低洼綠地對(duì)降低城市徑流深度、徑流系數(shù)的效果分析

蔡劍波 ，林 寧 ，杜小松 ，馮云剛

（1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510060；2.惠州市氣象局，廣東惠州516001）

1 概述

近三十年來(lái)中國(guó)城市化進(jìn)展發(fā)展很快，原來(lái)為農(nóng)田、林地的郊區(qū)不斷轉(zhuǎn)變?yōu)榈缆?、廣場(chǎng)、商住樓等城市用地，雨水徑流系數(shù)隨之迅速加大，由于原有排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期較低（多為1～2 a）負(fù)荷能力有限，瓶頸多，因此在城市低洼區(qū)域容易造成“落大雨，水浸街”的內(nèi)澇現(xiàn)象。目前提高城市防澇能力的辦法主要為增加排澇能力，即通過(guò)拓寬河道、擴(kuò)建雨水管網(wǎng)及排澇泵站等建設(shè)工程提高排水重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，緩解了城市水澇危害。但上述方式是在匯流形成后采用的疏導(dǎo)、補(bǔ)救工程措施，存在投資大、維護(hù)成本高、占用道路地下空間大，且對(duì)城市交通干擾大等問(wèn)題。近年來(lái)興起的城市濕地、水面率標(biāo)準(zhǔn)、低洼綠地等雨洪資源利用的趨勢(shì)，則是一種從源頭上治理城市水澇問(wèn)題的辦法。通過(guò)從降雨到匯流的過(guò)程中降低徑流的辦法以有效減輕城市水澇危害，同時(shí)對(duì)改善水質(zhì)、增加地下水補(bǔ)給都有所裨益。由于城市用地的日趨緊張，難以大規(guī)模增加水面，而通過(guò)對(duì)城市既有綠地的改造或者新建低洼綠地則是更具可操作性減澇方法。

本文針對(duì)低洼綠地對(duì)降低城市徑流深度、徑流系數(shù)的效果進(jìn)行了分析，以期說(shuō)明即使綠化率較高的城區(qū)，在短期強(qiáng)降雨條件下的徑流系數(shù)仍然較高，而低洼綠地可以明顯降低徑流深度和徑流系數(shù)。

2 用地概化及徑流系數(shù)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市建設(shè)用地分類(lèi)與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ137-90），我國(guó)的城市用地可分為居住、公共設(shè)施、道路廣場(chǎng)、綠地等10大類(lèi)，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文將用地概化為三類(lèi)進(jìn)行分析研究：綠地G（包括公園、小區(qū)、學(xué)校、道路中綠化地帶）、道路及廣場(chǎng)S、構(gòu)筑物RCU（包括居住R、公共設(shè)施C、市政公用U用地等）。廣州某研究規(guī)劃區(qū)這三類(lèi)用地比例見(jiàn)圖1。

圖1 綜合徑流系數(shù)加權(quán)計(jì)算公式（普通綠地）

三類(lèi)用地的徑流系數(shù)分別為ψG=0.2；ψS=0.9；ψR(shí)CU=0.75。采用加權(quán)平均法計(jì)算得到研究區(qū)綜合徑流系數(shù)公式：

概化后的研究區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.595，與城市水文計(jì)算中綜合徑流參數(shù)取值相比略低（一般取 0.65～0.8）。

實(shí)際上，各類(lèi)下墊面的截流深度雖然會(huì)隨降雨強(qiáng)度不同有所變化，但不應(yīng)是簡(jiǎn)單的線性變化，而采用相對(duì)穩(wěn)定的截流深度更合理。以廣州2 a一遇1 h降雨強(qiáng)度54.6 mm估算上述下墊面的截流深度（即總損失量）分別為。

綠地截流深度：IG=54.6×(1-0.2)≈43 mm（初損+下滲）

道路廣場(chǎng)截流深度：IS=54.6×(1-0.9)≈5 mm（路面不平及管溝滯水）

構(gòu)筑物截流深度：IRCU=54.6×(1-0.75)≈13 mm（局部不平及管溝滯水）

因此，綜合徑流深度、徑流系數(shù)又可以進(jìn)一步表達(dá)為降雨量的函數(shù)（H為降雨量）：

根據(jù)上式，可以得到徑流深度和徑流系數(shù)隨降雨量增加而上升的關(guān)系，這應(yīng)當(dāng)比固定徑流系數(shù)的計(jì)算方法更合理。

3 降雨歷時(shí)和雨量

城區(qū)雨水具有流程短，匯流速度快的特點(diǎn)，形成短時(shí)間匯流，所選用的降雨歷時(shí)往往也較短。因此，不同于水利河道防洪計(jì)算中所采用的6 h（h為小時(shí)，下同）、24 h甚至72 h的長(zhǎng)歷時(shí)降雨過(guò)程，在城市水文學(xué)計(jì)算中所采用的降雨歷時(shí)一般不超過(guò)6 h。根據(jù)廣州城區(qū)暴雨水浸街的報(bào)導(dǎo)和實(shí)地走訪調(diào)查，0.5～1 h左右的短歷時(shí)2 a一遇強(qiáng)降雨（注：老城區(qū)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期一般為1 a）容易造成水浸街，一般2～3 h后才能退水，因此，本文選擇1 h降雨歷時(shí)進(jìn)行分析。

由于暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算重現(xiàn)期較低（一般為0.25～10 a），排水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)遇到超標(biāo)準(zhǔn)甚至稀遇暴雨，為擴(kuò)展分析較高降雨標(biāo)準(zhǔn)情況，故以水文圖集查算方法計(jì)算暴雨量為主。根據(jù)廣東省水文總站2003年編制的《廣東省水文圖集》，查出本流域各歷時(shí)暴雨均值Ht、變差系數(shù)Cvt，用Cs=3.5Cv皮爾遜Ⅲ型曲線，算得P=1%、2%、5%、10%、20%及50%六種頻率各歷時(shí)點(diǎn)暴雨量。相應(yīng)頻率的設(shè)計(jì)暴雨量參數(shù)（點(diǎn)暴雨）成果見(jiàn)表1。

表1 各頻率暴雨量計(jì)算成果表

（注*：采用暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算結(jié)果，在低重現(xiàn)期時(shí)與圖集查算結(jié)果較接近，高重現(xiàn)期時(shí)偏小。）

4 低洼綠地深度

城區(qū)低洼綠地深度一般不超過(guò)150 mm，否則高差過(guò)大，積水比過(guò)深。本文取0 mm、20 mm、50 mm、80 mm、100 mm、120 mm共6個(gè)不同數(shù)值的低洼綠地平均下凹深度分別計(jì)算分析對(duì)降低徑流深度、徑流系數(shù)的影響，以期獲得深度和效果的有效契合點(diǎn)。

5 產(chǎn)流計(jì)算分析

徑流為毛雨扣除入滲和洼地積水后的產(chǎn)流，其他因素如：植物枝葉截留、蒸發(fā)等一般很小，可忽略不計(jì)，土壤初期入滲量與前期降雨量有關(guān)，如前期土壤較濕則該值亦較小，對(duì)徑流影響不大。

不同下凹深度低洼綠地條件下，徑流深度和徑流系數(shù)簡(jiǎn)化公式如下：

式中：Rd為徑流深；ψd為徑流系數(shù)；H為降雨量，mm；d為低洼綠地平均下凹深度，mm。

徑流深度、徑流系數(shù)與綠地下凹深度關(guān)系見(jiàn)表2。徑流深、徑流系數(shù)與綠地下凹深度關(guān)系見(jiàn)圖2、圖 3。

表2 徑流深度、徑流系數(shù)與綠地下凹深度關(guān)系表(降雨量為1h雨量)

圖2 徑流深與綠地下凹深度關(guān)系

圖3 徑流系數(shù)與綠地下凹深度關(guān)系

5.1 低洼綠地深度對(duì)徑流深度的影響

當(dāng)綠地深不小于100 mm的條件下：

50 a一遇（P=2%）1 h降雨徑流深相當(dāng)于不設(shè)置低洼綠地10 a一遇（P=10%）數(shù)值，約為70 mm；

20 a一遇（P=5%）1 h降雨徑流深相當(dāng)于不設(shè)置低洼綠地5 a一遇（P=20%）數(shù)值，約為55 mm；

10 a一遇（P=10%）1 h降雨徑流深相當(dāng)于不設(shè)置低洼綠地2 a一遇（P=50%）數(shù)值，約為35 mm；

2 a一遇（P=50%）1 h降雨甚至可以不產(chǎn)生溢流。

可見(jiàn)不小于100 mm的低洼綠地可以將徑流深所對(duì)應(yīng)的降雨頻率提高1～2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，顯著降低匯流量，削減洪峰流量。

5.2 低洼綠地深度對(duì)徑流系數(shù)的影響

當(dāng)綠地深不小于100 mm的條件下：

20 a一遇（P=5%）1 h降雨徑流系數(shù)由不設(shè)置低洼綠地時(shí)的0.8降低至0.5；

10 a一遇（P=10%）1 h降雨徑流系數(shù)由不設(shè)置低洼綠地時(shí)的0.77降低至0.4；

5 a一遇（P=20%）1 h降雨徑流系數(shù)由不設(shè)置低洼綠地時(shí)的0.72降低至0.3以下；

2 a一遇（P=50%）1h降雨徑流系數(shù)由不設(shè)置低洼綠地時(shí)的0.61降低至0.0。

可見(jiàn)不小于100 mm的低洼綠地可以將徑流系數(shù)降低0.3～0.4左右，顯著降低匯流比例，削減洪峰流量。

5.3 相同綠地下凹深度條件下，不同降雨量，徑流系數(shù)的變化

值得注意的是，未設(shè)置低洼綠地時(shí)（即表2中第3列綠地下凹深度為0 mm），在2 a一遇（即城市排水常用標(biāo)準(zhǔn)）條件下，徑流系數(shù)取值為0.61，20 a一遇（城市河涌防洪排澇常用標(biāo)準(zhǔn)）計(jì)算時(shí)，徑流系數(shù)已上升至0.8。上述變化表明，當(dāng)采用較高排水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高徑流系數(shù)的取值。隨著綠地下凹深度的加大，不同降雨量之間徑流系數(shù)的變化也在加大，如：

綠地下凹深度為0 mm時(shí)，2～20 a一遇1 h徑流系數(shù)從0.61加大至0.8，變化幅度為0.19；

綠地下凹深度為20 mm時(shí)，2～20 a一遇1 h徑流系數(shù)從0.48加大至0.73，變化幅度為0.25；

綠地下凹深度為50 mm時(shí)，2～20 a一遇1 h徑流系數(shù)從0.29加大至0.63，變化幅度為0.34；

綠地下凹深度為80 mm時(shí)，2～20 a一遇1 h徑流系數(shù)從0.09加大至0.54，變化幅度為0.45；

綠地下凹深度為100 mm時(shí)，2～20 a一遇1 h徑流系數(shù)從0.00加大至0.47，變化幅度為0.47。

可見(jiàn)設(shè)置低洼綠地后，特別是隨著綠地下凹深度的加大，不同降雨量條件下，徑流系數(shù)的變化幅度不斷加大。

6 導(dǎo)入、溢流與入滲

低洼綠地往往設(shè)計(jì)成中央下凹深度較大100～150 mm，邊緣接順周邊標(biāo)高的形式，既可以成片設(shè)置，也可以利用道路中央綠化帶、路側(cè)綠化帶及小區(qū)周邊綠化設(shè)施改造而成，以便于就近引入收集不透水的路面、屋面的雨水。位于斜坡的綠地則可波浪狀圍壟坡面，以盡量蓄滯雨水。

雨水填滿低洼綠地后，通過(guò)設(shè)置在綠地內(nèi)的雨水井口溢流進(jìn)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)。

除溢流外，為保證綠地積水在一定時(shí)間內(nèi)可以排走，尚需要考慮滲透排水。從園林方面考慮，綠地植物通?？梢阅脱?2～24 h（百喜草則可耐淹數(shù)月），但淹水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)綠地空間利用有影響，不便于市民雨后活動(dòng)；從防洪排澇方面考慮6 h設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度約為1 h的降雨強(qiáng)度的27%～30%，但總降雨量?jī)H為1 h設(shè)計(jì)雨量的1.6～1.8倍，故可在一定時(shí)間內(nèi)排走積水，騰出綠地庫(kù)容。以100 mm深綠地6 h為例，要求入滲率達(dá)到100/6=16.7 mm/h。

根據(jù)在上海測(cè)定過(guò)多處地點(diǎn)表層雜填土的穩(wěn)定入滲速率多在3.9～7.5 mm/h，個(gè)別達(dá)到24～27 mm/h。按土質(zhì)情況得到的數(shù)值卻相對(duì)較小，砂壤土僅2.7～3.3 mm/h。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊(cè)，廣東省水文總站1991》珠江三角洲的平均入滲參數(shù)為2.5～3.6 mm/h，折算為綠地的應(yīng)該有所提高。

廣州市表層土多為雜填土，雜填土的入滲能力一般較好，表土下的原狀土基本為粘土、淤泥，入滲性能較差，目前暫時(shí)缺乏對(duì)廣州市綠地入滲能力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，加之綠地改造回填土的影響，因此入滲率存在不確定性，難以保證凹地積水及時(shí)有效入滲，故需采用工程措施加快入滲。一般可通過(guò)魚(yú)骨狀布置的滲透淺溝結(jié)合滲透管的方式，將綠地面狀分布的綠地雨水集中至雨水井附近，同時(shí)新建或改造雨水井，井壁采用無(wú)砂砼透水材料，以控制入滲時(shí)間。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）徑流系數(shù)受降雨量影響，當(dāng)采用較高排水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高徑流系數(shù)的取值。

（2）在1 h不同頻率降雨條件下，綠化率35%深度為100 mm的低洼綠地可以將相同徑流深度所對(duì)應(yīng)的降雨頻率提高1～2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，顯著降低匯流量，削減洪峰流量。

（3）在1 h相同頻率降雨條件下，綠化率35%深度為100 mm的低洼綠地可以將徑流系數(shù)降低0.3～0.4左右，顯著降低匯流比例，削減洪峰流量。

（4）低洼綠地既可成片設(shè)置，亦可分散建設(shè)，需有相應(yīng)的入滲等排水措施相配套。

綜上所述，綠地不下凹時(shí)，在降雨量大的情況下，徑流深度和徑流系數(shù)仍較大，仍存在較大內(nèi)澇隱患；而通過(guò)傳統(tǒng)的拓寬河道、擴(kuò)建雨水管網(wǎng)及排澇泵站等建設(shè)工程提高排水重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，存在投資大、維護(hù)成本高、占用道路地下空間大，且對(duì)城市交通干擾大等問(wèn)題；因此，為有效降低城區(qū)徑流深度和徑流系數(shù)，減少內(nèi)澇災(zāi)害，有必要推廣設(shè)置低洼綠地，綠地設(shè)置深度建議為80～120 mm。