基于自然循环雨水径流流量优化调控方法

刘东旭

（黄河水文水资源科学研究院，郑州 450004）

基于自然循环雨水径流流量优化调控方法

刘东旭

（黄河水文水资源科学研究院，郑州 450004）

通过分析现有雨水径流流量调节方法在应用过程中存在的优缺点和发展趋势，介绍了基于雨水自然循环的雨水分流管理方法。该方法将雨水径流分为蒸发、渗滤和排放3部分，通过调节这3部分的比例来模拟区域开发前雨水自然循环过程。分流方法认为：蒸发是降低地面径流量的主要途径之一，蒸发量受当地气象条件的制约，一般为固定值，小的降雨事件以蒸发为主，中等降雨事件以蒸发和渗滤为主，大的降雨事件以排放为主。通过实例分析，详细描述了雨水分流技术的实际应用方法和效果。结果表明，雨水分流技术对于降低雨水径流量和峰流速率，实现雨水的自然循环，保护开发区域的生态环境具有重要实际意义。

雨水管理；自然循环：蒸发；渗滤

雨水的自然循环主要通过蒸发、渗滤和径流3种方式。不同的降雨事件、不同地区，这三者虽然都对生态系统平衡发挥重要作用，但在自然循环系统中所发挥作用的重要程度差别很大。最初建设雨水管理设施的目的是防止当地发生洪涝灾害，保护居民财产，而不是模拟自然径流过程。但是随着城市化进程的加快，不透水面积急剧增加，大大降低了渗滤和蒸发的作用，地面径流量急剧增加，严重扰乱了雨水的自然水文循环，破坏了原有的生态平衡。

城市区域内地面径流的急剧增加是由于雨水自然循环过程中渗滤和蒸发作用降低。比如在美国，一些城市蒸发量约占全年降雨量的一半，雨水通过原地渗滤后，用于植物生长，地下水补给，河流基流补给等。然而，传统的雨洪控制与利用设施的主要是将雨水径流作为一种“灾害”来考虑，只进行临时的收集，然后作为城市发展过程中的副产物被排放。这种理论在很大程度上忽略了蒸发和渗滤作为雨水自然循环过程的重要性［1－2］。

传统的雨水控制与利用设施的设计方法主要包括直接排放、滞留和储存。然而，实践证明，这3个理论用于雨水管理问题的某些方面时都很有效，但用于解决大尺度雨水管理事件时却显得无能为力。因此，很有必要提出新的理论以弥补当前的不足。

1 传统雨水径流调节方法

1．1 直接排放

直接排放是基于不透水区域产生的大量径流，将其快速、安全地输送到下游，从而降低本地发生洪涝灾害的频率［3］。该方法雨水流量分配如图1所示。横轴表示降雨时间，纵轴表示径流速率。从图中可知，与开发前峰流速率相比，开发后峰流速率增加，二者差值为地面径流量。虽然直接排放对于预防本地洪涝灾害很有效，但加速了径流向下游输送速率和流量，增加了下游发生洪涝灾害的频率，且常常导致初期冲刷引起的非点源污染，破坏了雨水自然循环的水文条件。

图1 直接排放雨水流量分配示意图

1．2 调节池

雨水调节方法是将雨水径流先实行原地收集储存，然后将径流排放速率控制在开发前的水平，以减少下游河流发生洪涝的频率［4］。该方法可以用图2表示。雨水调节已成为众多国家控制雨水径流的方法。因为调节系统设计的出发点是将径流截流，但大尺度暴雨事件除外，频繁发生的小降雨事件也不用考虑。因此，该方法不能用于模拟雨水自然循环水文特征。相对于直接排放系统，雨水调节设施容易引起下游初期冲刷污染，无法有效控制强降雨事件，且河流常常被持续时间较长的高峰值流速所侵蚀。

图2 调节池雨水流量分配示意图

针对上述问题，后来又提出了延时调节池，降低峰值流速至开发前的水平。该方法基于通过修建大型滞留池，控制较小的出流量，从而使径流能够滞留比较长的时间。虽然延时调节池能够将峰值流速降低至开发前的水平，但是它仍不能满足对非点源污染控制或模拟当地蒸发和渗透的水文过程。

1．3 调蓄池

针对上述雨水调节池存在的问题提出了雨水调蓄方法。该方法是基于原地蓄存和吸收消纳少量径流，并蓄存初期冲刷中的污染物，从而降低峰值流量和径流总量［5］，见图3，控制初期冲刷污染所需要的调蓄体积见图中黑色部分。

图3 初期冲刷调节和调蓄示意图

调蓄池存在的主要问题是当发生大的暴雨事件时，储存的径流量体积有限，这对于防止下游洪涝灾害的发生显得微不足道。针对该问题，又提出了另外两个基于调蓄方法的新方法：溢流调蓄和自动液位控制系统［6］。溢流调蓄是基于调蓄径流量等于开发后增加的峰流量，从而维持峰流量在开发前自然水文循环的水平，防止下游发生洪涝灾害。即把开发后增加的径流量“削减”，并将其储存在原地。如图4中所示，黑色部分表示为控制峰值速率需要储存的径流体积。

图4 溢流调蓄方法示意图

但是溢流调蓄仍然不能满足非点源污染和溢流频率的控制要求，因为在小的降雨事件时，初期冲刷污染物和总流量均未加处理地排放到下游，从而引起下游污染。

液位控制方法是通过控制调蓄池的液位，使开发后的峰值速率等于开发前的峰值速率，从而将开发后峰值速率降低到开发前的水平。该方法如图5所示，图中黑色部分表示调蓄池需要控制的峰值速率。

图5 液位控制调蓄方法示意图

液位控制调蓄方法与溢流调蓄方法的主要区别在于，前者能够收集和消纳小降雨事件时的雨水径流，因此，可使初期冲刷污染得到有效控制。但该方法也存在缺点，因为将大量的径流保留在原地以控制峰值流速，会导致液位控制调蓄系统的体积远远大于实际径流体积。因此，液位控制调蓄系统的应用一般仅限于总径流系数变化较小或者是发生潜在的洪涝灾害的频率较低的地区。

2 分流理论

随着雨水管理技术的快速发展，研究人员越来越认识到在城市发展和一体化雨水管理过程中推广基于分散式雨水管理设施的重要性。2002年6月，英国哥伦比亚环境保护部门出版了英国哥伦比亚指导手册。该手册提出了基于雨水自然循环的水平衡理论，能够对所有降雨事件进行调控［7］。该理论基于以下3个目标：小规模降雨事件调蓄；大规模雨水事件调节；非常大的雨水事件进行疏导。分流理论是假定蒸发在雨水管理系统设计中发挥关键作用，这一点不同于其他现有的雨水管理策略。

分流理论是将输送、调节和调蓄理论进行有机结合，通过构建生态化的分散式雨水管理系统，尽可能将雨水径流在源头上进行调控，实现雨水管理与景观设计的一体化。分流理论设计的目标是创建多功能的暴雨管理方法，实现开发区域蒸发、渗透和径流的自然过程，维持开发区域开发前的降雨强度、水质、频率、历时和降雨量［8］。该理论提出了将雨水径流分成蒸发、渗滤和排放3部分，三者以相似的比例通过蓄水设施、溢流构筑物、分流设施、渗滤和排放系统，进入自然景观。该理论的基本原理见图6。

图6 分流方法示意图

分流理论的一个重要优点是：当调蓄部分体积一定时，渗透和排放量可根据降雨强度和持续时间自动进行调节，因此，调蓄、渗透和排放设施与分流设施相结合就构成了一个自动调节系统（如图7）。图中所示灰色部分为蒸发量，白色部分为渗透量，黑色部分为排放量。

图7 不同降雨事件分流理论示意图

当发生小降雨事件时，分流理论将大部分地面径流用调节池收集，然后进行蒸发，处理初期冲刷污染物。当发生中等降雨事件时，地面径流被平均分为蒸发、渗滤和排放。当发生大的降雨事件时，蒸发和渗滤所占的百分比降低，地面径流以排放为主。因此，可以实现雨水的自然循环过程，因为发生频繁的小降雨事件，雨水大部分被植物和表层土壤吸收，而频率较低的大降雨事件所产生径流大部分排放到下游。分流理论将降雨分为蒸发、渗滤和地面径流3部分，并满足以下水平衡方程［9－10］：

式中 P为降雨量；R为地面径流量；I为渗滤量；WL为水损失（主要为蒸发作用）。

与传统雨水管理方法相比，分流理论的主要优点在于将排水设施中过剩的雨水径流分为蒸发、渗滤和排放的能力3部分。其中蒸发部分的量是一定的，然而渗滤和排放的体积可进行自我调节。在开发区域建设大量小的分流设施，降低地面径流量，并且采用表面积较大的设施以利于渗滤和蒸发，使该理论在城市开发项目中得以成功应用。

3 结语

分流雨水管理技术集非点源污染雨水管理系统于一体，

形成了一种新的模拟雨水自然循环过程的雨水管理方法。比如，将雨水收集利用系统和景观灌溉系统相结合，以恢复自然循环过程中的蒸发水平；绿色屋顶和渗滤系统可与建筑物非饮用水系统相结合以降低径流量；将渗滤系统与生物滞留系统相结合进行过滤和补充地下水。因此，未来雨水管理系统设计应集中于模拟自然景观水文过程，实现公众健康、安全和生态修复等多个目标。

［1］DeBarry， Paul A．.Watersheds： Processes， Assessment， and Management．John Wiley and Sons， New York．2004.

［2］Reese， A．， Debo， T．.Municipal Stormwater Management， second ed．2003．

［3］Tunney， K．W．Innovative stormwater design： the role of the landscape architect， in stormwater．J．Surf．Water Qual．Professionals（2）， 1， http：//www．forester．net/sw 0101 innovative．html， Accessed July 2007．

［4］Reese， A．Stormwater Paradigms．Stormwater Magazine， July-August 2001．http：//www．forester．net/sw 0107 stormwater．html， Accessed July 2007．

［5］Mays， L．Stormwater Collection Systems Design Handbook．Mc-Graw－Hill， New York．

［6］Coffman， L．Low impact development creating a storm of controversy．Water Res．Impact 3（6）， 7–9， http：／／www．awra．org．

［7］Stephens， K．， van der Gulik， T．， Maclean， L．， et al.．Re－inventing urban hydrology in British Columbia：runoff volume management for watershed protection．In： Proceedings of the National Conference Urban StormWater： Enhancing．

［8］Stuart Echols．Split－flow theory： Stormwater design to emulate natural landscapes．Landscape and Urban Planning ， 2008， 85： 205–214．

［9］郭生练．水库调度综合自动化系统［M］．武汉：武汉水利电力大学出版社，2000．

［10］何新林，郭生练．天山山区水平衡法径流模型的研究［J］．西北水资源与水工程，1996（3）：8－13．

A Novel Methods to Regulate Runoff Volume on the Basis of Natural Recycle

LIU Dong－xu
（The Yellow River Hydrology and Water Resources Research Institute，Zhengzhou450004，China）

This article reviews the development and application of existing runoff volume regulation theories with a focus on emulating natural on site hydrological processes and discusses the design intentions， merits， and weaknesses of each theory．Stormwater split theory is then introduced using elements found in each of these existing theories．This new theory proposes to systematically split runoff into three volumes and evaporate， infiltrate and discharge； and manage these volumes in ways that emulate natural hydrological site processes，thereby creating stormwater management systems that are more ecologically based．The intent is to provide a stormwater management theory that can be used to emulate natural processes of evapotranspiration， infiltration， and runoff and， by extension， emulate pre－development stormwater rate， quality， frequency， duration， and volume．

stormwater management；natural recycle；evapotranspiration；infiltration

TV121

A

1672－9900（2012）01－0004－03

2011-11-17

刘东旭（1978—），男（汉族），河南开封人，工程师，主要从事水文水资源、河流泥沙等研究工作，（Tel）13592698680。