海綿城市年徑流總量控制率分解方法探討研究

趙軼群,黃會斐,周佳恒,陳南堯

(1. 浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310023；2.浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 杭州 310030；3.浙江省杭州第二中學(xué),浙江 杭州 310053)

1 研究背景

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣,在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害方面具有良好的“彈性”,其本質(zhì)是要科學(xué)地考慮城市生態(tài)需求并改善城市的水循環(huán)過程,讓水在城市的遷移、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)換等過程中更加“自然”,下雨時下墊面能有效地吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時又可適當?shù)倪w移和轉(zhuǎn)化,將蓄存的水“釋放”并加以利用。

在“源頭減排、過程控制、末端處理”的海綿城市建設(shè)全過程中,雨水的滲、滯、蓄、凈、用等綜合效益,主要依托對降雨的體積控制來實現(xiàn),體現(xiàn)在年徑流總量控制率這一核心指標中[1]。年徑流總量控制率可通過日降雨量統(tǒng)計分析,折算到設(shè)計降雨量：根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中國地面國際交換站氣候資料數(shù)據(jù),選取至少近30年(反映長期的降雨規(guī)律和今年氣候的變化)日降雨(不包括降雪)資料,扣除小于等于2 mm的降雨事件的降雨量,將降雨量日值按雨量由小到大進行排序,統(tǒng)計小于某一降雨量的降雨總量(小于該降雨量的按真實雨量計算出降雨總量,大于該降雨量的按該降雨量計算出降雨總量,兩者累計總和)在總降雨量中的比率,此比率(即年徑流總量控制率)對應(yīng)的降雨量(日值)即為設(shè)計降雨量[2]。準確地分解年徑流總量控制率指標,是指導(dǎo)下一階段海綿城市建設(shè)的必要條件。

2 海綿設(shè)施選擇

為了建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市,2014年10月,住建部發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》。在此基礎(chǔ)上,浙江省于2016年1月發(fā)布了《浙江省海綿城市規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》,進一步指導(dǎo)海綿城市建設(shè)。因此,浙江省住建廳響應(yīng)國家和省政府的政策,積極開展海綿城市專項規(guī)劃和示范區(qū)建設(shè)等相關(guān)工作。

本次研究的小區(qū)是麗水市遂昌縣專項規(guī)劃的一部分內(nèi)容。遂昌縣境氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)類型,冬冷夏熱,四季分明,雨量充沛,空氣濕潤,山地垂直氣候差異明顯,全年平均氣溫為16.8℃,年降水量為1 510 mm。該小區(qū)位于遂昌縣城區(qū)葉坦區(qū)塊,研究區(qū)域的規(guī)劃總面積為26 640 m2。其中綠化面積為7 992 m2,占總用地面積的30%；建筑用地面積為8 375 m2,占總用地面積的31.4%。

具體的試建型區(qū)域分析需針對各項LID措施的結(jié)構(gòu)特征,分析其布局限制因素,并結(jié)合區(qū)域基礎(chǔ)條件,評價各措施的適建性,從而尋求最優(yōu)的規(guī)劃方案[3]。

建筑與小區(qū)海綿城市的建設(shè)主要考慮對徑流總量和徑流峰值等的削減,因此在充分考慮地形地貌和實施合理性的情況下,采取雨水徑流污染控制模式和雨水滲透減排模式,在該小區(qū)設(shè)置下凹式綠地、雨水花園、滲透鋪裝、綠色屋頂四類LID措施。

設(shè)置綠化面積的20%為下凹式綠地和雨水花園,增加雨水滲入量,凈化雨水,控制雨水面源污染。

小區(qū)內(nèi)部設(shè)置集中式綠化帶,滿足自身面積范圍內(nèi)設(shè)計降雨量的收集和下滲,側(cè)石正常設(shè)置,側(cè)石內(nèi)側(cè)的耕植土表面應(yīng)低于側(cè)石頂面標高30～50 mm,土體表層覆蓋碎石、卵石等水土保持措施；同時,在道路側(cè)設(shè)置綠化帶,收集和下滲機動車道范圍內(nèi)徑流雨水。

小區(qū)內(nèi)人行道、廣場、地面停車場按70%面積設(shè)置滲透鋪裝,在透水基層下設(shè)置排水溝渠或排水管,將滲透的雨水轉(zhuǎn)輸?shù)降叵掠晁篮拖掳际骄G地等[4],以達到其轉(zhuǎn)輸雨水，減小基地綜合徑流系數(shù)，降低地表徑流的目的。其中,人行道路、廣場、地面停車場總面積為4 826 m2，占總道路面積的37%。

3 人工測算方法

3.1 匯水分區(qū)劃分

綜合該建筑小區(qū)總平面圖及景觀方案,依據(jù)地形標高及雨水管網(wǎng)布局等信息劃分排水分區(qū),并針對各個分區(qū),因地制宜地布置低影響開發(fā)設(shè)施。每一個分區(qū)都是一個獨立的目標核算單元。最后,共劃分35個匯水分區(qū)。

3.2 設(shè)施規(guī)模計算

低影響開發(fā)設(shè)施以徑流總量和徑流污染為控制目標進行設(shè)計時,設(shè)施具有的調(diào)蓄容積一般應(yīng)滿足“單位面積控制容積”的指標要求。一般采用容積法計算[2]每個分區(qū)的設(shè)計調(diào)蓄容積：

V=10HφF

(1)

式中：V為設(shè)計調(diào)蓄容積，m3；

H為設(shè)計降雨量,按1h降雨量考慮，mm；

φ為綜合雨量徑流系數(shù),可按照表1進行加權(quán)平均計算；

F為匯水面積，hm2。

表1 徑流系數(shù)

由此可以得出,該小區(qū)各個區(qū)塊的綜合雨量徑流系數(shù)：

φ綜合=[φ綠地F綠地+φ綠色屋頂F綠色屋頂+φ建筑(F建筑-F綠色屋頂)+φ鋪裝F鋪裝+(F道路-F鋪裝)φ道路]/F總面積

代入表1中數(shù)據(jù),得出：φ綜合=0.56。分區(qū)圖見圖1,各個分區(qū)具體情況見表2。

圖1 小區(qū)分區(qū)情況示意圖

表2 海綿設(shè)施布設(shè)一覽表

該小區(qū)室外設(shè)置雨水調(diào)蓄池,調(diào)蓄池容積等價于各個區(qū)塊調(diào)蓄容積之和,故V調(diào)蓄池=276.5 m3。

設(shè)計的年徑流總量控制率可達73.5%,基本能夠滿足新建小區(qū)管控設(shè)計目標要求。

4 構(gòu)建SWMM模型

4.1 SWMM模型系統(tǒng)

SWMM模型是美國環(huán)境保護局開發(fā)的一款暴雨管理模型,在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于城市地區(qū)暴雨洪水、合流制下水道、排污管道以及其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設(shè)計。分析研究區(qū)域的雨水管線資料,對該小區(qū)進行模型概化,概化原則如下：

1)根據(jù)該小區(qū)的規(guī)劃圖、施工圖等相關(guān)資料對子匯水面積進行劃分,子匯水區(qū)產(chǎn)生的徑流就近排入雨水管道。

2)結(jié)合地形地貌,將所采取的各項LID設(shè)施面積分塊布置到各匯水區(qū)中。

3)只考慮將小區(qū)內(nèi)鋪設(shè)的主干管納入概化的雨水排水系統(tǒng)。

4)由于只研究該小區(qū)情況,故假定各子匯水區(qū)降雨強度相同。

綜上所述,結(jié)合該小區(qū)的CAD設(shè)計圖紙和SWMM建模要求,將該研究區(qū)域分為35個匯水分區(qū),21個節(jié)點,21條管道以及3個排放口,具體見圖2。

圖2 建筑與小區(qū)SWMM模型概化

4.2 模型參數(shù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本研究基于SWMM模型設(shè)計的低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)模型所涉及參數(shù)較多,包括子匯水區(qū)的面積、坡度、不透水率、洼地需水量、各類LID參數(shù)的設(shè)置等,另有一部分參數(shù)是模型運算過程中衍生出的一些參數(shù)。結(jié)合SWMM用戶手冊及相關(guān)參考文獻[5-6]取推薦值,最終參數(shù)見表3。

4.3 降雨情況

根據(jù)《城市暴雨強度公式編制和設(shè)計暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》中推薦的短歷時雨型,由于芝加哥雨型的降雨強度過程容易模擬,降雨峰值不受降雨歷時的影響,對資料的要求較低,故采用其作為本研究的設(shè)計雨型。收集相關(guān)資料,得出遂昌縣的暴雨強度公式如下：

表3 模型參數(shù)選取

(2)

式中：i為暴雨強度,mm/min；

P為重現(xiàn)期,年；

t為降雨歷時,min。

根據(jù)公式(2),選取6種重現(xiàn)期0.5、1、2、3、5、10。市政雨水系統(tǒng)的匯水面積相對較少,為了與人工測算方法中降雨時間保持一致,設(shè)置降雨歷時為1 h,并選取雨峰系數(shù)r=0.4(暴雨強度最大時),以時間步長為5 min,得到設(shè)計暴雨強度數(shù)據(jù)見表4。

表4 遂昌縣不同重現(xiàn)期1 h降雨量

根據(jù)遂昌縣的暴雨強度公式和芝加哥雨型計算公式對1 h降雨數(shù)據(jù)以5 min為步長進行離散,具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 不同重現(xiàn)期1h降雨強度變化

4.4 模擬結(jié)果

年徑流總量控制率的評估,根據(jù)該居住小區(qū)雨水系統(tǒng)模型在不同重現(xiàn)期下,總降雨量和地表徑流的情況,根據(jù)公式(3)可得,具體情況見表6。

(3)

表6 不同重現(xiàn)期下年徑流總量控制率情況

4.5 徑流總量分析

通過SWMM軟件模擬,結(jié)合表6可以看出：隨著重現(xiàn)期的增大,降雨量、儲水量和徑流量都在增大。當重現(xiàn)期大于1年之后,儲水量增加緩慢,逐漸接近穩(wěn)定值；這說明土壤逐漸接近飽和狀態(tài),設(shè)置的各種LID措施所能存儲的水量達到了峰值。同時,隨著重現(xiàn)期的增大,徑流系數(shù)也逐漸增大,這表明盡管設(shè)置了LID措施,但是當它面臨暴雨或者更為嚴峻的降雨情況時,它所能起到的作用不大。

5 兩種方法對比分析

通過比對不同重現(xiàn)期下人工測算方法和SWMM軟件模擬情況(圖3、圖4),發(fā)現(xiàn)當暴雨重現(xiàn)期為0.5年的時候,年徑流總量控制率分別為73.5%和74.9%,較為接近；暴雨重現(xiàn)期為1年時,SWMM軟件模擬值為65.8%,與人工測算相比減少了10.5%。而隨著暴雨重現(xiàn)期的增大,SWMM模擬得出的年徑流總量控制率逐漸下降,與人工測算方法計算偏差也越來越大,當暴雨重現(xiàn)期為10年時,比人工測算減少了36.7%。因此,當建立某一區(qū)域低重現(xiàn)期的情況時(P≤0.5年),兩種方法均可用于年徑流總量控制率的計算；中高重現(xiàn)期情況下(P≥1),SWMM軟件模擬得出的年徑流總量控制率更符合實際。

圖3 不同重現(xiàn)期下人工測算與SWMM軟件模擬年徑流總量控制率

圖4 不同重現(xiàn)期下SWMM軟件模擬與人工測算相差值

人工測算方法計算區(qū)域內(nèi)年徑流總量控制率時,側(cè)重于整體計算。而SWMM模擬區(qū)域內(nèi)情況時,則側(cè)重于所采取的各項LID情況,如輸入的下凹式綠地模塊,需結(jié)合當?shù)赝寥佬再|(zhì)、滲透情況、徑流情況等,需要更為詳盡準確的基礎(chǔ)地型資料。

6 結(jié) 語

在分析遂昌縣某小區(qū)海綿城市建設(shè)的情況下,運用人工測算和SWMM軟件模擬兩種方法進行對比，得出的適用條件如下：

1)對于一個大的匯水分區(qū)情況,當需要詳細劃分各個子區(qū)塊的年徑流總量控制率時,且基礎(chǔ)資料詳實(下墊面情況、綠化、土壤情況等),建議選用SWMM軟件模擬,可以得到更為精確的數(shù)值。

2)理想狀態(tài)下,年徑流總量控制目標主要通過控制頻率較高的中、小降雨事件來實現(xiàn)。對于低重現(xiàn)期情況(P≤0.5),兩種方法均能得出較為接近的年徑流總量控制率；中高重現(xiàn)期情況下(P≥1),SWMM軟件模擬得出的年徑流總量控制率更符合實際。