海绵城市年径流总量控制率指标分解探析

2024-01-05温达文杨建涛

人民珠江 2023年12期

温达文,杨建涛,王森,刘晋*,王斌

(1.广州市增城区水务建设管理所,广东广州 511300;2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东广州 510611;3.水利部珠江河口治理与保护重点实验室,广东广州 510611)

随着中国经济快速发展,城镇化建设取得显著成就,但同时也存在地块开发强度大、下垫面过度硬化等问题,由于现状下垫面的改变,导致区域原有自然生态本底和水文特征发生改变[1-3]。以习近平生态文明思想为指导,深入贯彻落实国家关于推进海绵城市建设的重要决定、推进海绵城市示范建设的要求及系统化全域推进海绵城市建设符合现阶段中国发展需求[4]。海绵城市是指将传统建设模式由“快速排除”和“末端集中”控制为主的规划设计理念转变为以“慢排缓释”和“源头分散”控制为主的规划设计理念,通过“源头-过程-末端”的综合措施,实现对雨水径流的有效控制,从而转变成自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式[5-8]。

在海绵城市建设过程中,雨水的渗、滞、蓄、净、用、排主要体现在年径流总量控制率这一核心指标中[9-10]。年径流总量控制率是区域范围内通过下渗、蓄积、利用、蒸发、蒸腾等方式,区域内全年累计得到控制的水量占全年总降水量的比例,与传统的雨量、流量径流系数既有联系又有差异[9]。如何科学合理地确定年径流总量控制目标,是近年来海绵城市建设过程中主要探索内容。任心欣等[9]利用SWMM模型,分析建筑小区开发建设后达到年径流总量控制率指标要求时在各种降水条件下的雨水径流系数,探讨了雨水径流系数与其年径流总量控制率之间的内在联系。张高嫄等[2]针对年径流总量控制率在控规层面推进中存在的问题,提出了一套指标分解的思路与技术方法,并通过实际案例对指标分解过程加以说明。苏定江等[11]将容积法在低影响开发中的应用与美国、澳大利亚的水敏性城市设计中容积法的应用进行了比较,分析其异同点。资强等[12]基于容积法对设计的海绵场地理论径流控制能力进行研究,结果表明按照容积法确定的LID设施规模具有一定的安全度。臧翀等[13]利用Infoworks ICM模型,建立一维管网和二维河湖耦合模型,结合管网基础数据,划分汇水分区,确定各类型地块雨水径流系数。

年径流总量控制率是计算海绵调蓄设施规模、决定海绵改造程度的重要标准和依据,年径流总量控制率在项目规划、设计、施工图审查等各个环节都尤为重要[12,14]。本研究以年径流总量控制率为研究对象,参考现有研究成果,通过现状评估、指标分解和模型校验对广州科教城区域年径流总量控制率进行指标分解,探讨广州科教城片区各开发地块年径流总量控制目标,以期指导广州科教城片区各地块开发建设。

1 研究区概况

广州市科技教育城(简称广州科教城)位于广州市增城区朱村街道[15]。广州科教城规划总用地14.38 km2,根据规划,广州科教城片区分一期、二期和远期建设。一期包括13所职业学校和1处技能人才公共实训鉴定基地。广州科教城旨在打造大湾区一流教育聚集区及南方职业教育高地,片区建成后将成为广州提升粤港澳大湾区科技教育文化中心功能、增强经济和人口承载力的重要抓手。

结合广州科教城片区规划管控和排水分区划分,明确本文研究范围为广州科教城一期范围,面积约为10.79 km2,见图1。广州科教城一期现状山水资源丰富,内有白水山及众多小山丘,片区呈现出山水生态、水乡田园的风貌格局。广州科教城片区内部河流属东江水系,主要河流为东江一级支流西福河。此外,广州科教城片区内部分布着许多的山塘与水库(主要有上小磜水库与下小磜水库),片区内形成了较为丰富的河涌水系网络。

图1 研究区位置

2 年径流总量控制率指标分解

2.1 容积法

国家住建部在2014年发布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称《海绵指南》)中第一次介绍了用容积法来计算年径流总量控制率,其论述如下:海绵设施在设计时当以年径流总量控制率和年径流污染削减率为控制目标,海绵设施的调蓄容积一般应满足“单位面积控制容积”这一指标要求[11,16]。设计调蓄容积一般采用容积法进行计算,计算公式如下:

V=10HφF

(1)

式中V——设计调蓄容积,m3;H——实际设计降雨量,mm;φ——综合雨量径流系数;F——汇水面积,hm2。

本研究采用容积法来确定研究区各开发地块年径流总量控制率。依据城市规划的土地利用类型,查算出研究范围内各地块的径流系数,计算研究区域的规划综合径流系数。根据研究区调蓄容积,核算区域年径流总量控制目标的可达性。通过对比Vgh和Vt,如Vgh≥Vt,则规划调蓄容积满足年径流总量控制率的要求,如Vgh

2.2 现状评估

广州科教城片区现状处于开发建设前期阶段,大部分用地已经完成土地平整,北部有大面积未建设农林用地,仅有南部部分用地已建设。根据图2可知,片区居住用地占总用地3.92%,商业商务用地占总用地的1.33%,中小学用地占总用地的0.28%,农林用地占总用地的35.29%,已平整未建设用地占总用地的57.01%。

图2 广州科教城土地利用现状

根据广州科教城片区现状土地利用情况,依据GB 50014—2006《室外排水设计规范》(2016 版)、GB 50015—2019《建筑给水排水设计规范》等有关规定,通过对各类用地径流系数加权平均(表1),得到广州科教城片区现状城市综合径流系数为0.46。

表1 现状径流系数统计

通过容积法计算广州科教城片区各地块现状年径流总量控制率。根据图3,插值得出广州科教城片区现状(未开发建设)年径流总量控制率为70.5%(即广州科教城片区现状所达到的年径流总量控制率为70.5%),各地块现状年径流总量控制率空间分布见图4。由图可知,该区域现状北部地区主要为林地和裸地,地块径流控制能力较好,南部区域主要包括居住用地、裸地和绿地,地块径流控制能力较差,存在较大地提升空间。

图3 年径流总量控制率与设计降雨量关系

图4 广州科教城现状年径流总量控制率分布

2.3 规划年径流总量控制率指标分解

根据《广州教育城一期控制性详细规划》有关成果,广州科教城土地利用规划见图5。由图可知,研究区规划城市建设用地863.51 hm2,占总用地的79.99%。规划非建设用地215.93 hm2,占规划区总用地的20.01%,其中水域用地78.76 hm2,农林用地137.17 hm2。

图5 广州科教城土地利用规划

广州科教城片区各地块规划年径流总量控制率计算可按以下步骤。

步骤一核算每个地块的年均综合雨量径流系数。根据片区土地利用规划,按表2确定地块的年均雨量径流系数,经加权平均得到地块的年均综合雨量径流系数。若年均综合雨量径流系数对应的年径流总量控制率满足要求,则该地块年径流总量控制率达标。

表2 下垫面径流系数取值

步骤二若年均综合雨量径流系数对应的年径流总量控制率不满足要求,则按容积法进行规划调蓄容积核算。各地块所需规划调蓄容积需在开发建设中落实相应的海绵设施,以此达到调蓄需求。

依据片区土地利用规划,计算得出广州科教城区域的规划综合径流系数为0.5。按容积法进行规划调蓄容积核算,得出广州科教城片区需设置总调蓄容积约为14.04万m3,各地块开发建设中应因地制宜落实相应海绵措施,以此达到各地块所需的调蓄容积。当广州科教城片区设置总调蓄容积约为14.04万m3时,结合各开发地块项目类型,片区年径流总量控制率分解结果见图6。

图6 广州科教城规划年径流总量控制率空间分布

根据广州市增城区年径流总量控制率-设计降雨量曲线(图3),当广州科教城片区设置总调蓄容积约为14.04万m3时,插值得出广州科教城片区规划总年径流总量控制率为73%。《广州市增城区海绵城市专项规划(2019—2035)》对广州科教城片区年径流总量控制率的要求为不低于72%。通过对比表明本文对广州科教城各开发地年径流总量控制率分解结果满足该区域海绵城市专项规划建设要求。

3 模型校验

本研究采用InfoWorks ICM对广州科教城片区进行管网系统能力、区域内涝风险模型评估,以期验证广州科教城片区各地块在按照本研究确定的年径流总量控制率开发建设后,片区防灾减灾能力。

3.1 产汇流模型选择

降水经过地表的滞留、下渗、蒸发等过程之后,剩余降水的部分作为地表径流滞留在汇水区表面[17-18]。其计算见式(2):

WCL=QZ-QXS-QZF

(2)

式中QZ——降水总量;QXS——降水下渗量;QZF——降水蒸发量,降水蒸发量取决于区域实际情况;QZ——降水时段内的累计降水容积,m3,由各子汇水区面积乘以区域降水深度得到;QXS——降水渗透到地表土壤下的水量。

产汇流模型中的下渗量利用Horton模型计算。Horton模型标正了下渗能力与时间关系的函数,如式(3):

fp=f∞+(f0-f∞)eαt

(3)

式中fp——t时刻的下渗率,mm/s;f∞——稳定下渗率,mm/s;f0——初始下渗率,mm/s;t——降水总时长,s;α——衰减系数,反映土壤下渗率递减关系,s-1。

Horton模型下渗量计算过程见图7。

图7 Horton下渗曲线

实际下渗率由理论下渗率和实际降水强度中的最小值决定,其公式表示为:

f(t)=min[fp(t),i(t)]f(t)

(4)

式中fp(t)——t时刻理论下渗率,mm/s;fp——仅与时间有关,在降雨强度较小的情况下也将逐渐减小;i(t)——t时刻实际降水强度,mm/s;f0、f∞——通常大于实际降雨强度i(t)。

累计下渗量计算公式见式(5):

(5)

式中F(tp)——t≠p时刻的累计下渗量,mm。

霍顿模型中初始入渗率可参照表3确定,根据广州科教城片区实际土壤情况,本次模型采用干燥黏土、基本无植被,初设入渗率为25.4 mm/h。

表3 霍顿模型土壤初始入渗率

3.2 排水分区划分

根据片区现状地形、竖向规划和防洪排涝规划,以河涌支、干流节点分界为划分基础,对广州科教城片区进行排水分区划分,划分结果见图8。由图可知,本次研究将广州科教城片区划分为4个汇水分区。

图8 汇水分区划分结果

在汇水分区的基础上以管网排水边界为划分依据,继续划分排水分区,排水分区划分结果见图9。由图可知,每个汇水分区各划分出2个排水分区。

图9 排水分区划分结果

3.3 模型建立

将雨水管网管道规格、管底标高等数据录入ICM,并进行子集水区划分。根据土地利用规划数据输入各地块土地利用类型,设置相应的径流表面,得到模型网络,见图10。图中红线表示广州科教城片区实际规划管网,绿色圆点代表片区规划管网节点(检查井、调蓄池、雨水排口等),本次模型依据管网节点将广州科教城片区划分为238个子集水分区。

图10 管网模型网络

3.4 管网能力评估

管网的超负荷状态是指管网内水流的充满程度[19]。本研究选取4个超负荷状态阈值(表4),来评估广州科教城片区地块开发建设后在不同重现期降雨条件下的管网过流能力。

表4 InfoWorks ICM超负荷状态取值定义

本文选用广州市增城区暴雨强度公式,结合芝加哥雨型,得到1、3、5、10、100年一遇设计重现期下的设计暴雨数据,运用InfoWorks ICM模型对广州科教城区域管网进行模拟,来分析管道的超负荷状态,其统计结果见表5。由表5可知,在1、3、5、10年一遇设计暴雨条件下,广州科教城片区管网的超负荷状态均小于2,说明设计管网满足10年一遇设计重现期。在100年一遇设计暴雨条件下,片区管网超负荷状态出现大于2的情况,占比约为17.29%。总体来说,随着设计重现期的增大,广州科教城片区管网超负荷状态比例增加,在100年一遇设计暴雨条件下部分管网出现过流能力不足情况。

表5 不同重现期下管道超负荷统计

对广州科教城片区分别在设计重现期为1、3、5、10、100年一遇设计暴雨条件下进行内涝模拟分析。结果显示在重现期为1、3、5、10年一遇暴雨条件下,片区均无出现积水现象。100年一遇降雨条件下模型模拟结果见图11,图中蓝色表示广州科教城片区规划雨水管网,绿色圆点代表片区规划管网节点(检查井、调蓄池、雨水排口等),红色表示片区积水点。由图可知,在100年一遇降水条件下片区部分区域出现积水,但深度均小于0.5 m。结果表明广州科教城片区各开发地块按照研究确定的年径流总量控制率开发建设后,片区可有效应对100年一遇降雨。