基于模型分析的低影響開發提升城市雨水排水標準案例研究

基于模型分析的低影響開發提升城市雨水排水標準案例研究

王文亮1,2，邊靜3，李俊奇2，李小靜2

(1. 中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京100083；2. 北京建筑大學城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室，北京100044；3. 北京市經濟技術開發區城市規劃和環境設計研究中心，北京100176)

摘要介紹了在城市雨水排水系統規劃設計新舊標準轉變的過渡期，面對城市新建與已建雨水排水系統規劃標準銜接的難題時，解決已建雨水排水系統進行提標改造的問題。以某開發區為例，利用Mike Urban、Mike21及Mike Flood模型對管網運行情況及內澇風險進行評價，提出了基于已建雨水排水系統規劃設計標準提升的低影響開發雨水系統的設計規模，并提出了相應的規劃控制指標，以期為同類工程提供借鑒。

關鍵詞低影響開發城市雨水排水系統標準提升規劃控制指標

中圖分類號：TU992文獻標識碼： B

[收稿日期]2014-08-27

[基金項目]國家水體污染控制與治理科技重大專項(2010ZX07320-002)

[作者簡介]王文亮(1984—)，男，碩士，研究方向為雨水利用與回用。電話： 15101197415；E-mail： wwl841012@126.com。

Case Study on Low Impact Development (LID) for Design Standard Upgrade of Urban Stormwater Drainage Based on Model Analysis

Wang Wenliang1, 2, Bian Jing3, Li Junqi2, Li Xiaojing2

(1.SchoolofWaterResourceandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;

2.KeyLaboratoryofUrbanStormwaterSystemandWaterEnvironment(MinistryofEducation),BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China;

3.UrbanPlanningandEnvironmentalDesignResearchCenterBeijingEconomic-TechnologicalDevelopmentArea，Beijing100176,China)

AbstractDuring the period of transition between old and new standard for planning and design of urban stormwater drainage system, considering new and existed urban stormwater drainage system, the way of upgrading existing drainage system was introduced. The applications of Mike Urban, Mike21 and Mike Flood model on stormwater drainage network operation status and local flooding risk assessment were analyzed on the basis of an economic development zone. The design standard of low impact development for design standard upgrade of existing stormwater drainage system was proposed. In addition, the corresponding planning control targets were proposed in order to provide references for similar projects.

Keywordslow impact development (LID)urban stormwater drainage systemstandard upgradecontrol target for planning

項目研究范圍屬于城市新開發區域，占地面積約9.2km2。主要為工業用地、多功能用地和行政辦公用地，部分市政主干道排水管線已施工完畢，如圖1所示。

項目建設過程中，北京市發布了《城市雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》[1]。該標準對城市雨水管渠設計重現期和匯水時間計算公式中的折減系數進行了調整，提高了城市雨水系統規劃設計標準，因此相關部門對原標準下雨水排水規劃方案(以下簡稱原方案)進行了調整，調整后的新規劃方案(以下簡稱新方案)與原方案規劃設計參數如表1所示。

圖1　研究區域土地使用規劃及道路施工情況 Fig.1　Land-Use Planning and Road Construction Situation of Study Area

項 目設計重現期/a徑流系數主干道其他地區地塊綠地折減系數排水子系統數量及管徑原方案310.550.223個;φ8002,矩形方溝(3800mm×2000mm)新方案530.650.215個;φ6004,矩形方溝(3500mm×2000mm)

表2　模型參數值

按照新方案要求，未施工雨水管線需按新標準進行設計施工，已建管線需進行提標改造，施工難度和投資成本大大增加。為了避免對已建管線的重復施工并達到提標改造的目的，本文采用Mike Urban、Mike21及Mike Flood模型，構建研究區域的一維管網模型、二維地表漫流模型及一維、二維耦合模型，以原方案為基礎，通過不同重現期降雨情景下的管網運行情況及地表積水風險模擬分析，提出實現原方案雨水排水系統設計重現期由“1+3”提升到“3+5”的低影響開發(LID)雨水系統的設計降雨量標準，并通過與新方案進行技術經濟分析，確定最優方案。

1數據整合與模型搭建

1.1數據整合

一銨市場弱穩運行，企業報價變化不大，成交觀望氛圍濃郁，內銷進入收尾階段，部分企業主要供應前期預收訂單發貨；預計短期內盤整運行。二銨市場延續平穩走勢，東北市場價格已經逐步明朗，受經銷商庫存低位影響，企業惜售心態明顯，看好后市。因市場當前觀望氛圍較濃，部分企業二銨價格調整或推遲至本月底，預計幅度在50-100元/噸，個別企業或有150元/噸的上調意向。

規劃階段一維管網模型搭建所需數據主要有管道及附屬構筑物、河道設計洪水位、土地使用規劃及用地指標等，由于模型對數據格式有特定要求，需利用地理信息系統(GIS)進行數據格式轉換與整理。二維地表漫流模型搭建所需數據主要為道路與地塊控制高程，所得數據文件類型一般為CAD格式，為構建地面高程模型，仍需借助GIS及其他軟件工具進行數據處理。

1.2模型搭建

一維管網模型中匯水分區參照研究區域雨水排水規劃，產匯流模型分別采用固定初損模型和時間—面積(T-A)模型，參數取值參照相關工程經驗，如表2所示。

模型邊界條件為降雨和下游水位，選取重現期分別為1 a、3 a、5 a和20 a一遇降雨事件，雨型根據《城市雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》計算，結果如圖2、圖3所示。其中1 a、3 a和5 a一遇降雨事件的降雨歷時為2h，雨量分別為45.68、63.41和71.59mm，20 a一遇降雨事件的降雨歷時為24h，雨量為223.99mm；下游水位邊界采用根據實際河道設計洪水位及排水口設計管底高程假設的時間—水位序列。

圖2　1 a、3 a和5 a一遇降雨雨型 Fig.2　Rainfall Pattern for Recurrence Interval of 1, 3 and 5 Years

圖3　20 a一遇降雨雨型 Fig.3　 Rainfall Pattern for Recurrence Interval of 20 Years

LID雨水系統中LID設施以源頭分散的生態設施為主，如雨水花園、下沉式綠地、透水鋪裝、植草溝、濕塘和雨水濕地等，主要通過滲透、儲存、轉輸與截污凈化等作用實現對徑流雨水的消納和處理。其中雨水花園、下沉式綠地、濕塘等滲透、儲存設施的規模以設計降雨量為設計指標，其意義為LID設施能消納的徑流總量(包括蓄滯量及降雨過程中的下滲量)對應的降雨量，在產流模型中，設計降雨量可以用“初損”來表達；而植草溝等轉輸型設施則可通過管道匯流參數來表達，從而實現模型對LID雨水系統的模擬。

2模擬結果分析

2.1原方案與新方案管網運行情況分析

分別對1 a、3 a和5 a一遇降雨情景下的模型模擬結果進行統計分析，統計模擬過程中管道最大充滿度小于1的管線，得到原方案分別滿足1 a和3 a一遇規劃設計標準的管線如圖4所示。根據3 a一遇降雨情景下地表徑流模擬的統計結果，計算各匯水區的徑流系數(總產流量/總降雨量)，如圖5所示。

圖4　原方案設計工況下管網運行情況 Fig.4　Pipe Network Operation Conditions of Original Program

由圖4可知原方案分別只有約30%和80%的主干管和支管達到設計標準；而新方案雨水主干管和支管基本達到5 a和3 a的設計標準。原因在于根據研究區域各用地指標手動計算得到的綜合徑流系數(如工業用地、多功能用地及市政公用設施用地分別為0.74、0.65和0.62)及模擬統計出的各匯水區的徑流系數(如圖5)均大于原方案雨水排水系統的設計徑流系數0.55。

圖5　各匯水區模擬徑流系數 Fig.5　Simulated Runoff Coefficient of Each Catchment

2.2原方案與LID雨水系統耦合模式管網運行情況

LID雨水系統通過源頭徑流總量減排提升場地或區域排水防澇能力，同時最大程度緩解下游地區排水壓力，LID雨水系統一般以年徑流總量控制率或對應的設計降雨量作為其規劃控制指標及設計標準，應通過源頭LID雨水設施實現設計降雨量產生的徑流體積零排放。

針對3 a和5 a一遇降雨的情況，LID雨水系統設計降雨量標準分別為20、25及30mm時原方案的模型模擬結果進行統計分析，得到綜合設計標準由3 a一遇提升到5 a一遇的主干管管段長度和由1 a一遇提升到3 a一遇的支管管段長度，并計算提標率(達到新標準管段長度/管段總長度)，如表3所示，設計降雨量為25mm時管網運行情況如圖6所示。

表3　原方案雨水排水管網提標率

注： 設計降雨量為25mm時 圖6　原方案管網運行情況 Fig.6　Pipe Network Operation Conditions of Original Program

由表3可知當LID雨水系統的設計降雨量為25mm時，可達到較高的提標率，隨著設計降雨量繼續提高，主干管提標率增加較小，支管提標率增加較大，且約80%支管設計標準可由1 a提高到5 a；而由圖1和圖6可知未提標主干管主要位于未建路段，因此可通過局部調整未提標管線的管徑實現提標目標，綜上分析，可知已建區域LID雨水系統的設計降雨量不應小于25mm。

2.3內澇風險評價

若將城市內澇風險進行分級(如表4)，分別對原方案、原方案與LID雨水系統耦合模式的二維地表漫流模擬結果進行統計分析，結果表明兩種模式分別在3 a、5 a一遇降雨情景下無內澇風險。

表4　城市內澇風險等級劃分

在20 a一遇暴雨的情況下，對原方案與LID雨水系統(設計降雨量為25mm)耦合模式及新方案進行內澇風險評價，內澇風險等級劃分分別如圖7、圖8所示。

圖7　原方案與LID耦合模式內澇風險評價 Fig.7　Local Flooding Risk Assessment of LID and Original Program

圖8　新方案內澇風險評價 Fig.8　Local Flooding Risk Assessment of New Program

模擬結果表明研究區域內澇風險等級為1～2級，且原方案與LID耦合模式的內澇風險低于新方案。由于本研究為控制性詳細規劃階段雨水排水系統的模擬分析，雨水檢查井的布置相對設計階段較為粗糙，出現道路低洼路段雨水口設置數量不足或未設置雨水口的問題，導致路面積水無法快速消退，是研究區域內澇的主要成因，因此設計階段應加大道路低點雨水口數量，使路面積水能夠快速消退，以減輕對路面交通及人身安全的危害。

2.4經濟效益分析

原方案、新方案鋼筋混凝土雨水排水管投資估算分別為2.66億元和3.85億元。以研究區域面積A為1hm2的工業地塊為例，綜合徑流系數Ψ為0.74，則設計降雨量H為25mm時，LID雨水設施的設計規模(容積)V按式(1)計算為185m3。

V=10H×Ψ×A

(1)

若選擇雨水設施中投資相對較高的雨水花園作為源頭減排設施，需雨水花園面積約350m2，單價按600元/m2計，LID雨水系統的投資估算為21萬元/hm2，則研究區域LID雨水設施總投資為1.84億元，因此原方案與LID雨水系統的總投資為4.50億元。

根據北京近30年日降水資料的統計規律分析，LID雨水系統設計降雨量為25mm時，年徑流總量控制率約77%，以北京年均降雨量530mm計，研究區域年徑流減排總量約4 876萬m3，若進行有效回用，則年節水帶來的經濟效益約1.50億元(以自來水單價4元/m3計)，且考慮LID雨水系統削減城市徑流污染、緩解內澇風險及營造生態景觀帶來的經濟、社會效益，還有新方案由于道路及管線重復施工帶來的經濟損失，原方案與LID雨水系統耦合模式仍優于新方案。

3LID雨水系統規劃控制指標

根據LID雨水系統注重源頭減排的特點，雨水控制利用指標應落實到地塊中，具體項目可根據場地空間、綠地率等條件，選擇適宜的雨水花園、下沉式綠地、滲透塘、濕塘(景觀水體)、濕地、雨水池等雨水滲透、儲蓄回用設施控制徑流。

為便于指導LID雨水系統的有效落實，控制性詳細規劃階段應優化土地利用布局及豎向標高，為LID雨水設施的建設提供條件，還應根據不同用地性質的用地指標條件，將設計降雨量為25mm的指標分解為單位面積雨水蓄滯量、透水地面面積比例、下沉式綠地率等規劃控制指標，以單位面積(占地面積為1hm2)雨水滯蓄量為例，由式1計算出研究區域內各類用地控制性詳細規劃階段的LID雨水規劃控制指標，具體如表5所示。

表5　各類用地LID雨水規劃控制指標

4結語

本項目原方案與LID雨水系統(設計降雨量不小于25mm)耦合模式可實現已建雨水排水系統設計重現期由“1+3”提升到“3+5”，經濟效益分析表明此耦合模式優于新方案。

對于已建城區或改、擴建項目，應根據空間條件、技術經濟等綜合分析，利用LID雨水系統與已建雨水排水系統耦合模式，綜合達到相關規范要求的雨水排水規劃設計標準。有條件的利用一維、二維及耦合模型評估現狀和規劃排水系統能力，識別內澇風險區域，在此基礎上合理設置規劃控制指標，并對規劃方案進行優化。

參考文獻

[1] DB11/T 969—2013,城市雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準[S].