基于SWMM模型的城市已建区排水防涝提标改造途径探讨

随着城镇化建设高质量发展,城市排水防涝标准也在逐渐提高,因此,如何实施已建区排水系统的提标改造,是城市有机更新重要建设内容之一。以北京某已建区域为研究对象,提出了针对排水系统的排水能力和内涝防治标准GB 50014—2021《室外排水设计标准》统筹提标改造的方案,并借助于SWMM模型进行了方案优化评估。结果表明:通过海绵城市建设,在80%年径流总量控制率条件下,现状管网的排水能力可由1年一遇提标至2年一遇。在上述方案基础上,通过模拟评估内涝防治重现期(P=20 a)条件下雨水管网的过载情况,进一步提出并比较了调蓄池集中布置和分散布置2种方案,模拟结果表明:调蓄池末端集中布置无法解决上游区域管网的冒溢问题,而调蓄池分散式布置,可有效消除现状冒溢点,实现现状区域的内涝防治标准提高至20年一遇目标。因此,在已建区排水防涝提标改造过程中,根据场地空间条件,可优先考虑采用海绵城市建设与调蓄池分散式布置相结合的方式实现排水防涝提标改造目标。     

基于多目标优化与综合评价的海绵城市规划设计

海绵城市源头减排设施已被广泛应用于城市雨水径流削减与污染控制,但仍缺乏一种综合评价方法来实现其科学规划设计.本研究构建了一种基于多目标优化与综合评价相耦合的海绵城市规划设计方法,以建设成本、雨水综合径流系数、污染物综合控制率为目标函数,以源头减排设施建设规模和海绵城市径流控制指标作为边界条件,建立基于快速分类的非支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化模型;然后结合层次分析法对优化解集进行综合指标评价,得出最优化设计方案.利用该方法以研究区A为案例,构建了一套建设成本最小化、水文水质效益最大化的设计方案,并通过海绵城市建设前后的暴雨洪水管理模型（SWMM）,评估最优化方案的降雨径流控制与径流污染控制效果.研究结果表明,海绵城市建设能大幅削减雨水径流量,年径流总量控制率达70.1%;雨水峰值流量削减率超过40%,同时延后径流峰值出现时间;有效降低雨水径流污染,研究区各类污染物综合削减率均超过30%.本文提出的多目标优化与综合评价方法,能够基于特定的目标与需求,针对性提出适合区域发展的海绵建设方案,为海绵城市规划设计提供技术支持.     

海绵城市设施的降雨径流和污染负荷频谱分析方法

海绵城市设施效果目前主要用年径流总量控制率和年径流污染物总量削减率评价,它们通过对事件数据进行累加得到.为直接分析事件,建立了适用于降雨、径流和污染事件的频谱分析方法 .在方法例证研究中,年径流总量控制率显示海绵设施能够完全还原自然径流总量,最佳规模为201 m³.而径流频谱显示,与自然对照相比,海绵设施截留小雨(导致径流总频次减少)、对大雨控制不足,只在中雨下接近自然径流,它不能还原自然径流事件,通过计算频谱相似度得到的最大修复程度为0.66,最佳规模为238 m³.污染负荷频谱提供了大量细节信息,例如,没有初雨池的弃流器只在1.5～8.0 kg·hm^-2·d^-1的排污量范围内污染削减效果较好,在其他情况下效果较差.降雨频谱和年径流总量控制率的比较表明,频谱不会对原始数据做任何改变,只原样地呈现事件累积频率分布,其表征水文特征的真实性更高.     

天津生态城水系统构建与海绵建设技术研究及实践

围绕天津生态城高标准水系统建设目标,分析不同发展阶段的水环境问题与技术需求,全方位开展水系统及海绵城市规划、建设与管理技术研究,创新形成了统筹所有涉水设施的生态城市新型水系统规划模式、耦合大水系构建与全过程灰绿蓝结合的海绵城市规划策略,研发了非常规水多源多功能净化处理技术、景观水体水质保持与生态修复技术、盐碱区域生物滞留设施雨水径流污染控制技术、盐碱影响下的雨水调蓄与利用技术、基于盐渍土改良和耐盐植物群落构建的景观生态改善技术,建立了融合水动力-水质耦合模型、多水源补水优化调度模型和内涝模型的天津生态城水系统智能化管理平台。该技术成果在天津生态城水系统和海绵城市规划、建设与管理中得到应用,实现非常规水利用率超50%、水体水质达GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类,年径流总量控制率>80%,径流污染削减率>65%(以SS计),年雨水资源化利用总量达30余万m3,优化了水资源结构并提高了水资源利用效率,全面改善了天津生态城水环境质量,提升了涉水设施动态联动联控的协同管理水平,为同类型地区水系统和海绵城市高标准建设提供了参考和借鉴。     

生物滞留设施排空时间影响因素研究

生物滞留设施是我国海绵城市建设中应用较为广泛的技术措施之一,在其设计和运行维护过程中,排空时间对雨水径流总量的控制效果、植物生长状况等具有重要影响,但目前尚缺乏排空时间影响因素的系统研究.通过实验室试验,研究了调蓄水深、降雨间隔、淹没区高度及构造类型对排空时间的影响.结果表明:试验条件下,不同构造类型生物滞留设施调蓄层...     

基于SWMM的天津市某海绵型建筑小区径流水量水质效果模拟分析

以天津市某海绵型建筑小区为研究对象,采用在线监测与模型模拟相结合的方法,开展小区尺度海绵化改造对径流水量水质效果评估的量化研究。构建暴雨雨洪管理模型,利用实测降雨、水量、水质数据进行模型关键参数的率定与验证,在设计降雨和实际场次降雨、多年连续降雨情景下,模拟分析海绵化改造对径流总量、径流峰值、径流污染的控制效果及差异。结果表明,海绵型建筑小区在2～10年一遇设计降雨重现期下,径流总量控制率为64.43%～74.10%,径流体积削减率为31.27%～40.09%,监测排口处径流峰值削减率为40.57%～41.40%。在55场实际降雨情景下,径流总量控制率为58.29%～100.00%,径流污染削减率为40.93%～83.05%。同时,总降雨量、最大小时降雨量是影响径流总量、径流污染控制效果最主要的降雨特征,存在较强的负相关(P<0.01)。多年连续降雨情景下,年径流总量控制率为78.61%,年径流体积削减率为37.18%,年径流污染削减率为45.16%。该研究成果可为科学定量评估海绵型建筑小区径流控制效果提供参考。     

基于在线监测+模型的海绵城市建设径流水量控制效果研究

以青岛市海绵城市典型项目区为研究区,通过收集、整理和概化汇水区资料,构建了研究区降雨径流模型——SWMM模型。利用2018年雨季的降雨-径流实时监测数据,进行了模型关键参数的率定和模型验证,研究了海绵城市建设在削减径流量、增加入渗与滞蓄雨量方面的定量效果。结果显示:海绵改造后,不同降雨强度下形成径流的雨量占总雨量的平均比例由56%下降至29%;下渗雨水的平均比例由40%增加至60%,滞蓄深度由0.63 mm增加至5 mm。海绵改造前后研究区场降雨径流总量控制率变化显著,当以1~10年一遇的短历时（120 min）设计降雨作为模型边界条件进行模拟时,海绵化改造后场次降雨径流总量控制率提高了26%~34%,认为研究区基本达到了海绵城市关于水量控制的建设要求。     

海绵城市建设的水质水量控制效果实证研究:以鹤壁试点区为例

首批国家海绵城市试点建设已经完成,有关海绵城市规划与模型模拟的研究也层出不穷,但是对于海绵建设区开展持续监测并进行深入分析的研究较为缺乏,而对于海绵城市实际建设区的水质水量研究是规划建设理论与实践效果差别的唯一检测器,是优化未来海绵城市规划和建设的关键。以河南省鹤壁市国家海绵城市建设试点区为研究对象,开展试点区地表水体与雨水管网的水质水量多年持续监测研究,分析海绵城市建设对地表水主要水质指标和雨水年径流总量控制率的实践作用效果。采用人工监测与设备在线监测相结合的方式,于2015-08—2018-09在海绵城市试点区地表水体10个采样点进行了16次人工采样,共计获得109个地表水样并测定了常规水质。利用试点区内20个雨水管道出口处的流量在线监测设备获得2018-01—12的分钟级流量数据。结果表明:研究区域内波动较大的水质指标为NH₃-N、TN和DO,波动较小的为pH。与海绵城市建设前相比,研究区域的地表水系水质得到改善,试点区该年度的雨水径流总量控制率达到85.7%,满足规划建设要求指标70%。但当实际场次降雨量低于设计雨量23 mm时,仍有雨水外排。不同地块的径流控制率差异明显。以上结果丰富了海绵城市建设的实践研究,可为优化海绵城市的规划与设计建设提供参考。     

基于连续模拟的城市降雨径流调蓄研究

城市径流因其短期冲击负荷高,对水体造成冲击性污染日益引起关注。调蓄技术是控制城市径流污染、消减污染负荷的一项关键技术。文章采用连续模拟的方法对昆明市第二污水处理厂调蓄示范工程进行了分析,并对不同污水处理能力下调蓄池最佳容积进行了分析。结果表明:污水处理厂处理能力是决定调蓄池容积和调蓄效率的关键参数,昆明市第二污水处理厂经改扩建处理能力提升至旱季日流量的1.5倍(15×104m3/d),建设51m3/hm2imp(总调蓄容积4×104m3)的调蓄示范工程时,调蓄径流效率为49.6%,年均调蓄径流量为290.5mm,年均溢流次数为38次。在进行合流污水调蓄控制时,综合考虑建设成本和环境效益,污水处理厂处理能力为旱季流量1.5倍、2倍、3倍和4倍时,合理的单位固化面积调蓄池池容分别为:95、25、40和25～50m3/hm2imp。     

昆明主城合流污水调蓄池截污效能模拟

为评估昆明市计划首批建设二环路内16座合流污水调蓄池(规模为21.3×104 m3)的环境效益,采用构建降雨径流管理模型(SWMM)模拟调蓄池的运行情况,对其截污效能进行分析. 结果表明,2008年的113场降雨中,调蓄池共截流污水量1 868.73×104 m3,COD_Cr、TN、TP污染负荷的截流量分别为5 195.28、810.76、68.78 t,污水截流量占合流污水溢流量的11.18%. 昆明主城调蓄池是在充分利用和衔接已建、在建的排水管网收集系统和污水处理设施的基础上设计的,调蓄池效能受既定配套条件、场地、降雨特征等的多重影响,建议加大调蓄池和污水处理厂的联动性,并采取集中调蓄截流为主、分散式面源治理为辅的策略,综合防治初期雨水径流污染和合流污水溢流污染.      

人工调水回灌和海绵城市促渗补给地下水方案比较

随着城市化快速发展和城市人口急剧增加,城市需水量急剧增加,导致许多城市地下水被过量开采。与此同时,随着城市建设用地的增加,不透水面积比例逐年升高,阻断了雨水下渗通道,导致地下水补给量逐年减小。地下水资源的过量开采引起了地面不均匀沉降、地下水污染、海水入侵等一系列问题。针对上述问题,以某市为例,从水量、水质、工程可靠性等方面比较了人工调水回灌与海绵城市促渗补给地下水方案的综合效益。结果表明:人工调水方案地下水补给量约为779万m3/年,海绵城市建设方案地下水补给量为339万m3/年,2种方案补给水水质中污染物种类相似,但雨水径流污染物浓度波动较大。因此,人工调水具有补水量易于控制、水质相对稳定,但调水水量受可利用水源的制约。海绵城市建设在保证地下水补给效果的同时,还具有雨水径流污染控制、洪涝缓解等多重效益,综合效益相对较高,且更符合城市可持续发展的理念。     

对低影响开发与海绵城市的再认识

海绵城市建设是在继承我国古代先贤智慧和参考国外经验,系统总结我国雨洪管理领域长期研究和实践经验的基础上,结合我国城市水系统实际问题提出的城市发展方式,其核心是构建基于绿灰结合的现代城市雨洪控制系统,通过"渗、滞、蓄、净、用、排"综合措施,实现"治涝"与"治黑"等多重目标。低影响开发是海绵城市建设的重要指导思想,也是海绵城市核心技术体系的重要组成部分。正确认识低影响开发与海绵城市的内涵与联系,对于进一步在全国范围内落实低影响开发建设模式,科学推进海绵城市建设具有重要意义。     

北京市低影响开发设施植物应用现状与评价优化

植物是多种雨水源头减排设施基本的构成要素,其生长情况与应用效果很大程度上影响着海绵城市的功能和效果。以北京市21个海绵城市项目中72个低影响开发（LID）设施的植物景观作为研究对象展开建成后评估。通过实地调查法,对LID设施内植物的应用种类与频度、配置模式、观赏特性等方面进行分析;采用层次分析法从植物生态习性、雨水功能性与观赏性3个方面构建LID设施植物景观评价体系,并对10组典型设施的植物群落综合效益进行评价。结合评价分析结果,提出综合效益高的植物配置模式及优化思路,以期为北京市和中国北方地区LID设施的植物景观优化提供参考。     

自然失水条件下土壤的入渗特性研究

下凹绿地、雨水花园等生物滞留设施可参与雨水和地表径流的自然下渗与调节,是海绵城市建设的重要组成部分,雨水入渗对削减雨水外排具有重要作用。目前对土壤渗流的设计主要基于达西定律,但对非饱和土壤来说,达西定律并不广泛适用。对不同初始含水率土壤进行变水头渗透试验,得出其变水头渗透速度与时间的关系,并与达西定律计算结果进行对比,变水头渗透速度与时间的关系式可为海绵城市中土壤入渗的设计计算提供参考。     

南沙新区万顷沙联围重点片区海绵城市竖向规划研究

针对海绵城市建设系统化规划思路,研究城市竖向规划标高,在传统防洪排涝因素分析的基础上,增加地下空间、海绵空间和设施布局的分析,通过竖向规划转变传统"快排、末端治理"的排水方式,为建立"源头减排、过程控制、系统治理"的多层级管控模式提供竖向支撑。为确定科学的城市竖向标高,在传统竖向规划方法的基础上,优化了城市竖向基准标高的确定方法。并针对场地和道路的不同功能需求,提出分类别对场地和道路竖向标高进行管控要求,构建海绵空间及设施的竖向空间模式。以期为我国今后城市竖向规划的编制提供思路,为海绵城市空间及设施的竖向协调提供参考。     

基于SWMM模型的上海市松江国际生态商务区海绵城市建设效果评价

海绵城市建设旨在恢复城市自然调蓄能力,提升生态环境和城市韧性。以上海市松江国际生态商务区为研究区域建立SWMM模型,评估海绵城市建设对区域降雨径流控制和污染负荷控制效果,结果表明:较之传统开发模式,海绵城市建设能够显著滞蓄雨水、降低区域径流总量、削减入河污染负荷,有效减轻区域排涝压力和水环境压力。对于3,5,20,50 a重现期的2 h降雨,海绵城市径流总量分别削减40.8%、39.5%、37.0%、35.8%;对于5 a重现期的2 h降雨,TSS、COD、TN、TP的削减率分别为36.3%、39.4%、32.9%、47.6%。     

南宁市道路初期雨水径流污染物浓度分析

初期雨水污染是雨水径流污染的主要贡献者,掌握初期雨水的污染特征,对于城市雨水处理设施建设尤为重要。以南宁市为例,开展了城市初期雨水径流污染特性分析,旨在为南宁市海绵城市建设以及雨水处理措施提供参考。选取6个采样点的8场降雨,对常规水质指标(COD、NH3-N、TN、TP、SS)进行分析,揭示了降雨过程中污染物的瞬时浓度分布。结果表明:建成区污染物浓度范围和污染物平均水平均明显高于规划区;不同雨型下,雨水初期冲刷效果强弱顺序为暴雨>大雨>中雨>小雨;除小雨外,其他雨型在降雨20 min左右时污染物浓度达到平衡;暴雨情况下,污染物浓度在5 min内降低50%,15 min内70%~80%的污染物随雨水直排或进入城市管网。