雨水调蓄设施规模简化计算研究

肖恒婧

广州市水务工程技术中心 广东 广州 510640

1 引言

近年来，随着城市化进程的加快，下垫面条件发生改变，极端天气频发，城市内涝事件增多。2022年5月10日至13日，广州市从化区局部出现持续性强降雨过程，造成鳌头镇上西村路口和良口镇石岭至良新路段发生大面积水浸。雨水调蓄设施是一种用于缓解城市内涝的有效措施，它主要用于蓄存雨水控制径流、收集具有严重污染的初期雨水等[1]，作为一种可以兼具削减洪峰流量与控制径流污染的海绵城市设施，已经被大量用于国内外的城市内涝控制和面源污染治理工程中，国内外学者也对其进行了大量的研究，熊亮亮[2]分析了建设用地紧张条件下调蓄池和雨水泵站合建的集约化设计方案。王路平等[3]分析了布设调蓄池前以及布设集中和分散式调蓄池3种不同情况下研究区的溢流量变化。汪明明等[4]通过层次分析法研究表明雨水调蓄池的选址方案是影响内涝积水削减比例的重要因素。王东赢等[5]通过构建SWMM模型，得出调蓄池对陶冲湖流域沿线雨水水质改善及污染物去除具有较好的效果。杜建康等[6]研究发现雨水调蓄塘可以大幅削减下泄流量，解决高速公路的内涝问题。可见，目前对雨水调蓄设施的研究主要集中在工艺设计、布置形式、选址方案以及对雨水径流水量和水质的调控效果等方面，而对雨水调蓄设施规模计算方面研究较少且计算方法较为复杂，因此，本文以广州市增城区某地块为研究对象，探索研究单位硬化面积调蓄容积法、年径流总量控制率对应调蓄容积法、内涝防治设计标准和排水设计标准径流量削减法等3种雨水调蓄设施规模的简化计算方法，并采用脱过流量法分别计算排水设计标准和内涝防治设计标准条件下削减洪峰流量所需的有效调蓄容积，与以上3种简化方法进行比对分析，旨在探索出科学合理的简化计算方法，以期在内涝治理工程实践中推广使用。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

广州市地处广东省的中南部，珠江三角洲的北缘，属海洋性亚热带季风气候，据资料显示，广州市多年平均降雨量为1857mm，天河西部、花都东北部、增城东北部、从化东部和黄埔中西部等地年总降雨量均大于2200mm，4—9月为汛期，其雨量占全年的80%左右，降雨具有时空分布不均、强度大、频率高的特点。本次研究区域为广州市增城区某地块，用地性质为二类居住用地，地块总用地面积为55289.37m2，规划可建设用地面积为55289.37m2，规划绿地率不小于30%。地块开发前，土地类型主要为绿地、农田、林地、水域、裸露土地、硬化地面和屋顶，面积分别为17606.31m2、2835.29m2、17323.18m2、2727.39m2、2018.17m2、6161.40m2、6617.63m2，综合雨量径流系数为0.32，其中不透水下垫面面积为12779.03m2，占总面积的比例为23.11%，研究区地块开发建设前下垫面类型构成情况如图1，地块规划开发建设后，土地发生大面积硬化，不透水下垫面的面积将会大幅度提升，这将可能会导致出现内涝现象。

图1 地块开发建设前下垫面分类布局图

2.2 雨水调蓄设施规模计算方法

2.2.1 三种简化计算方法

（1）单位硬化面积调蓄容积法

根据《广州市建设项目雨水径流控制办法》（广州市人民政府第107号令），新建建设工程硬化面积达10000m2以上的项目，除城镇公共道路外，每万平方米硬化面积应当配建不小于500m3的雨水调蓄设施，当地块硬化面积不小于10000m2时，雨水调蓄设施规模可根据下式计算：

式中：V为地块所需雨水调蓄设施容积，m3；F为地块硬化面积，m2。

（2）年径流总量控制率对应调蓄容积法

根据《广州市海绵城市专项规划（2016-2030）》《广州市海绵城市规划设计导则—低影响开发雨水系统构建》（试行），地块年径流总量控制率应不低于80%（居住用地为70%-80%），雨水调蓄设施规模可根据下式计算：

式中：V为地块所需雨水调蓄设施容积，m3；H为设计降雨量，mm，年径流总量控制率80%对应的设计降雨量，取36mm；Ψ为综合雨量径流系数；F为地块汇水面积，m2。

（3）内涝防治设计标准和排水设计标准径流量削减法

根据《室外排水设计标准》（GB 50014-2021），改建后相同设计重现期的径流量不得大于原径流量。在内涝防治设计标准和排水设计标准下，为保证地块开发后雨水洪峰流量不大于开发前，通过控制最大20min、60min雨水径流总量实现洪峰削减效果，雨水调蓄设施设计规模取地块开发后与地块开发前最大1小时雨水径流量之差，公式如下：

式中：V为地块所需雨水调蓄设施容积，m3；H为内涝防治设计标准、排水设计标准相应降雨历时下设计降雨量，本区域内涝防治设计重现期为100年一遇，雨水管渠设计重现期为5年一遇；F为地块汇水面积，m2；Ψ1为开发前地块的综合雨量径流系数；Ψ2为开发后地块的综合雨量径流系数。

2.2.2 脱过流量法

参考《室外排水设计规范》（GB 50014-2006），用于削减排水管道洪峰流量时，雨水调蓄设施的有效容积计算公式如下：

式中：V为调蓄设施有效容积，m3；α为脱过系数，调蓄设施下游设计流量/上游设计流量；Qi为调蓄设施上游设计流量，m3/min；b、n为暴雨强度公式的参数；t为降雨历时，min，其中t=t1+t2，t1为地面集水时间，min，一般取5-15min，t2为管渠内雨水流行时间，min。

其中（4）式中上下游设计流量根据下式计算：

式中：Q为设计流量，L/s；q为设计暴雨强度，L/(s*ha)，增城区5年一遇暴雨强度公式为q=2687.364/(t+7.068)^ 0.599，100年一遇暴雨强度公式为q=4678.338/(t+8.167)^ 0.627；Ψ为综合雨量径流系数；F为地块汇水面积，ha。

3 结果与分析

3.1 三种简化方法计算分析

研究区地块开发建设后，规划可建设用地面积为55289.37m2，绿地面积按30%计，硬化面积为38692.05m2，代入公式（1），则采用单位硬化面积调蓄容积法计算得出需设置1934.60m3雨水调蓄设施。年径流总量控制率80%对应的设计降雨量36mm，地块开发建设后综合径流系数为0.68，代入公式（2），则采用年径流总量控制率对应调蓄容积法计算得出需设置1343.53m3雨水调蓄设施。根据广州市增城区暴雨强度公式，雨水管渠设计重现期5年一遇、降雨历时20min、60min下设计降雨量分别为44.72mm、77.90mm，开发前综合径流系数Ψ1为0.32，开发后综合径流系数Ψ2为0.68，代入公式（3），则通过排水设计标准下径流量削减法计算得出降雨历时20min、60min下分别需设置877.68m3、1529.03m3雨水调蓄设施；内涝防治设计重现期100年一遇、降雨历时20min、60min下设计降雨量分别为69.23mm、119.33mm，根据《室外排水设计标准》（GB 50014-2021），开发前后地块综合雨量径流系数提高50%（径流系数超过1时，取值为1），即开发前后综合径流系数Ψ1、Ψ2为0.48、1，代入公式（3），则通过内涝防治设计标准下径流量削减法计算得出降雨历时20min、60min下分别需设置1990.35m3、3430.74m3雨水调蓄设施，计算结果如表1。

表1 内涝防治设计标准和排水设计标准径流量削减法计算调蓄容积

3.2 脱过流量法计算分析

为保障地块开发后较开发前雨水径流量不增加，即在排水设计标准和内涝防治设计标准下洪峰流量不降低，在雨水管渠设计重现期5年一遇和内涝防治设计重现期100年一遇、降雨历时为20min、60min条件下，采用脱过流量法，通过（4）和（5）式计算得出雨水管渠设计重现期5年一遇、降雨历时20min、60min下分别需设置855.82m3、1443.28m3雨水调蓄设施，内涝防治设计重现期100年一遇、降雨历时20min、60min下分别需设置1908.98m3、3173.31m3雨水调蓄设施，计算结果如表2。

表2 脱过流量法计算调蓄容积

表2计算结果显示，同一降雨重现期下，虽然降雨历时20min的降雨设计暴雨强度较降雨历时60min的设计暴雨强度大，但是降雨历时60min下的计算所需设置的有效调蓄容积更大，这是因为有效调蓄容积计算受降雨历时影响权重比设计暴雨强度大。

3.3 计算结果比对分析

（1）采用单位硬化面积调蓄容积法计算得出的雨水调蓄设施规模为1934.60m3，大于脱过流量法雨水管渠设计重现期5年一遇、降雨历时60min下的洪峰流量控制所需有效调蓄容积1443.28m3，基本可以达到内涝防治设计重现期100年一遇、降雨历时20min的洪峰流量控制所需有效调蓄容积1908.98m3，但难以满足内涝防治标准下更长降雨历时的洪峰控制效果。

（2）采用年径流总量控制率对应调蓄容积法计算得出的雨水调蓄设施规模为1343.53m3，该结果仅大于雨水管渠设计重现期5年一遇、降雨历时20min下的洪峰流量控制所需有效调蓄容积855.82m3，而远小于采用脱过流量法的其他3种条件下的计算结果，原因是此方法主要针对源头减排、控制降雨初期面源污染，因此该方法计算结果会相对于削减洪峰流量计算结果偏小。

（3）采用内涝防治设计标准和排水设计标准径流量削减法，在4种条件下计算所得出的雨水调蓄设施规模分别为877.68m3、1529.03m3、1990.35m3、3430.74m3，在与之对应重现期和降雨历时的4种条件下采用脱过流量法计算所得出的雨水调蓄设施规模分别为855.82m3、1443.28m3、1908.98m3、3173.31m3，可见两种方法计算结果相近，内涝防治设计标准和排水设计标准径流量削减法计算结果略大，误差分别为2.55%、5.94%、4.26%、8.11%，且降雨历时20min小于降雨历时60min的误差。这是因为内涝防治设计标准和排水设计标准径流量削减法基于水量平衡简化计算，控制相应降雨历时的雨水外排量，既可达到总水量控制效果、又可实现洪峰流量调节控制效果。

4 结论

（1）采用单位硬化面积调蓄容积法计算得出的雨水调蓄设施规模基本达到内涝防治设计重现期100年一遇、降雨历时20min的洪峰流量控制所需有效调蓄容积，但难以满足内涝防治标准下更长降雨历时的洪峰控制效果，采用年径流总量控制率对应调蓄容积法计算得出的雨水调蓄设施规模偏小。

（2）采用内涝防治设计标准和排水设计标准径流量削减法与脱过流量法计算所得出的雨水调蓄设施规模较为接近，误差较小，仅为2.55%、5.94%、4.26%、8.11%，且降雨历时越小时两者误差越小，鉴于脱过流量法相关参数多、计算较为复杂，本研究认为内涝防治设计标准和排水设计标准径流量削减法可作为替代方法简化计算。