雨水控制利用措施对城市雨洪的影响

魏燕飞, 毕佳成

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.西安电子科技大学,陕西 西安710726)



雨水控制利用措施对城市雨洪的影响

魏燕飞1, 毕佳成2

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.西安电子科技大学,陕西 西安710726)

以北京市某居民区为例,根据规划基础资料分析了研究区域的下垫面情况及雨水流程,设计了下凹式绿地、透水砖路面、调蓄池3种雨水利用措施的5种组合方案,通过Infoworks CS雨洪模型分别模拟计算重现期P=5,10,20 a的降雨事件下5种组合方案的洪峰、积水情况,对比模拟结果，分析3种雨水利用措施对雨洪控制的影响.计算结果表明:下凹式绿地流量峰值削减30.5%,径流系数控制在0.6左右,相对于平式绿地，雨洪控制效果较好;调蓄池具有最好的延迟洪峰效果,但对积水削减作用较小;3种措施组合可使该区域内涝标准由3 a一遇提高到5～10 a一遇.

雨水资源;雨水控制利用;城市雨洪;Infoworks CS;雨水利用措施

我国水资源时空上分布不均,城市水资源问题是制约城市发展的重要因素.随着经济的发展、城市化进程的加快,城市缺水面积增大、用水供需矛盾凸显、水环境恶化等一系列水问题逐渐成为人们关注的焦点[1].建筑物等不透水面积比例随着城市不断扩张而逐年增大,城市遇到暴雨时径流系数增大、汇流历时减小,低标准的排水系统短时间内无法完全排除雨水,低洼区域形成积水.另外,外排流量增大导致洪峰流量加大、洪峰提前,造成河水漫溢,局部出现洪涝,严重威胁社会发展和人民生活的安定[2],而雨水资源利用是解决上述水问题的有效途径.

目前,国内多数城市对雨水管理仍是以排除为主,雨水控制利用还未在城市规划中大面积应用.然而,雨洪管理理论在国外发达国家发展成熟,已经建立了完善的技术措施和法律体系,例如美国提出的低影响开发(Low Impact Development,LID)的雨水管理体系,在美国、新西兰等国家的工程实践中得到广泛认可[3].鉴于此,有必要在吸取LID理念基础上,采取符合我国国情的小型分散措施对雨水径流进行源头控制,如绿色屋顶、透水性路面等.

随着水文学、水力学的发展,利用雨洪模型研究雨洪过程和雨洪控制利用等问题,已成为人们关注的焦点,我国的一些学者也进行了相关的研究.刘金星等[4]建立了平原城市区域雨水地表径流模型,采用圣维南方程计算地面径流;张明亮等[5]建立了3种排水管网系统模型,使用动力波法、非线性运动波法及改进的马斯京根法对雨水管网进行模拟;晋存田等[6]采用SWMM模型对透水砖路面和下凹式绿地的排水管道的洪峰流量进行了计算分析.

计算机模型基于物理机制，能够对相应的设计措施和计算分析以空间分布、时间上连续、可视化高效的方式进行描述.因此,为了充分利用雨水资源缓解城市内涝问题,使城市水文效应恢复到开发前的状况,笔者以北京市某居民区为研究对象,设计研究区的LID雨水利用措施(下凹式绿地、透水砖路面、调蓄池)方案,构建Infoworks CS雨洪模型,计算和分析不同降雨事件下应用各措施对洪峰削减和淹没的影响,为城市防洪排涝、雨水利用规划提供技术支撑.

1 Infoworks CS模型

20世纪90年代，SHE、SWAT等分布式水文模型在各国得到广泛应用,近20年来不断有新的水文模型涌现,各国学者在此基础上集成3S技术和水动力模型开发出多种适合行业使用的计算机雨洪模型,演化为各版本商业化程序包.模型模拟已经成为国外发达国家区域土地开发等建设项目立项的基本步骤,现在国内常用的雨洪模型程序包有SWMM、Infoworks系列等[7-8].

真实的降雨径流过程为降雨到达地面后进行截留、填洼,降雨量超过填洼容积时产生径流进入排水系统,剩余部分积水下渗回补地下水.Infoworks CS是降雨径流和排水系统水力仿真模型,分为降雨模块、产流模块、汇流模块、管道水力计算模块、二维洪水模块[9].产、汇流模块集合国外多种分布式模型,如SWMM径流模型、格林-安普特渗透模型等;管道水力模块计算采用圣维南方程组求解,管道水流过程模拟接近真实的流动过程,计算精度优于传统以均匀流为基础的推理公式法;二维洪水模块求解二维浅水方程计算水深,能够模拟地面积水的流动情况[10].通过节点连接一、二维模块,模块连接使用堰流公式迭代计算流量、水头.二维模块控制边界为流量值,一维模块每个步长的条件为水头值.一、二维模块的迭代计算弥补了单个一维模块模拟积水过程的局限.各部分模块相互联系由同一时间序列引擎计算[11-12].

2 研究区模型建立

2.1 研究区概况

选取北京市某居民区为研究区域,该区属于半湿润大陆性气候,多年平均降雨量556 mm,雨季为6—9月.该区总面积0.058 km2,区域内有办公楼、草坪、商业街区等,以居住为主导功能.屋顶、道路0.035 5 km2,占总面积的61.2%.绿地、透水砖路面0.022 5 km2,占总面积的38.8%,绿化面积所占比例为28.0%.雨水管线沿道路布设,共有59条雨水管道,雨水口58个,出水口1个,设计重现期为3 a,管径为300～900 mm,支管多为东西向,雨水通过雨水口、管道排入下游管渠，最终进入周边道路排水总管.规划采用下凹式绿地、透水砖路面、调蓄池的措施提高该区雨水利用率,控制径流系数,减少积涝的发生,以获得较好的社会、生态效益.

通过分析研究区下垫面和雨水流向确定了雨水流程,如图1所示.屋顶雨水通过雨落管流入建筑物周边散水区后进入绿地入渗,道路净雨排入雨水系统,超渗的道路雨水流入两侧下凹式绿地下渗回补地下水,直至绿地中径流汇入雨水系统的进口中,雨水经过蓄水池集蓄、削减洪峰后流至排水口排放.

规划在区域东西侧、道路周边布置下凹式绿地，增加绿化面积改善生态环境.设计绿地高程低于路面10 mm,可利用下凹空间存储雨水,并在绿地中设有雨水口,沿周边道路布设透水砖路面,同时设置容积为600 m3的蓄水池,调节雨水流量峰值,减轻雨水管网和下游排放河道的水流负担.

图1 研究区雨水流程

2.2 构建模型流程

1)收集基础资料.包括规划设计资料、测绘资料,且资料中数据格式多样,准确性有待检查.需通过数据整理修改错误数据,删除冗余数据,应用ArcGIS等工具转化为统一格式方便输入模型.

2)现场勘查.包括对该区域的地形、排水系统、流域划分等情况进行实地调查,对比调整基础资料中与实际不符的地方,为集水区概化和地形模型的建立提供实际参考.

3)建立雨水系统拓扑结构.将雨水系统拓扑结构简化后输入模型,提取土地分类信息,基于地形和现场勘查情况划分集水区,选取产汇流及水力计算模型,检查模型结构是否有错漏,对重要区域网格进行加密处理.集水区和排水系统分布如图2所示.

图2 集水区和雨水系统的分布情况

4)通过降雨事件对模型进行试模拟.用软件诊断工具找出模型可能存在的问题并修正;模拟完成后对模拟结果进行统计和分析,对比各方案的实施效果,实现排水系统和雨水规划方案的优化改进.

2.3 模型参数的确认

Infoworks CS模型有3类参数:①不可调、可获取的参数,从部分基础资料中提取,一经确认不能更改,如管径、管线坡降等;②可调默认参数,该参数是模型软件默认的参数,一般不需要调整,如节点容许深度比例,最少计算节点个数等;③需要建模者确定的参数,主要包括管道糙率、产汇流参数等,这部分参数根据研究区域物理机制,按照《建筑与小区雨水利用工程技术规范》(GB 50400—2006)、《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)等技术规范和模型操作手册确定[13-14].

根据技术规范和实际情况,该区域土地分为透水区和不透水区.透水区包括绿地、透水砖路面;不透水区包括建筑物屋顶、沥青混凝土路面.不透水区采用的产流模型为Fixed径流模型,该模型径流系数采用固定值.透水区产流采用霍顿(Horton)入渗模型,该模型使用渗透率随时间呈指数减小的经验公式[15]进行计算,要确定的参数为洼蓄量、初渗率、稳渗率、衰减率.汇流模型选取非线性水库模型,需输入曼宁方程的曼宁系数等参数.依据不同土地性质,对应模型操作手册中的取值确定以上参数,模型参数取值见表1.

表1 产汇流模型参数

3 模拟结果分析

基于北京市典型实测降雨资料,采用同频率放大的方法推求重现期为P=5,10,20 a的24 h降雨雨型即降雨过程线.设计日降雨的降雨峰值在17:00,P=5,10,20 a的累计降雨量分别为:142.2,202.5,254.8 mm.降雨过程如图3所示.

为了分析不同雨水利用措施的效果,对下凹式绿地、透水砖、蓄水池进行组合,分别模拟3种设计降雨事件下5种方案措施的雨洪控制利用效果.雨水控制利用方案措施为:①平式绿地;②平式绿地重新设置为下凹式绿地;③平式绿地,铺设透水砖路面;

④调蓄池、下凹式绿地;⑤透水砖路面、蓄水池、下凹式绿地.模拟结果见表2,表中的流量峰值为管网出口流量峰值,最大深度为主干道积水最深值.

图3 历时24 h降雨过程

表2 不同重现期降雨及各方案措施模拟结果

方案措施流量峰值/(m3/s)P=5aP=10aP=20a径流系数P=5aP=10aP=20a流量峰值出现时间P=5aP=10aP=20a最大积水深/mP=5aP=10aP=20a①0．871．081．170．650．720．7717：0717：0617：06192529②0．640．860．950．520．590．6417：1017：0817：08142125③0．690．901．000．540．620．6517：0717：0617：06152327④0．610．810．890．500．560．6117：0717：0617：06121824⑤0．560．760．830．470．510．5617：1117：0817：0881522

由表2可以看出:①绿地由平式改为下凹式,各重现期降雨条件下,下凹式绿地的流量峰值、径流系数均比平式绿地有大幅度的减小；3种降雨事件下最大削减幅度为:径流系数降低22.2%,峰值削减30.5%,积水深下降28.6%；下凹式绿地有一定的下凹深度,洼蓄量较平式绿地高,拦蓄、削峰的效果更好;②5 a一遇降雨,平式绿地增设透水砖铺装路面后峰值削减23.1%,径流系数降低18.4%;随着降雨重现期的减小，透水砖、下凹式绿地措施作用下峰值、径流系数和积水深降低幅度增大,透水砖和下凹式绿地通过渗透降低径流量,大重现期降雨时土壤很快达到饱和,因此当P=5 a时透水砖和下凹式绿地措施的雨洪利用效果最好;③下凹式绿地增设蓄水池延迟了峰值出现的时间，3种降雨情况下径流系数下降幅度稳定,这是因为蓄水池利用固定容积调节雨洪,遇到小频率降雨,调洪能力有一定的限制;相对其他雨水利用措施,修建蓄水池对道路积水的影响不显著,造成积水的主要因素是地势的高低、雨水口位置的布设;④径流系数随着降雨重现期增大而增大,对5种方案各项结果进行对比,3种措施共同施用时削峰43.4%,径流系数在0.5左右,雨洪控制利用效果最明显,达到了低影响开发的目的;⑤该区域3种措施分别组合时,5 a一遇降雨积水深均小于15 cm;3种措施共同应用时5 a一遇降雨基本无积水,10 a一遇时主干道局部积水,积水深15 mm,积水历时21 min.

4 结 语

1)基于城市基础排水设施,应用低影响开发(LID)雨水利用措施是解决城市水多、水少问题的经济、有效的方法,具有较高的生态效益,符合我国现阶段的基本国情.

2)为了研究北京市某居民小区设置雨水控制利用措施后对该区域雨洪的影响,在雨水排水系统的基础上设计了3种雨水利用措施的5种组合方案.

3)应用Infoworks CS模型模拟分析实施各方案的雨洪控制利用效果.结果表明:下凹式绿地、调蓄池、透水砖均可控制径流系数,削减外排流量峰值;透水砖、下凹式绿地措施在小降雨重现期时径流削减效果较好.

4)3种雨水利用措施组合应用,研究区的积涝标准由原来3 a一遇达到5 a一遇;在不同降雨条件下,3种雨水利用措施同时应用的雨洪控制利用效果均为最优,将研究区的积涝标准提升至10 a一遇.

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(责任编辑:乔翠平)

Impacts of Rainwater Control and Utilization Measures on Urban Stormwater

WEI Yanfei1, BI Jiacheng2

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2.Xi'an Electronic and Science University, Xi'an 710726, China)

Taking a residential district of Beijing as an example, we analyzed underlying surface and rainwater flow in the study area according to the planning basic data, then designed five combination schemes containing three kinds of rainwater utilization measures, such as sunken lawn, water-permeable brick pavement and storage pond, through Infoworks CS stormwater model, we simulated and calculated the flood peaks and waterlogging conditions under three rainfall events of recurrence intervalP=5 years, 10 years, 20 years. After comparing the simulated results, we analyzed the influences of three kinds of rainwater utilization measures on stormwater control. The results show that the peak flow of sunken lawn decreases 30.5%, the runoff coefficient is controlled at about 0.6, the effect of stormwater control of sunken lawn is better than that of flat green, the storage pond has best effect of delaying flood peaks, but has little effect on reducing waterlogging. The combination schemes of three kinds of measures increase the waterlogging standard from once in 3 years to once in 5～10 years.

rainwater resources; control and utilization of rainwater; urban stormwater; Infoworks CS; rainwater utilization measures

2014-11-22

魏燕飞(1989—),女,河南南阳人,硕士研究生,主要从事水文及水资源方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.003

TV122.1

A

1002-5634(2015)01-0012-04