雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模簡(jiǎn)化計(jì)算研究

肖恒婧

廣州市水務(wù)工程技術(shù)中心 廣東 廣州 510640

1 引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，下墊面條件發(fā)生改變，極端天氣頻發(fā)，城市內(nèi)澇事件增多。2022年5月10日至13日，廣州市從化區(qū)局部出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降雨過程，造成鰲頭鎮(zhèn)上西村路口和良口鎮(zhèn)石嶺至良新路段發(fā)生大面積水浸。雨水調(diào)蓄設(shè)施是一種用于緩解城市內(nèi)澇的有效措施，它主要用于蓄存雨水控制徑流、收集具有嚴(yán)重污染的初期雨水等[1]，作為一種可以兼具削減洪峰流量與控制徑流污染的海綿城市設(shè)施，已經(jīng)被大量用于國(guó)內(nèi)外的城市內(nèi)澇控制和面源污染治理工程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，熊亮亮[2]分析了建設(shè)用地緊張條件下調(diào)蓄池和雨水泵站合建的集約化設(shè)計(jì)方案。王路平等[3]分析了布設(shè)調(diào)蓄池前以及布設(shè)集中和分散式調(diào)蓄池3種不同情況下研究區(qū)的溢流量變化。汪明明等[4]通過層次分析法研究表明雨水調(diào)蓄池的選址方案是影響內(nèi)澇積水削減比例的重要因素。王東贏等[5]通過構(gòu)建SWMM模型，得出調(diào)蓄池對(duì)陶沖湖流域沿線雨水水質(zhì)改善及污染物去除具有較好的效果。杜建康等[6]研究發(fā)現(xiàn)雨水調(diào)蓄塘可以大幅削減下泄流量，解決高速公路的內(nèi)澇問題。可見，目前對(duì)雨水調(diào)蓄設(shè)施的研究主要集中在工藝設(shè)計(jì)、布置形式、選址方案以及對(duì)雨水徑流水量和水質(zhì)的調(diào)控效果等方面，而對(duì)雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模計(jì)算方面研究較少且計(jì)算方法較為復(fù)雜，因此，本文以廣州市增城區(qū)某地塊為研究對(duì)象，探索研究單位硬化面積調(diào)蓄容積法、年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)調(diào)蓄容積法、內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)徑流量削減法等3種雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，并采用脫過流量法分別計(jì)算排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)條件下削減洪峰流量所需的有效調(diào)蓄容積，與以上3種簡(jiǎn)化方法進(jìn)行比對(duì)分析，旨在探索出科學(xué)合理的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，以期在內(nèi)澇治理工程實(shí)踐中推廣使用。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

廣州市地處廣東省的中南部，珠江三角洲的北緣，屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，據(jù)資料顯示，廣州市多年平均降雨量為1857mm，天河西部、花都東北部、增城東北部、從化東部和黃埔中西部等地年總降雨量均大于2200mm，4—9月為汛期，其雨量占全年的80%左右，降雨具有時(shí)空分布不均、強(qiáng)度大、頻率高的特點(diǎn)。本次研究區(qū)域?yàn)閺V州市增城區(qū)某地塊，用地性質(zhì)為二類居住用地，地塊總用地面積為55289.37m2，規(guī)劃可建設(shè)用地面積為55289.37m2，規(guī)劃綠地率不小于30%。地塊開發(fā)前，土地類型主要為綠地、農(nóng)田、林地、水域、裸露土地、硬化地面和屋頂，面積分別為17606.31m2、2835.29m2、17323.18m2、2727.39m2、2018.17m2、6161.40m2、6617.63m2，綜合雨量徑流系數(shù)為0.32，其中不透水下墊面面積為12779.03m2，占總面積的比例為23.11%，研究區(qū)地塊開發(fā)建設(shè)前下墊面類型構(gòu)成情況如圖1，地塊規(guī)劃開發(fā)建設(shè)后，土地發(fā)生大面積硬化，不透水下墊面的面積將會(huì)大幅度提升，這將可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)澇現(xiàn)象。

圖1 地塊開發(fā)建設(shè)前下墊面分類布局圖

2.2 雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模計(jì)算方法

2.2.1 三種簡(jiǎn)化計(jì)算方法

（1）單位硬化面積調(diào)蓄容積法

根據(jù)《廣州市建設(shè)項(xiàng)目雨水徑流控制辦法》（廣州市人民政府第107號(hào)令），新建建設(shè)工程硬化面積達(dá)10000m2以上的項(xiàng)目，除城鎮(zhèn)公共道路外，每萬(wàn)平方米硬化面積應(yīng)當(dāng)配建不小于500m3的雨水調(diào)蓄設(shè)施，當(dāng)?shù)貕K硬化面積不小于10000m2時(shí)，雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：V為地塊所需雨水調(diào)蓄設(shè)施容積，m3；F為地塊硬化面積，m2。

（2）年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)調(diào)蓄容積法

根據(jù)《廣州市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃（2016-2030）》《廣州市海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》（試行），地塊年徑流總量控制率應(yīng)不低于80%（居住用地為70%-80%），雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：V為地塊所需雨水調(diào)蓄設(shè)施容積，m3；H為設(shè)計(jì)降雨量，mm，年徑流總量控制率80%對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量，取36mm；Ψ為綜合雨量徑流系數(shù)；F為地塊匯水面積，m2。

（3）內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)徑流量削減法

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014-2021），改建后相同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的徑流量不得大于原徑流量。在內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，為保證地塊開發(fā)后雨水洪峰流量不大于開發(fā)前，通過控制最大20min、60min雨水徑流總量實(shí)現(xiàn)洪峰削減效果，雨水調(diào)蓄設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)模取地塊開發(fā)后與地塊開發(fā)前最大1小時(shí)雨水徑流量之差，公式如下：

式中：V為地塊所需雨水調(diào)蓄設(shè)施容積，m3；H為內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)降雨歷時(shí)下設(shè)計(jì)降雨量，本區(qū)域內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為100年一遇，雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為5年一遇；F為地塊匯水面積，m2；Ψ1為開發(fā)前地塊的綜合雨量徑流系數(shù)；Ψ2為開發(fā)后地塊的綜合雨量徑流系數(shù)。

2.2.2 脫過流量法

參考《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014-2006），用于削減排水管道洪峰流量時(shí)，雨水調(diào)蓄設(shè)施的有效容積計(jì)算公式如下：

式中：V為調(diào)蓄設(shè)施有效容積，m3；α為脫過系數(shù)，調(diào)蓄設(shè)施下游設(shè)計(jì)流量/上游設(shè)計(jì)流量；Qi為調(diào)蓄設(shè)施上游設(shè)計(jì)流量，m3/min；b、n為暴雨強(qiáng)度公式的參數(shù)；t為降雨歷時(shí)，min，其中t=t1+t2，t1為地面集水時(shí)間，min，一般取5-15min，t2為管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間，min。

其中（4）式中上下游設(shè)計(jì)流量根據(jù)下式計(jì)算：

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，L/s；q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s*ha)，增城區(qū)5年一遇暴雨強(qiáng)度公式為q=2687.364/(t+7.068)^ 0.599，100年一遇暴雨強(qiáng)度公式為q=4678.338/(t+8.167)^ 0.627；Ψ為綜合雨量徑流系數(shù)；F為地塊匯水面積，ha。

3 結(jié)果與分析

3.1 三種簡(jiǎn)化方法計(jì)算分析

研究區(qū)地塊開發(fā)建設(shè)后，規(guī)劃可建設(shè)用地面積為55289.37m2，綠地面積按30%計(jì)，硬化面積為38692.05m2，代入公式（1），則采用單位硬化面積調(diào)蓄容積法計(jì)算得出需設(shè)置1934.60m3雨水調(diào)蓄設(shè)施。年徑流總量控制率80%對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量36mm，地塊開發(fā)建設(shè)后綜合徑流系數(shù)為0.68，代入公式（2），則采用年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)調(diào)蓄容積法計(jì)算得出需設(shè)置1343.53m3雨水調(diào)蓄設(shè)施。根據(jù)廣州市增城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式，雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5年一遇、降雨歷時(shí)20min、60min下設(shè)計(jì)降雨量分別為44.72mm、77.90mm，開發(fā)前綜合徑流系數(shù)Ψ1為0.32，開發(fā)后綜合徑流系數(shù)Ψ2為0.68，代入公式（3），則通過排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下徑流量削減法計(jì)算得出降雨歷時(shí)20min、60min下分別需設(shè)置877.68m3、1529.03m3雨水調(diào)蓄設(shè)施；內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期100年一遇、降雨歷時(shí)20min、60min下設(shè)計(jì)降雨量分別為69.23mm、119.33mm，根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014-2021），開發(fā)前后地塊綜合雨量徑流系數(shù)提高50%（徑流系數(shù)超過1時(shí)，取值為1），即開發(fā)前后綜合徑流系數(shù)Ψ1、Ψ2為0.48、1，代入公式（3），則通過內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下徑流量削減法計(jì)算得出降雨歷時(shí)20min、60min下分別需設(shè)置1990.35m3、3430.74m3雨水調(diào)蓄設(shè)施，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)徑流量削減法計(jì)算調(diào)蓄容積

3.2 脫過流量法計(jì)算分析

為保障地塊開發(fā)后較開發(fā)前雨水徑流量不增加，即在排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下洪峰流量不降低，在雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5年一遇和內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期100年一遇、降雨歷時(shí)為20min、60min條件下，采用脫過流量法，通過（4）和（5）式計(jì)算得出雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5年一遇、降雨歷時(shí)20min、60min下分別需設(shè)置855.82m3、1443.28m3雨水調(diào)蓄設(shè)施，內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期100年一遇、降雨歷時(shí)20min、60min下分別需設(shè)置1908.98m3、3173.31m3雨水調(diào)蓄設(shè)施，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 脫過流量法計(jì)算調(diào)蓄容積

表2計(jì)算結(jié)果顯示，同一降雨重現(xiàn)期下，雖然降雨歷時(shí)20min的降雨設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度較降雨歷時(shí)60min的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度大，但是降雨歷時(shí)60min下的計(jì)算所需設(shè)置的有效調(diào)蓄容積更大，這是因?yàn)橛行д{(diào)蓄容積計(jì)算受降雨歷時(shí)影響權(quán)重比設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度大。

3.3 計(jì)算結(jié)果比對(duì)分析

（1）采用單位硬化面積調(diào)蓄容積法計(jì)算得出的雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模為1934.60m3，大于脫過流量法雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5年一遇、降雨歷時(shí)60min下的洪峰流量控制所需有效調(diào)蓄容積1443.28m3，基本可以達(dá)到內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期100年一遇、降雨歷時(shí)20min的洪峰流量控制所需有效調(diào)蓄容積1908.98m3，但難以滿足內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)下更長(zhǎng)降雨歷時(shí)的洪峰控制效果。

（2）采用年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)調(diào)蓄容積法計(jì)算得出的雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模為1343.53m3，該結(jié)果僅大于雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5年一遇、降雨歷時(shí)20min下的洪峰流量控制所需有效調(diào)蓄容積855.82m3，而遠(yuǎn)小于采用脫過流量法的其他3種條件下的計(jì)算結(jié)果，原因是此方法主要針對(duì)源頭減排、控制降雨初期面源污染，因此該方法計(jì)算結(jié)果會(huì)相對(duì)于削減洪峰流量計(jì)算結(jié)果偏小。

（3）采用內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)徑流量削減法，在4種條件下計(jì)算所得出的雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模分別為877.68m3、1529.03m3、1990.35m3、3430.74m3，在與之對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)的4種條件下采用脫過流量法計(jì)算所得出的雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模分別為855.82m3、1443.28m3、1908.98m3、3173.31m3，可見兩種方法計(jì)算結(jié)果相近，內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)徑流量削減法計(jì)算結(jié)果略大，誤差分別為2.55%、5.94%、4.26%、8.11%，且降雨歷時(shí)20min小于降雨歷時(shí)60min的誤差。這是因?yàn)閮?nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)徑流量削減法基于水量平衡簡(jiǎn)化計(jì)算，控制相應(yīng)降雨歷時(shí)的雨水外排量，既可達(dá)到總水量控制效果、又可實(shí)現(xiàn)洪峰流量調(diào)節(jié)控制效果。

4 結(jié)論

（1）采用單位硬化面積調(diào)蓄容積法計(jì)算得出的雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模基本達(dá)到內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期100年一遇、降雨歷時(shí)20min的洪峰流量控制所需有效調(diào)蓄容積，但難以滿足內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)下更長(zhǎng)降雨歷時(shí)的洪峰控制效果，采用年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)調(diào)蓄容積法計(jì)算得出的雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模偏小。

（2）采用內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)徑流量削減法與脫過流量法計(jì)算所得出的雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模較為接近，誤差較小，僅為2.55%、5.94%、4.26%、8.11%，且降雨歷時(shí)越小時(shí)兩者誤差越小，鑒于脫過流量法相關(guān)參數(shù)多、計(jì)算較為復(fù)雜，本研究認(rèn)為內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)徑流量削減法可作為替代方法簡(jiǎn)化計(jì)算。