调蓄池规模对初期雨水截留效果及截流管水文参数影响研究

2019-11-28姜章泽君肖存艳李连文

中国农村水利水电 2019年11期

姜章泽君，肖存艳，李连文，詹健

(南昌大学建筑工程学院，南昌 330031)

0 引言

城镇化进程的不断加快导致城市不透水面积激增，地表下渗率不断减小。当降雨情况出现，雨水径流对地表由于前期干旱累积的污染物进行冲刷，冲刷后的径流污水汇入自然水体，致使其遭受污染和破坏[1]。近年来，城市水体的污染问题已然成为城市可持续发展道路上的一只拦路虎，因此，解决初期雨水冲刷造成的面源污染问题刻不容缓。

调蓄池作为控制城市面源污染的一项有效措施，以其良好的截留效果和经济适用性在国外得到了较好的推广应用。作为在雨水径流流量高峰期暂时受纳径流的收集设施，调蓄池的规模大小对截留效果起到关键性作用，已有较多学者对此进行了研究，李田[2]采用模型对调蓄池在径流及其污染物控制方面的效果进行研究，得出特定的调蓄池规模与控制率之间的关系；薛英文等[3]以编程手段模拟雨水管内水量及水质的动态变化过程，分析得出调蓄池的最佳截留时间，在此基础上计算调蓄池的设计容积；Mascarenhas等[4]以城市化地块为例，研究了调蓄池在控制洪涝灾害方面的效果，结果表明合理的选址与容积设置对降低洪涝风险起到积极作用。但是，现有研究一般仅将调蓄池作为独立设施进行研究，旨在探究其规模与截污效能间的关联性，并未将其置于管道系统内进行整体性分析，对多个调蓄池协同运行的耦合作用也甚少涉及。据此，本文以联用式双调蓄池作为研究对象，在分析该联用系统对初期雨水径流及其所携带污染物的削减效应的同时，研究截流管道系统水文参数的变化情况，为初期雨水面源污染控制提供一定理论参考。

1 研究区概况及其概化

本文选取位于南昌市城区东北部的儒乐湖作为研究区域。儒乐湖流域汇水面积为15.7 km2，来水汇入儒乐湖经儒乐湖闸注入赣江西河。据区域邻近的南昌站资料统计显示，多年平均降水量1 599.0 mm，降水量年内分配很不均匀，主汛期4-6月降水量占年降水量的50%左右，枯水期11月-次年1月降水量占年降水量10%左右；儒乐湖入库1 957.4～2015.3 多年平均流量为 2.70 m3/s，多年平均径流量8 520 万m3。研究区地形特征大致为东北高西南低，地表汇流方向总体趋势为由东北向西南，借用径流自身重力势能使其尽可能顺坡流动，同时简化末端管网、保留拓扑结构、综合考虑土地利用类型，基于GIS软件将其划分为88个子汇水区，雨水管网概化为54个雨水检查井和72条雨水管线。根据服务区相关平面设计图进行排查，将雨水排放口设在研究区西南侧。将相关数据导入SWMM模型的研究区概化图见图1。

图1 研究区概化图Fig.1 Generalization chart of the study area

2 模型建立与验证

2.1 模型建立

2.1.1 水文模块参数设置

本文采用Horton入渗模型模拟雨水下渗过程[5]，Horton模型主要涉及的水力学计算方程如下：

(1)

式中：f0为雨水在初始时刻的下渗速率；f∞为土壤在饱和临界时刻后的下渗速率；fp,t为t时刻下雨水渗入土壤层的速率，mm/h；kd为入渗速率衰减系数，h-1；F(tp)为tp时刻下的总入渗量。

在实际建模过程中，参考SWMM模型用户手册[6]并借鉴相关研究成果[7]，对模型关键参数进行赋值。在入渗系数的设置过程中，取最大入渗系数A值为72 mm/h，最小入渗系数B值3.302 mm/h；取入渗速率衰减系数为3 h-1；可渗透区域洼地蓄水量和曼宁系数N值分别取5.04 mm和0.24；非渗透区域洼地蓄水量和曼宁系数N值分别取1.51 mm和0.01；管道的曼宁系数N值取0.013。模型以非线性水库模型描述地表汇流过程，以动态波模型对研究区进行水质水量演算。

2.1.2 水质模块参数设置

水质模块包括地表污染物累积模型和冲刷模型。首先对地表污染物累积模型进行参数设置，根据研究区地形数据，将研究区下垫面划分为屋面、道路、绿地3种不同的类型，以TSS、CODcr、TN、TP 5个指标为代表描述径流冲刷地表过程中污染物的产生情况，并采用指数函数模型模拟污染物冲刷效应，以饱和函数模型模拟污染物累积效应。根据儒乐湖流域污染物实际监控数据，设定模拟降雨的前期干旱天数为7 d，雨水中TSS、CODcr、TP、TN的浓度取值依次为5，15，0.05，1.1 mg/L。其他取值参照SWMM模型用户手册及国内外相关文献[8]。

2.1.3 降雨模型设置

由于单峰雨型在南昌市实测短历时强降雨中所占比例较高，且近年来单场降雨越趋极端，实际雨峰显出尖锐化、狭长化的性质，雨峰多出现在前中部，与芝加哥雨型模拟的设计降雨特征极为符合[9]，故本次模拟选用芝加哥降雨模型[10]设计单峰降雨作为研究区的降雨情景。通过查阅资料可得南昌市的暴雨强度公式为：

(2)

式中：q为降雨强度，L/(s·hm2)；P为重现期，a；t为降雨历时，min。

根据南昌市暴雨强度公式，设单场降雨总历时为2 h，雨峰系数0.4，从而确定了重现期为0.1、0.5、1、2、3、5 a下的6场降雨情景，如图2所示。

图2 不同重现期下的模拟降雨量Fig.2 Simulated rainfall under different recurrence periods

2.2 模型参数率定与验证

本研究以中国气象数据网2018年4月13日、4月14日公布的南昌市降雨数据对水质模型进行率定。在降雨过程中，于研究区附近路面的上、中、下3个位置选取3个监测断面，同步检测水文及水质指标，其中水文监测内容为水位和流速等指标，水质检测内容为TSS、COD、TN、TP等。将监测结果与模拟结果相比较，以相对偏差最小为原则，多次调试参数以获取最优值。

以2018年4月14日降雨为例，确定所需参数取值如表1所示。

表1 污染物累积和冲刷模型参数值Tab.1 Contaminant accumulation and erosion model parameter values

以上述场次降雨作为率定实例，其模拟结果与监测结果如图3、图4所示。参数率定采用蒙特卡罗方法(Monte Carlo)，并用纳什效率系数(Nash-Sutcliffe efficiency，简称NSE)来评价模拟结果曲线与监测时间序列的吻合程度。纳什系数公式如下：

(3)

式中：RNS为纳什系数；QS为i时刻浓度实测值，mg/L；Qm为i时刻的浓度模拟值，mg/L；QP为实测数据的平均浓度值，mg/L。纳什系数越接近于1，说明模拟结果与监测曲线吻合程度越高；纳什系数大于0.7，则表示模拟值与实测值较吻合[11]。经试验与计算，得到各指标的RNS见表2。

图3 径流量-模拟实测图Fig.3 Flow rate under simulation/measurement diagram

图4 污染物浓度-模拟实测图Fig.4 Pollutant concentration under simulation/measurement diagram

表2 污染物纳什系数计算结果Tab.2 Pollutant RNS calculation results

由表2可知，TSS、CODcr、TN、TP的纳什系数均均达到0.7以上，说明模型与实测结果的吻合度较高，可将模型应用于该研究区的水质模拟过程。

2.3 SWMM模型方案确立

要对研究区的初期雨水进行截留，需向区域内添加调蓄池设施。考虑到研究区面积较大，且西部片区地势较低，为保证初期雨水径流被截流完全前，截流管不发生过载现象，拟在儒乐湖沿岸设置两座调蓄池，调蓄池1位于研究区东南侧，调蓄池2位于儒乐湖中段，如图5所示。由公式计算[12]及现状资料大致将调蓄池1、2规模定为5 000、8 000；6 000、9 000；7 000、10 000；8 000、11 000；9 000、12 000；10 000、13 000 m3六组进行分析，并通过模拟分析确定其准确容积。

图5 方案设计概化图Fig.5 Generalization chart of the program design

3 模型应用及分析

3.1 研究区现状排水能力分析

现状条件下，即在无截留管和雨水调蓄池设置的情况下，雨水经服务区管网系统后直接由排放口进入儒乐湖内。不同重现期下降雨及相关径流、排放、检查井溢流数据见表3所示。

不同降雨重现期下，降雨强度越大，对应的降雨量也越大，所产生的径流总量也越多。由表3可知，研究区范围内的非设计管段，在三年设计重现期条件下管渠大部分无过载现象，研究区内检查井节点少数发生溢流。但雨水径流除少部分被植被截留之外，其他全部由管渠系统排入湖内，对湖内水质产生较大影响。

3.2 不同规模调蓄池截流情况分析

据相关研究成果[13]，雨水污染程度高峰期主要出现在降雨初期10～15 min的时间内，且雨水径流带来的面源污染中，约70%污染物集中在初期冲刷效应中[14]，故本模拟主要针对初期雨水的截流效果及污染情况进行分析。

《室外排水设计规范》(GB50014-2006)(2016年)中规定南昌地区雨水管渠设施重现期一般为2～3 a，考虑到研究区非设计管段的设计重现期为3 a，经综合分析及模拟试算后选择P=3 a设计降雨，降雨历时2 h，其累计降雨量为73.64 mm，降雨

表3 研究区现状相关水文参数万m3

(由于绿地植被等的下渗、滞留和蓄水作用，无调蓄设施时仍存在一定的储水量)。

曲线如图6所示。对不同调蓄池容积所对应的不同工况进行分析，通过SWMM模型模拟并加以调试以保证初期雨水截流期间，截流管不会发生过载现象，确保初期雨水顺畅的被截流至调蓄池内。

拟定调蓄池1、2规模分别为0.5、0.8；0.6、0.9；0.7、1.0；0.8、1.1；0.9、1.2；1.0、1.3 万m36组进行分析，具体划分见表4所示。

由SWMM模拟得出在不同调蓄池规模下，调蓄池对地表径流的截留率和污染物的削减率，以及相应排放总量和排放口污染物总量见表5。

图6 三年重现期下降雨径流与降雨强度随时间变化曲线Fig.6 Variation curve of rainfall runoff and rainfall intensity with time under a 3-year recurrence period

万m3

表5 不同规模调蓄池截留率统计表Tab.5 Statistical table of interception rate of different scale storage tanks

显然，调蓄池规模越大，截流量也越大，相应的雨水排放量越小。雨水截留率相对较低，但由于初期雨水中携带了高负荷的污染物，故污染物削减率随调蓄池规模增大有显著增加。具体的截留率及削减率变化趋势见图7。

图7 不同调蓄池规模下雨水截留率与污染物削减率关系曲线Fig.7 Relation curve between rainwater interception rate and pollutant reduction rate of different scale storage tanks

由表5及图7可知，调蓄池1、2的设置对雨水截留量有着明显的提升作用，其截留量保持在12%～22%之间，且随着调蓄池容积的增长，雨水截留率的增长也较为平稳；相较而言，调蓄池对于污染物的削减效果更为明显，各污染物的削减率均达到50%以上，在一定范围内，调蓄池容积越大，污染物的削减率越高且增长速率越快。污染物削减率以TN、TP的增长较为迅速，削减率也高于其他污染物，而TSS和CODcr的削减率则较低；以上两个调蓄池所截留的总径流深度也有明显增加，表明调蓄池的增设在一定程度上能控制更多的径流量，排放口的雨水排放量也随调蓄池容积增大而减小，表明降雨初期所产生的高污染物负荷的雨水径流进入调蓄池内，从而缓解儒乐湖的水污染压力。

随着调蓄池内进水量不断增加，池内蓄水量持续增多，池内污染物负荷也逐渐加大，但与冲刷前期相比，后期的污染物浓度仍有所下降，主要是由于前期地面污染物已被径流冲刷，后期地面污染物浓度减小，导致进入调蓄池内的径流所含污染物浓度下降，与池内既有的储水混合后，池内总污染物浓度下降。调蓄池内污染物浓度变化曲线如图8所示(以调蓄池规模Ⅲ下TSS浓度为例)。

由图8可知，由于对初期雨水的截留作用，两个调蓄池内污染物浓度均较高，且调蓄池2内的污染物浓度高于调蓄池1。在截流过程中，调蓄池持续接收进水，由于池底面积较大，初期进水流量增长缓慢，随着降雨强度的逐渐增大，后期进水流量增长较为迅速。当调蓄池蓄满后，不再接收雨水径流，并在整场降雨截流过程后将调蓄池内的雨水进行外排。因此，截流过程停止后，调蓄池内进水流量为0，且各污染物浓度维持不变。将不同截流规模下的各污染物排放浓度归纳至表6。

图8 调蓄池内污染物浓度与进水流量随时间变化曲线Fig.8 Variation curve of pollutant concentration and influent flow with time in storage tank

表6 不同截流规模下各污染物排放浓度Tab.6 Pollutant discharge concentration of different interception scale

3.3 不同规模调蓄池所对应截流管径及其流速流量分析

调蓄池的规模大小也影响着截流管管径的大小，调蓄池容积越大，其调蓄雨量越大，所对应的截流量也越大。在保证雨水截留率和污染物削减率的基础上，以截流管在初期雨水截留过程中不发生过载为前提，确定各截流管对应的流量和流速，与调蓄池相连接的连接管的流量和流速变化过程如图9、图10所示。

图9 不同调蓄池规模下连接管流速变化曲线Fig.9 Variation curve of flow velocity in connection tube of different scale storage tanks

图10 不同调蓄池规模下连接管流量变化曲线Fig.10 Variation curve of flow discharge in connection tube of different scale storage tanks

显然，随调蓄池容积增加，所截留的降雨量也增多，因此所需的截流管管径也相应增大。调蓄池1服务区域为金山大道至金水大道段，服务面积为1.34 km2，而调蓄池2所调蓄的金山大道至空港大道段服务面积为1.80 km2，且整段管渠也长于调蓄池1所对应的截流管，因此所需汇流时间更长，可适当降低管网负荷。

当调蓄池容积一定时，各段管渠中的流速及流量变化也可反映整个降雨过程中雨强的变化。根据南昌市暴雨强度公式，在截流过程中，降雨量持续增大，但增长速度较缓，因而在此过程中，降雨主要影响管径及汇流过程，对各管段的最大流量和流速影响并不大。显然，随调蓄池容积增大，雨水截留量增多，管渠的截流雨量和流量流速也逐渐加大，相应的连接管管径也需加大。由模拟结果可知，截流管管径随调蓄池容积增大而扩大的同时，管渠内的流量和流速也相应在增大，总体上均呈现增长的趋势，管内流量在0.5～3 m3/s范围内变化，流速在1～3 m/s左右。相比而言，连接管管径较大，但连接管中流量和流速的变化范围较小，其主要作用为集中收集雨水汇入调蓄池，故其流量与流速也均较大，连接管中流速保持在2～4 m/s，流量保持在2.5～4 m3/s。

对本模拟案例而言，调蓄池的增设极大程度上缓解了各段管渠的压力，调蓄池1截留的服务面积小于调蓄池2，则调蓄池1的容积也小于调蓄池2 ，所对应连接管的流速和流量增长速率也较快。并且，当截流过程停止后，由于重力流以及整个管渠持续高流量的影响，流量在后期仍会稳步上升一小段时间，但此时流速持续下降，说明截留水量减少。由于降雨模型的影响，当雨峰到来时，雨强较大，导致后期降雨的流量和流速均会达到峰值，但此时初雨已被全部截留，不会再对儒乐湖水质产生影响，因此不在模型讨论范围之内。