沈陽市雨澇源頭控制措施關鍵影響因素分析

馬興冠，紀文娟，王夢琪，姜 偉，傅金祥

（沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，沈陽110168）

城市化建設與經濟發(fā)展使得城市面臨嚴峻的雨澇問題。城市內澇的傳統(tǒng)解決策略往往從給排水角度圍繞以排為主的傳統(tǒng)理念，遵循“末端控制”被動的解決城市內澇問題。這種處理模式不僅增加了市政管網(wǎng)的壓力，降雨初期大量污染物也對河道造成污染；同時，浪費了大量的雨水資源，使得地下水得不到補給。另一方面，單一提高標準、重新修訂暴雨強度公式等方式只能解決一部分水澇問題，難以綜合防治。因此，將“以排為主”的理念轉變?yōu)椤靶睢B、排”，綜合新型源頭控制措施和傳統(tǒng)雨水基礎設施將成為國內解決內澇問題的發(fā)展趨勢。

新型源頭控制措施是利用多功能調蓄設施來控制城市的水澇［1］，主要包括低勢綠地、雨水花園、植被淺溝、透水鋪磚等［2－3］。這種新型源頭控制措施已在國外具有廣泛的應用，例如德國開發(fā)利用的“洼地—滲透”系統(tǒng)增強了雨水下滲和雨水徑流滯留，使流域徑流過程發(fā)生推移，峰值時間滯后；同時也減少了徑流外排量，防止水澇的發(fā)生［4－5］。美國加州弗雷斯等許多城市建立了屋頂蓄水、草地、雨水花園和透水地面相結合的地表回灌系統(tǒng)，有效地實現(xiàn)了就地滯洪蓄水［6］。在新型源頭控制措施中，低勢綠地是利用下凹空間滯留滲蓄雨水徑流、削減洪峰、減輕地表徑流污染的一種低影響開發(fā)措施（Low Impact Design，LID），具有建設費用低、安全、便捷等特點［7－9］，其滲蓄效率的影響因素包括下凹式綠地面積率f、綠地下凹深度Δh、綠地土壤穩(wěn)定入滲速率K、設計暴雨重現(xiàn)期P等。在各影響因素中，Δh與f是低勢綠地結構設計的關鍵參數(shù)。從低勢綠地下凹深度角度考慮，增大Δh與f可以增加雨水徑流滲蓄效率，但是受植物耐淹時間、匯水區(qū)域徑流量、土地規(guī)劃等因素的限制，不能無限制增加綠地的高程和面積；由于計算的目的、前提以及研究區(qū)域的差別，這兩個參數(shù)的設計取值也會改變。李俊奇等［10］對北京地區(qū)的研究表明，植物耐淹時間為1～3d條件下，下凹深度控制在50～250mm的范圍內是安全可行的。根據(jù)天津市的實際情況，邢國平等［11］認為綠地下凹100mm、綠地率為30%，對1年一遇和2年一遇的雨水有70%入滲，可削減暴雨洪峰。聶發(fā)輝等［12］研究表明，由于上海市人口密度、綠地景觀等因素限制，綠地下凹深度為50mm比較合適；然而程江等［13］以雨洪滯蓄和削峰為目的，采用極端設計降雨，推薦上海低勢綠地下凹深度為100～300mm，綠地面積率10%～30%為宜。有研究認為廣州省下凹綠地深度宜采用80～120mm，既能避免高差過大，又可以有效降低城區(qū)徑流深度；并且提出低勢綠地的綠化面積率一般需達到10%以上［14－15］。由此看來，低勢綠地設計的關鍵參數(shù)下凹深度和綠地面積率受穩(wěn)定入滲速率、設計降雨重現(xiàn)期、植物耐淹時間等很多因素影響。對于特定城市內澇問題的解決，最有效的方法是通過該地區(qū)降雨雨型的統(tǒng)計分析，選擇適宜的調控措施，并對關鍵設計參數(shù)進行調整優(yōu)化。

雨澇滲蓄效應的影響因素和低勢綠地設計參數(shù)的探討已經成為國內該領域研究的熱點［10－15］。本文在已有研究的基礎上，利用水量平衡原理，結合沈陽市1975—2005年降雨統(tǒng)計數(shù)據(jù)與雨型分析，考察沈陽市雨澇源頭控制措施低勢綠地的雨水滲蓄效應及主要影響因素，分析低勢綠地設計過程中主要控制參數(shù)的合理范圍，以期為低勢綠地在沈陽市綠地規(guī)劃與建設中發(fā)揮削減雨水徑流、緩減排水系統(tǒng)建設運行壓力等效應應用的設計運行提供理論依據(jù)與實踐指導。

1 低勢綠地雨水量平衡分析與計算

1.1 雨水量平衡分析

雨水徑流匯入低勢綠地后，首先通過低勢綠地表層土壤下滲；雨水徑流過大時流入綠地上的雨水口，進入穿孔滲透管中集蓄向底層土壤中下滲；最后，當徑流超過低勢綠地集蓄和滲透能力時，就近溢流排入雨水管道。計算時段內各水文要素之間存在的水量平衡關系式見公式（1）。

式中：Q0——計算時段進入低勢綠地的雨水徑流量（m3）；U0——計算時段開始時低勢綠地的蓄水量（m3）；S——計算時段內低勢綠地的雨水下滲量（m3）；Z——計算時段內低勢綠地的雨水蒸發(fā)量（不包括植物的蒸騰量）（m3）；D——計算時段內低勢綠地的植物蒸騰水量（m3）；U1——計算時段結束時低勢綠地的最大蓄水量（m3）；Q2——計算時段內低勢綠地的雨水溢流外排量（m3）。

1.2 計算方法

在某場降雨內，低勢綠地對雨水的滲蓄效應由雨水徑流滲蓄率N來表示，即降雨過程中綠地滲蓄雨量占匯入綠地總雨水徑流量的百分比。一般計算時段按一場降雨來計算；降雨歷時較短時，雨水蒸發(fā)量和植物蒸騰作用較小，Z1可以忽略。由于綠地植物的淹沒時間不宜過長，綠地調蓄的雨水在雨后短時間內入滲排空，所以假設降雨開始低勢綠地內無蓄水，即U0＝0。假設設計暴雨重現(xiàn)期內的雨水徑流全部滲透利用，不產生外排，即Q2＝0。

對于特定的土壤，其不同初始含水率對入滲速率有較大影響。在入滲初期，土壤入滲速率隨著土壤含水率的增加而減小，累積入滲量和穩(wěn)定入滲率增大；隨著時間的延續(xù)，含水率對入滲的影響減小以致最終可以忽略。此外，有機質含量豐富的草地土壤入滲率對含水率的敏感性較弱。本文采用不同數(shù)值的土壤穩(wěn)定入滲速率，可以近似理解為不同時段土壤入滲速率的平均。另一方面，沈陽不同類型土壤的含水率與入滲速率之間尚未有明確的函數(shù)關系。為了在定量前提下簡化計算，雨水下滲量按土壤的滲透系數(shù)和綠化面積確定，忽略植物截留、土壤含水率對雨水下滲的影響，而且設計值也更偏安全。因此，雨水下滲量按土壤穩(wěn)定入滲速率和綠化面積確定是合理可行的。雨水徑流滲蓄率計算公式如（2）所示，下滲量公式如（3）所示，徑流蓄水量公式如（4）所示。

式中：QZ——降雨量（mm）；F1——綠地服務區(qū)域的面積（m2）；F2——低勢綠地的面積（m2）；Cn——綠地服務區(qū)域的徑流系數(shù)。

式中：K——土壤穩(wěn)定入滲速率（m／s）；J——水力坡度，一般取J＝1；T——計算時段（min）。

式中：Δh——下凹深度（m）。

2 結果與分析

2.1 降雨過程設計

根據(jù)應用數(shù)理統(tǒng)計方法，分析沈陽市1960—2005年近45a的短歷時降雨量數(shù)據(jù)和多個氣象站逐分鐘降雨記錄，歸納實際降雨過程。通過模糊模式識別法與目估法相結合［16］進行降雨歷時為120min的雨型劃分，可以得出：① 沈陽市雨型主體為單峰雨型，其雨量集中，易引起城市內澇；② 強度均勻的降雨占的比例較少，所以不宜采用均勻雨型作為沈陽市設計暴雨雨型，而考慮用非均勻設計雨型比較合理。非均勻設計雨型的方法有Yen ＆Chow法、Huff法、芝加哥 過 程 曲 線 法 等［17－18］。 大 量 研 究 表 明［19－21］，利用芝加哥過程曲線法的設計雨型具有計算方便、洪峰不受降雨歷時限制、在城市雨水徑流模型中應用效果好等特點。因此，本文基于芝加哥過程曲線法建立沈陽市的設計暴雨分配雨型；為了避免雨峰過于尖瘦的缺點，不同重現(xiàn)期下的降雨過程分布采用5min為單位時段的柱狀過程來表示，雨峰的相對位置取0.4［22］，如圖1所示；在不同重現(xiàn)期的降雨特性統(tǒng)計結果見表1。可以看出，在不同重現(xiàn)期，降雨強度均隨著降雨歷時先增大后減小，主體表現(xiàn)為單峰雨型，降雨歷時在48min降雨強度達到最大。重現(xiàn)期從1a增加到100a，峰值降雨強度隨之從2.21mm／min增加到5.57mm／min。

2.2 滲蓄效應

根據(jù)表1的特性參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對沈陽市低勢綠地的滲蓄率N進行計算。土壤穩(wěn)定入滲速率K、低勢綠地面積率f、下凹深度Δh、重現(xiàn)期P均是影響低勢綠地雨水徑流滲蓄效應的因素。K受土壤含水量、導水率、植被、土質等眾多因素影響差異較大，最小范圍為10－8～10－7m／s［23］。由于沈陽市綠地土壤一般為棕壤土，根據(jù)現(xiàn)場模擬降雨實驗及相關文獻［24］，K 可以達到1×10－6～3×10－6m／s，經過土壤改良之后可達5×10－6m／s。因此，在本文中K值取1×10－7，1×10－6，3×10－6，5×10－6m／s。根據(jù)已有研究［12］，f一般需要達到10%以上，大多數(shù)城市一般為15%～45%，本文中f取較寬的范圍10%～60%。根據(jù)各個城市Δh的統(tǒng)計，對沈陽市Δh取50～300 mm。按照2.2給出的計算方法，分別計算f值為10%，30%，Δh值為50mm、200mm邊界條件下P與N 的關系，結果見圖2。計算Δh值為100mm，P值為5a，10a邊界條件下，不同土壤穩(wěn)定入滲速率情況下的面積率為10%～60%的低勢綠地對雨水徑流滲蓄效應的影響，結果見圖3；計算f值為20%，P值為5a，10a邊界條件下，不同土壤穩(wěn)定入滲速率情況下Δh為50～300mm的低勢綠地對雨水徑流滲蓄效應的影響，結果見圖4。

圖1 不同重現(xiàn)期下的2h降雨過程分布

表1 沈陽市降雨特性統(tǒng)計

圖2為不同下凹深度Δh與綠地面積率f條件下，降雨重現(xiàn)期P與滲蓄率N 的關系。可以看出，在不同的下凹深度Δh和綠地面積率f、重現(xiàn)期P為1～10a范圍內，低勢綠地對雨水徑流的滲蓄率N隨著重現(xiàn)期P的增大而快速下降；當P大于10a，滲蓄率N平緩降低。另外，N隨著土壤穩(wěn)定入滲速率K的增大而增大。

圖2 不同土壤穩(wěn)定入滲速率K條件下重現(xiàn)期P與蓄滲效率N的關系

對圖2a—d進行兩兩比較可以看出，在相同的綠地面積率f條件下，滲蓄率N隨著下凹深度Δh的增加而增大。例如在10%的面積率條件下，隨著Δh從50mm增加到200mm，N從5%～25%范圍增加到22%～70%（圖2a和b）。在相同的Δh條件下，滲蓄率N隨著綠地面積率f的增加而增大。例如對于50 mm的下凹深度，隨著f從10%增加到30%，N值從5%～25%范圍增加到18%～75%（圖2a和c）。當綠地面積率f和下凹深度Δh同時增加，可以使得滲蓄率N大幅升高；在30%和200mm條件下，N值達到70%～210%范圍，而且在此條件下低勢綠地對10 a一遇的降雨均可100%的滲蓄，當土壤穩(wěn)定入滲速率K為5×10－6m／s時，可將50年一遇的降雨滲蓄90%以上（圖2d）。

圖3為不同下凹深度Δh條件下的土壤穩(wěn)定入滲速率K與滲蓄率N 的關系。可以看出，在一定的Δh和f條件下，滲蓄率N隨著土壤穩(wěn)定入滲速率K 單調增加。由圖3a可以看出，當Δh大于250mm時，在所有的土壤穩(wěn)定入滲速率下的低勢綠地滲蓄率均超過100%，即在此邊界條件下，低勢綠地還可以滲蓄比其服務面積更大區(qū)域的雨水徑流。由3b可以看出，對于10a一遇的降雨，綠地滲蓄率較圖3a明顯偏低。這使得下凹深度Δh臨界值從250mm增加至300mm，即在Δh為300mm條件下，所有土壤穩(wěn)定入滲速率下的低勢綠地滲蓄率均超過100%。

圖4為下凹深度Δh為100mm、不同低勢綠地面積率f條件下的土壤穩(wěn)定入滲速率K與滲蓄率N的關系。在其它參數(shù)相同的條件下，滲蓄率隨著土壤穩(wěn)定入滲速率的增大而單調增加。在相同的綠地面積率和土壤穩(wěn)定入滲速率條件下，降雨重現(xiàn)期為5a的滲蓄率高于10a的滲蓄率。當f值為20%，K值5×10－5m／s時，低勢綠地對5a一遇的雨水基本全部滲蓄（圖4a）。當f值為30%，K值5×10－5m／s時，低勢綠地對10a一遇的雨水基本全部滲蓄（圖4b）。

圖3 不同下凹深度Δh條件下土壤穩(wěn)定入滲速率K與蓄滲效率N關系

圖4 不同低勢綠地面積率f條件下土壤穩(wěn)定入滲速率K與蓄滲效率N關系

2.3 低勢綠地的關鍵性設計

Δh與f是低勢綠地設計的兩個關鍵參數(shù)。為了確定合理的Δh和f，使地勢綠地能夠攔蓄更高重現(xiàn)期的暴雨量，提出臨界面積比例f0。f0定義為在一定重現(xiàn)期下、N＝100%時的臨界低勢綠地面積。當實際的f＞f0時，雨水徑流零排放；反之，雨水有外排。結合沈陽地區(qū)土壤穩(wěn)定入滲速率、雨水設計重現(xiàn)期等影響低勢綠地滲蓄率的因素，對Δh和f的取值進行討論。圖5所示為不同設計重現(xiàn)期、土壤穩(wěn)定速率為1.0×10－6m／s和5×10－6m／s條件下的Δh與f0以及雨水下滲時間的關系。

圖5 不同重現(xiàn)期下凹深度Δh與臨界面積比f0、雨水下滲時間的關系

在一定的土壤穩(wěn)定入滲速率條件下，低勢綠地臨界面積比隨著下凹深度的增加而減小，隨著降雨重現(xiàn)期的增大而增大；雨水下滲時間隨著下凹深度的增加而增加。從圖5a可以看出，K 值為1.0×10－6m／s，Δh值為150mm時，低勢綠地面積率為40%以上即可全部滲蓄20a一遇的降雨；綠地面積率為35%可全部滲蓄10a一遇的降雨。在此入滲速率下，需要較長的下滲時間45～85h。從圖5b可以看出，K值增大到5.0×10－6m／s，Δh值為250mm 時，設計重現(xiàn)期為100a的降雨全部滲蓄所需的低勢綠地面積率僅需31%。在此入滲速率下，下滲時間控制在2.8～30h。

2.4 討 論

低勢綠地設計時，穩(wěn)定入滲速率應進行實測，以評價其滲透能力。在設計計算時穩(wěn)定入滲速率應選取下限，保證完全下滲，所以在本研究中穩(wěn)定入滲速率取較低值1.0×10－6m／s。低勢綠地應保證一定的最小構造深度以便實現(xiàn)其功能，應不小于50 mm［10，25］。經過計算，當下凹深度值為50mm 時，1a一遇降雨的全部滲蓄所需的臨界綠化面積率高達43%；10a一遇降雨的全部滲蓄所需臨界綠化面積率已經超過了70%。然而，根據(jù)《沈陽市綠化條例》規(guī)定，居民綠地面積率一般為20%～40%；對一些要求有附加值的工業(yè)用地綠化率一般為15%～20%。盡管城市綠地面積率一般大于低勢綠地面積率，結合本文理論計算和城市建設規(guī)定，可以根據(jù)城市綠地面積率來估算低勢綠地下凹深度。對于綠地面積率為20%～40%的居民用地，低勢綠地下凹深度高達120 mm可將5a一遇的降雨量全部滲蓄，低勢綠地下凹深度高達130mm以上時可將10a一遇的降雨量全部滲蓄；對于綠地面積率為15%～20%的工業(yè)用地，低勢綠地下凹深度高達230mm以上可全部滲蓄5a一遇的降雨量，下凹深度高達280mm以上時可將10a一遇的降雨量全部滲蓄。另一方面，當下凹深度超過250mm時，位于道路或建筑物周邊的低勢綠地會成為過往行人、車輛的安全隱患［26］。此外，當下凹深度增加到300mm，雨水全部下滲所需時間為83.3h（圖5），超過了植物1～3d的耐淹時間，因此植物的耐淹深度一般控制在250mm以下［27－28］。由此看來，當下滲速率高于1.0×10－6m／s，居民區(qū)綠化面積在20%～40%范圍內時，低勢綠地下凹深度宜在120～250 mm；工業(yè)區(qū)綠化面積在15%～20%范圍內時，低勢綠地下凹深度宜在230～250mm。

受城市特征和降雨特點等因素的影響，使得低勢綠地的關鍵參數(shù)（下凹深度和綠地面積率）設計值存在差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）對于人口密度大、綠地景觀要求高的城市，為了保證安全和不影響綠地植物的生長，要求低勢綠地設計時盡量減少開挖量［29］。（2）城市實際降雨特性、綠化面積、土壤下滲能力不同使得設計參數(shù)存在差異。（3）研究目的與方法不同造成設計參數(shù)不同。本研究以雨洪滯蓄和削峰為目的，結合雨型過程線法對設計降雨量進行計算；然而以雨水資源化為目的城市，主要針對小降雨事件并考察長期運行效率［30］。（4）校核所用的綠地植物淹沒時間不同。例如，假設本研究校核的植物淹沒時間采用24h，那么只有下凹深度在50～80mm才滿足低勢綠地正常運行。

一般地，參數(shù)設計可根據(jù)項目的實際條件進行調整。沈陽市45a降雨量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，98%以上的降雨事件的降雨量小于50mm，這相當于重現(xiàn)期介于3～5a之間的降雨歷時為2h的降雨量。為了控制沈陽市98%的降雨量，將設計重現(xiàn)期從1a提高到5a，則相同下凹深度的低勢綠地的雨水滲蓄率將變得更小（圖2）。因此，通過改良土壤的方式將K提高到5×10－6m／s（圖5b），下凹深度值在50～300mm的低勢綠地的雨水下滲時間均小于24h。若下凹深度為100mm，低勢綠地均可滲蓄沈陽市居民區(qū)重現(xiàn)期為10a以下的降雨量；若下凹深度為250mm，則低勢綠地均可滲蓄沈陽市幾乎所有服務匯水面的重現(xiàn)期為5a以下降雨量。因此，當K增大至5×10－6m／s時，下凹深度100～250mm即可使得沈陽市98%的降雨量有效滲蓄。對于重現(xiàn)期高達50a，100 a降雨，當綠化面積增大至30%以上，下凹深度增大到250mm以上，將土壤穩(wěn)定入滲速率K通過改良土壤方式提高到5×10－6m／s時，單獨利用低勢綠地即可將50a一遇的降雨滲蓄90%以上，將100a一遇的降雨滲蓄80%以上（圖2）。然而，下凹深度超過250 mm造成綠地淹水時間過長，同時使綠地日常維護所需水量增大。對沈陽這個水資源相對比較缺乏的城市，以增大低勢綠地面積率來提高雨水滲蓄效率并不是完全合理的。因此，對于重現(xiàn)期高達50a，100a降雨乃至更高的降雨，需結合其他的源頭控制措施（如透水路面、滲透溝渠、多功能調蓄池等）達到增加雨水滲蓄能力。比如可以利用立交橋附近的部分綠地建成多功能雨洪調蓄設施；可以在快速路或主干道兩側的綠地內建造低勢綠地、雨水花園、滲透管渠、雨水塘等設施；可以在硬化鋪裝較大的停車場鋪設低勢綠地與植被淺溝，當停車場有足夠空間情況下還可設計小型雨水塘，用以調蓄迅速匯流的雨水，防止停車場積水；也可以在交通量較小的道路、人行道和停車場采用透水鋪裝。此外，還應考慮路面污染物的控制問題，可采用截污措施避免對綠地的不利影響。

3 結論

結合沈陽市1975—2005年降雨統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過芝加哥降雨過程線法建立沈陽市的設計暴雨雨型模型，研究了土壤穩(wěn)定入滲速率K、一系列重現(xiàn)期P條件下的低勢綠地下凹深度Δh、低勢綠地面積率f與滲蓄率N的關系，分析了低勢綠地設計的關鍵參數(shù)Δh和f的合理范圍，得出以下的結論。

（1）沈陽市降雨強度隨著降雨歷時先增大后減小，主體表現(xiàn)為單峰雨型，降雨歷時在48min時降雨強度達到最大。

（2）在一定的降雨強度條件下，下凹深度Δh和綠地面積率f越大，土壤穩(wěn)定入滲速率K值越高，低勢綠地的滲蓄效果越明顯。為了保證實際降雨的完全下滲，K 選取較低值1.0×10－6m／s；居民區(qū)綠化面積在15%～20%范圍內時，低勢綠地下凹深度宜在230～250mm；工業(yè)區(qū)綠化面積在20%～40%范圍內時，低勢綠地下凹深度宜在120～250mm。

（3）通過土壤改良將K 提高到5×10－6m／s，下凹深度100～250mm即可使得沈陽市98%的降雨量有效滲蓄。沈陽市低勢綠地的設計宜根據(jù)實際規(guī)劃要求和地理條件進行相關參數(shù)調整，對于重現(xiàn)期高達50a，100a降雨可結合其他的源頭控制措施來增加雨水滲蓄能力。

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