雨水花園對(duì)城鎮(zhèn)新建項(xiàng)目區(qū)徑流控制效果分析

王 鳳,彭秋偉，羅 強(qiáng)

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018；3.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430000)

我國目前正處于城市化快速擴(kuò)張時(shí)期，城區(qū)項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)規(guī)模較大。對(duì)于城鎮(zhèn)新建項(xiàng)目區(qū)雨水徑流的控制問題的研究迫在眉睫。《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》(試行)中提出城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)后要滿足一定年徑流總量控制率下場地徑流不外排。因此針對(duì)低影響開發(fā)(low impact development, LID)措施的建設(shè)對(duì)新建項(xiàng)目區(qū)徑流的控制效果以及在建設(shè)過程中要把握的尺度等有必要進(jìn)行量化探討。

由于LID措施中雨水花園對(duì)于削減雨水徑流有良好的效果[1-8]，以雨水花園這一滲透滯留措施為代表，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，利用RECARGA軟件對(duì)雨水花園的雨水滲透過程進(jìn)行模擬,設(shè)計(jì)一個(gè)符合研究區(qū)條件的雨水花園，并利用RECARGA模型模擬在不同頻率降雨下，雨水花園的入滲和產(chǎn)流過程，分析在滿足以年徑流控制率為控制目標(biāo)下，城鎮(zhèn)新建項(xiàng)目區(qū)中100 m2的雨水花園能夠控制1 000 m2的場地面積，保證徑流不外排。同時(shí)分析場地在建設(shè)雨水花園措施前后的徑流系數(shù)，探討雨水花園對(duì)城鎮(zhèn)新建項(xiàng)目區(qū)徑流量的控制效果。

1 研究區(qū)概況及設(shè)計(jì)暴雨

1.1 研究區(qū)概況

大崗鎮(zhèn)屬廣東省廣州市南沙區(qū)，位于珠江三角洲113°20′49″～113°33′10″E、22°43′44″～22°51′40″N，海拔10～300 m，為三角洲平原與丘陵地帶過渡區(qū)，第四系地層上層多為粉砂質(zhì)淤泥，局部地區(qū)為砂或淺風(fēng)化粘土；下層多為砂層，部分為粘性土[9]。研究區(qū)年平均降雨1 650 mm,降雨主要集中在汛期(每年4—9月)，多年平均氣溫為21.8℃,地下水位埋深1.5～3.0 m,地面高程在5.2～6.8 m之間(廣州高程)[9]。由于該地區(qū)地勢低平，區(qū)域內(nèi)河道眾多，暴雨期間極易產(chǎn)生內(nèi)澇災(zāi)害。

1.2 研究區(qū)設(shè)計(jì)暴雨

本文所用到的設(shè)計(jì)暴雨資料包括2 h短歷時(shí)暴雨和24 h長歷時(shí)暴雨。2 h短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過程根據(jù)廣州市短歷時(shí)暴雨公式推求，24 h長歷時(shí)暴雨過程根據(jù)研究暴雨資料，采用年最大值法選樣統(tǒng)計(jì)分析1 d降雨量，并利用P-Ⅲ型分布曲線進(jìn)行擬合得到。

1.2.1 長歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨推求

通過中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)下載廣州市1952—2011年的逐日降雨資料，采用年最大值選樣統(tǒng)計(jì)分析1 d降雨量，利用P-Ⅲ型分布曲線對(duì)其進(jìn)行擬合，得到廣州市1 d降雨頻率、均值、變差系數(shù)等分布數(shù)據(jù)，成果(見表1)。

表1 廣州市24 h不同頻率下的降雨量統(tǒng)計(jì)成果表

查《廣東省暴雨徑流查算圖表》[10]大崗鎮(zhèn)位于Ⅶ珠江三角洲分區(qū)Ⅶ1亞區(qū)，根據(jù)廣東省綜合單位線法[10]中滯時(shí)m1計(jì)算方法可推求流域滯時(shí)m1=1.4，1 h≤m1<2 h，故24 h設(shè)計(jì)暴雨以1 h、6 h為控制時(shí)段，時(shí)間步長Δt=1 h。查《廣東省水文圖集》[10]中廣東省年最大1 h、6 h點(diǎn)雨量均值等值線圖Ht，變差系數(shù)Cv等值線圖，Cs=3.5Cv,P-Ⅲ型曲線Kp，由H點(diǎn)=KpHt，H面=αH點(diǎn)，得設(shè)計(jì)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)(見表2)。

表2 研究區(qū)不同時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨

1.2.2 短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨推求

短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨推求根據(jù)廣州市市政排水2 h短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式，式(1)，結(jié)合芝加哥過程線法[11]通過計(jì)算得到1年一遇、2年一遇、3年一遇和5年一遇2 h的暴雨強(qiáng)度過程。

(1)

式中：q—設(shè)計(jì)暴雨雨強(qiáng)，L/(s·hm2)；

P—降雨重現(xiàn)期；

t—降雨歷時(shí)，min。

綜上所述，食品安全問題與人們的日常生活密不可分，直接影響著人們的健康和安全，強(qiáng)化動(dòng)物檢驗(yàn)檢疫是保證食品安全不可缺少的環(huán)節(jié)，對(duì)保障食品安全具有非常重要的作用。希望我國相關(guān)部門能加強(qiáng)動(dòng)物檢驗(yàn)檢疫的工作力度，加強(qiáng)監(jiān)督，嚴(yán)格控制好每個(gè)環(huán)節(jié)，減少食品安全問題的產(chǎn)生，從根本上提高動(dòng)物性食品的安全性，保障人們的生命健康與安全，促進(jìn)和諧社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。

2 RECARGA模型原理及建模參數(shù)設(shè)置

2.1 RECARGA模型原理

RECARGA由Wisconsin大學(xué)開發(fā)的用于評(píng)估雨水花園、生物滯留池等水力性能[12]。RECARGA模型設(shè)計(jì)了地表蓄水層、種植土壤層、儲(chǔ)水層(填料層)以及天然土壤基質(zhì)層，外加底層排水設(shè)施。降雨后，在雨水花園內(nèi)部以及周圍控制區(qū)域分別產(chǎn)生產(chǎn)流，周圍區(qū)域的徑流匯集流入雨水花園蓄水層通過種植土層、儲(chǔ)水層然后一部分雨水通過土壤基質(zhì)層入滲補(bǔ)給地下水，另一部分通過底層排水設(shè)施外排。該模型中以降雨為輸入條件，依據(jù)水量平衡方程分別計(jì)算溢出徑流量、排水設(shè)施排水量、補(bǔ)給地下水量等，模型結(jié)構(gòu)(見圖1)。下墊面狀況分為透水區(qū)域和不透水區(qū)域，對(duì)于透水區(qū)下墊面產(chǎn)流的計(jì)算RECARGA采用SCS水文模型，不透水區(qū)產(chǎn)流量等于降雨量減去蒸發(fā)量，由于研究區(qū)計(jì)算面積不大，且暴雨歷時(shí)段，故蒸發(fā)量不考慮。

圖1 RECARGA模型結(jié)構(gòu)圖

雨水花園蓄水層到種植土層間的入滲運(yùn)用Green-Ampt方程，種植土層、填料層以及天然基質(zhì)土壤間的水力特性用Van Genuchten非線性方程模擬。SCS水文模型、Green-Ampt模型及Van Genuchten非線性方程如式(2)-(6)。

Green-Amp模型將土壤下滲過程分為飽和階段和非飽和階段進(jìn)行計(jì)算，通過聯(lián)合達(dá)西公式和水量平衡方程求解得到飽和下滲速率f為：

(2)

式中：k—飽和導(dǎo)水率，m/s；

θs—飽和含水率，%；hs—下滲鋒面有效吸力，m；

θo—初始含水率，%。

采用該模型計(jì)算時(shí)，只需要輸入飽和導(dǎo)水率、初期含水率和下滲鋒面有效吸力。

SCS曲線模型參數(shù)簡單，應(yīng)用該模型只需要輸入一個(gè)參數(shù)CN值，在無資料的中小流域得到廣泛應(yīng)用，其計(jì)算公式為：

(3)

式中：Q—徑流量，m3/s；R—降雨量，mm；

S—水土保持參數(shù)，與土壤水力性能、土地利用類型等因素有關(guān)，可由CN求得，CN值由土壤結(jié)構(gòu)、坡度、濕潤狀況等綜合決定,S=25 400/CN-254。

Van Genuchten非線性方程如式(4)：

(4)

(5)

(6)

式中：θs—飽和含水率；θt—?dú)堄嗪剩?/p>

Se—相對(duì)飽和度；Ks—飽和導(dǎo)水率，m/s；

h—土壤中的負(fù)壓水頭，m；

α、n、m—均為孔隙尺寸參數(shù)。

2.2 雨水花園結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模參數(shù)

雨水花園的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮研究區(qū)土壤類型、地下水位埋深和土地使用情況等客觀因素，一個(gè)雨水花園應(yīng)具有良好的處理徑流污染物的能力，又要保證能入滲一定標(biāo)準(zhǔn)雨水以及通過底層設(shè)施排除多余雨水。

大崗鎮(zhèn)地處珠三角北部廣州市南沙區(qū)，海拔10～300 m，為三角洲平原與丘陵地帶過渡區(qū)。第四系地層上層多為粉砂質(zhì)淤泥，局部地區(qū)為砂或淺風(fēng)化粘土；下層多為砂層，部分為粘性土土壤為赤紅壤，其土壤容重ρB=1.3 g/cm3;土壤孔隙度P=40.6%；土壤含水率為16.4%；飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)為0.86 cm/h[14]。雨水花園其他土層土壤滲透系數(shù)參考《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》選取[15]。

雨水花園結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范主要參考相關(guān)書籍[16]，并考慮到地下水位埋1.5～3.0 m[9]。取雨水花園蓄水層15 cm、覆蓋層7 cm、種植土層30 cm、填料層60 cm、砂礫層5 cm、天然土壤層33 cm。模型計(jì)算中覆蓋層與種植土層作為同一土層處理，滲透系數(shù)為2.0 cm/h；填料層與砂礫層作為同一土層處理，滲透系數(shù)取2.5 cm/h。設(shè)置雨水花園面積為100 m2。雨水花園結(jié)構(gòu)圖(見圖2)。

圖2 研究區(qū)雨水花園結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3 不同設(shè)計(jì)暴雨下雨水花園產(chǎn)流量

RECARGA模型中將覆蓋層與種植土層作為同一土層處理，種植土層厚度為37 cm，滲透系數(shù)2.0 cm/h；填料層與砂礫層作為同一土層處理，填料層厚度為65 cm，滲透系數(shù)為2.5 cm/h。天然土壤層滲透系數(shù)為0.86 cm/h。分別計(jì)算在遭遇不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨下雨水花園產(chǎn)流量、總滯蓄量以及蓄水層水量充分入滲所需的時(shí)間，結(jié)果(見表3)。

表3 雨水花園模擬結(jié)果

通過模擬可知，對(duì)于雨水花園對(duì)于其面積內(nèi)100年一遇24 h的降水都能很好地滯蓄，而不產(chǎn)生徑流。這個(gè)結(jié)果參考雨水花園的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深度是合理的，因?yàn)橛晁▓@沒有考慮周圍的控制區(qū)域，故百年一遇24 h降雨的總雨量遠(yuǎn)小于雨水花園的深度。只是對(duì)于不同降雨，蓄水層的滯蓄水分的時(shí)間不同，參考相應(yīng)的雨水花園設(shè)計(jì)規(guī)范[15-18]，雨水花園蓄水層一般允許淹沒時(shí)間為48 h，故模擬結(jié)果符合雨水花園的設(shè)計(jì)要求。

4 城鎮(zhèn)新建項(xiàng)目區(qū)徑流控制分析

4.1 滿足年徑流控制率規(guī)劃目標(biāo)下雨水花園徑流控制效果分析

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》(試行)中提出城鎮(zhèn)開發(fā)后徑流排放量應(yīng)接近原先自然場地時(shí)的徑流排放量。一般情況下，自然場地按綠地處理，其年徑流總量外排率為15%～20%，故年徑流總量控制率最佳為80%～85%。年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系(見表4)。

表4 不同年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量

利用RECARGA模型計(jì)算，在年徑流控制率為85%時(shí)，100 m2的雨水花園最高能控制多少面積的新建城區(qū)而使場地在相應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量下徑流不外排。

研究區(qū)為廣州市大崗鎮(zhèn)，年徑流控制率為85%時(shí)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量為43.4 mm。研究區(qū)不透水面積率由實(shí)測資料可知為75%，參考相關(guān)文獻(xiàn)查的研究區(qū)下墊面CN值(見表5)。

表5 不同土地利用方式下CN值參考取值[17]

通過對(duì)RECARGA模型不斷試算得知，在年徑流控制率為85%時(shí)，100 m2雨水花園最大能控制1 000 m2新建項(xiàng)目區(qū)，使得該場地徑流不外排，結(jié)果(見表6)。

表6 100 m2雨水花園最大能控制1 000 m2場地徑流結(jié)果

4.2 不同重現(xiàn)期降雨下雨水花園的建設(shè)對(duì)綜合徑流系數(shù)的影響

由之前的計(jì)算可知100 m2的雨水花園在滿足年徑流總量控制率目標(biāo)下能控制1 000 m2的城鎮(zhèn)新建項(xiàng)目區(qū)雨水徑流。本節(jié)計(jì)算在1 000 m2項(xiàng)目區(qū)內(nèi)當(dāng)遭遇不同重現(xiàn)期降雨下雨水花園的建設(shè)對(duì)場地綜合徑流系數(shù)的影響，計(jì)算結(jié)果(見表7)。

表7 不同重現(xiàn)期降雨下雨水花園對(duì)綜合徑流系數(shù)影響

5 結(jié)論

綜上所述，雨水花園的建設(shè)能滿足海綿城市規(guī)劃中年徑流總量控制率的目標(biāo)，同時(shí)在遭遇2年一遇短時(shí)歷暴雨時(shí)，雨水花園可以有效地將研究區(qū)綜合徑流系數(shù)從0.61削減為0.36。而對(duì)于降雨重現(xiàn)期大于5 a以上的24 h暴雨，雨水花園對(duì)徑流系數(shù)的削減效果不太明顯，對(duì)于澇水的控制具有很大的局限性。這個(gè)結(jié)果由雨水花園的控制面積所決定。在城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治目標(biāo)中，根據(jù)研究區(qū)地理?xiàng)l件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等，其內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)是要求在遭遇20年一遇24 h時(shí)道路積水不超過15 cm。根據(jù)內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)，由表7的計(jì)算結(jié)果可知，1 000 m2新建項(xiàng)目區(qū)建設(shè)100 m2面積的雨水花園后遭遇20年一遇24 h暴雨是總產(chǎn)流量為21.3 cm，10年一遇24 h暴雨是總產(chǎn)流量為17.2 cm，與內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)已是非常接近了。通過RECARGA模型計(jì)算可知，100 m2的雨水花園能控制650 m2的區(qū)域，使得該區(qū)域產(chǎn)流量完全滿足內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)的要求。而在滿足年徑流控制率條件下100 m2的雨水花園能控制1 000 m2的區(qū)域，使得該區(qū)域在對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量下徑流不外排。

在區(qū)域建設(shè)中，通過建立低影響開發(fā)設(shè)施使得土地開發(fā)利用后的地表徑流量應(yīng)不超過原有地塊的徑流量。實(shí)現(xiàn)區(qū)域工程建設(shè)規(guī)劃與低影響開發(fā)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合控制區(qū)域徑流。同時(shí)，可根據(jù)城鎮(zhèn)區(qū)域?qū)嶋H地理及經(jīng)濟(jì)情況，建造由綠地、泛洪區(qū)、大型調(diào)蓄池、隧道、水系等蓄排水設(shè)施組成的大排水系統(tǒng)。大排水系統(tǒng)的建立主要針對(duì)城市超常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的暴雨(一般重現(xiàn)期為30～100 a)的安全排放，保證城市經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。