雨水控制利用措施對城市雨洪的影響

魏燕飛, 畢佳成

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.西安電子科技大學(xué),陜西 西安710726)

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雨水控制利用措施對城市雨洪的影響

魏燕飛1, 畢佳成2

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.西安電子科技大學(xué),陜西 西安710726)

以北京市某居民區(qū)為例,根據(jù)規(guī)劃基礎(chǔ)資料分析了研究區(qū)域的下墊面情況及雨水流程,設(shè)計了下凹式綠地、透水磚路面、調(diào)蓄池3種雨水利用措施的5種組合方案,通過Infoworks CS雨洪模型分別模擬計算重現(xiàn)期P=5,10,20 a的降雨事件下5種組合方案的洪峰、積水情況,對比模擬結(jié)果，分析3種雨水利用措施對雨洪控制的影響.計算結(jié)果表明:下凹式綠地流量峰值削減30.5%,徑流系數(shù)控制在0.6左右,相對于平式綠地，雨洪控制效果較好;調(diào)蓄池具有最好的延遲洪峰效果,但對積水削減作用較小;3種措施組合可使該區(qū)域內(nèi)澇標(biāo)準(zhǔn)由3 a一遇提高到5～10 a一遇.

雨水資源;雨水控制利用;城市雨洪;Infoworks CS;雨水利用措施

我國水資源時空上分布不均,城市水資源問題是制約城市發(fā)展的重要因素.隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快,城市缺水面積增大、用水供需矛盾凸顯、水環(huán)境惡化等一系列水問題逐漸成為人們關(guān)注的焦點[1].建筑物等不透水面積比例隨著城市不斷擴(kuò)張而逐年增大,城市遇到暴雨時徑流系數(shù)增大、匯流歷時減小,低標(biāo)準(zhǔn)的排水系統(tǒng)短時間內(nèi)無法完全排除雨水,低洼區(qū)域形成積水.另外,外排流量增大導(dǎo)致洪峰流量加大、洪峰提前,造成河水漫溢,局部出現(xiàn)洪澇,嚴(yán)重威脅社會發(fā)展和人民生活的安定[2],而雨水資源利用是解決上述水問題的有效途徑.

目前,國內(nèi)多數(shù)城市對雨水管理仍是以排除為主,雨水控制利用還未在城市規(guī)劃中大面積應(yīng)用.然而,雨洪管理理論在國外發(fā)達(dá)國家發(fā)展成熟,已經(jīng)建立了完善的技術(shù)措施和法律體系,例如美國提出的低影響開發(fā)(Low Impact Development,LID)的雨水管理體系,在美國、新西蘭等國家的工程實踐中得到廣泛認(rèn)可[3].鑒于此,有必要在吸取LID理念基礎(chǔ)上,采取符合我國國情的小型分散措施對雨水徑流進(jìn)行源頭控制,如綠色屋頂、透水性路面等.

隨著水文學(xué)、水力學(xué)的發(fā)展,利用雨洪模型研究雨洪過程和雨洪控制利用等問題,已成為人們關(guān)注的焦點,我國的一些學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的研究.劉金星等[4]建立了平原城市區(qū)域雨水地表徑流模型,采用圣維南方程計算地面徑流;張明亮等[5]建立了3種排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型,使用動力波法、非線性運動波法及改進(jìn)的馬斯京根法對雨水管網(wǎng)進(jìn)行模擬;晉存田等[6]采用SWMM模型對透水磚路面和下凹式綠地的排水管道的洪峰流量進(jìn)行了計算分析.

計算機(jī)模型基于物理機(jī)制，能夠?qū)ο鄳?yīng)的設(shè)計措施和計算分析以空間分布、時間上連續(xù)、可視化高效的方式進(jìn)行描述.因此,為了充分利用雨水資源緩解城市內(nèi)澇問題,使城市水文效應(yīng)恢復(fù)到開發(fā)前的狀況,筆者以北京市某居民區(qū)為研究對象,設(shè)計研究區(qū)的LID雨水利用措施(下凹式綠地、透水磚路面、調(diào)蓄池)方案,構(gòu)建Infoworks CS雨洪模型,計算和分析不同降雨事件下應(yīng)用各措施對洪峰削減和淹沒的影響,為城市防洪排澇、雨水利用規(guī)劃提供技術(shù)支撐.

1 Infoworks CS模型

20世紀(jì)90年代，SHE、SWAT等分布式水文模型在各國得到廣泛應(yīng)用,近20年來不斷有新的水文模型涌現(xiàn),各國學(xué)者在此基礎(chǔ)上集成3S技術(shù)和水動力模型開發(fā)出多種適合行業(yè)使用的計算機(jī)雨洪模型,演化為各版本商業(yè)化程序包.模型模擬已經(jīng)成為國外發(fā)達(dá)國家區(qū)域土地開發(fā)等建設(shè)項目立項的基本步驟,現(xiàn)在國內(nèi)常用的雨洪模型程序包有SWMM、Infoworks系列等[7-8].

真實的降雨徑流過程為降雨到達(dá)地面后進(jìn)行截留、填洼,降雨量超過填洼容積時產(chǎn)生徑流進(jìn)入排水系統(tǒng),剩余部分積水下滲回補(bǔ)地下水.Infoworks CS是降雨徑流和排水系統(tǒng)水力仿真模型,分為降雨模塊、產(chǎn)流模塊、匯流模塊、管道水力計算模塊、二維洪水模塊[9].產(chǎn)、匯流模塊集合國外多種分布式模型,如SWMM徑流模型、格林-安普特滲透模型等;管道水力模塊計算采用圣維南方程組求解,管道水流過程模擬接近真實的流動過程,計算精度優(yōu)于傳統(tǒng)以均勻流為基礎(chǔ)的推理公式法;二維洪水模塊求解二維淺水方程計算水深,能夠模擬地面積水的流動情況[10].通過節(jié)點連接一、二維模塊,模塊連接使用堰流公式迭代計算流量、水頭.二維模塊控制邊界為流量值,一維模塊每個步長的條件為水頭值.一、二維模塊的迭代計算彌補(bǔ)了單個一維模塊模擬積水過程的局限.各部分模塊相互聯(lián)系由同一時間序列引擎計算[11-12].

2 研究區(qū)模型建立

2.1 研究區(qū)概況

選取北京市某居民區(qū)為研究區(qū)域,該區(qū)屬于半濕潤大陸性氣候,多年平均降雨量556 mm,雨季為6—9月.該區(qū)總面積0.058 km2,區(qū)域內(nèi)有辦公樓、草坪、商業(yè)街區(qū)等,以居住為主導(dǎo)功能.屋頂、道路0.035 5 km2,占總面積的61.2%.綠地、透水磚路面0.022 5 km2,占總面積的38.8%,綠化面積所占比例為28.0%.雨水管線沿道路布設(shè),共有59條雨水管道,雨水口58個,出水口1個,設(shè)計重現(xiàn)期為3 a,管徑為300～900 mm,支管多為東西向,雨水通過雨水口、管道排入下游管渠，最終進(jìn)入周邊道路排水總管.規(guī)劃采用下凹式綠地、透水磚路面、調(diào)蓄池的措施提高該區(qū)雨水利用率,控制徑流系數(shù),減少積澇的發(fā)生,以獲得較好的社會、生態(tài)效益.

通過分析研究區(qū)下墊面和雨水流向確定了雨水流程,如圖1所示.屋頂雨水通過雨落管流入建筑物周邊散水區(qū)后進(jìn)入綠地入滲,道路凈雨排入雨水系統(tǒng),超滲的道路雨水流入兩側(cè)下凹式綠地下滲回補(bǔ)地下水,直至綠地中徑流匯入雨水系統(tǒng)的進(jìn)口中,雨水經(jīng)過蓄水池集蓄、削減洪峰后流至排水口排放.

規(guī)劃在區(qū)域東西側(cè)、道路周邊布置下凹式綠地，增加綠化面積改善生態(tài)環(huán)境.設(shè)計綠地高程低于路面10 mm,可利用下凹空間存儲雨水,并在綠地中設(shè)有雨水口,沿周邊道路布設(shè)透水磚路面,同時設(shè)置容積為600 m3的蓄水池,調(diào)節(jié)雨水流量峰值,減輕雨水管網(wǎng)和下游排放河道的水流負(fù)擔(dān).

圖1 研究區(qū)雨水流程

2.2 構(gòu)建模型流程

1)收集基礎(chǔ)資料.包括規(guī)劃設(shè)計資料、測繪資料,且資料中數(shù)據(jù)格式多樣,準(zhǔn)確性有待檢查.需通過數(shù)據(jù)整理修改錯誤數(shù)據(jù),刪除冗余數(shù)據(jù),應(yīng)用ArcGIS等工具轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式方便輸入模型.

2)現(xiàn)場勘查.包括對該區(qū)域的地形、排水系統(tǒng)、流域劃分等情況進(jìn)行實地調(diào)查,對比調(diào)整基礎(chǔ)資料中與實際不符的地方,為集水區(qū)概化和地形模型的建立提供實際參考.

3)建立雨水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).將雨水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡化后輸入模型,提取土地分類信息,基于地形和現(xiàn)場勘查情況劃分集水區(qū),選取產(chǎn)匯流及水力計算模型,檢查模型結(jié)構(gòu)是否有錯漏,對重要區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理.集水區(qū)和排水系統(tǒng)分布如圖2所示.

圖2 集水區(qū)和雨水系統(tǒng)的分布情況

4)通過降雨事件對模型進(jìn)行試模擬.用軟件診斷工具找出模型可能存在的問題并修正;模擬完成后對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和分析,對比各方案的實施效果,實現(xiàn)排水系統(tǒng)和雨水規(guī)劃方案的優(yōu)化改進(jìn).

2.3 模型參數(shù)的確認(rèn)

Infoworks CS模型有3類參數(shù):①不可調(diào)、可獲取的參數(shù),從部分基礎(chǔ)資料中提取,一經(jīng)確認(rèn)不能更改,如管徑、管線坡降等;②可調(diào)默認(rèn)參數(shù),該參數(shù)是模型軟件默認(rèn)的參數(shù),一般不需要調(diào)整,如節(jié)點容許深度比例,最少計算節(jié)點個數(shù)等;③需要建模者確定的參數(shù),主要包括管道糙率、產(chǎn)匯流參數(shù)等,這部分參數(shù)根據(jù)研究區(qū)域物理機(jī)制,按照《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50400—2006)、《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2006)等技術(shù)規(guī)范和模型操作手冊確定[13-14].

根據(jù)技術(shù)規(guī)范和實際情況,該區(qū)域土地分為透水區(qū)和不透水區(qū).透水區(qū)包括綠地、透水磚路面;不透水區(qū)包括建筑物屋頂、瀝青混凝土路面.不透水區(qū)采用的產(chǎn)流模型為Fixed徑流模型,該模型徑流系數(shù)采用固定值.透水區(qū)產(chǎn)流采用霍頓(Horton)入滲模型,該模型使用滲透率隨時間呈指數(shù)減小的經(jīng)驗公式[15]進(jìn)行計算,要確定的參數(shù)為洼蓄量、初滲率、穩(wěn)滲率、衰減率.匯流模型選取非線性水庫模型,需輸入曼寧方程的曼寧系數(shù)等參數(shù).依據(jù)不同土地性質(zhì),對應(yīng)模型操作手冊中的取值確定以上參數(shù),模型參數(shù)取值見表1.

表1 產(chǎn)匯流模型參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

基于北京市典型實測降雨資料,采用同頻率放大的方法推求重現(xiàn)期為P=5,10,20 a的24 h降雨雨型即降雨過程線.設(shè)計日降雨的降雨峰值在17:00,P=5,10,20 a的累計降雨量分別為:142.2,202.5,254.8 mm.降雨過程如圖3所示.

為了分析不同雨水利用措施的效果,對下凹式綠地、透水磚、蓄水池進(jìn)行組合,分別模擬3種設(shè)計降雨事件下5種方案措施的雨洪控制利用效果.雨水控制利用方案措施為:①平式綠地;②平式綠地重新設(shè)置為下凹式綠地;③平式綠地,鋪設(shè)透水磚路面;

④調(diào)蓄池、下凹式綠地;⑤透水磚路面、蓄水池、下凹式綠地.模擬結(jié)果見表2,表中的流量峰值為管網(wǎng)出口流量峰值,最大深度為主干道積水最深值.

圖3 歷時24 h降雨過程

表2 不同重現(xiàn)期降雨及各方案措施模擬結(jié)果

方案措施流量峰值/(m3/s)P=5aP=10aP=20a徑流系數(shù)P=5aP=10aP=20a流量峰值出現(xiàn)時間P=5aP=10aP=20a最大積水深/mP=5aP=10aP=20a①0．871．081．170．650．720．7717：0717：0617：06192529②0．640．860．950．520．590．6417：1017：0817：08142125③0．690．901．000．540．620．6517：0717：0617：06152327④0．610．810．890．500．560．6117：0717：0617：06121824⑤0．560．760．830．470．510．5617：1117：0817：0881522

由表2可以看出:①綠地由平式改為下凹式,各重現(xiàn)期降雨條件下,下凹式綠地的流量峰值、徑流系數(shù)均比平式綠地有大幅度的減??；3種降雨事件下最大削減幅度為:徑流系數(shù)降低22.2%,峰值削減30.5%,積水深下降28.6%；下凹式綠地有一定的下凹深度,洼蓄量較平式綠地高,攔蓄、削峰的效果更好;②5 a一遇降雨,平式綠地增設(shè)透水磚鋪裝路面后峰值削減23.1%,徑流系數(shù)降低18.4%;隨著降雨重現(xiàn)期的減小，透水磚、下凹式綠地措施作用下峰值、徑流系數(shù)和積水深降低幅度增大,透水磚和下凹式綠地通過滲透降低徑流量,大重現(xiàn)期降雨時土壤很快達(dá)到飽和,因此當(dāng)P=5 a時透水磚和下凹式綠地措施的雨洪利用效果最好;③下凹式綠地增設(shè)蓄水池延遲了峰值出現(xiàn)的時間，3種降雨情況下徑流系數(shù)下降幅度穩(wěn)定,這是因為蓄水池利用固定容積調(diào)節(jié)雨洪,遇到小頻率降雨,調(diào)洪能力有一定的限制;相對其他雨水利用措施,修建蓄水池對道路積水的影響不顯著,造成積水的主要因素是地勢的高低、雨水口位置的布設(shè);④徑流系數(shù)隨著降雨重現(xiàn)期增大而增大,對5種方案各項結(jié)果進(jìn)行對比,3種措施共同施用時削峰43.4%,徑流系數(shù)在0.5左右,雨洪控制利用效果最明顯,達(dá)到了低影響開發(fā)的目的;⑤該區(qū)域3種措施分別組合時,5 a一遇降雨積水深均小于15 cm;3種措施共同應(yīng)用時5 a一遇降雨基本無積水,10 a一遇時主干道局部積水,積水深15 mm,積水歷時21 min.

4 結(jié) 語

1)基于城市基礎(chǔ)排水設(shè)施,應(yīng)用低影響開發(fā)(LID)雨水利用措施是解決城市水多、水少問題的經(jīng)濟(jì)、有效的方法,具有較高的生態(tài)效益,符合我國現(xiàn)階段的基本國情.

2)為了研究北京市某居民小區(qū)設(shè)置雨水控制利用措施后對該區(qū)域雨洪的影響,在雨水排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了3種雨水利用措施的5種組合方案.

3)應(yīng)用Infoworks CS模型模擬分析實施各方案的雨洪控制利用效果.結(jié)果表明:下凹式綠地、調(diào)蓄池、透水磚均可控制徑流系數(shù),削減外排流量峰值;透水磚、下凹式綠地措施在小降雨重現(xiàn)期時徑流削減效果較好.

4)3種雨水利用措施組合應(yīng)用,研究區(qū)的積澇標(biāo)準(zhǔn)由原來3 a一遇達(dá)到5 a一遇;在不同降雨條件下,3種雨水利用措施同時應(yīng)用的雨洪控制利用效果均為最優(yōu),將研究區(qū)的積澇標(biāo)準(zhǔn)提升至10 a一遇.

[1]張運超,徐慧,蔡濤,等.基于低影響開發(fā)模式的雨水利用分析[J].水電能源科學(xué),2012,30(3):38-41.

[2]潘安君,張書函,孟慶義,等.北京城市雨洪管理初步構(gòu)想[J].中國給水排水,2009,25(22):9-12.

[3]陳南祥,賀新春,邱林,等.城市雨水資源化徑流模型研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2004,25(4):5-8.

[4]劉金星,邵衛(wèi)云.城市區(qū)域雨水地面徑流模擬方法探討[J].水利學(xué)報,2006,37(2):184-188.

[5]張明亮,沈永明,沈丹.城市小區(qū)雨水管網(wǎng)非恒定數(shù)學(xué)模型的對比研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2007,26(5):90-85.

[6] 晉存田,趙樹旗,閆肖麗.透水磚和下凹式綠地對城市雨洪的影響[J].中國給水排水,2010,26(1):40-46.

[7]王海潮,陳建剛,張書函,等.城市雨洪模型應(yīng)用現(xiàn)狀及對比分析[J].水利水電技術(shù),2011,42(11):10-13.

[8]周建華,李文濤,隋軍,等.水力模型在城市排水管網(wǎng)改設(shè)計中的應(yīng)用[J].給水排水,2013,39(5):106-110.

[9]劉志生,李晶,崔凱,等.基于ArcGIS與Infoworks的城市排水系統(tǒng)模擬研究[J].中國給水排水,2013,29(21):144-147.

[10]仇勁衛(wèi),李娜,程曉陶,等.天津市城區(qū)暴雨瀝澇仿真模擬系統(tǒng)[J].水利學(xué)報,2000(11):35-42.

[11]Artina S,Bolognesi A,Liserra T,et al.Simulation of a storm sewer network in industrial area:Comparison between models calibrated through experimental data[J].Environmental Modelling and Software,2007,22(8):1221-1228.

[12]Hossein mahdizadeh,Peter K Stansby,Benedict D Rogers.Flood wave modeling based on a two-dimensional modified wave propagation algorithm coupled to a full-pipe network solver[J].Journal of Hydraulic Engineering,2012,138:247-259.

[13]中國建筑設(shè)計研究院.GB 50400—2006 建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[14]上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司,北京市市政工程設(shè)計研究總院.GB 50014—2006室外排水設(shè)計規(guī)范(2014年版)[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[15]任楊俊,李建牢,趙俊俠,等.國內(nèi)外雨水資源利用研究綜述[J].水文,2000,14(1):89-92.

(責(zé)任編輯:喬翠平)

Impacts of Rainwater Control and Utilization Measures on Urban Stormwater

WEI Yanfei1, BI Jiacheng2

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2.Xi'an Electronic and Science University, Xi'an 710726, China)

Taking a residential district of Beijing as an example, we analyzed underlying surface and rainwater flow in the study area according to the planning basic data, then designed five combination schemes containing three kinds of rainwater utilization measures, such as sunken lawn, water-permeable brick pavement and storage pond, through Infoworks CS stormwater model, we simulated and calculated the flood peaks and waterlogging conditions under three rainfall events of recurrence intervalP=5 years, 10 years, 20 years. After comparing the simulated results, we analyzed the influences of three kinds of rainwater utilization measures on stormwater control. The results show that the peak flow of sunken lawn decreases 30.5%, the runoff coefficient is controlled at about 0.6, the effect of stormwater control of sunken lawn is better than that of flat green, the storage pond has best effect of delaying flood peaks, but has little effect on reducing waterlogging. The combination schemes of three kinds of measures increase the waterlogging standard from once in 3 years to once in 5～10 years.

rainwater resources; control and utilization of rainwater; urban stormwater; Infoworks CS; rainwater utilization measures

2014-11-22

魏燕飛(1989—),女,河南南陽人,碩士研究生,主要從事水文及水資源方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.003

TV122.1

A

1002-5634(2015)01-0012-04