城市降雨屋面 路面径流水文水质特征研究
崇佳文 徐乐中 李翠梅
摘要：以宜兴市海绵城市示范区域为研究对象，通过SWMM软件对研究区域概化、建模，根据实际监测数据对模型真实度进行验证。模拟了重现期分别为3 a、5 a、10 a、15 a、50 a、100 a暴雨强度下渗透铺装对降雨地表径流产生的水文、水质效果，并分析渗透铺装对城市雨水系统生态性的影响。结果表明：采用渗透铺装对降雨径流量的削减可达1974%，径流系数平均降低2193%，径流削减作用总体随降雨强度增大而增大，但增幅较小，调控效果较为显著且稳定。对常规污染物负荷（SS、COD、TN、TP）可分别减少2412%、2379%、2281%、2190%，削减作用明显，且对径流量及负荷浓度峰现时间产生一定迟滞效果。研究对渗透铺装的效果进行科学评價，可对工程设计提供一定参考意见。
关键词：渗透性铺装；SWMM模型；水文；水质；实例验证
中图分类号：TU992，S152文献标志码：A文章编号：
16721683（2018）02011507
Abstract：
Taking the sponge city demonstration project in Yixing city as the research object，we used SWMM software to generalize and model the study area and validated the fidelities of the model with actual monitoring data.The model was used to simulate the hydrology and water quality changes in the area at the rainfall intensity of the return period of 3，5，10，15，50，100 years，and to analyze the regulation effect of permeable pavement on the ecosystem of city rainwater.The results showed the permeable pavement could reduce rainfall runoff by up to 1974% and the runoff coefficient decreased by 2193%.The overall runoff reduction effect increased along with the rainfall intensity，but the increase was small.As to conventional pollutants of SS， COD， TN， and TP，the reduction was up to 2412%，2379%，2281%，and 2190%，respectively.The permeable pavement could also delay the peak time of runoff volume and pollutant load concentration.This study presents a scientific evaluation on the effect of permeable pavement and provides reference for engineering design.
Key words：
permeable pavement； SWMM model；hydrology；water quality；instance verification
快速的城市化致使城市可渗透下垫面面积比例减小，破坏了原有的自然水文循环机制[1]，给城市排水防涝系统巨大的压力[2]，洪涝灾害时有发生[3]。海绵城市是基于低影响开发（Low Impact Development，LID）理念[4]，综合利用各类海绵体对雨水“渗、滞、蓄、净”的功能，构建起新型的城市雨水系统，可减少城市内涝积水的深度与范围。根据水量不可压缩和消亡原则，在遇到降雨时能够最大限度地留住雨水；非降雨时，被充分吸收的雨水可被再次利用于生态补水，如道路冲洗、绿化、景观用水等，在一定程度上减轻目前城市水资源的供给压力，提高雨水资源利用率。
渗透铺装是一种典型的通过降低城市不透水面积对城市雨水径流进行调控的LID措施[5]。它不仅可以有效地削减雨水径流量，减缓径流速度，还可以有效地减缓城市非点源污染[67]，改善径流水质。龚应安等[1]研究表明渗透铺装下渗的雨水水质完全可以满足景观环境补水的水质要求；解晓光等[8]对几种不同结构材料渗透铺装的研究，发现渗透铺装各结构层均对COD有一定去除效果，但SS的去除效果会因不同的材料结构而异；李卓熹等[2]研究表明渗透铺装较绿色屋顶和下凹式绿地对洪峰削减效果最稳定，对降雨历时变化最敏感。
本文运用SWMM中的LID模块，模拟了采用渗透铺装前后的水文、水质变化过程，分析了渗透铺装对雨水径流水文、水质调控效果，为渗透铺装的设计和应用提供科学、有效的支持和参考。
1材料与方法
1.1研究区域概化
宜兴市位于太湖西岸，属亚热带季风气候，雨量充沛，河流密布，年平均降雨量约为1 30153 mm；市内地形为平原为主，地面标高3～5 m不等；地层分区属江南地层区，从奥陶系至第四系，发育较齐全；表土以黄色黏土、粉质黏土、粉质砂土为主，渗透系数约586×106 cm/s，渗透性较小。研究区域位于中心城区，地势较低、开发密度高，且受下游太湖水位顶托和上游客水共同影响，洪涝问题和面源污染问题较为突出。研究区域总面积446 hm2，共划分为32个子汇水区域。根据区域雨水系统平面图及勘察资料，概化雨水管道25条，汇水节点25个及末端雨水排放口1个。并结合土地利用情况，确定各子汇水区的不透水面积比例，利用加权法确定研究区不透水面积约为667%，主要由屋顶、道路和停车场组成。研究区域内概化结果见图1。
渗透性铺装采用无砂多孔混凝土铺装，共布设面积104 hm2，约占不透水面积的33%，渗透铺装率大于20%。基层铺设厚度为150 mm，粗糙系数为0014，孔隙比为017，渗透率为254 mm/h；土壤层厚度为200 mm，储水层厚度为300 mm，孔隙比为043，导水率为500 mm/h。
1.2参数设置
水文参数根据SWMM用户手册及相关文献[910]选取，见表1。结合研究区域特点，径流渗透过程采用Horton入渗模型[11]，汇流过程采用非线性水库模型，模拟过程采用动力波模型[1213]。
水质参数根据《海绵城市建设技术指南》选取4种常规污染物SS、COD、TN、TP，起始增长值分别为10 mg/L、20 mg/L、10 mg/L、002 mg/L[1416]。模拟过程考虑污染物累积和冲刷效应，分别采用指数函数累积模型和指数冲刷模型。各下垫面水质模拟参数见表2。
1.3降雨模型
研究采用芝加哥雨型在无锡市已有暴雨强度公
式基础上进行雨量时程分配，选取重现期为3 a、5 a、10 a、15 a、50 a、100 a，设计降雨历时120 min，模拟步长1 min，取雨峰系数r=04。暴雨强度公式如下：
i=[SX（]10579×（1+0.828×lgP）[]167×（t+46.4）0.99[SX）][JY]（1）[HJ2.1mm]
式中：i为降雨强度（mm/min）；t为降雨历时（min）；P为重现期（a）。
1.4模型校核
根据2016年7月监测数据，选取7月4日与13日的两场降雨数据对模型进行参数验证。根据实测降雨强度峰值，选取7月4日监测数据与重现期为50 a的模拟数据比较，7月13日监测数据与重现期为3 a的模拟数据比较，实测降雨数据值与模拟结果值见图2。
由图2中数据比较可知：实测的降雨量分布与模拟降雨流量过程一致性较高，平均真实度可达92%，重现期越大真实度越高；SS、COD、TN的平均模拟真实度分别为90%、93%、86%；两次TP模拟真实度分别为95%和801%，分析第一次模拟未考虑前期连续降雨且下垫面磷初始增长浓度设置较低，导致模拟效果不好，修改初始增长浓度为04 mg/L，获得修正后真实度为81%。经比较，所选用的参数基于SWMM软件构建的模型比较可靠，因此本文建立的模型能够较为真实地模拟研究区域内渗透铺装对雨水水文、水质的调控情况。
2模拟结果与分析
2.1水文调控效果分析
通过SWMM模拟在不同重现期下渗透铺装前后径流过程，模拟总时长为降雨过程2 h，时间步长为1 min，得到水文模拟结果见表3，管道溢流情况见图3。
由表3可知，在3 a到100 a的重现期下，渗透铺装前后的平均入渗量分别增加2084%、1969%、1866%、1860%、1853%、1853%；峰值流量降低1939%、1897%、1844%、1911%、1931%、[CM（22]1974%；平均径流系数降低0178、0183、0188、019、0196、0198，峰现时间滞后1～3 min。模拟结果与相关研究[2223]结论一致，低于刘文等[5]研究中提到径流削减量，分析是由于渗透铺装的结构设计材料与布设位置不同会影响对水文控制效果。
[HJ1.95mm]平均入渗量的增长比例由重现期从3 a增长至100 a期间出现逐渐减小并趋于平缓的现象，可能是由于设置渗透铺装面层孔隙比较小，在渗透铺装排水方式一定时，对径流入渗量的增加浮动较稳定并且透水性能有限；从峰值流量的削减比例趋势中也出现减小的情况，但在重现期为50 a和100 a时的峰值流量削减比出现上升，可知渗透铺装在极端暴雨情况下的洪峰削减能力较为可靠。平均径流系数削减量分布在018～020之间，总体随暴雨强度的增加而略有增加，表明在渗透铺装结构一定的情况下，对平均径流系数的影响基本稳定。从峰现滞后时间来看，迟滞效果不太明显。
根据图3所示，渗透铺装对于径流的调控作用能有效减少雨水检查井溢流个数，但总溢流量的削减趋势随暴雨强度的增加而变缓，对应了渗透铺装的径流调控效果较为稳定且渗蓄能力有限的分析结论。
根据SWMM动态模拟结果，选取重现期为3 a、15 a下，降雨历时35 min，55 min时刻的地表径流效果，见图4、图5。模拟中重现期为3 a，降雨历时55 min时刻，共15个子汇水区径流情况得到改善；重现期为15 a，降雨历时35 min时刻，所有子汇水区均明显减少了径流量，重现期越小时，降雨历时越长，渗透铺装对地表径流的影响越显著，反之当暴雨强度增大时，越早能观察到渗透铺装对径流的调控作用。降雨历时35 min径流效果中，重现期15 a下采用渗透铺装后与重现期3 a未采用渗透铺装效果相似，证明渗透铺装对径流情况有良好的调控效果。
2.2水质调控效果分析
图6为不同重现期排放口P1出水水质模拟结果，各重现期下SS、COD、TN、TP負荷在采用渗透铺装前后削减比例趋势平缓，分别平均减少峰值2412%、2379%、2281%、2190%，在各重现期下产生了3～6 min不等的峰现时间迟滞作用。其中TN的负荷峰值出现了随重现期增大而减小的问题，根据相关研究[2425]，分析可能是由于氮的转化机理原因，较大的透水流量缩短了渗透铺装系统中的反硝化作用，从而加快了氮的去除作用。
由图中重现期为3 a的污染物浓度曲线分析可知，各污染物均出现短时间内出现峰值又迅速下降的情况，证明径流污染主要是由于初期雨水对地面的冲刷效果造成；其次，污染物浓度峰值随重现期增大而增加，峰现时间又随重现期增大而提前，降雨冲刷效果越明显，短时污染物累积量越大，对周边生态环境的影响和污染就越严重。采用渗透铺装能够明显削减径流污染负荷峰值，并推迟峰现时间，因而低影响开发作为城市径流污染的源头控制手段，其效果是海绵城市建设过程中一个重要的研究方向。
渗透铺装对径流污染物浓度的削减作用，不仅能够改善城市径流面源污染问题，通过其基层、蓄水[CM（22]层对氮、磷营养物的暂存并缓排作用，间接地改善了出水水质，可用于绿化、景观用水，也可自下渗补充地下水，将自然雨水变为城市水环境生态补水的宝贵资源。
3结论
渗透铺装作为一种低影响开发措施，对径流总量、平均径流系数、污染物负荷浓度有明显的削减作用，并对峰现时间均有一定迟滞作用，对径流的水文、水质调控效果明显。在结构一定的情况下，渗透铺装的渗蓄量有限，在大于3 a重现期的暴雨强度下的径流调控效果基本稳定，随着重现期增大略有增加。
在设计过程中，渗透铺装的设置应当权衡其位置和应用的关系，在保证铺装路用功能的同时，选用合适孔隙结构的材料，使其拥有高渗透性能，更好达到透水快，蓄水多，去污能力好的效果。在实际使用中，透水铺装的效果会受到堵塞和污染物影响下渗能力，应当定期维护和清扫，去除表面和孔隙中的细小颗粒物和杂质，保持其原有设计调控能力。
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