海綿城市年徑流總量控制率分解方法探討研究

2019-06-28 10:27:16趙軼群黃會斐周佳恒陳南堯

浙江建筑 2019年3期

趙軼群,黃會斐,周佳恒,陳南堯

(1. 浙江工業大學建筑工程學院,浙江杭州 310023；2.浙江省城鄉規劃設計研究院,浙江杭州 310030；3.浙江省杭州第二中學,浙江杭州 310053)

1 研究背景

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣,在適應環境變化和應對自然災害方面具有良好的“彈性”,其本質是要科學地考慮城市生態需求并改善城市的水循環過程,讓水在城市的遷移、轉化和轉換等過程中更加“自然”,下雨時下墊面能有效地吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時又可適當的遷移和轉化,將蓄存的水“釋放”并加以利用。

在“源頭減排、過程控制、末端處理”的海綿城市建設全過程中,雨水的滲、滯、蓄、凈、用等綜合效益,主要依托對降雨的體積控制來實現,體現在年徑流總量控制率這一核心指標中[1]。年徑流總量控制率可通過日降雨量統計分析,折算到設計降雨量：根據中國氣象科學數據共享服務網中國地面國際交換站氣候資料數據,選取至少近30年(反映長期的降雨規律和今年氣候的變化)日降雨(不包括降雪)資料,扣除小于等于2 mm的降雨事件的降雨量,將降雨量日值按雨量由小到大進行排序,統計小于某一降雨量的降雨總量(小于該降雨量的按真實雨量計算出降雨總量,大于該降雨量的按該降雨量計算出降雨總量,兩者累計總和)在總降雨量中的比率,此比率(即年徑流總量控制率)對應的降雨量(日值)即為設計降雨量[2]。準確地分解年徑流總量控制率指標,是指導下一階段海綿城市建設的必要條件。

2 海綿設施選擇

為了建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市,2014年10月,住建部發布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》。在此基礎上,浙江省于2016年1月發布了《浙江省海綿城市規劃設計導則》,進一步指導海綿城市建設。因此,浙江省住建廳響應國家和省政府的政策,積極開展海綿城市專項規劃和示范區建設等相關工作。

本次研究的小區是麗水市遂昌縣專項規劃的一部分內容。遂昌縣境氣候屬中亞熱帶季風類型,冬冷夏熱,四季分明,雨量充沛,空氣濕潤,山地垂直氣候差異明顯,全年平均氣溫為16.8℃,年降水量為1 510 mm。該小區位于遂昌縣城區葉坦區塊,研究區域的規劃總面積為26 640 m2。其中綠化面積為7 992 m2,占總用地面積的30%；建筑用地面積為8 375 m2,占總用地面積的31.4%。

具體的試建型區域分析需針對各項LID措施的結構特征,分析其布局限制因素,并結合區域基礎條件,評價各措施的適建性,從而尋求最優的規劃方案[3]。

建筑與小區海綿城市的建設主要考慮對徑流總量和徑流峰值等的削減,因此在充分考慮地形地貌和實施合理性的情況下,采取雨水徑流污染控制模式和雨水滲透減排模式,在該小區設置下凹式綠地、雨水花園、滲透鋪裝、綠色屋頂四類LID措施。

設置綠化面積的20%為下凹式綠地和雨水花園,增加雨水滲入量,凈化雨水,控制雨水面源污染。

小區內部設置集中式綠化帶,滿足自身面積范圍內設計降雨量的收集和下滲,側石正常設置,側石內側的耕植土表面應低于側石頂面標高30～50 mm,土體表層覆蓋碎石、卵石等水土保持措施；同時,在道路側設置綠化帶,收集和下滲機動車道范圍內徑流雨水。

小區內人行道、廣場、地面停車場按70%面積設置滲透鋪裝,在透水基層下設置排水溝渠或排水管,將滲透的雨水轉輸到地下雨水涵道和下凹式綠地等[4],以達到其轉輸雨水，減小基地綜合徑流系數，降低地表徑流的目的。其中,人行道路、廣場、地面停車場總面積為4 826 m2，占總道路面積的37%。

3 人工測算方法

3.1 匯水分區劃分

綜合該建筑小區總平面圖及景觀方案,依據地形標高及雨水管網布局等信息劃分排水分區,并針對各個分區,因地制宜地布置低影響開發設施。每一個分區都是一個獨立的目標核算單元。最后,共劃分35個匯水分區。

3.2 設施規模計算

低影響開發設施以徑流總量和徑流污染為控制目標進行設計時,設施具有的調蓄容積一般應滿足“單位面積控制容積”的指標要求。一般采用容積法計算[2]每個分區的設計調蓄容積：

V=10HφF

(1)

式中：V為設計調蓄容積，m3；

H為設計降雨量,按1h降雨量考慮，mm；

φ為綜合雨量徑流系數,可按照表1進行加權平均計算；

F為匯水面積，hm2。

表1 徑流系數

由此可以得出,該小區各個區塊的綜合雨量徑流系數：

φ綜合=[φ綠地F綠地+φ綠色屋頂F綠色屋頂+φ建筑(F建筑-F綠色屋頂)+φ鋪裝F鋪裝+(F道路-F鋪裝)φ道路]/F總面積

代入表1中數據,得出：φ綜合=0.56。分區圖見圖1,各個分區具體情況見表2。

圖1 小區分區情況示意圖

表2 海綿設施布設一覽表

該小區室外設置雨水調蓄池,調蓄池容積等價于各個區塊調蓄容積之和,故V調蓄池=276.5 m3。

設計的年徑流總量控制率可達73.5%,基本能夠滿足新建小區管控設計目標要求。

4 構建SWMM模型

4.1 SWMM模型系統

SWMM模型是美國環境保護局開發的一款暴雨管理模型,在世界范圍內被廣泛應用于城市地區暴雨洪水、合流制下水道、排污管道以及其他排水系統的規劃、分析和設計。分析研究區域的雨水管線資料,對該小區進行模型概化,概化原則如下：

1)根據該小區的規劃圖、施工圖等相關資料對子匯水面積進行劃分,子匯水區產生的徑流就近排入雨水管道。

2)結合地形地貌,將所采取的各項LID設施面積分塊布置到各匯水區中。

3)只考慮將小區內鋪設的主干管納入概化的雨水排水系統。

4)由于只研究該小區情況,故假定各子匯水區降雨強度相同。

綜上所述,結合該小區的CAD設計圖紙和SWMM建模要求,將該研究區域分為35個匯水分區,21個節點,21條管道以及3個排放口,具體見圖2。

圖2 建筑與小區SWMM模型概化

4.2 模型參數與基礎數據

本研究基于SWMM模型設計的低影響開發雨水系統模型所涉及參數較多,包括子匯水區的面積、坡度、不透水率、洼地需水量、各類LID參數的設置等,另有一部分參數是模型運算過程中衍生出的一些參數。結合SWMM用戶手冊及相關參考文獻[5-6]取推薦值,最終參數見表3。

4.3 降雨情況

根據《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》中推薦的短歷時雨型,由于芝加哥雨型的降雨強度過程容易模擬,降雨峰值不受降雨歷時的影響,對資料的要求較低,故采用其作為本研究的設計雨型。收集相關資料,得出遂昌縣的暴雨強度公式如下：

表3 模型參數選取

(2)

式中：i為暴雨強度,mm/min；

P為重現期,年；

t為降雨歷時,min。

根據公式(2),選取6種重現期0.5、1、2、3、5、10。市政雨水系統的匯水面積相對較少,為了與人工測算方法中降雨時間保持一致,設置降雨歷時為1 h,并選取雨峰系數r=0.4(暴雨強度最大時),以時間步長為5 min,得到設計暴雨強度數據見表4。

表4 遂昌縣不同重現期1 h降雨量

根據遂昌縣的暴雨強度公式和芝加哥雨型計算公式對1 h降雨數據以5 min為步長進行離散,具體數據見表5。

表5 不同重現期1h降雨強度變化

4.4 模擬結果

年徑流總量控制率的評估,根據該居住小區雨水系統模型在不同重現期下,總降雨量和地表徑流的情況,根據公式(3)可得,具體情況見表6。

(3)

表6 不同重現期下年徑流總量控制率情況

4.5 徑流總量分析

通過SWMM軟件模擬,結合表6可以看出：隨著重現期的增大,降雨量、儲水量和徑流量都在增大。當重現期大于1年之后,儲水量增加緩慢,逐漸接近穩定值；這說明土壤逐漸接近飽和狀態,設置的各種LID措施所能存儲的水量達到了峰值。同時,隨著重現期的增大,徑流系數也逐漸增大,這表明盡管設置了LID措施,但是當它面臨暴雨或者更為嚴峻的降雨情況時,它所能起到的作用不大。

5 兩種方法對比分析

通過比對不同重現期下人工測算方法和SWMM軟件模擬情況(圖3、圖4),發現當暴雨重現期為0.5年的時候,年徑流總量控制率分別為73.5%和74.9%,較為接近；暴雨重現期為1年時,SWMM軟件模擬值為65.8%,與人工測算相比減少了10.5%。而隨著暴雨重現期的增大,SWMM模擬得出的年徑流總量控制率逐漸下降,與人工測算方法計算偏差也越來越大,當暴雨重現期為10年時,比人工測算減少了36.7%。因此,當建立某一區域低重現期的情況時(P≤0.5年),兩種方法均可用于年徑流總量控制率的計算；中高重現期情況下(P≥1),SWMM軟件模擬得出的年徑流總量控制率更符合實際。