一种基于实测和 MUSIC 模型的生物滞留池绩效考核指标计算方法

2021-04-20常儇宇

工程质量 2021年2期

常儇宇，郭清

（昆山市建设工程质量检测中心，江苏昆山 215337）

0 引言

在城市建设过程中，城市化进程改变了区域下垫面条件，也改变了天然状态下的水循环机制，进而对自然水循环造成严重的干扰破坏，引发水体污染以及河流生态系统破坏等问题［1-2］。海绵城市建设采用低影响开发模式的海绵设施，从源头控制径流的产生，使城市开发后的水文特征接近于开发前，以控制面源污染，缓解城市内涝。

生物滞留池作为一种常见的海绵设施，可在径流控制的同时，有效完成雨水净化，实现对其建设区域的水文水质改善，得到了越来越广泛的应用［3］。目前对生物滞留池的研究主要在设计和运用阶段，如基于 SWWM 模型利用其中的 LID 模块，研究生物滞留池在不同布设位置、不同布设规模以及不同重现期的情况下其对于区域径流的调控作用，以期为实际城市改造建设中生物滞留池的设计和运用提供依据［4］；利用 HYD RUS-1D 软件，构建了水分和溶质在不同填料生物滞留池中的运移模型，研究了不同情景下生物滞留池对水量和水质的调控效果研究［5］。在推进海绵城市建设的同时，开展生物滞留池在实际降雨过程中的绩效考核指标评估，不仅可以为海绵城市建设效果评价和成果展示提供依据，也对促进生物滞留池性能改进和海绵建设目标落实具有重要意义。生物滞留池的绩效考核指标为年径流总量控制率和年 SS 总量去除率。年径流总量控制率定义为通过自然与人工强化的入渗、滞蓄等方式，控制的降雨径流量与年降雨总量的比值；年 SS 总量去除率等于年径流总量控制率与低影响开发设施对 SS 的平均去除率的乘积［6-7］。

《海绵城市建设绩效评价与考核办法（试行）》（建办城函〔2015〕635 号）、GB/T 51345-2018《海绵城市建设评价标准》，提到应利用有效的监测数据对海绵城市进行客观定量评价，如基于在线监测技术制定在线监测方案，利用所获取的连续监测数据进行计算与分析，来实现不同层级效果的评估［8］；对生物滞留池安装了现场监测系统，以验证其对污染物的去除能力以及径流控制能力［9-10］。但目前现场监测条件，无法实现其改造效果的多年实时监测，且现有监测存在偏差较大、数据缺失较多、监测周期较短等问题，针对生物滞留池的绩效考核很难进行定量预测和评价。

本文以实际工程为例，介绍了一种基于实测和 MUSIC 模型的生物滞留池绩效考核指标计算方法，可对生物滞留池在实际多年降雨过程中的绩效考核定量评价提供参考。

1 研究项目设施及考核指标

1.1 研究项目设施

研究生物滞留池所在圩区为昆山市庙泾圩区，属于低洼圩区，周围地势平坦土壤渗透性能差，地下水位埋深约为 1～1.5 m，生物滞留池结构设计如图 1 所示，竖向结构包括滞留层、覆盖层、过滤层、排水层。滞留层深度根据植物耐淹性能和土壤渗透性能确定，设计为200 mm，并设 100 mm 的超高；过滤层采用的填料根据现场土壤性质进行配比，渗透系数为 200 mm/h，具体设计参数如表 1 所示。

表1 生物滞留池结构设计

1.2 考核指标

生物滞留池的绩效考核指标为年径流总量控制率和年 SS 总量去除率，根据年径流总量控制率和年总悬浮物去除率的定义，对生物滞留池的绩效考核指标计算如下所示：

年径流总量控制率 =（年进流量-年出流量）/ 年进流量×100%；

年总悬浮物去除率 =（年进流总悬浮物浓度-年出流总悬浮物浓度）/ 年进流总悬浮物浓度×100%。

图1 生物滞留池结构设计详图（单位：mm）

2 实测

2.1 施工阶段的实测

生物滞留池的建设应严格按照核查后的海绵城市建设施工图进行建设，建成的生物滞留池应当保证景观优美、汇流顺畅、排水安全、功能达标。因此，施工过程中的严格控制是生物滞留池运行绩效发挥的前提。

2.1.1 场地竖向衔接的检查和测量

场地竖向处理直接影响场地内部雨水径流控制效果以及雨水排放安全，是生物滞留池发挥绩效的先决条件。场地竖向处理应满足地面自然排水要求，坡度不宜过小（一般不小于 0.3 %）。在建设生物滞留池时，应先对场地竖向地形进行确认，确保雨水能够顺利汇流进入生物滞留池，按照施工图纸核算开挖深度，核对完成面标高、溢流口标高在竖向上能否与汇水分区内的道路、铺装、绿地顺利衔接。

2.1.2 内部结构层施工的检查和测量

生物滞留池的施工阶段应对其内部结构参数和填料性能进行实测。填料性能包括保水层孔隙率、填料渗透系数和填料孔隙率。内部结构参数包括过滤层厚度、过渡层厚度、排水层厚度、是否铺设隔水层以及是否有保水层。生物滞留池开挖、整坡、介质回填等各环节，均应当满足场地坡度、坡向以及生物滞留池整体的深度、各层级厚度要求。

过滤层又名种植土层，是生物滞留池的核心组成部分，是实现生物滞留池功能的关键结构层。过滤层至少应承担实现对雨水的暂时滞蓄而后缓慢渗排、过滤、吸附雨水径流中的颗粒及悬浮污染物、提供植物生长所需的养分和水分的功能。因此，应确保过滤层介质渗透系数、孔隙率满足对滞留池发挥绩效起主要作用。施工过程中如有条件，应该在多次水密压实的基础上进行现场渗透性试验。

溢流井建设应严格按照施工图设计施工，在施工过程中应进行现场核测，不得采用竖向管道替代溢流井盲管；管顶标高应低于出流管管顶标高，即至少应采用管顶平接的方式进行管道衔接；溢流井盖应该满足汇水范围内设计暴雨排放，且应简洁、美观、尺寸适合，并具有防堵塞的能力。经现场检查发现研究项目的溢流设施简洁、美观，与设计相符。

2.1.3 植物选配

植物是生物滞留池的构成要素，发挥着保障生物滞留池长期稳定地发挥生态功能、减少土壤冲刷、净化径流污染、展现美好景观方面的重要作用。植物的选择应遵循的原则为具有干湿交替的耐受性，能满足长期耐旱、短期耐涝；具有特定土壤类型和生长条件的耐受性；本土的或经驯化引进的植物品种；严禁选择具有侵略性或侵略性根系的植物品种。经现场检查发现研究项目生物滞留池植物选配较好，能发挥净化径流污染、减少土壤冲刷的作用，外观美感也得到了充分体现。

2.2 竣工阶段的实测

竣工阶段的实测主要为生物滞留池表面结构参数、整体竖向构造抽测、附属设施、排水性能及植物栽种情况。生物滞留池竣工阶段表面结构参数包括生物滞留池面积、生物滞留池周长和滞留层高度。

排水性能包括溢流井井口内径、排水层盲管内径和管底高程以及溢流井排水管内径和管底高程。排水性能的计算是将排水层盲管内径和溢流井排水管内径分别与其设计值进行对比，根据排水层盲管管底高程和溢流井排水管管底高程判断排水管线是否反接，对设计排水能力进行折算最终获得实际排水性能。

2.3 实测结果汇总

施工阶段及竣工阶段主要检测结果如表 2 所示。

表2 施工阶段及竣工阶段生物滞留池实测项目汇总

3 模拟计算

3.1 模拟软件

MUSIC 是世界主要的雨水径流水质管理及预测模拟软件，通用于政府、咨询设计及施工等水务业各方，为城市汇水区内雨水管理的战略规划提供科学依据，为规划师和景观设计师完成规划设计任务提供技术支持，可协助政府机构进行项目规划的审批和监测。其通过模拟处理系统出水水质在输入的连续水文条件（降雨量及蒸发量数据）下的变化情况，不仅可以对单一处理系统多年平均表现进行分析评估，更适用于预测不同雨水处理流程等综合管理策略的效果。

3.2 模型建立

使用 MUSIC 模拟软件建立汇水区域汇集，经生物滞留池渗透、滞蓄和净化，最终排放至排水节点的雨水控制流程模型。汇水区域模型采用 Source Node 中的 Urban 节点，生物滞留池模型采用 Treatment Node 中的 Bioretention 节点。

3.2.1 汇水区（Urban）模型

选取 Source Node 节点中的 Urban 类型作为本项目汇水区模型。汇水区径流计算模型如图 2 所示。降雨落在汇水区后转化为蒸发量、储存量及地表径流。汇水区污染物由地表径流计算模型产生，污染物浓度分别按照基本径流和暴雨径流的对数正太分布随机模型选取。

图2 汇水区径流计算模型

3.2.2 生物滞留池（Bioretention）模型

选取 Treatment Node 节点中的 Bioretention 类型作为本项目生物滞留池、干式植草沟模型。其径流计算模型如图 3 所示。

MUSIC 中 Treatment Node 节点的污染物控制过程采用一阶 k-C*模型进行模拟计算，如式（1）所示。

式中：C*为本底浓度，mg/L；k 为指数衰减系数，m/a；Cin为进水浓度，mg/L；Cout为出水浓度，mg/L；q 为水力负荷，m/a。

图3 生物滞留池径流计算模型

3.3 模型模拟

将实测值代入模拟软件中生物滞留池绩效考核指标的相关影响参数进行模拟计算，得出设施的年进流量、年出流量及年进流总悬浮物浓度和年出流总悬浮物浓度。生物滞留池绩效考核指标的相关影响参数包括生物滞留池面积、填料面积、无隔水层宽度、滞留层高度、过滤层厚度、填料渗透系数、填料孔隙率、保水层孔隙率、溢流堰宽度、下渗系数、植物特性；生物滞留池铺设隔水层时，无隔水层宽度为 0。实测值和模型参数对应关系如表 3 所示。

3.3.1 模型修正

模型关键参数指数为衰减系数 k 和本底浓度 C*，修正方法为在模拟软件中调整指数衰减系数 k 和本底浓度 C*，直到总悬浮物去除率模拟值和检测值一致，确定最终的模型关键参数指数衰减系数 k 和本底浓度 C*。

为对模型进行修正，研究采用生物滞留池总悬浮物去除率现场试验，根据昆山地区实际降雨产生的地表径流污染物浓度，配制雨水，在一定流速下，均匀流入生物滞留池，实测生物滞留池的进水、出水浓度，计算得到该生物滞留池的污染物去除率［10］。修正总悬浮物去除率模型中的 k、C*参数，模拟值与检测值一致，经现场试验结果和模拟调整，修正结果为 k=800，C*=20。

表3 实测值和模型参数对应关系

3.3.2 模型计算

采用昆山市 2005 年 1 月～2015 年 12 月共 11 年的水文资料，其中降雨量为 6 min 连续降雨数据，蒸发量为多年平均月蒸发数据，数据汇总如图 4 所示。以 6 min 为间隔进行连续性模拟。昆山市 2005 年 1 月～2015 年 12 月的年平均降雨量为 1 18 3 m m，年平均蒸发量为1 031 mm。