下凹式綠地徑流削減公式及實驗論證

宋召鳳

摘要：根據下凹式綠地的滲蓄原理及水量平衡關系式，建立了其徑流削減率理論公式，并通過實驗論證了其準確性。結果表明：徑流削減率隨著降雨重現期的增加而降低，隨下凹深度的增加而呈升高趨勢；3種下凹深度工況下，綠地徑流削減率理論值與實驗值相差均低于5%。其中，下凹深度為15 cm時理論削減率（97.15%）與實驗值（97.88%）最為接近，且重現期小于4a時二者削減率均為100%。

關鍵詞：下凹式綠地；滲蓄；徑流削減；下凹深度

中圖分類號：X171.1

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0119-03

1 引言

城市化的高速發展、過度建設使得大量的硬化地面代替了原來具有涵養水源的林地和草地[1]，城市化不透水面積逐年增加、地面蓄水能力大大減弱。這不僅帶來降雨洪峰流量增大、到達洪峰時間縮短及地表徑流總流量增加等諸多問題，同時使徑流雨水沖刷下墊面所帶來的面源污染日漸嚴重[2]。為有效避免城市化進程對城市水體的影響，國際上陸續出現了諸多新的雨洪管理理念與技術。其中，低影響開發技術因其能實現雨水徑流的源頭控制而在國外許多發達國家得到廣泛的應用[3～5]。

下凹式綠地作為一種典型的低影響開發技術，不僅能夠增加城市綠地面積，更重要的是可以有效的蓄滲雨水徑流、增加匯流時間，實現削減徑流污染、凈化水質的效果[6-8]。目前對于下凹式綠地的研究雖多，但大多停留在凈化效果的研究[9]。本文從下凹式綠地的徑流削減原理出發，建立多參數的徑流削減率理論公式，并通過實驗論證其準確性，以期為城市規劃建設中發揮綠地的徑流削減作用提供參考依據。

2 下凹式綠地徑流削減率理論計算

2.1 下凹式綠地構造圖

典型的下凹式綠地由蓄水層、種植層及原土層三部分構成（圖1）。綠地內設有溢流口，保證暴雨時徑流的溢流排放。與普通綠地相比，下凹式綠地利用下凹空間滯留雨水、增加匯流時間、削減徑流污染，從而實現補充地下水、減少徑流污染的效果。

2.2 下凹式綠地水量平衡分析

假設面積為A1的下凹式綠地，其集水區面積為B1。當降雨發生后，下凹式綠地通過蓄集、滲透、蒸發等方式處理集水區內徑流雨水，超過綠地處理能力的雨水通過溢流口排入雨水管道。計算時段內存在以下水量平衡關系式[10～12]：

式（1）中，P0為降雨總量（包括集水區雨水徑流量及直接降至綠地的雨水），m³；U0為初始蓄水量，m³；Wp為下滲量，m³；U1為結束時綠地蓄水量，m³；D為徑流損失量，m³；E為蒸發量，m³；Q為溢流外排量，m³。

2.3 下凹式綠地徑流削減能力計算

下凹式綠地徑流削減率是降雨過程中綠地滲透、蓄積、蒸發雨水的量占進入綠地總雨水徑流量的百分比，用N綠地表示。由此可見，Wp、U1、E均為下凹式綠地的徑流削減量，由于時段內蒸發量E較小，在計算中未考慮。因此，下凹式綠地徑流削減率N綠地可通過式⑵計算：

從式（6）可以看出，在綠地面積及其集水區面積一定的情況下，影響下凹式綠地徑流削減率的主要因素是綠地的滲透速率、下凹深度、坡度、綠地周長、降雨重現期與歷時，以及集水區的徑流系數等。

3 實驗論證

3.1 試驗裝置

試驗共采用3個下凹式綠地反應器（編號A、B、C），每個反應器長、寬、高均為1.0 m，如圖2所示。反應器內由下而上分別是反濾層（直徑2 cm的鵝卵石，鋪設厚度10 cm）、土工布、綠化土、草皮（10 cm）。其中，綠化用土依據上海市綠地土壤容重1.42 mg/m³裝填，總厚度為60 cm；草皮覆蓋面積為90%。裝置內壁在距離草皮上面5 cm處設有直徑為2 cm的排水口，并與收集徑流雨水的桶銜接。

3.2 實驗設計

試驗設計下凹深度為5 cm、10 cm、15 cm，進水速率按照設計重現期的降雨量換算而來，采取人工注水的方式模擬降雨，徑流雨水由裝置溢流口收集，具體試驗設計見表1。

3.3 評估分析

將表1設計參數帶入式⑹得到下凹式綠地在不同重現期下的理論徑流削減率，從與實驗結果對比圖（圖3）可以看出，下凹式綠地的徑流削減率理論值與實驗值均隨重現期的增大而降低、隨下凹深度的增加而呈升高趨勢。其中，下凹深度為15 cm時理論削減率（97.15%）與實驗值（97.88%）最為接近，二者僅相差0.73%，且重現期小于4a時二者削減率均為100%；下凹深度為10cm和5cm時理論削減率（分別為83.96%、67.94%）與實驗值（88.68%、71.12%）相差較大，最大差值也僅為4.72%。通過對比還發現，三個下凹深度的理論削減率均低于實驗值。由此可見，在本實驗條件下，下凹式綠地徑流削減率理論值與實驗值相差均低于5%，且理論值較低。因此，下凹式綠地的徑流削減理論公式可作為實際應用中設計參數制定的依據。

4 結論

（1）下凹式綠地是一種通過滲透、蓄積來實現削減雨水徑流、凈化水質的低影響開發技術。根據其削減徑流的原理及水量平衡關系式得到其徑流削減率理論公

由此可見，影響下凹式綠地的徑流削減能力的因素包括滲透速率、下凹深度、坡度、綠地周長、降雨重現期與歷時等。

⑵徑流削減率隨著降雨重現期的增加而降低，隨下凹深度的增加而呈升高趨勢。三種下凹深度工況下，綠地徑流削減率理論值與實驗值相差均低于5%，且理論值較低。其中，下凹深度為15cm時理論削減率（97.15%）與實驗值（97.88%）最為接近，且重現期小于4a時二者削減率均為100%。

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