海绵城市年径流总量控制率分解方法探讨研究

2019-06-28赵轶群黄会斐周佳恒陈南尧

浙江建筑 2019年3期

赵轶群,黄会斐,周佳恒,陈南尧

(1. 浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州 310023；2.浙江省城乡规划设计研究院,浙江杭州 310030；3.浙江省杭州第二中学,浙江杭州 310053)

1 研究背景

海绵城市是指城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害方面具有良好的“弹性”,其本质是要科学地考虑城市生态需求并改善城市的水循环过程,让水在城市的迁移、转化和转换等过程中更加“自然”,下雨时下垫面能有效地吸水、蓄水、渗水、净水,需要时又可适当的迁移和转化,将蓄存的水“释放”并加以利用。

在“源头减排、过程控制、末端处理”的海绵城市建设全过程中,雨水的渗、滞、蓄、净、用等综合效益,主要依托对降雨的体积控制来实现,体现在年径流总量控制率这一核心指标中[1]。年径流总量控制率可通过日降雨量统计分析,折算到设计降雨量：根据中国气象科学数据共享服务网中国地面国际交换站气候资料数据,选取至少近30年(反映长期的降雨规律和今年气候的变化)日降雨(不包括降雪)资料,扣除小于等于2 mm的降雨事件的降雨量,将降雨量日值按雨量由小到大进行排序,统计小于某一降雨量的降雨总量(小于该降雨量的按真实雨量计算出降雨总量,大于该降雨量的按该降雨量计算出降雨总量,两者累计总和)在总降雨量中的比率,此比率(即年径流总量控制率)对应的降雨量(日值)即为设计降雨量[2]。准确地分解年径流总量控制率指标,是指导下一阶段海绵城市建设的必要条件。

2 海绵设施选择

为了建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市,2014年10月,住建部发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》。在此基础上,浙江省于2016年1月发布了《浙江省海绵城市规划设计导则》,进一步指导海绵城市建设。因此,浙江省住建厅响应国家和省政府的政策,积极开展海绵城市专项规划和示范区建设等相关工作。

本次研究的小区是丽水市遂昌县专项规划的一部分内容。遂昌县境气候属中亚热带季风类型,冬冷夏热,四季分明,雨量充沛,空气湿润,山地垂直气候差异明显,全年平均气温为16.8℃,年降水量为1 510 mm。该小区位于遂昌县城区叶坦区块,研究区域的规划总面积为26 640 m2。其中绿化面积为7 992 m2,占总用地面积的30%；建筑用地面积为8 375 m2,占总用地面积的31.4%。

具体的试建型区域分析需针对各项LID措施的结构特征,分析其布局限制因素,并结合区域基础条件,评价各措施的适建性,从而寻求最优的规划方案[3]。

建筑与小区海绵城市的建设主要考虑对径流总量和径流峰值等的削减,因此在充分考虑地形地貌和实施合理性的情况下,采取雨水径流污染控制模式和雨水渗透减排模式,在该小区设置下凹式绿地、雨水花园、渗透铺装、绿色屋顶四类LID措施。

设置绿化面积的20%为下凹式绿地和雨水花园,增加雨水渗入量,净化雨水,控制雨水面源污染。

小区内部设置集中式绿化带,满足自身面积范围内设计降雨量的收集和下渗,侧石正常设置,侧石内侧的耕植土表面应低于侧石顶面标高30～50 mm,土体表层覆盖碎石、卵石等水土保持措施；同时,在道路侧设置绿化带,收集和下渗机动车道范围内径流雨水。

小区内人行道、广场、地面停车场按70%面积设置渗透铺装,在透水基层下设置排水沟渠或排水管,将渗透的雨水转输到地下雨水涵道和下凹式绿地等[4],以达到其转输雨水，减小基地综合径流系数，降低地表径流的目的。其中,人行道路、广场、地面停车场总面积为4 826 m2，占总道路面积的37%。

3 人工测算方法

3.1 汇水分区划分

综合该建筑小区总平面图及景观方案,依据地形标高及雨水管网布局等信息划分排水分区,并针对各个分区,因地制宜地布置低影响开发设施。每一个分区都是一个独立的目标核算单元。最后,共划分35个汇水分区。

3.2 设施规模计算

低影响开发设施以径流总量和径流污染为控制目标进行设计时,设施具有的调蓄容积一般应满足“单位面积控制容积”的指标要求。一般采用容积法计算[2]每个分区的设计调蓄容积：

V=10HφF

(1)

式中：V为设计调蓄容积，m3；

H为设计降雨量,按1h降雨量考虑，mm；

φ为综合雨量径流系数,可按照表1进行加权平均计算；

F为汇水面积，hm2。

表1 径流系数

由此可以得出,该小区各个区块的综合雨量径流系数：

φ综合=[φ绿地F绿地+φ绿色屋顶F绿色屋顶+φ建筑(F建筑-F绿色屋顶)+φ铺装F铺装+(F道路-F铺装)φ道路]/F总面积

代入表1中数据,得出：φ综合=0.56。分区图见图1,各个分区具体情况见表2。

图1 小区分区情况示意图

表2 海绵设施布设一览表

该小区室外设置雨水调蓄池,调蓄池容积等价于各个区块调蓄容积之和,故V调蓄池=276.5 m3。

设计的年径流总量控制率可达73.5%,基本能够满足新建小区管控设计目标要求。

4 构建SWMM模型

4.1 SWMM模型系统

SWMM模型是美国环境保护局开发的一款暴雨管理模型,在世界范围内被广泛应用于城市地区暴雨洪水、合流制下水道、排污管道以及其他排水系统的规划、分析和设计。分析研究区域的雨水管线资料,对该小区进行模型概化,概化原则如下：

1)根据该小区的规划图、施工图等相关资料对子汇水面积进行划分,子汇水区产生的径流就近排入雨水管道。

2)结合地形地貌,将所采取的各项LID设施面积分块布置到各汇水区中。

3)只考虑将小区内铺设的主干管纳入概化的雨水排水系统。

4)由于只研究该小区情况,故假定各子汇水区降雨强度相同。

综上所述,结合该小区的CAD设计图纸和SWMM建模要求,将该研究区域分为35个汇水分区,21个节点,21条管道以及3个排放口,具体见图2。

图2 建筑与小区SWMM模型概化

4.2 模型参数与基础数据

本研究基于SWMM模型设计的低影响开发雨水系统模型所涉及参数较多,包括子汇水区的面积、坡度、不透水率、洼地需水量、各类LID参数的设置等,另有一部分参数是模型运算过程中衍生出的一些参数。结合SWMM用户手册及相关参考文献[5-6]取推荐值,最终参数见表3。

4.3 降雨情况

根据《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》中推荐的短历时雨型,由于芝加哥雨型的降雨强度过程容易模拟,降雨峰值不受降雨历时的影响,对资料的要求较低,故采用其作为本研究的设计雨型。收集相关资料,得出遂昌县的暴雨强度公式如下：

表3 模型参数选取

(2)

式中：i为暴雨强度,mm/min；

P为重现期,年；

t为降雨历时,min。

根据公式(2),选取6种重现期0.5、1、2、3、5、10。市政雨水系统的汇水面积相对较少,为了与人工测算方法中降雨时间保持一致,设置降雨历时为1 h,并选取雨峰系数r=0.4(暴雨强度最大时),以时间步长为5 min,得到设计暴雨强度数据见表4。

表4 遂昌县不同重现期1 h降雨量

根据遂昌县的暴雨强度公式和芝加哥雨型计算公式对1 h降雨数据以5 min为步长进行离散,具体数据见表5。

表5 不同重现期1h降雨强度变化

4.4 模拟结果

年径流总量控制率的评估,根据该居住小区雨水系统模型在不同重现期下,总降雨量和地表径流的情况,根据公式(3)可得,具体情况见表6。

(3)

表6 不同重现期下年径流总量控制率情况

4.5 径流总量分析

通过SWMM软件模拟,结合表6可以看出：随着重现期的增大,降雨量、储水量和径流量都在增大。当重现期大于1年之后,储水量增加缓慢,逐渐接近稳定值；这说明土壤逐渐接近饱和状态,设置的各种LID措施所能存储的水量达到了峰值。同时,随着重现期的增大,径流系数也逐渐增大,这表明尽管设置了LID措施,但是当它面临暴雨或者更为严峻的降雨情况时,它所能起到的作用不大。

5 两种方法对比分析

通过比对不同重现期下人工测算方法和SWMM软件模拟情况(图3、图4),发现当暴雨重现期为0.5年的时候,年径流总量控制率分别为73.5%和74.9%,较为接近；暴雨重现期为1年时,SWMM软件模拟值为65.8%,与人工测算相比减少了10.5%。而随着暴雨重现期的增大,SWMM模拟得出的年径流总量控制率逐渐下降,与人工测算方法计算偏差也越来越大,当暴雨重现期为10年时,比人工测算减少了36.7%。因此,当建立某一区域低重现期的情况时(P≤0.5年),两种方法均可用于年径流总量控制率的计算；中高重现期情况下(P≥1),SWMM软件模拟得出的年径流总量控制率更符合实际。