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摘 要： 摘要:運用SWMM軟件對武夷山中心城區海綿城市建設效果進行模擬,從雨水徑流及污染物攔蓄方面定量分析海綿城市生態單元的功能。同時基于海綿城市建設方案,探究市政設施灰綠結合的新模式。研究發現,海綿城市生態單元可有效攔蓄雨水徑流及污染物,并可實現市政設施
摘要:運用SWMM軟件對武夷山中心城區海綿城市建設效果進行模擬,從雨水徑流及污染物攔蓄方面定量分析海綿城市生態單元的功能。同時基于海綿城市建設方案,探究市政設施灰綠結合的新模式。研究發現,海綿城市生態單元可有效攔蓄雨水徑流及污染物,并可實現市政設施資源的優化配置。其可在降低污染排放的同時,推動循環經濟的發展,在生態文明建設中能夠發揮顯著的功能。
關鍵詞:海綿城市;生態文明建設;循環經濟;低影響開發;可持續發展
近年來,為落實生態文明建設的相關要求,以增強城鄉防洪抗旱排澇能力為主要目標的海綿城市工程,開始成為城市建設工程領域的新熱點。在防洪排澇功能之外,海綿城市工程還是實現城市水生態環境修復及改善等多重目標的有效手段。海綿城市建設實質上是通過滲、滯、蓄、凈、用、排等措施,將降水就地消納并進行回收利用[1]。其核心理念與循環經濟理念高度契合,是實現生態文明建設的重要途徑。海綿城市建設的本質是構建雨水系統設施的低影響開發(LowImpactDevelopment,LID)模式。該模式最早在美國被提出,其本質是一種能夠有效緩解降水過程中城市內澇及面源污染問題的市政工程理念。低影響開發主要通過人工濕地等生態單元設施來降低雨水徑流量及污染物排放量,基于循環經濟理念實現開發區域的可持續水循環。生態文明作為我國五位一體建設總布局的關鍵一環,其建設需要與總布局中的經濟建設等環節統籌推進。循環經濟提倡發展經濟的同時,要與生態環境相和諧,故通過海綿城市的生態單元發展循環經濟,能夠有效推進我國生態文明建設及五位一體總布局的實現。
我國關于海綿城市建設的研究起步較晚,能夠參考的工程案例也相對較少。加之雨水徑流污染具有時空分布離散及污染物成分復雜多變的特征,因此,利用暴雨洪水管理模型(StormWaterManagementModel,簡稱SWMM)軟件對雨水徑流及水質情況進行模擬,是當前海綿城市研究的重要途徑。SWMM是美國環保署開發的雨水管理模型,可模擬降雨過程中地表徑流量及污染物排放總負荷,是市政工程領域的重要工具軟件[2]。海綿城市工程由若干LID設施構建,LID設施中的生物滯留系統等生態單元可通過植物、土壤與微生物的三重協同作用實現水體凈化及可持續的資源循環,故其對雨水徑流的攔蓄及凈化功能都較為突出。根據應用位置不同,其又可細分為人工濕地及生態樹池等不同生態單元。在海綿城市中,由構筑物及動植物生存其間的景觀單元被稱為生態單元[3]。生物滯留系統等生態單元作為小型生態系統,其運行機制與生態文明思想高度契合。故本研究通過SWMM軟件建模,對生態單元為主體構建的海綿城市工程的雨水徑流攔蓄及凈化功能進行分析,并結合其對市政設施灰綠結合的創新驅動,從多方面評價海綿城市生態單元的功能。
1研究區域概況
海綿城市建設對我國降水較多的南方城市具有更為突出的意義,故選擇處于1000mm等降水線附近的福建武夷山市中心城區,作為開展研究及建立SWMM模型的地理信息背景區域。武夷山市處于江西與福建兩省交界地帶,具有顯著的夏季高溫多雷雨的亞熱帶季風氣候特征。市區中心的崇陽溪沿岸地帶是一個人員及建筑比較密集的區域,其土地開發利用程度在全市處于較高水平。三面環山的崇陽溪河流沿岸地勢相對平緩,土地不透水率高且排水設施老舊,因此,該區域的洪澇風險較高。綜合多方面因素考量,最終選取的SWMM模型建立區域位于崇陽溪西側河岸,區域東側邊界是當地的城區主干路武夷大道,東北方向與環島西路緊鄰,西側及南側邊界則是百花路以及中洲排洪溝。上述邊界所構成的閉合空間便是SWMM模型建立的背景區域。
2海綿城市生態單元的徑流攔蓄及凈化功能模擬
雨水資源具備一定的利用價值,但是城市地表滲透性不足,為降低暴雨天氣時城市洪澇災害發生的可能性,雨水只能通過泵站及雨水管網等灰色設施快速排放,從而導致了雨水資源的浪費。由于雨水資源并未能在城市運行和經濟循環中得到高效合理的利用,因此,傳統的雨水排放模式并不利于循環經濟的發展。同時,我國城市普遍采用的合流制排水模式,在暴雨天氣時部分污水會從雨水管網直排到自然水體,對生態環境造成污染。而海綿城市的低影響開發理念則與循環經濟發展及生態文明建設的要求高度契合,可有效解決上述問題。利用SWMM軟件對武夷山市進行海綿城市模擬改造,可對海綿城市生態單元的雨水徑流攔蓄及凈化功能進行模擬,進而探究全新的生態文明建設路徑。
2.1研究區域子匯水區劃分及管網概化
研究區域內除西部空間留有一定面積的未開發土地及景觀綠化帶外,區域剩余空間的建筑密度均處在一個較高的水平。將衛星影像圖作為背景導入到SWMM軟件模型中,同時根據當地排水管網的相關資料在背景圖上繪制管道及節點。在繪制過程中略去小管徑及短距離的管道,保留主干管道以完成排水管網的概化。繪制完成后,需要根據圖紙及相關資料手動輸入管徑及管道長度。而位于管道兩端的鉸點,則需要手動輸入定義“內”底標高,并以此來推算管道的坡度大小。最終經概化整理得出19條管道(GQ)、19個管道連接鉸點(J)以及3個排放口(PFK)。雨水管網的詳細信息如表1所示。
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在排水管網模型概化基礎上,結合衛星地圖及實際地形便可以對研究區域進行子匯水區劃分。子匯水區劃分過程中需要充分考量土地利用類型信息等相關因素,同時盡可能保證各子匯水區在地圖上以規則圖形呈現。根據上述劃分原則并結合相關資料信息,將研究區域共計劃分為19個子匯水區,并將其按照ZMJ1~ZMJ19的順序進行編號。根據圖1中的相關信息,將SWMM模型的土地利用類型劃分為道路、房屋屋頂和綠化帶三大類。參考衛星遙感光譜識別的研究成果[4],并結合實際的土地規劃利用情況,將道路、房屋屋頂和綠化帶的不透水率分別設定為75%,80%及25%。根據不同類型的土地在子匯水區域中的面積占比,加權求和后得到每一個子匯水區域的不滲透性系數。單一子匯水區的主要參數信息如表2所示。
2.2降水參數設置
降水參數是建立SWMM模型的重要基礎,在市政排水工程領域,暴雨強度公式是反映降雨規律、指導城市排水防澇工程設計和相關設施建設的核心依據。
2.3其他模型參數設置
選擇Horton方程作為模型的滲入方程。參考SWMM使用手冊中的推薦取值范圍,同時結合當地實際情況,設置最大入滲速率為18mm/h,最小入滲速率為8mm/h,入滲衰減系數為軟件預設的4h-1。將不滲透性及滲透性粗糙系數N值分別設定為0.01和0.03。同時將不滲透性及滲透性洼地蓄水深度分別設定為12mm和2mm。
2.4研究區域海綿城市建設方案及參數設置
選擇處于未開發狀態的ZMJ12子匯水區作為海綿城市工程的模擬建設區域,在該區域構建人工濕地型的生物滯留系統,通過其對雨水徑流及污染物的攔蓄回用量,來量化分析海綿城市建設對循環經濟的貢獻度。在SWMM中生物滯留系統需要定義的參數有土壤層的厚度、植物覆蓋指數及蓄水深度等,其相關參數設置情況如表3所示:
2.5海綿城市建設的雨水攔蓄回用功能分析
在ZMJ12添加生物滯留系統LID控制選項,并按照表3中的參數設置LID單元參數,LID單元的子匯水區面積占比設為50%。設置LID單元前后分別執行模擬操作并將相關數據進行對比,軟件模擬結果如表4所示。
根據軟件模擬的結果,在3h的降水過程中海綿城市LID單元共攔蓄雨水徑流650m3,可對城市內澇起到有效的緩解作用。同時人工濕地攔蓄的雨水經凈化后,可作為景觀綠化用水進行回用產生經濟價值,能夠對循環經濟的發展起到顯著的推動作用。
2.6海綿城市建設的雨水污染物凈化分析
常見的雨水徑流污染物指標有總氮(TN)、總磷(TP)及化學需氧量(COD)等,上述污染物在地表上以垃圾碎屑的形式累積并在降水時被雨水沖刷到徑流中。SWMM操作手冊根據實測調研結果總結出了城市徑流的水質特性表,比較有代表性的雨水徑流污染物濃度情況如表5所示:
各類污染物溶解到雨水徑流后,會隨著雨水徑流被一同攔蓄到人工濕地中。雨水中的氮磷元素超量直排到自然水體中會引發水體富營養化,由此引發的污染已經成為水生態環境領域的突出問題[6]。但是人工濕地可以將雨水中的TN及TP作為系統植物生長的營養物質,從而實現了廢物資源化。人工濕地的氮元素轉化利用主要通過硝化及反硝化反應完成,反硝化反應中各類COD污染物可以作為反應的碳源,從而實現了資源化循環利用。經初步估算,在軟件模擬的3h降水過程中,人工濕地至少可減少1.2kg的TN污染物排放、0.3kg的TP污染物排放以及53.3kg的COD污染物排放。其中部分污染物可成為植物及微生物生長的營養物質,重新參與物質循環進而進行資源化利用。人工濕地等海綿城市單元在實現資源回收的同時降低了對自然環境的影響,故其可以對循環經濟發展起到創新推動作用。
3海綿城市生態單元對市政設施灰綠結合的推動
雖然以灰色市政設施為主的傳統排水模式并不符合循環經濟發展的要求,但是將灰色基礎設施完全排除在城市經濟運行體制之外也并不符合循環經濟原理。而以人工濕地等海綿城市生態單元為結合點,可以實現灰色市政基礎設施與海綿城市綠色設施的無縫連接,能夠在推動循環經濟發展的同時,有效緩解我國的水環境污染問題。
以武夷山市中心區域為例,根據模擬建設方案在中洲排洪溝南側ZMJ12增設人工濕地設施,對研究區域內市政設施的灰綠結合便會起到一定的推動作用。在極端暴雨天氣時,若人工濕地內的蓄水容積達到設計上限,為降低洪澇災害發生的風險,可利用提升泵將人工濕地的雨水直接引入到中洲排洪溝排放,可最大限度發揮溝渠等灰色設施排水速度快的特點。而當旱季時由于人工濕地中的植物生長需要保持一個最低的水位高度,故當降水不足時需要引入水源補入。在該工況下經污水處理廠二級生化處理排放的尾水,可以作為水源引入到人工濕地中。其在補充人工濕地蓄水量及植物生長所需氮磷元素的同時,還可以通過人工濕地進行深度凈化達到更高的水質要求。故通過市政設施的灰綠結合,污水廠尾水中的各類污染物可進一步實現減排及資源化利用。
研究表明,在應對當前的城市內澇及水污染問題過程中,在充分利用灰色基礎設施的速排優勢的基礎上,結合綠色基礎設施的生態功能及循環經濟特性才能達到事半功倍的效果[7]。而通過海綿城市建設實現市政設施的灰綠結合,可實現市政基礎設施的最優化配置,從而實現循環經濟發展及生態文明建設的創新推動。
4結論
研究結果顯示,海綿城市的生態單元能夠攔蓄26.97%的雨水徑流,并可將其實現資源化利用。同時其內部的植物可將雨水徑流中的TN及TP等污染物重新帶入到生態循環中,從而實現減量化排放。而以海綿城市生態單元為結合還可實現市政設施的灰綠結合,在優化資源配置的同時進一步提升各類水體污染物的回收利用率,在實現污染物低排放的同時實現資源的高利用。綜上所述,海綿城市生態單元可以從多方面推動循環經濟的發展,其在滿足可持續發展要求的同時,對生態文明建設具有積極的正面意義。——論文作者：齊迪