北京地區(qū)不同設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度下凹式綠地的減流效果

朱永杰， 畢華興,2， 常譯方， 海 璇

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院， 北京 100083; 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

北京地區(qū)不同設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度下凹式綠地的減流效果

朱永杰1， 畢華興1,2， 常譯方1， 海 璇1

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院， 北京 100083; 2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

摘要：[目的] 研究不同匯水面積的周邊外來雨水徑流，計(jì)算綠地產(chǎn)流過程的動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)以及對(duì)徑流的削減率。[方法] 采用人工模擬的下凹式綠地，模擬綠地的不同暴雨強(qiáng)度。[結(jié)果] (1) 30%下凹式綠地面積比基本可以攔蓄3年，5年一遇暴雨，穩(wěn)定后徑流系數(shù)在0.30以下； (2) 下凹式綠地面積比為20%時(shí)，雨水口高8 cm和5 cm時(shí)對(duì)3年，5年一遇暴雨產(chǎn)生的徑流削減率均在40%以上，穩(wěn)定后的徑流系數(shù)均在0.90以上，且兩種雨水口高度下的削減率差異不明顯，相比之下5 cm雨水口高度設(shè)計(jì)較8 cm更為合理；(3) 綠地的產(chǎn)流速率變化過程曲線呈“幾”字形，匯水面積越大、暴雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流速率穩(wěn)定時(shí)的峰值就越大，產(chǎn)流歷時(shí)也越長(zhǎng)。[結(jié)論] 下凹式綠地對(duì)暴雨條件下產(chǎn)生的徑流有很好的削減作用，其所占面積比越大，削減效果越好。

關(guān)鍵詞：下凹式綠地; 暴雨強(qiáng)度; 徑流系數(shù)

下凹式綠地是集匯水、凈化、景觀綠化于一體的一個(gè)系統(tǒng)[1]，設(shè)計(jì)低于路面的一定下凹深度,內(nèi)設(shè)高度低于路面但高于綠地的雨水口[2]。下凹式綠地可以匯集周邊一定硬化面積區(qū)域產(chǎn)生的雨水徑流，雨水徑流進(jìn)入綠地，發(fā)生入滲，綠地蓄滿后進(jìn)入雨水口[3]。隨著日益加速的城市化步伐，城市排洪與雨水徑流污染物的削減問題不斷對(duì)我們提出新的考驗(yàn)[4]。下凹式綠地在城市綠化建設(shè)中的重大作用逐漸被發(fā)現(xiàn)認(rèn)識(shí)，不少學(xué)者對(duì)其參數(shù)性質(zhì)和功能作用進(jìn)行了研究。任樹梅等[5]對(duì)北京城不同下凹深度的綠地雨水蓄滲效果進(jìn)行了分析和計(jì)算,結(jié)果表明,下凹式綠地是削減徑流雨水、減少暴雨洪峰的有效措施。葉水根等[6]對(duì)下凹式綠地在1倍匯水面積的情況下,對(duì)于10,50和100年一遇的暴雨的研究表明下凹式綠地的蓄滲、減洪效果極為明顯。周豐等[7]針對(duì)北京市不同硬化綠化比例面積對(duì)下凹式綠地關(guān)于攔蓄雨水徑流、補(bǔ)充地下水、滯后匯流的影響進(jìn)行研究,得出下凹式綠地能有效的攔蓄雨水徑流和補(bǔ)充地下水,并使降雨匯流明顯滯后的結(jié)論。張建林[8]的研究表明下凹綠地即使在多倍匯水面積下,雨天對(duì)路面徑流的減峰、攔蓄效果也很好,可以在很大程度上減輕城市的內(nèi)澇災(zāi)害。目前相關(guān)研究中，對(duì)下凹式綠地的功能作用研究主要集中于不同下凹深度以及不同比例匯水面積對(duì)外來雨水徑流的匯集和削減作用，而關(guān)于不同雨水口高度對(duì)下凹式綠地匯集、減少雨水徑流影響的相關(guān)研究較少。本研究在保持下凹深度一定的前提下，研究下凹式綠地不同雨水口高度在不同設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度下的徑流系數(shù)以及對(duì)徑流的削減效果，目的在于為北京地區(qū)下凹式綠地研究提供理論參考。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)布設(shè)及供試土壤

試驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)加工的下凹式綠地，圓柱形塑料桶直徑為100 cm，高70 cm，下凹深度為10 cm，雨水口高于下凹式綠地地面，最低端設(shè)有一個(gè)直徑5 cm的排水管，試驗(yàn)過程始終保持關(guān)閉狀態(tài)，每次試驗(yàn)完成后通過排水管排出裝置內(nèi)的水，下凹式綠地的產(chǎn)流在本試驗(yàn)中為裝置接市政雨水管流出的徑流。在該裝置內(nèi)，按照設(shè)定比例5∶9(礫石層厚度大于30 cm)分層填裝細(xì)土壤層和小礫石，礫石層在下，土壤層在上。試驗(yàn)土壤取自北京市昌平區(qū)科技園建設(shè)挖方土，土壤類型為砂質(zhì)壤土，其機(jī)械組成詳見表1。填裝完成后在土壤表面鋪上高羊茅草皮，草種為北方多年生高羊茅，草皮移植生長(zhǎng)約半個(gè)月后，按照設(shè)定的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)前對(duì)土壤含水率進(jìn)行測(cè)定，以期保證每次試驗(yàn)前土壤含水率是基本一致的。

表1　供試土壤機(jī)械組成

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1暴雨強(qiáng)度計(jì)算模擬試驗(yàn)在北京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行，暴雨強(qiáng)度根據(jù)北京市暴雨強(qiáng)度公式[9]計(jì)算得出：

式中：q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度﹝L/(s·hm2)﹞；t——降雨歷時(shí)(min)；P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(a)。適用范圍為：t≤120 min，P=0.25~100 a。

按照北京市城市規(guī)劃的規(guī)定，下凹式綠地率為20%～30%比較合理[10]。選取20%和30%兩個(gè)綠化比例，故下凹式綠地收集面積為3.92和2.59 m2的周邊區(qū)域雨水徑流，徑流系數(shù)取0.85[9]，由此計(jì)算得出重現(xiàn)期為3和5 a的暴雨水平下對(duì)應(yīng)的進(jìn)入下凹式綠地的雨水徑流量分別為211和239 L，140和158 L。在本研究中，采用進(jìn)水負(fù)荷表示下凹式綠地進(jìn)水總量與進(jìn)水時(shí)間的比值(L/min)，20%下凹式綠地比例對(duì)應(yīng)3年一遇暴雨進(jìn)水負(fù)荷為1.76 L/min，對(duì)應(yīng)5年一遇暴雨進(jìn)水負(fù)荷為2.00 L/min，30%下凹式綠地比例對(duì)應(yīng)3年一遇暴雨進(jìn)水負(fù)荷為1.17 L/min，對(duì)應(yīng)5年一遇暴雨進(jìn)水負(fù)荷為1.32 L/min。

1.2.2徑流削減率徑流削減率定義為雨水通過不透水和透水下墊面時(shí)的徑流相對(duì)差值，計(jì)算公式為：

式中：Δq——徑流削減率(%)； q1——雨水通過不透水下墊面地表徑流量(mm)； q2——雨水通過透水下墊面的產(chǎn)流量(mm)。

1.2.3徑流系數(shù)某一時(shí)段徑流量與相應(yīng)降雨量之比，計(jì)算公式為：

φ=Q/Qs

式中：φ表示徑流系數(shù)； Q——次徑流總量(L)； Qs——次降雨總量(L)。

1.2.4試驗(yàn)處理自制下凹式綠地的下凹深度不變，維持在10cm。下凹式綠地雨水口采用5和8cm兩種高度，每種高度設(shè)定2組場(chǎng)降雨試驗(yàn)(暴雨強(qiáng)度為3年一遇和5年一遇)，每組場(chǎng)降雨試驗(yàn)設(shè)定1個(gè)重復(fù)。

1.2.5測(cè)定項(xiàng)目與測(cè)定方法試驗(yàn)前，采用含水率測(cè)定儀(POGO便攜式土壤多參數(shù)速測(cè)儀，美國(guó))測(cè)定土壤含水率。試驗(yàn)時(shí)，用量筒測(cè)量接市政管的排水管的出水量，并用秒表記錄相應(yīng)時(shí)間。

2結(jié)果與分析

2.1　各設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度在不同雨水口高度下的產(chǎn)流

各設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度在不同雨水口高度下的產(chǎn)流數(shù)據(jù)詳見表2。由表2可知，在本試驗(yàn)綠地條件下，不同雨水口高度的下凹式綠地對(duì)不同尺度匯水面積在3和5a設(shè)計(jì)暴雨條件下周邊外來雨水徑流削減率均可以達(dá)到40%以上。下凹式綠地所占綠化面積比為30%，即匯水面積為2.59時(shí)，8cm雨水口高度下凹式綠地對(duì)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為5和3a的暴雨可以完全攔蓄，其削減率為100%；匯水面積不變，雨水口高度減小到5cm時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期3年一遇的暴雨仍能完全攔蓄，削減率100%，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5年一遇暴雨在102min產(chǎn)生溢流，產(chǎn)流持續(xù)60min結(jié)束，場(chǎng)暴雨周邊外來雨水削減率為94.54%，場(chǎng)暴雨徑流系數(shù)為0.02。由此可以看出，當(dāng)下凹式綠地面積比達(dá)到30%時(shí)，5cm雨水口高度基本可以攔蓄3年和5年一遇暴雨。

下凹式綠地面積比為20%，5倍匯水區(qū)面積時(shí)，設(shè)計(jì)3年和5年一遇暴雨強(qiáng)度時(shí)，下凹式綠地對(duì)周邊外來雨水徑流削減率均達(dá)到40%以上，最高達(dá)到58.36%；場(chǎng)暴雨徑流系數(shù)都在0.10左右，削減后的徑流系數(shù)符合北京市公園綠地綜合徑流系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[9]。此時(shí)場(chǎng)暴雨的徑流系數(shù)在不同雨水口高度下沒有明顯差異(p=0.289>0.05)，說明在下凹深度一定時(shí)，增加雨水口的高度不能明顯增加下凹式綠地對(duì)雨水徑流的蓄積量，相反，從考慮綠化植物水淹時(shí)間角度出發(fā)，5cm的雨水口高度比8cm雨水口高度更為合適。

雨水口高度分別為5和8cm時(shí)，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為3年一遇暴雨強(qiáng)度時(shí)下凹式綠地的產(chǎn)流量都比5年一遇暴雨強(qiáng)度時(shí)下凹式綠地的產(chǎn)流量明顯要小(p=0.00<0.05)，說明暴雨強(qiáng)度對(duì)下凹式綠地的蓄積效果影響較大。匯水區(qū)面積不同，產(chǎn)流量也差異明顯，這主要是由于進(jìn)水負(fù)荷不同所導(dǎo)致的。

表2　下凹式綠地在各設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度下的產(chǎn)流參數(shù)

2.2　不同雨水口高度在不同暴雨強(qiáng)度下的動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)變化規(guī)律

匯水面積分別為3.92和2.59 m2條件下，雨水口高度分別為8，5 cm時(shí)的動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，匯水面積分別為3.92和2.59 m2條件下不同雨水口高度3，5年一遇暴雨徑流系數(shù)變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)出先遞增后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。由圖1可知，3.92 m2匯水面積，即下凹式綠地比例為20%時(shí)，當(dāng)雨水口高度為8 cm時(shí)，從開始產(chǎn)流到停止進(jìn)水這段時(shí)間內(nèi)，徑流系數(shù)先是快速增大，在大于0.80時(shí)趨于穩(wěn)定，并且穩(wěn)定后的最大值均可達(dá)到0.90以上，說明此時(shí)下凹式綠地的蓄水容量接近飽和，對(duì)來雨水徑流幾乎沒有削減效果。當(dāng)雨水口高度減為5 cm時(shí)，徑流系數(shù)先是很平緩地增加，然后快速增大到0.9以上并趨于穩(wěn)定。徑流系數(shù)小于0.50時(shí)，此時(shí)下凹式綠地土壤表面蓄水水位并未超過雨水口，產(chǎn)流來自于綠地表面水分的下滲；一段時(shí)間后，綠地表面水蓄滿后從雨水口進(jìn)入，此時(shí)下凹式綠地產(chǎn)流量迅速增大，從而導(dǎo)致徑流系數(shù)急劇增加，最終穩(wěn)定下來，穩(wěn)定后對(duì)外來雨水徑流削減很小，徑流系數(shù)也在0.90以上。從圖1還可以看出，2.59 m2匯水面積條件下，即下凹式綠地所占比例為30%時(shí)，5 cm雨水口高度下，5年一遇設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)流量較小，從產(chǎn)流開始到120 min進(jìn)水結(jié)束徑流系數(shù)變化也相對(duì)較小。徑流系數(shù)在0.30以下。說明此時(shí)下凹式綠地削減效果明顯。

注：S為匯水面積；h為雨水口高度。下同。

圖1不同雨水口高度對(duì)應(yīng)不同暴雨強(qiáng)度下的動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)

2.3　產(chǎn)流速率變化過程

圖2為不同匯水面積下兩個(gè)雨水口高度下下凹式綠地收集周邊外來雨水徑流時(shí)的產(chǎn)流速率變化過程曲線。由圖2可以看出，從開始產(chǎn)流到產(chǎn)流停止，整個(gè)過程產(chǎn)流速率變化過程曲線呈“幾”字形。匯水面積越大，產(chǎn)流速率穩(wěn)定時(shí)的峰值就越大；3.92 m2匯水面積產(chǎn)流速率峰值均在1 500 ml/min以上，最大超過2 000 ml/min，2.59 m2匯水面積產(chǎn)流速率峰值僅為300 ml/min左右，相差較大；同一匯水面積條件下，暴雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流速率穩(wěn)定時(shí)的峰值也越大。不同匯水面積產(chǎn)流歷時(shí)差異較大，匯水面積大，產(chǎn)流歷時(shí)長(zhǎng)；相同匯水面積，產(chǎn)流歷時(shí)隨暴雨強(qiáng)度和雨水口高度的增加而延長(zhǎng)。5種情況下的產(chǎn)流速率變化規(guī)律在120 min內(nèi)與它們各自的動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)變化規(guī)律是基本一致的。在120 min以后，周邊外來雨水徑流停止進(jìn)入下凹式綠地，產(chǎn)流速率迅速減小，減小后趨于平緩，此時(shí)產(chǎn)生的徑流主要來自于下凹式綠地土壤表面的水分下滲，并且下凹式綠地表面的水位是一個(gè)不斷下降的過程，產(chǎn)流速率也隨著不斷減小，最終停止產(chǎn)流。

圖2　不同雨水口高度對(duì)應(yīng)不同暴雨強(qiáng)度下的產(chǎn)流速率

3結(jié) 論

(1) 下凹式綠地對(duì)暴雨條件下產(chǎn)生的徑流有很好的削減作用。下凹深度10 cm，下凹式綠地面積比達(dá)到30%時(shí)，5 cm雨水口高度基本可以攔蓄3年和5年一遇暴雨；8 cm雨水口高度下凹式綠地對(duì)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為5和3 a的暴雨削減率為100%；雨水口高5 cm，對(duì)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期3年一遇的暴雨仍能完全攔蓄，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5 a場(chǎng)暴雨周邊外來雨水削減率為94.54%，場(chǎng)暴雨徑流系數(shù)為0.02。雨水口高度分別為8和5 cm 時(shí)，對(duì)于3年和5年一遇暴雨所產(chǎn)生的雨水徑流削減率均在40%以上，且兩種雨水口高度下削減作用差異不明顯，考慮綠地景觀以及植物水淹承受能力，5 cm雨水口高度設(shè)計(jì)較8 cm要更為合理。

(2) 綠地產(chǎn)流后動(dòng)態(tài)徑流系數(shù)先呈遞增趨勢(shì)，然后趨于穩(wěn)定。下凹式綠地比例為20%時(shí)，穩(wěn)定后的徑流系數(shù)均在0.90以上，此時(shí)下凹式綠地對(duì)徑流的削減作用很小。下凹式綠地所占比例為30%時(shí)，5 cm雨水口高度5年一遇設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)流量較小，徑流系數(shù)在0.30以下，下凹式綠地削減效果明顯。

(3) 下凹式綠地的產(chǎn)流速率變化過程曲線呈“幾”字形，徑流從雨水口進(jìn)入后，產(chǎn)流速率迅速增大，在外來雨水徑流停止進(jìn)入綠地后，綠地產(chǎn)流速率突然大幅減小。匯水面積越大，產(chǎn)流速率穩(wěn)定時(shí)的峰值就越大；同一匯水面積條件下，暴雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流速率穩(wěn)定時(shí)的峰值也越大。不同匯水面積產(chǎn)流歷時(shí)差異較大，匯水面積大，產(chǎn)流歷時(shí)長(zhǎng)；相同匯水面積，產(chǎn)流歷時(shí)隨暴雨強(qiáng)度和雨水口高度的增加而延長(zhǎng)。

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Runoff Reduction Effect of Sunken Lawn Under Different Designed Rainstorm Intensity in Beijing Area

ZHU Yongjie1， BI Huaxing1,2， CHANG Yifang1， HAI Xuan1

(1.CollegeofSoilandWaterConservation，BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China; 2.KeyLaboratoryofSoilandWaterConservationofStateForestryAdministration,BeijingForestryUniversity,Beijing100083，China)

Abstract：[Objective] This paper studied surrounding rainwater runoff of sunken lawn by calculating the dynamic runoff coefficient of runoff process and the runoff reduction rate. [Methods] The sunken lawn was artificial made to simulate their occupied area proportion, and the surrounding rainwater with different intensity was simulated. [Results] (1) 5 cm height designed gullies can intercept 3-year, 5-year recurred storm runoff basically when sunken lawn area ratio was 30%, and the runoff coefficients was 0.30 when it were stable; (2) When the sunken lawn area ratio was 20%, the lawn with 8 cm and 5 cm height gullies could reduce runoff rates of 3-year, 5-year recurrence storm over 40%, and the stabilized runoff coefficient was 0.90. The difference of reduction rate between the two designed gully-height lawns was not significant, and 5 cm height gullies design was more economically reasonable than the one with 8 cm gully; (3) The runoff rate from the lawn was a temporal unimodal curve. The peak flow rate was bigger and runoff duration was longer when the catchment area or the rainstorm intensity was greater. [Conclusion] Runoff reduction of sunken lawn was obvious, which was greater when the area ratio was higher.

Keywords:sunken lawn； rainstorm intensity； runoff coefficient

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0121-04

中圖分類號(hào)：S273.1

通信作者：畢華興(1969—),男(漢族),陜西省米脂縣人,博士,教授,主要從事水土保持、林業(yè)生態(tài)工程研究。E-mail:bhx@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-10-10修回日期：2014-11-22
資助項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)“城市地表徑流減控與面源污染削減技術(shù)研究”(2013ZX07304-001)
第一作者：朱永杰(1990—),男(漢族),江西省贛州市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榱謽I(yè)生態(tài)工程。E-mail:455710351@qq.com。