染物为TP时P_M取0.007 03g/ (m²·d) 。由以上数据计算得到地表初始污染物累积量如表6所示。

　　 (2) 雨水中各种污染物浓度。根据课题组对多场降雨过程的雨水水质监测数据, 对未落地形成径流前的雨水污染物浓度设置如下:COD=20mg/L, TN=1mg/L, TP=0.02mg/L。

　　 (3) 冲刷模型参数。地表污染物冲刷过程可采用指数模型描述见式 (5) ^[10]:

　　 式中W———地表污染物冲刷速率, kg/ (hm²·h) ;

　　 C₁———冲刷系数, mm^-1;

　　 C₂———冲刷指数, 其值取1;

　　 q———单位面积的径流速率, mm/h;

　　 B———地表污染物累积量, kg/hm²。

　　 课题组前期采用喷头式人工降雨模拟器, 进行不同下垫面的冲刷试验, 以此确定不同下垫面各种污染物的冲刷系数^[11], 结果如表7所示。

　　 当重现期P=1年时, 排放口PFK9处各污染物在设置LID前后出流浓度如图5所示。

　　 在不同暴雨重现期下, 设置LID措施前后排放口PFK9处各污染物出流总量的变化如表8所示。

　　 在不同暴雨重现期下, 设置LID后排放口PFK9处各污染物出流总量削减率如表9所示。

　　 结合图5和表8、表9可以看出, 组合LID措施对排放口PFK9处COD、TN和TP出流总量的削减效果较好, 削减率基本在40%~50%, 控污成效显著。

　　 (1) 基于SWMM软件构建了天门北城区排水系统水力水质模型, 进行不同降雨强度条件的暴雨模拟, 识别并分析了该区域的严重溢流节点。

　　 (2) 在严重溢流节点所对应子汇水区设置下凹式绿地+渗透铺装+绿色屋顶的组合LID措施, 对严重溢流节点溢流时间和总溢流量的控制效果较好, 对管道峰值流量的削减有一定的作用, 对子汇水区地表径流量峰值的削减率可稳定在20%以上。随着暴雨重现期的增大, 组合LID措施对节点溢流的控制和管道峰值流量的削减效果会逐渐减弱。

　　 (3) 组合LID措施对排放口处COD、TN和TP出流总量的削减效果较好, 削减率基本在40%~50%。