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南河河道修復(fù)工程中海綿設(shè)施的效果評(píng)估

2021-03-08 02:02李昆朋劉邦俊許貽喬
江蘇水利 2021年2期
關(guān)鍵詞:南河匯水植草

李昆朋, 劉邦俊, 吳 雨, 許貽喬, 吳 磊

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司, 江蘇 南京 210000;2.南京市雨花臺(tái)區(qū)水務(wù)總站, 江蘇 南京 210000;3.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京 210000)

傳統(tǒng)城市雨洪管理的規(guī)劃設(shè)計(jì)理念是“快速排除”和“末端集中”,使用管渠、泵站等“灰色”硬質(zhì)設(shè)施直排雨水[1-2]。這種管理中存在3類問題:第一,主要依靠硬性設(shè)施來外排徑流雨水,增加了市政雨水管網(wǎng)及水體容納排澇設(shè)施壓力;第二,初期降雨未經(jīng)植物層的凈化,大量污染物隨雨水入河,影響城市水環(huán)境質(zhì)量;第三,雨水大量流失,浪費(fèi)水資源,導(dǎo)致排不出水,但實(shí)際又缺水的矛盾[3]。如考慮將設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變?yōu)椤奥啪忈尅焙汀霸搭^分散”,優(yōu)先利用“綠色”措施來組織排水,既能避免洪澇,又可以有效收集利用雨水。由此便誕生了“海綿城市”的概念,其內(nèi)涵在于“滲、滯、蓄、凈、用、排”。具體含義指城市能夠像海綿一樣會(huì)“呼吸”,在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)雨水帶來的自然災(zāi)害等方面具有良好的彈性,在下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時(shí),將蓄存的水“釋放”并加以利用[4]。形成城市內(nèi)部良性水循環(huán)模式,在此過程中既解決了洪澇災(zāi)害問題,又自動(dòng)吸收了系統(tǒng)的污染物質(zhì),對(duì)城市水土起到凈化作用。

海綿城市通常包括低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)、城市雨水管渠系統(tǒng)和超標(biāo)雨水徑流排放系統(tǒng),其中低影響開發(fā)雨水是最主要的實(shí)現(xiàn)途徑[5]。低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)(Low Impact Development,LID)指在城市開發(fā)建設(shè)過程中,通過生態(tài)化措施,盡可能維持城市開發(fā)建設(shè)前后水文特征不變,緩解不透水面積增加造成的徑流總量、徑流峰值與徑流污染的增加等對(duì)環(huán)境造成的不利影響[4]。其規(guī)劃控制目標(biāo)包括總量控制、徑流峰值控制和徑流污染控制。徑流總量控制一般是低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的首要規(guī)劃控制目標(biāo),而徑流峰值和污染一般通過徑流總量控制來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于徑流峰值,一般低影響開發(fā)設(shè)施對(duì)中小型降雨事件的峰值削減效果較好,而對(duì)大暴雨事件的錯(cuò)峰、延峰幅度較低。對(duì)于徑流污染,其控制指標(biāo)采用SS、TP、TN、COD等[6],其中SS和COD常被選為主要控制指標(biāo)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南河位于江蘇省南京市主城西南,是建鄴區(qū)和雨花臺(tái)區(qū)的一條界河。南河當(dāng)前現(xiàn)狀存在生態(tài)環(huán)境較差、安全得不到保障、未充分發(fā)揮區(qū)域生態(tài)補(bǔ)水功能、濱水空間功能品質(zhì)與兩岸城市建設(shè)不協(xié)調(diào)等問題。南河工程的建設(shè),主要滿足黑臭水體整治、引排體系完善、防洪安全保障、濱水空間提升、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等方面的需要,將南河建設(shè)成為一條清澈的河、生態(tài)的河、美麗的河、創(chuàng)新的河。為此,南河工程指揮部將海綿化建設(shè)技術(shù)引入工程紅線范圍內(nèi)的河濱地帶,作為削減該地段入河雨水量、延緩雨水峰值和控制初雨污染的工程措施。

南河河道全長9.30 km,設(shè)計(jì)河底高程5.00 m,常水位7.50 m,洪水位11.10 m。兩側(cè)岸坡為生態(tài)岸坡,主要形式是硬質(zhì)護(hù)坡,局部為草皮、仿木樁等,其面積約為32 200 m2。

1.2 海綿設(shè)施

根據(jù)《南河海綿化建設(shè)設(shè)計(jì)方案》,南河沿岸選用滲透性鋪裝和植草溝作為海綿化建設(shè)的措施。滲透性鋪裝按照面層材料不同可分為透水磚鋪裝、透水水泥混凝土鋪裝和透水瀝青混凝土鋪裝,嵌草磚、園林鋪裝中的鵝卵石、碎石鋪裝等也屬于滲透鋪裝。主要適用于廣場、停車場、人行道以及車流量和荷載較小的道路,如建筑與小區(qū)道路、市政道路的非機(jī)動(dòng)車道等。其特點(diǎn)是適用區(qū)域廣,施工方便,可補(bǔ)充地下水,并具有一定的峰值流量削減和雨水凈化作用,但易堵塞,寒冷地區(qū)有被凍融破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

南河雨花區(qū)選用的滲透性鋪裝形式為濱水步道透水磚路,總長度2.54 km,平均寬度2.5 m,總面積約占匯水面積的6%。透水磚路自上而下包括透水混凝土磚60 mm、1∶3水泥砂漿30 mm、透水混凝土100 mm和厚碎石墊層100 mm,底部由素土夯實(shí),兩側(cè)有白花崗巖作為護(hù)堤。

植草溝指種有植被的地表溝渠,適用于建筑與小區(qū)內(nèi)道路,廣場、停車場等不透水面的周邊,城市道路及城市綠地等區(qū)域,可收集、輸送和排放徑流雨水,并具有一定的雨水凈化作用,可用于銜接其他各單項(xiàng)設(shè)施、城市雨水管渠系統(tǒng)和超標(biāo)雨水徑流排放系統(tǒng)。植草溝具有建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用低,易與景觀結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。

南河項(xiàng)目建設(shè)植草溝總長度20.04 km,面積約為8 000 m2,占匯水面積的8%。植草溝寬度約為400 mm,深度400 mm,包括200 mm的種植土層和200 mm的排水層(內(nèi)含穿孔集水管),以礫石排水層分隔。植草溝未設(shè)置縱向坡度。雨花區(qū)二標(biāo)段及三標(biāo)最新段所設(shè)計(jì)植草溝的植被類型為天堂草,三標(biāo)最后一段(K6+650~K7+550)采用細(xì)葉結(jié)縷草,規(guī)格均為30 g/m2。

1.3 研究方法

海綿化建設(shè)常用城市雨洪模型進(jìn)行評(píng)估。城市雨洪模型的類別繁多,目前應(yīng)用較廣泛的雨洪模型可分為水文模型與水力模型2類。水文模型采用系統(tǒng)分析的方法,將匯水區(qū)域中復(fù)雜的水文變化概化為“黑箱”或者“灰箱”系統(tǒng);水力模型以水力學(xué)為理論基礎(chǔ),通過聯(lián)立連續(xù)性方程與動(dòng)量方程模擬水體自身以及水體與河床、管道、污染物等其他介質(zhì)之間的相互關(guān)系?,F(xiàn)行的雨洪模型多將水文模型與水力模型進(jìn)行耦合,可用于城市排洪防澇規(guī)劃,城市市政雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)以及非點(diǎn)源污染控制等[7-8]。

國外對(duì)于相關(guān)理論的研究始于20世紀(jì)30年代。進(jìn)入20世紀(jì)60年代后,計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展為城市雨洪模型提供了良好的技術(shù)保障。據(jù)統(tǒng)計(jì),與城市雨洪模擬相關(guān)的模型有40余種。目前應(yīng)用較廣泛的模型包括 SWMM、HSPF、Inforworks CS、MIKE、MOUSE等[9]。

SWMM(Storm Water Management Model,暴雨雨水管理模型)由麥特卡爾夫&艾迪公司、美國佛羅里達(dá)大學(xué)、美國水資源有限公司聯(lián)合研發(fā),首發(fā)于1971年。經(jīng)過數(shù)十年的研究發(fā)展,軟件進(jìn)行了多次升級(jí),目前最新版本為5.1010。自5.0版本開始,SWMM加入了LID控制模塊,為低影響開發(fā)的設(shè)計(jì)規(guī)劃以及推廣提供了條件。

SWMM模型憑借自身操作簡單易掌握、運(yùn)用范圍廣、包含LID模塊、模擬誤差相對(duì)較小、模型源代碼均開源等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)與SWMM相關(guān)的文獻(xiàn)達(dá)千余篇,研究相對(duì)成熟。結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況,本文選擇SWMM作為雨洪模擬模型。

2 模型構(gòu)建

2.1 基本參數(shù)

2.1.1 氣候條件

溫度采取系統(tǒng)缺省值,蒸發(fā)量平均值為0.1079 mm/d。

2.1.2 水文條件

(1)雨量計(jì):根據(jù)南京市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算并錄入。共8種雨量條件(0.5~50a),降雨過程線如圖1(以累積降水量表示)。

圖1 南京市不同重現(xiàn)期下的降雨過程線

(2)子匯水面積:將每條植草溝對(duì)應(yīng)的匯水區(qū)域劃分為一個(gè)子匯水面積,沒有植草溝的區(qū)域根據(jù)實(shí)際分布情況劃分為4個(gè)子匯水面積。系統(tǒng)由南到北共分為25個(gè)子匯水面積,部分具體參數(shù)(面積、坡度、特征寬度等)由海綿設(shè)施平面圖及大樣圖讀出,敏感參數(shù)則需率定(見章節(jié)參數(shù)率定)。具體設(shè)置見表1。

(3)LID控制:南河右岸所選海綿設(shè)施概化圖,見圖2。其中植草溝底部含排水管,并非典型的植草溝結(jié)構(gòu),可以用SWMM中的Bio-Retention Cell措施進(jìn)行模擬,其結(jié)構(gòu)包括表面層(含植被)、土層和排水層。具體參數(shù)(表面、土壤、排水材料等)取經(jīng)驗(yàn)值。

圖2 滲透性鋪裝與植草溝示意圖

2.1.3 水力條件

將南河概化為管段,子匯水區(qū)域?qū)?yīng)的排放口概化為排放口節(jié)點(diǎn)。管段形狀、長度、標(biāo)高等參數(shù)從設(shè)計(jì)平面圖中讀取。

2.1.4 水質(zhì)條件

(1)污染物:根據(jù)面源污染的特性,選取COD和SS為主要污染物,觀察其控制情況;

(2)土地利用:創(chuàng)建綠地、道路、屋面3種土地利用類型,按照每個(gè)區(qū)域?qū)嶋H情況賦值。

表1 子匯水區(qū)域詳情

2.2 參數(shù)率定

敏感參數(shù)包括洼蓄量、曼寧粗糙系數(shù)及下滲參數(shù),針對(duì)南河河濱地帶土壤情況,本文采取Horton公式計(jì)算下滲情況。取值范圍如表2。

根據(jù)SWMM校準(zhǔn)原理,以重現(xiàn)期P=0.5 a的降雨過程線為例進(jìn)行校準(zhǔn)。道路、屋面和綠地的徑流系數(shù)取常用經(jīng)驗(yàn)值,根據(jù)各區(qū)域土地利用比例做加權(quán),得到綜合徑流系數(shù)Ψ≈0.62,該值與目標(biāo)值(0.6)相吻合。以該值為校準(zhǔn)目標(biāo),校準(zhǔn)過程見表3。

表2 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值范圍

表3 模型參數(shù)校準(zhǔn)過程

采取第3次的校準(zhǔn)值,利用重現(xiàn)期P=10 a的降雨過程線,得出綜合徑流系數(shù)經(jīng)校驗(yàn)后的模型綜合徑流系數(shù)Ψ=0.73,說明調(diào)整后的參數(shù)集的適應(yīng)性滿足常見重現(xiàn)期范圍,并且與實(shí)際情況較為契合。

按照上述條件運(yùn)行,得到連續(xù)性誤差在0.18%以內(nèi)的運(yùn)行結(jié)果。根據(jù)SWMM用戶手冊,連續(xù)性控制在10%以內(nèi)即可看作合理。

3 結(jié)果分析

3.1 對(duì)系統(tǒng)徑流排放的影響

分別模擬了0.5 a、1 a、2 a、5 a、10 a和20 a降雨重現(xiàn)期的LID模式、傳統(tǒng)開發(fā)模式下的徑流排放情況,如圖3所示。

由圖3可看出,海綿設(shè)施對(duì)于控制徑流和洪峰有一定作用。具體統(tǒng)計(jì)見表4~5。

從表4~5中可看出,在P=0.5 a時(shí),南河岸邊匯水區(qū)在建設(shè)有海綿設(shè)施的影響下,相比傳統(tǒng)開發(fā)模式(沒有海綿設(shè)施)的累計(jì)徑流量減少了1 366 m3(占總量的31%),徑流時(shí)間縮短了70 min,峰值流量削減了0.16 m3(占總量的31%);P=1 a時(shí),南河岸邊匯水區(qū)在海綿設(shè)施影響下的累計(jì)徑流量減少了1 949 m3(占總量的26%),徑流時(shí)間縮短了60 min,峰值流量削減了0.25 m3(占總量的28%);P=2 a時(shí),南河岸邊匯水區(qū)在海綿設(shè)施的影響下,累計(jì)徑流量減少了2 516 m3(占總量的24%),徑流時(shí)間縮短了57 min,峰值流量削減了0.34 m3(占總量的26%);P=5 a時(shí),南河岸邊匯水區(qū)的累計(jì)徑流量減少了3 253 m3(占總量的22%),徑流時(shí)間縮短了54 min,峰值流量削減了0.45 m3(占總量的23%);P=10 a時(shí),南河岸邊匯水區(qū)的累計(jì)徑流量減少了3 810 m3(占總量的21%),徑流時(shí)間縮短了54 min,峰值流量削減了0.54 m3(占總量的23%);P=20 a時(shí),南河岸邊匯水區(qū)的累計(jì)徑流量減少了4 256 m3(占總量的20%),徑流時(shí)間縮短了53 min,峰值流量削減了0.63 m3(占總量的22%)。

由以上分析可知,南河工程所設(shè)計(jì)的海綿設(shè)施對(duì)于中小強(qiáng)度降雨的徑流控制效果較好,隨著重現(xiàn)期的增大,其優(yōu)勢逐漸降低。

3.2 對(duì)水質(zhì)的影響

南京市降雨以中小型降雨為主,因此采用P=1 a的降雨過程線為例,分析道路、綠地和道路、綠地與屋面混合3種典型子匯水區(qū)域?qū)?yīng)排放口的污染物變化情況(圖4),可看出海綿設(shè)施在各個(gè)區(qū)域內(nèi)均有利于污染物的控制,但由于各排放口所服務(wù)區(qū)域的用地性質(zhì)的不同,其控制效果略有差異。對(duì)于以道路和屋面為主的匯水區(qū)域,滲透性鋪裝和植草溝對(duì)SS和COD的凈化效果較好,可以達(dá)到40%以上,隨著綠地所占比例的加大,海綿設(shè)施對(duì)污染物的削減能力逐漸下降。由此可見,海綿化建設(shè)更適用于不滲透比例較大、滲透性較差的區(qū)域。

4 結(jié) 論

南河的海綿化建設(shè)包括滲透性鋪裝和植草溝2種措施。2種海綿設(shè)施均勻分布于南河沿岸,共同對(duì)降雨所產(chǎn)生的徑流和面源污染起到了良好的控制作用。

圖3 (0.5a,1a,2a,5a,10a,20a)重現(xiàn)期徑流排放模擬情況

表4 不同重現(xiàn)期徑流排放情況

圖4 3種土地利用類型的排放口污染負(fù)荷

表5 植草溝對(duì)徑流排放的影響

表6 不同土地利用類型的排放口污染負(fù)荷

本文利用SWMM軟件模擬了南京市南河修復(fù)過程中海綿設(shè)施的作用,發(fā)現(xiàn)海綿設(shè)施能夠?qū)刂茝搅骱蛢艋廴疚锲鸬椒e極作用。在徑流控制方面,南河工程所設(shè)計(jì)的海綿設(shè)施對(duì)于中小強(qiáng)度降雨的徑流控制效果較好,相比傳統(tǒng)開發(fā)模式,徑流時(shí)間可縮短50~70 min,累計(jì)徑流和徑流峰值最高可削減30%以上。隨著重現(xiàn)期的增大,其優(yōu)勢逐漸降低。在面源污染控制方面,海綿化建設(shè)在整個(gè)區(qū)域內(nèi)都能起到控制污染物的作用,但區(qū)域用地性質(zhì)的不同會(huì)導(dǎo)致其控制效果略有差異。在不滲透比例較大、滲透性較差的區(qū)域,海綿設(shè)施可以最大程度地發(fā)揮作用。對(duì)于以道路和屋面為主的匯水區(qū)域,滲透性鋪裝和植草溝對(duì)SS和COD的凈化效果較好,可以達(dá)到40%以上。隨著綠地所占比例的加大,海綿設(shè)施對(duì)污染物的削減能力逐漸下降。

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