海綿城市年徑流總量控制率指標分解探析

溫達文,楊建濤,王 森,劉 晉*,王 斌

(1.廣州市增城區水務建設管理所,廣東 廣州 511300;2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510611;3.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室,廣東 廣州 510611)

隨著中國經濟快速發展,城鎮化建設取得顯著成就,但同時也存在地塊開發強度大、下墊面過度硬化等問題,由于現狀下墊面的改變,導致區域原有自然生態本底和水文特征發生改變[1-3]。以習近平生態文明思想為指導,深入貫徹落實國家關于推進海綿城市建設的重要決定、推進海綿城市示范建設的要求及系統化全域推進海綿城市建設符合現階段中國發展需求[4]。海綿城市是指將傳統建設模式由“快速排除”和“末端集中”控制為主的規劃設計理念轉變為以“慢排緩釋”和“源頭分散”控制為主的規劃設計理念,通過“源頭-過程-末端”的綜合措施,實現對雨水徑流的有效控制,從而轉變成自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發展方式[5-8]。

在海綿城市建設過程中,雨水的滲、滯、蓄、凈、用、排主要體現在年徑流總量控制率這一核心指標中[9-10]。年徑流總量控制率是區域范圍內通過下滲、蓄積、利用、蒸發、蒸騰等方式,區域內全年累計得到控制的水量占全年總降水量的比例,與傳統的雨量、流量徑流系數既有聯系又有差異[9]。如何科學合理地確定年徑流總量控制目標,是近年來海綿城市建設過程中主要探索內容。任心欣等[9]利用SWMM模型,分析建筑小區開發建設后達到年徑流總量控制率指標要求時在各種降水條件下的雨水徑流系數,探討了雨水徑流系數與其年徑流總量控制率之間的內在聯系。張高嫄等[2]針對年徑流總量控制率在控規層面推進中存在的問題,提出了一套指標分解的思路與技術方法,并通過實際案例對指標分解過程加以說明。蘇定江等[11]將容積法在低影響開發中的應用與美國、澳大利亞的水敏性城市設計中容積法的應用進行了比較,分析其異同點。資強等[12]基于容積法對設計的海綿場地理論徑流控制能力進行研究,結果表明按照容積法確定的LID設施規模具有一定的安全度。臧翀等[13]利用Infoworks ICM模型,建立一維管網和二維河湖耦合模型,結合管網基礎數據,劃分匯水分區,確定各類型地塊雨水徑流系數。

年徑流總量控制率是計算海綿調蓄設施規模、決定海綿改造程度的重要標準和依據,年徑流總量控制率在項目規劃、設計、施工圖審查等各個環節都尤為重要[12,14]。本研究以年徑流總量控制率為研究對象,參考現有研究成果,通過現狀評估、指標分解和模型校驗對廣州科教城區域年徑流總量控制率進行指標分解,探討廣州科教城片區各開發地塊年徑流總量控制目標,以期指導廣州科教城片區各地塊開發建設。

1 研究區概況

廣州市科技教育城(簡稱廣州科教城)位于廣州市增城區朱村街道[15]。廣州科教城規劃總用地14.38 km2,根據規劃,廣州科教城片區分一期、二期和遠期建設。一期包括13所職業學校和1處技能人才公共實訓鑒定基地。廣州科教城旨在打造大灣區一流教育聚集區及南方職業教育高地,片區建成后將成為廣州提升粵港澳大灣區科技教育文化中心功能、增強經濟和人口承載力的重要抓手。

結合廣州科教城片區規劃管控和排水分區劃分,明確本文研究范圍為廣州科教城一期范圍,面積約為10.79 km2,見圖1。廣州科教城一期現狀山水資源豐富,內有白水山及眾多小山丘,片區呈現出山水生態、水鄉田園的風貌格局。廣州科教城片區內部河流屬東江水系,主要河流為東江一級支流西福河。此外,廣州科教城片區內部分布著許多的山塘與水庫(主要有上小磜水庫與下小磜水庫),片區內形成了較為豐富的河涌水系網絡。

圖1 研究區位置

2 年徑流總量控制率指標分解

2.1 容積法

國家住建部在2014年發布的《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》(以下簡稱《海綿指南》)中第一次介紹了用容積法來計算年徑流總量控制率,其論述如下:海綿設施在設計時當以年徑流總量控制率和年徑流污染削減率為控制目標,海綿設施的調蓄容積一般應滿足“單位面積控制容積”這一指標要求[11,16]。設計調蓄容積一般采用容積法進行計算,計算公式如下:

V=10HφF

(1)

式中V——設計調蓄容積,m3;H——實際設計降雨量,mm;φ——綜合雨量徑流系數;F——匯水面積,hm2。

本研究采用容積法來確定研究區各開發地塊年徑流總量控制率。依據城市規劃的土地利用類型,查算出研究范圍內各地塊的徑流系數,計算研究區域的規劃綜合徑流系數。根據研究區調蓄容積,核算區域年徑流總量控制目標的可達性。通過對比Vgh和Vt,如Vgh≥Vt,則規劃調蓄容積滿足年徑流總量控制率的要求,如Vgh

2.2 現狀評估

廣州科教城片區現狀處于開發建設前期階段,大部分用地已經完成土地平整,北部有大面積未建設農林用地,僅有南部部分用地已建設。根據圖2可知,片區居住用地占總用地3.92%,商業商務用地占總用地的1.33%,中小學用地占總用地的0.28%,農林用地占總用地的35.29%,已平整未建設用地占總用地的57.01%。

圖2 廣州科教城土地利用現狀

根據廣州科教城片區現狀土地利用情況,依據GB 50014—2006《室外排水設計規范》(2016 版)、GB 50015—2019《建筑給水排水設計規范》等有關規定,通過對各類用地徑流系數加權平均(表1),得到廣州科教城片區現狀城市綜合徑流系數為0.46。

表1 現狀徑流系數統計

通過容積法計算廣州科教城片區各地塊現狀年徑流總量控制率。根據圖3,插值得出廣州科教城片區現狀(未開發建設)年徑流總量控制率為70.5%(即廣州科教城片區現狀所達到的年徑流總量控制率為70.5%),各地塊現狀年徑流總量控制率空間分布見圖4。由圖可知,該區域現狀北部地區主要為林地和裸地,地塊徑流控制能力較好,南部區域主要包括居住用地、裸地和綠地,地塊徑流控制能力較差,存在較大地提升空間。

圖3 年徑流總量控制率與設計降雨量關系

圖4 廣州科教城現狀年徑流總量控制率分布

2.3 規劃年徑流總量控制率指標分解

根據《廣州教育城一期控制性詳細規劃》有關成果,廣州科教城土地利用規劃見圖5。由圖可知,研究區規劃城市建設用地863.51 hm2,占總用地的79.99%。規劃非建設用地215.93 hm2,占規劃區總用地的20.01%,其中水域用地78.76 hm2,農林用地137.17 hm2。

圖5 廣州科教城土地利用規劃

廣州科教城片區各地塊規劃年徑流總量控制率計算可按以下步驟。

步驟一核算每個地塊的年均綜合雨量徑流系數。根據片區土地利用規劃,按表2確定地塊的年均雨量徑流系數,經加權平均得到地塊的年均綜合雨量徑流系數。若年均綜合雨量徑流系數對應的年徑流總量控制率滿足要求,則該地塊年徑流總量控制率達標。

表2 下墊面徑流系數取值

步驟二若年均綜合雨量徑流系數對應的年徑流總量控制率不滿足要求,則按容積法進行規劃調蓄容積核算。各地塊所需規劃調蓄容積需在開發建設中落實相應的海綿設施,以此達到調蓄需求。

依據片區土地利用規劃,計算得出廣州科教城區域的規劃綜合徑流系數為0.5。按容積法進行規劃調蓄容積核算,得出廣州科教城片區需設置總調蓄容積約為14.04萬m3,各地塊開發建設中應因地制宜落實相應海綿措施,以此達到各地塊所需的調蓄容積。當廣州科教城片區設置總調蓄容積約為14.04萬m3時,結合各開發地塊項目類型,片區年徑流總量控制率分解結果見圖6。

圖6 廣州科教城規劃年徑流總量控制率空間分布

根據廣州市增城區年徑流總量控制率-設計降雨量曲線(圖3),當廣州科教城片區設置總調蓄容積約為14.04萬m3時,插值得出廣州科教城片區規劃總年徑流總量控制率為73%。《廣州市增城區海綿城市專項規劃(2019—2035)》對廣州科教城片區年徑流總量控制率的要求為不低于72%。通過對比表明本文對廣州科教城各開發地年徑流總量控制率分解結果滿足該區域海綿城市專項規劃建設要求。

3 模型校驗

本研究采用InfoWorks ICM對廣州科教城片區進行管網系統能力、區域內澇風險模型評估,以期驗證廣州科教城片區各地塊在按照本研究確定的年徑流總量控制率開發建設后,片區防災減災能力。

3.1 產匯流模型選擇

降水經過地表的滯留、下滲、蒸發等過程之后,剩余降水的部分作為地表徑流滯留在匯水區表面[17-18]。其計算見式(2):

WCL=QZ-QXS-QZF

(2)

式中QZ——降水總量;QXS——降水下滲量;QZF——降水蒸發量,降水蒸發量取決于區域實際情況;QZ——降水時段內的累計降水容積,m3,由各子匯水區面積乘以區域降水深度得到;QXS——降水滲透到地表土壤下的水量。

產匯流模型中的下滲量利用Horton模型計算。Horton模型標正了下滲能力與時間關系的函數,如式(3):

fp=f∞+(f0-f∞)eαt

(3)

式中fp——t時刻的下滲率,mm/s;f∞——穩定下滲率,mm/s;f0——初始下滲率,mm/s;t——降水總時長,s;α——衰減系數,反映土壤下滲率遞減關系,s-1。

Horton模型下滲量計算過程見圖7。

圖7 Horton下滲曲線

實際下滲率由理論下滲率和實際降水強度中的最小值決定,其公式表示為:

f(t)=min[fp(t),i(t)]f(t)

(4)

式中fp(t)——t時刻理論下滲率,mm/s;fp——僅與時間有關,在降雨強度較小的情況下也將逐漸減小;i(t)——t時刻實際降水強度,mm/s;f0、f∞——通常大于實際降雨強度i(t)。

累計下滲量計算公式見式(5):

(5)

式中F(tp)——t≠p時刻的累計下滲量,mm。

霍頓模型中初始入滲率可參照表3確定,根據廣州科教城片區實際土壤情況,本次模型采用干燥黏土、基本無植被,初設入滲率為25.4 mm/h。

表3 霍頓模型土壤初始入滲率

3.2 排水分區劃分

根據片區現狀地形、豎向規劃和防洪排澇規劃,以河涌支、干流節點分界為劃分基礎,對廣州科教城片區進行排水分區劃分,劃分結果見圖8。由圖可知,本次研究將廣州科教城片區劃分為4個匯水分區。

圖8 匯水分區劃分結果

在匯水分區的基礎上以管網排水邊界為劃分依據,繼續劃分排水分區,排水分區劃分結果見圖9。由圖可知,每個匯水分區各劃分出2個排水分區。

圖9 排水分區劃分結果

3.3 模型建立

將雨水管網管道規格、管底標高等數據錄入ICM,并進行子集水區劃分。根據土地利用規劃數據輸入各地塊土地利用類型,設置相應的徑流表面,得到模型網絡,見圖10。圖中紅線表示廣州科教城片區實際規劃管網,綠色圓點代表片區規劃管網節點(檢查井、調蓄池、雨水排口等),本次模型依據管網節點將廣州科教城片區劃分為238個子集水分區。

圖10 管網模型網絡

3.4 管網能力評估

管網的超負荷狀態是指管網內水流的充滿程度[19]。本研究選取4個超負荷狀態閾值(表4),來評估廣州科教城片區地塊開發建設后在不同重現期降雨條件下的管網過流能力。

表4 InfoWorks ICM超負荷狀態取值定義

本文選用廣州市增城區暴雨強度公式,結合芝加哥雨型,得到1、3、5、10、100年一遇設計重現期下的設計暴雨數據,運用InfoWorks ICM模型對廣州科教城區域管網進行模擬,來分析管道的超負荷狀態,其統計結果見表5。由表5可知,在1、3、5、10年一遇設計暴雨條件下,廣州科教城片區管網的超負荷狀態均小于2,說明設計管網滿足10年一遇設計重現期。在100年一遇設計暴雨條件下,片區管網超負荷狀態出現大于2的情況,占比約為17.29%。總體來說,隨著設計重現期的增大,廣州科教城片區管網超負荷狀態比例增加,在100年一遇設計暴雨條件下部分管網出現過流能力不足情況。

表5 不同重現期下管道超負荷統計

對廣州科教城片區分別在設計重現期為1、3、5、10、100年一遇設計暴雨條件下進行內澇模擬分析。結果顯示在重現期為1、3、5、10年一遇暴雨條件下,片區均無出現積水現象。100年一遇降雨條件下模型模擬結果見圖11,圖中藍色表示廣州科教城片區規劃雨水管網,綠色圓點代表片區規劃管網節點(檢查井、調蓄池、雨水排口等),紅色表示片區積水點。由圖可知,在100年一遇降水條件下片區部分區域出現積水,但深度均小于0.5 m。結果表明廣州科教城片區各開發地塊按照研究確定的年徑流總量控制率開發建設后,片區可有效應對100年一遇降雨。

圖11 100年一遇暴雨條件下模型模擬結果

4 結論

a)采用容積法將廣州科教城片區需滿足的年徑流總量控制率總指標分解到各開發地塊,以指導各地塊后續開發建設。當廣州科教城片區設置總調蓄容積約為14.04萬m3時,廣州科教城片區規劃總年徑流總量控制率可達到73%。

b)運用InfoWorks ICM模型來分析廣州科教城片區管網的超負荷狀態,結果顯示隨著設計重現期的增大,廣州科教城片區管網超負荷狀態比例增加。在100年一遇設計降雨條件下,片區管網超負荷狀態出現大于2的情況,占比約為17.29%。

c)對各地塊年徑流總量控制率指標分解的合理性進行模擬驗證,結果表明各地塊在按照規劃年徑流總量控制率開發建設后,片區排水管網均滿足10年一遇設計重現期,在100年一遇降雨條件下部分區域雖出現積水,但無內澇發生。