随着城市化进程的加快, 城市下垫面硬化面积不断増加, 一方面原有的水文环境受到破坏, 导致城市地表自然渗透能力降低, 地表径流増加, 洪峰出现时间提前, 内涝压力加剧;另一方面, 由于缺少绿地的自然渗透、滞蓄和净化等功能, 造成地表径流污染物浓度偏高, 城市水质变差。城市的快速发展给城市水文环境和水生态环境带来了负面影响。

　　 暴雨管理模型 (SWMM) 最初开发于1971年, 历经数十年不断完善, 集水文、水力及水质模拟功能于一身, 广泛应用于城市内涝系统设计、径流污染评估和场地水文效应评估等领域^[1~3]。虽然SWMM模型应用广泛, 但其在集传统灰色设施和低影响开发绿色设施于一身的海绵城市规划设计中, 缺乏系统的、可复制的具体应用, 同时在低影响开发设施的细节设计上探索不足。

　　 本文从海绵城市的理念出发, 对城市地块的开发建设进行分析, 以年径流总量控制率为控制目标, 结合SWMM模型构建雨水管网系统和低影响开发雨水系统, 对低影响开发设施湿塘进行优化设计, 并对径流污染的削减效果进行评估。

　　 本文采用“管网方案-海绵设计-水质评估-最终方案”的思路对海绵城市理念下的雨水管网系统和低影响开发雨水系统构建进行设计, 技术路线如图1。

　　 SWMM是一个动态的水文-水力-水质模拟模型, 主要用于城市单一或长期降水事件的水量和水质模拟。其径流模块主要处理各子流域所发生的降水与产生的径流和污染负荷, 管网模块通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵等进行水量的传输, 低影响开发模块通过对调蓄、渗透及蒸发等水文过程的模拟, 实现低影响开发措施对场地径流量、峰值流量及径流污染控制效果的模拟。

　　 研究区域位于江苏省某城市, 总用地面积20.4hm², 现状主要为未开发的农田, 开发建设后作为教育用地和居住用地。研究区域四面环水, 形成了一个独立的汇水区域, 如图2所示。

　　 依据《室外排水设计规范》 (GB 50014-2006, 2016年版) , 研究区域雨水排水系统设计重现期取2年, 采用当地暴雨强度公式, 选用芝加哥雨型, 降雨历时2h, 雨峰系数0.4, 则降雨量为65mm, 设计雨型线见图3。

　　 结合研究区域地形、道路、水系等特点, 将研究区域划分为4个排水分区。排水分区部分参数设置如表1, 其中出水节点详见图4。特征宽度定义为排水分区面积与地表漫流最长路径长度的比值^[4], 其取值结合相关规范和文献进行确定^[5,6]。不渗透性定义为不渗透地表面积百分比^[4], 开发后不渗透性按 (100%-绿地率) 进行取值, 教育用地和居住用地绿地率分别取35%和30%。

　　 其余排水分区参数取值参考模型用户手册中及相关文献^[3,4]。不渗透性和渗透性粗糙系数分别取0.01和0.1, 不渗透性和渗透性洼地蓄水分别取2.5和5mm, 渗透模型选用Horton模型, 最大和最小渗入速度分别取25.4和4.0mm/h, 衰减常数取4h^-1。

　　 结合排水分区布置雨水管网, 研究区域雨水管网模型概化如图4。为有效模拟排水系统中的回水、超载和洪流等水力情况, 模型采用动态波, 模拟时间6h。

　　 研究区域管网模型分别按管道纵坡1‰和3‰进行模拟, 以管道充满度≤1和曼宁流量分数≤1为设计达标原则^[7], 设计降雨为2年一遇, 模拟结果如表2所示。

　　 模拟可知, 对于相同设计重现期, 采用较大的管道纵坡3‰, 可以有效缩小管径, 节省投资。由曼宁公式分析可知, 管道流量与水力坡度 (即道路纵坡) 的1/2次方成正比, 较大的管道纵坡造成了更好的水力条件, 因此缩小管径可以达到同样的水力效果。考虑到研究区域, 管道纵坡3‰也不会造成管道埋深增加过大, 故本次设计管道纵坡取3‰。

　　 研究区域出流流量和径流情况详见图5、表3。模拟可知, 开发建设后, 径流峰值流量和径流系数显著增加, 分别达到开发前的4.8倍和2.2倍, 同时洪峰出现时间提前。这是由于开发建设导致下垫面硬化面积増加, 破坏了其原有的水文环境造成的。采用低影响开发建设模式, 可以使研究区域开发建设后的水文特征接近开发前, 有效缓解内涝、削减径流污染负荷^[8], 以下将从水量和水质这两个层面进行海绵设计和模型模拟。

　　 研究区域的海绵设计采用年径流总量控制率作为控制目标。依据《海绵城市建设技术指南》^[8] (以下简称“指南”) , 研究区域年径流总量控制率分区为Ⅲ区, 结合其水文、地形和植被覆盖等因素, 综合确定年径流总量控制率取80%。由于“指南”没有给出研究区域所在地级市设计降雨量, 本次设计参照邻近的上海市, 设计降雨量取年径流总量控制率80%对应的26.7mm。选用芝加哥雨型, 降雨历时2h, 雨峰系数0.4, 设计降雨量对应的雨型线见图6。

　　 结合研究区域实际情况, 因地制宜采用低影响开发技术。模型中将LID设置为一个独立的子集水区, 通过子集水区的属性参数来表达LID设施。

　　 结合地块绿地设置下沉式绿地, 下沉式绿地率取50% (下沉式绿地率=下沉式绿地面积/绿地面积) 。排水分区ZMJ3和ZMJ4设置生态排水沟, 断面宽度取1m, 渗透性洼地蓄水取0.35m。考虑到土壤可能在新暴雨开始之前就已饱和, 下沉式绿地和生态排水沟的Horton渗透模型最大和最小渗入速度均取4.0 mm/h, 同时其集水区不渗透性百分比设置为0, 其余参数同排水分区。下沉式绿地和生态排水沟的模型设置如表4、图7。

　　 排水管道管径见表2, 模型采用动态波, 模拟时间6h。当仅设置下沉式绿地和生态排水沟不足以控制设计降雨量, 将设置湿塘进行补充。

　　 通过模型模拟, 研究区域仍产生12.5mm的径流, 即设计降雨量不能在场地内部消纳, 达不到年径流总量控制率80%的目标。为此, 结合研究区域实际情况, 将排水分区ZMJ4的景观水体设计成具有雨水调蓄功能的湿塘。

　　 为控制设计降雨量, 湿塘的调蓄体积至少应为20.4hm²×12.5 mm即2 550 m³。湿塘设计成梯形棱体, 长宽比2∶1, 边坡比1∶2, 蓄水深度0.5m, 则蓄水体积见式 (1) , 计算可得L=100m, B=50m。

　　 式中V₁———设计降雨量对应的调蓄体积, m³;

　　 L———湿塘底部长度, m;

　　 B———湿塘底部宽度, m;

　　 h₁———设计降雨量对应的调蓄深度, m。

　　 调蓄体积V₁设计成40h排空, 通过孔口1连接到下游管道GD6。孔口位于湿塘底部侧面, 流量系数取0.65, 设计成圆形, 具体尺寸通过模型模拟确定。模型设置如图8。

　　 模拟时间设置为72h, 设计降雨下3种不同尺寸的孔口1模拟结果见表5、图9。当湿塘中调蓄水深小于0.04m, 即认为水已排空。最终确定孔口1直径为0.2m, 湿塘最大模拟水深为0.52m, 与设计水深0.5m接近。孔口需设置筛滤保护, 以防堵塞。

　　 模拟可知, 设计降雨量对应的湿塘调蓄水深为0.52m, 参照“指南”, 湿塘永久容积水深取0.8m, 则湿塘水深共1.32m, 而结合研究区域实际情况, 湿塘最大深度为2.5m, 即仍有近1.2m的调蓄空间。在设置以上3种LID设施的前提下, 以径流峰值流量不超过开发前和地面不积水为设计达标原则, 通过模拟来确定新的孔口设置方式。模型设置如图10, 模拟结果见表6和图11、图12 (5年一遇设计降雨选用芝加哥雨型, 降雨历时2h, 雨峰系数0.4, 降雨量83mm, 设计雨型线见图13。)

　　 模拟可知, 通过设置3种LID设施, 合理选择湿塘孔口尺寸和布置孔口位置, 可以有效控制径流水量。2年一遇和5年一遇设计降雨情况下, 径流峰值流量均小于开发前, 分别为开发前的0.97和0.77, 同时洪峰出现时间均有所滞后, 实现了水文特征接近开发前, 从而有效缓解内涝的设计目标。在不增加管径的前提条件下, 雨水管网设计重现期从2年提升到≥5年, 管网设计标准得到提升, 排涝压力得到有效缓解。 (由于雨水管网设计重现期是以管道按重力流计算为前提^[5], 而本次设计是以地面不积水为原则)

　　 总悬浮固体 (TSS) 城市雨水径流中常见的污染物之一, 其余污染物等如COD、TP和TN等均与其有一定的相关性^[9]。故水质分析以TSS作为目标污染物。

　　 开发后的排水分区由透水区和不透水区两部分组成, 其TSS的增长和冲刷参数设置如表7, 其中增长函数采用幂函数, 依据模型用户手册冲刷函数采用时间平均浓度EMC^[4]。雨水中的TSS浓度取10mg/L。

　　 3种LID设置的模型设置如图10。参照模型用户手册^[4], 下沉式绿地和生态排水沟的TSS去除效率取60%, 湿塘的TSS处理函数见式 (2) 。模型采用设计降雨量=26.7mm对应的设计降雨, 其雨型线见图6, 采用动态波模拟, 前期干旱日10天, 模拟时间72h。

　　 式中C_t+Δt——— (t+Δt) 时刻TSS浓度, mg/L;

　　 C_t———t时刻TSS浓度, mg/L;

　　 C_*———不可沉降TSS浓度, mg/L;

　　 k———去除常数, 本次设计取k=0.012m/h;

　　 d———水深, m。

　　 研究区域径流TSS模拟结果见表8, 径流TSS浓度过程线和负荷过程线分别见图14、图15。模拟可知, 通过设置3种LID设施, TSS径流负荷和径流峰值浓度得到有效削减, 分别为未设置LID设施的0.36和0.39, LID设施去除污染物TSS效果显著。虽然在设置了LID设施的情况下, 径流TSS在很长一段时间内保持在45 mg/L的较高浓度, 但这并不代表径流TSS污染很严重, 因为此时径流流量很小, 从而径流TSS负荷很低。与湿塘相比, 下沉式绿地和生态排水沟具有更强的径流TSS去除能力, 其去除能力是湿塘的近10倍。虽然这与去除常数k的取值偏小有一定关系, 但下沉式绿地和生态排水沟的径流污染削减效果无疑更为显著。

　　 SWMM模型可以优化设计雨水管网系统, 量化评估低影响开发雨水系统对场地水文、水质的控制效果, 对城市规划设计和雨洪管理提供了有效的技术支持。

　　 在雨水管道埋深不会过大的情况下, 可以适当加大管道纵坡, 优化管道排水水力条件, 达到缩小管径、节省投资的目的。

　　 采用低影响开发技术, 通过湿塘的细化设计和孔口的优化组合, 可以削减径流水量和峰值流量, 推迟径流峰值出现时间, 在不增加管径的前提条件下提升管网设计标准, 有效缓解内涝压力。

　　 采用低影响开发技术, 可以降低污染物径流负荷和径流峰值浓度, 有效控制径流面源污染。与湿塘相比, 下沉式绿地和生态排水沟的径流污染削减效果显著。