低洼绿地对降低城市径流深度、径流系数的效果分析

蔡剑波 ，林 宁 ，杜小松 ，冯云刚

（1.广州市市政工程设计研究院，广东广州510060；2.惠州市气象局，广东惠州516001）

1 概述

近三十年来中国城市化进展发展很快，原来为农田、林地的郊区不断转变为道路、广场、商住楼等城市用地，雨水径流系数随之迅速加大，由于原有排水系统设计重现期较低（多为1～2 a）负荷能力有限，瓶颈多，因此在城市低洼区域容易造成“落大雨，水浸街”的内涝现象。目前提高城市防涝能力的办法主要为增加排涝能力，即通过拓宽河道、扩建雨水管网及排涝泵站等建设工程提高排水重现期标准，缓解了城市水涝危害。但上述方式是在汇流形成后采用的疏导、补救工程措施，存在投资大、维护成本高、占用道路地下空间大，且对城市交通干扰大等问题。近年来兴起的城市湿地、水面率标准、低洼绿地等雨洪资源利用的趋势，则是一种从源头上治理城市水涝问题的办法。通过从降雨到汇流的过程中降低径流的办法以有效减轻城市水涝危害，同时对改善水质、增加地下水补给都有所裨益。由于城市用地的日趋紧张，难以大规模增加水面，而通过对城市既有绿地的改造或者新建低洼绿地则是更具可操作性减涝方法。

本文针对低洼绿地对降低城市径流深度、径流系数的效果进行了分析，以期说明即使绿化率较高的城区，在短期强降雨条件下的径流系数仍然较高，而低洼绿地可以明显降低径流深度和径流系数。

2 用地概化及径流系数

根据国家标准《城市建设用地分类与规划建设用地标准》（GBJ137-90），我国的城市用地可分为居住、公共设施、道路广场、绿地等10大类，为简化起见，本文将用地概化为三类进行分析研究：绿地G（包括公园、小区、学校、道路中绿化地带）、道路及广场S、构筑物RCU（包括居住R、公共设施C、市政公用U用地等）。广州某研究规划区这三类用地比例见图1。

图1 综合径流系数加权计算公式（普通绿地）

三类用地的径流系数分别为ψG=0.2；ψS=0.9；ψRCU=0.75。采用加权平均法计算得到研究区综合径流系数公式：

概化后的研究区综合径流系数为0.595，与城市水文计算中综合径流参数取值相比略低（一般取 0.65～0.8）。

实际上，各类下垫面的截流深度虽然会随降雨强度不同有所变化，但不应是简单的线性变化，而采用相对稳定的截流深度更合理。以广州2 a一遇1 h降雨强度54.6 mm估算上述下垫面的截流深度（即总损失量）分别为。

绿地截流深度：IG=54.6×(1-0.2)≈43 mm（初损+下渗）

道路广场截流深度：IS=54.6×(1-0.9)≈5 mm（路面不平及管沟滞水）

构筑物截流深度：IRCU=54.6×(1-0.75)≈13 mm（局部不平及管沟滞水）

因此，综合径流深度、径流系数又可以进一步表达为降雨量的函数（H为降雨量）：

根据上式，可以得到径流深度和径流系数随降雨量增加而上升的关系，这应当比固定径流系数的计算方法更合理。

3 降雨历时和雨量

城区雨水具有流程短，汇流速度快的特点，形成短时间汇流，所选用的降雨历时往往也较短。因此，不同于水利河道防洪计算中所采用的6 h（h为小时，下同）、24 h甚至72 h的长历时降雨过程，在城市水文学计算中所采用的降雨历时一般不超过6 h。根据广州城区暴雨水浸街的报导和实地走访调查，0.5～1 h左右的短历时2 a一遇强降雨（注：老城区排水管网设计重现期一般为1 a）容易造成水浸街，一般2～3 h后才能退水，因此，本文选择1 h降雨历时进行分析。

由于暴雨强度公式计算重现期较低（一般为0.25～10 a），排水系统运行过程中必然会遇到超标准甚至稀遇暴雨，为扩展分析较高降雨标准情况，故以水文图集查算方法计算暴雨量为主。根据广东省水文总站2003年编制的《广东省水文图集》，查出本流域各历时暴雨均值Ht、变差系数Cvt，用Cs=3.5Cv皮尔逊Ⅲ型曲线，算得P=1%、2%、5%、10%、20%及50%六种频率各历时点暴雨量。相应频率的设计暴雨量参数（点暴雨）成果见表1。

表1 各频率暴雨量计算成果表

（注*：采用暴雨强度公式计算结果，在低重现期时与图集查算结果较接近，高重现期时偏小。）

4 低洼绿地深度

城区低洼绿地深度一般不超过150 mm，否则高差过大，积水比过深。本文取0 mm、20 mm、50 mm、80 mm、100 mm、120 mm共6个不同数值的低洼绿地平均下凹深度分别计算分析对降低径流深度、径流系数的影响，以期获得深度和效果的有效契合点。

5 产流计算分析

径流为毛雨扣除入渗和洼地积水后的产流，其他因素如：植物枝叶截留、蒸发等一般很小，可忽略不计，土壤初期入渗量与前期降雨量有关，如前期土壤较湿则该值亦较小，对径流影响不大。

不同下凹深度低洼绿地条件下，径流深度和径流系数简化公式如下：

式中：Rd为径流深；ψd为径流系数；H为降雨量，mm；d为低洼绿地平均下凹深度，mm。

径流深度、径流系数与绿地下凹深度关系见表2。径流深、径流系数与绿地下凹深度关系见图2、图 3。

表2 径流深度、径流系数与绿地下凹深度关系表(降雨量为1h雨量)

图2 径流深与绿地下凹深度关系

图3 径流系数与绿地下凹深度关系

5.1 低洼绿地深度对径流深度的影响

当绿地深不小于100 mm的条件下：

50 a一遇（P=2%）1 h降雨径流深相当于不设置低洼绿地10 a一遇（P=10%）数值，约为70 mm；

20 a一遇（P=5%）1 h降雨径流深相当于不设置低洼绿地5 a一遇（P=20%）数值，约为55 mm；

10 a一遇（P=10%）1 h降雨径流深相当于不设置低洼绿地2 a一遇（P=50%）数值，约为35 mm；

2 a一遇（P=50%）1 h降雨甚至可以不产生溢流。

可见不小于100 mm的低洼绿地可以将径流深所对应的降雨频率提高1～2个标准级，显著降低汇流量，削减洪峰流量。

5.2 低洼绿地深度对径流系数的影响

当绿地深不小于100 mm的条件下：

20 a一遇（P=5%）1 h降雨径流系数由不设置低洼绿地时的0.8降低至0.5；

10 a一遇（P=10%）1 h降雨径流系数由不设置低洼绿地时的0.77降低至0.4；

5 a一遇（P=20%）1 h降雨径流系数由不设置低洼绿地时的0.72降低至0.3以下；

2 a一遇（P=50%）1h降雨径流系数由不设置低洼绿地时的0.61降低至0.0。

可见不小于100 mm的低洼绿地可以将径流系数降低0.3～0.4左右，显著降低汇流比例，削减洪峰流量。

5.3 相同绿地下凹深度条件下，不同降雨量，径流系数的变化

值得注意的是，未设置低洼绿地时（即表2中第3列绿地下凹深度为0 mm），在2 a一遇（即城市排水常用标准）条件下，径流系数取值为0.61，20 a一遇（城市河涌防洪排涝常用标准）计算时，径流系数已上升至0.8。上述变化表明，当采用较高排水标准时，应当适当提高径流系数的取值。随着绿地下凹深度的加大，不同降雨量之间径流系数的变化也在加大，如：

绿地下凹深度为0 mm时，2～20 a一遇1 h径流系数从0.61加大至0.8，变化幅度为0.19；

绿地下凹深度为20 mm时，2～20 a一遇1 h径流系数从0.48加大至0.73，变化幅度为0.25；

绿地下凹深度为50 mm时，2～20 a一遇1 h径流系数从0.29加大至0.63，变化幅度为0.34；

绿地下凹深度为80 mm时，2～20 a一遇1 h径流系数从0.09加大至0.54，变化幅度为0.45；

绿地下凹深度为100 mm时，2～20 a一遇1 h径流系数从0.00加大至0.47，变化幅度为0.47。

可见设置低洼绿地后，特别是随着绿地下凹深度的加大，不同降雨量条件下，径流系数的变化幅度不断加大。

6 导入、溢流与入渗

低洼绿地往往设计成中央下凹深度较大100～150 mm，边缘接顺周边标高的形式，既可以成片设置，也可以利用道路中央绿化带、路侧绿化带及小区周边绿化设施改造而成，以便于就近引入收集不透水的路面、屋面的雨水。位于斜坡的绿地则可波浪状围垄坡面，以尽量蓄滞雨水。

雨水填满低洼绿地后，通过设置在绿地内的雨水井口溢流进雨水管网系统。

除溢流外，为保证绿地积水在一定时间内可以排走，尚需要考虑渗透排水。从园林方面考虑，绿地植物通常可以耐淹12～24 h（百喜草则可耐淹数月），但淹水时间过长，对绿地空间利用有影响，不便于市民雨后活动；从防洪排涝方面考虑6 h设计降雨强度约为1 h的降雨强度的27%～30%，但总降雨量仅为1 h设计雨量的1.6～1.8倍，故可在一定时间内排走积水，腾出绿地库容。以100 mm深绿地6 h为例，要求入渗率达到100/6=16.7 mm/h。

根据在上海测定过多处地点表层杂填土的稳定入渗速率多在3.9～7.5 mm/h，个别达到24～27 mm/h。按土质情况得到的数值却相对较小，砂壤土仅2.7～3.3 mm/h。据相关文献《广东省暴雨径流查算图表使用手册，广东省水文总站1991》珠江三角洲的平均入渗参数为2.5～3.6 mm/h，折算为绿地的应该有所提高。

广州市表层土多为杂填土，杂填土的入渗能力一般较好，表土下的原状土基本为粘土、淤泥，入渗性能较差，目前暂时缺乏对广州市绿地入渗能力统计数据，加之绿地改造回填土的影响，因此入渗率存在不确定性，难以保证凹地积水及时有效入渗，故需采用工程措施加快入渗。一般可通过鱼骨状布置的渗透浅沟结合渗透管的方式，将绿地面状分布的绿地雨水集中至雨水井附近，同时新建或改造雨水井，井壁采用无砂砼透水材料，以控制入渗时间。

7 结语

（1）径流系数受降雨量影响，当采用较高排水标准时，应当适当提高径流系数的取值。

（2）在1 h不同频率降雨条件下，绿化率35%深度为100 mm的低洼绿地可以将相同径流深度所对应的降雨频率提高1～2个标准级，显著降低汇流量，削减洪峰流量。

（3）在1 h相同频率降雨条件下，绿化率35%深度为100 mm的低洼绿地可以将径流系数降低0.3～0.4左右，显著降低汇流比例，削减洪峰流量。

（4）低洼绿地既可成片设置，亦可分散建设，需有相应的入渗等排水措施相配套。

综上所述，绿地不下凹时，在降雨量大的情况下，径流深度和径流系数仍较大，仍存在较大内涝隐患；而通过传统的拓宽河道、扩建雨水管网及排涝泵站等建设工程提高排水重现期标准，存在投资大、维护成本高、占用道路地下空间大，且对城市交通干扰大等问题；因此，为有效降低城区径流深度和径流系数，减少内涝灾害，有必要推广设置低洼绿地，绿地设置深度建议为80～120 mm。