基於PCSWMM模型的廣州典型社區海綿化改造水文效應研究

最新 07-13

摘要隨著城市化進程加快和海綿城市建設的不斷推進，低影響開發（LID）措施在城市建設中備受重視。為評估LID措施效果，構建研究區域PCSWMM模型，模擬分析重現期分別為0.5、1、2、5、10和20年的設計降雨情形下LID 設施的水文效應，結果表明下凹式綠地、綠色屋頂和透水鋪裝等LID措施的不同組合方案對徑流量和污染物均有不同程度的削減能力，且削減效果隨著降雨重現期增大而減少，同時設置下凹式綠地、綠色屋頂和透水鋪裝的組合能達到最佳削減效果，對徑流量、BOD5、CODCr、TSS、NH3-N、TN和TP的最大削減率分別為64.77%、56.93%、57.44%、51.20%、51.91%、55.29%和71.37%。

關鍵詞LID措施；PCSWMM模型；徑流量；污染物負荷；削減率

*廣州市水務科技項目：低影響開發雨水利用技術及其評估研究，項目編號：GZSW-201401；

國家級大學生創新創業訓練計劃：海綿城市建設與低影響開發雨水利用技術研究，項目編號：201510561105；

廣州市科技計劃項目：海綿城市建設與低影響開發雨水系統監控與評估技術研究，項目編號：201707020020；

廣東省水利科技創新項目：城市暴雨內澇實時監控與預警預報技術研究，項目編號：2016-32。

廣州市目前正處在城市化快速發展階段，在城市建設各方面取得巨大成就的同時，也像國內外其他城市一樣，不可避免地出現各種水問題，主要表現為城市洪澇災害頻發、雨水徑流污染嚴重、城市水體水質惡化、河流基流喪失以及雨水資源流失等，為了降低城市洪澇災害發生頻率，恢復城市化開發前的水文環境並充分利用雨水資源，使其從簡單的排放過程轉變為可持續的、良性水循環的利用過程，採用海綿城市建設模式十分必要[1-6]。隨著海綿城市建設的不斷推進，低影響開發措施（LID）如下凹式綠地、透水鋪裝和綠色屋頂等作用越來越受到關注，利用城市雨洪模型定量化評估LID措施水文效應可為海綿城市建設提供科學依據。PCSWMM模型為加拿大水力計算研究所（CHI）基於SWMM 基礎之上開發的軟體，該模型中有專門模塊用於設置LID措施，可在研究區域載入不同的LID 設施，研究不同LID 設施的組合形式對雨水徑流和水質的控制效果，可有效地評估LID水文效應 [7]。Ahiablame等[8]使用PCSWMM模擬透水鋪裝、雨水花園等LID措施對城市洪水的影響，結果表明LID措施能有效地減少徑流量；張忠廣等[9]基於PCSWMM模型以人工濕地為主要手段對城市降雨和水資源分配情況進行了模擬，指出LID措施可達到水平衡、防洪與水質指標的要求；牛帥等[10]模擬分析了生態滯蓄池、滲透鋪裝、集水箱措施對雨水徑流和峰值的降低效果，且指出LID 設施對於短時間降雨的效果更加明顯。鑒於此，本文以廣州市典型社區為例，利用PCSWMM模型研究LID水文效應，為社區海綿化改造提供科學依據。

1 模型構建

1.1 PCSWMM模型概述

PCSWMM為加拿大CHI於1984年以SWMM為核心持續開發並改進的城市雨洪模型，具有強大的水文水動力模塊，支持1D-2D模型耦合，結果表達比SWMM更直接、形象和便捷，廣泛應用於排水管道和暴雨管理研究。PCSWMM模型可模擬與暴雨徑流相關的水量和水質問題，包含LID控制模塊，能夠模擬LID設施對降雨的減緩程度[7]。PCSWMM內嵌GIS功能，支持多種格式數據，包括ArcGIS、Geomedia SQL、MapInfo、Microstation、AutoCAD、SQL、OpenGIS、GML、KML及其他類型矢量圖或柵格圖，通過系統自身整合提供智能化工具用於模型的建立、優化和分析。

1.2 研究區域概況

研究區域位於廣州市荔灣區花地河以西、龍溪中路以北，該區域三面被河流圍繞，結合排水分界線及流向，形成一個獨立封閉的排水系統，該區域用地主要由居住、綠地、道路用地組成，總面積為43.29萬m2。現有研究區域排水管網CAD圖、高清衛星遙感影像圖等資料，其中遙感影像圖影像級別為19級，清晰度較高，能清晰識別屋頂、道路、綠地等下墊面信息，為後期建模分析不透水率、下墊面比例及LID措施布置等提供支持。

1.3 排水系統概化

在PCSWMM模型中，水力要素包括節點和管段，其中節點包括鉸點（窨井、雨水篦子、探測點、轉折點）、出水口和蓄水設施（蓄水池和湖泊），管道包括排水管道和溝渠。考慮到雨水篦子對模擬結果無太大影響，且雨水篦子管線管徑較小，刪除雨水篦子可以提高模型計算速度及精度，故一般將雨水篦子刪除[7]。

研究區域管網數據源自排水管網CAD圖，該區域為新建小區，採用的是雨污分流制，故僅提取雨水管網，管線均為圓形，由該排水管網CAD圖可提取管線起點和終點的XYZ坐標和地表標高、管徑、長度及流向等。其中，起點和終點即為檢查井位置，可根據起點和終點的XY坐標確定檢查井位置，導入PCSWMM模型。起點和終點的Z坐標即為該管線的入口標高、出口標高，可通過PCSWMM導入工具導入PCSWMM模型，但需注意從CAD管網圖中提取出的數據為管徑的下沿埋深標高，故此時PCSWMM模型的偏移量應選擇標高進行導入，如選擇的深度作為偏移量還需作進一步轉換。檢查井的地表標高如前所述可以直接從CAD中提取出來，井底標高即為與該檢查井相連的所有管道中最低的管道Z值。經處理後導入PCSWMM模型，該研究區域共有檢查井130個、出水口2個及管段130根。

採用等分角線法劃分本研究區域的排水系統子匯水區，即在道路中心線的交點處做對應角的角平分線，角平分線相交組成該子匯水區。由於每個子匯水區中檢查井數較多，匯水區只指定其中一個檢查井，根據就近排放原則，結合檢查井圖層利用泰森多邊形法則對其進行細分，最終研究區域被劃分為132個子匯水區。

1.4 模型參數率定

PCSWMM模型參數包括水量和水質兩部分，水量模型參數參考PCSWMM模型手冊及鄰近地區相關研究成果確定[11-13]，具體取值（表1）。

表1子匯水區參數取值

2016年9月期間，共採集20160902、20160907和20160910共三場降雨徑流，將研究區域的下墊面類型劃分為道路、屋頂、綠地，於降雨時針對不同類型下墊面每隔10min收集一次雨水徑流，用於分析的不同類型下墊面雨水徑流污染物類型主要為BOD5、CODCr、TSS、NH3-N、TN、TP等水質指標。

採用2016年9月10日監測降雨和水質數據，以BOD5、CODcr、TSS、NH3-N、TN、TP等水質指標作為目標對模型水質參數進行率定，模型參數參考相關文獻取初值[7]，根據模擬結果與實測數據誤差調整水質模型參數直至最優。鑒於監測數據質量問題（如數據個數問題），綠地和道路採用2016年9月7日所監測的水質及降雨數據進行模型參數驗證，屋頂採用2016年9月2日所監測的水質及降雨數據進行模型參數驗證。為保證模型精度，對應不同下墊面不同水質指標的水質參數分別選取最大值、平均值、某一時刻的瞬時值即同時刻值作為限制條件計算相對誤差E，計算公式如下式，得到模型參數（表2～4），模擬誤差（表5）。

表2不同下墊面類型街道清掃參數表

表3不同下墊面類型不同水質指標累積參數

表4不同下墊面類型不同水質指標沖刷參數

式中：E為相對誤差，%；Csim,max為模擬結果最大值；Csim,avg為模擬結果平均值；Csim,same為同時刻模擬值；Cobs,max為實測結果最大值；Cobs,avg為實測結果平均值；Cobs,same為同時刻實測值；——Cobs為實測最大值、平均值、同時刻值三者的平均值。

從表5可以看出，絕大部分相對誤差小於10%，模擬結果精度較高，能夠較好地反映該區域面源污染狀況，說明所構建的PCSWMM模型具有較好的精度和可靠性。

表5模擬結果與實測對照表

2 LID方案設計

低影響開發雨水利用技術主要通過利用不同設施的不同功能即「滲」、「滯」、「蓄」、「凈」、「用」、「排」等來達到減少外排徑流總量、削減洪峰流量、凈化雨水水質、改善生態環境、雨水資源化利用等目標，當然各個功能之間往往密不可分，同一LID措施可能兼有多個功能，如下凹式綠地兼有「滲」、「蓄」、「凈」、「用」等4項功能。

2.1 LID計算原理

各類低影響開發措施由不同的「層」構成，如透水鋪裝由透水面層、透水基層、透水底基層等組成，綠色屋頂由植物層、基質層、過濾層、排水層等組成，下沉式綠地和生物滯留設施由蓄水層、種植土、原土層等組成。PCSWMM模型基於各種低影響開發措施的基本原理概化為7種LID調控措施，分別為生物滯留池、下滲溝槽、透水鋪裝、雨水桶、植草溝、雨水花園和綠色屋頂。PCSWMM模型也是通過豎向層的組合表示，主要包括表層、土壤層、路面層、蓄水層、暗渠（排水層）等，不同的LID措施含有不同的層，具體各LID措施所含層（表6）[14、15]。

表6各類LID措施所含結構層

PCSWMM模型有7種LID措施，現以生物滯留池為例介紹LID計算原理，其他LID措施類似，在此不再介紹。PCSWMM將每個LID措施概化為一個含有填充物，填充物含有孔隙的蓄水池（圖1），蓄水池中表層接受直接降雨和其他不透水區的降雨入流，種植有植物，並需設置表層厚度、空間植被覆蓋率、曼寧係數和坡度等參數，當表層蓄滿時徑流便從頂端溢流流出；土壤層需設置厚度、孔隙率、土壤持水率、凋萎點、水力傳導度、水力傳導坡度和水吸力等，其中孔隙率決定孔隙的體積，即可以蓄存的水的體積，凋萎點指土壤在最乾旱時所含水量，而土壤持水率指水分在土壤層和其他豎向層之間不發生水分交換的最大含水量，故土壤持水率需大於凋萎點，否則模型會報錯；蓄水層即類似於蓄水池蓄水，需要設置蓄水層厚度、孔隙率和下滲速率，蓄水層可以下滲雨水至本地土壤層；如果設置了排水層，蓄水層便會通過排水層向外排水，排水層需設置出流係數、出流指數及管底抬高等。

圖1生物滯留池概化圖

LID設施表層、土壤層和蓄水層水文特性如蓄水水深、土壤含水量等通過水量平衡方程計算，具體參考PCSWMM模型使用手冊。

2.2 LID布局

PCSWMM模型中LID控制措施是在子匯水區屬性中設置，可以在同一子匯水區中設置多種不同LID措施和多個同種LID措施單元。有兩種不同的方法可以將LID措施置入子匯水區，分別為：向一個沒有LID措施的子匯水區加入一種或多種LID措施（圖2左）；同一個子匯水區只添加一種LID措施（圖2右）。第一種方法允許將多個LID措施混合置於一個子匯水區中，但各LID措施並列運行，每個LID措施分別處理其對應面積的子匯水區水流部分，不可以一個LID措施的出流數據作為另一個LID措施的入流數據。