雨水花园对城镇新建项目区径流控制效果分析

王 凤,彭秋伟，罗 强

(1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018；3.武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430000)

我国目前正处于城市化快速扩张时期，城区项目开发建设规模较大。对于城镇新建项目区雨水径流的控制问题的研究迫在眉睫。《海绵城市建设技术指南》(试行)中提出城镇开发建设后要满足一定年径流总量控制率下场地径流不外排。因此针对低影响开发(low impact development, LID)措施的建设对新建项目区径流的控制效果以及在建设过程中要把握的尺度等有必要进行量化探讨。

由于LID措施中雨水花园对于削减雨水径流有良好的效果[1-8]，以雨水花园这一渗透滞留措施为代表，结合研究区水文地质条件，利用RECARGA软件对雨水花园的雨水渗透过程进行模拟,设计一个符合研究区条件的雨水花园，并利用RECARGA模型模拟在不同频率降雨下，雨水花园的入渗和产流过程，分析在满足以年径流控制率为控制目标下，城镇新建项目区中100 m2的雨水花园能够控制1 000 m2的场地面积，保证径流不外排。同时分析场地在建设雨水花园措施前后的径流系数，探讨雨水花园对城镇新建项目区径流量的控制效果。

1 研究区概况及设计暴雨

1.1 研究区概况

大岗镇属广东省广州市南沙区，位于珠江三角洲113°20′49″～113°33′10″E、22°43′44″～22°51′40″N，海拔10～300 m，为三角洲平原与丘陵地带过渡区，第四系地层上层多为粉砂质淤泥，局部地区为砂或浅风化粘土；下层多为砂层，部分为粘性土[9]。研究区年平均降雨1 650 mm,降雨主要集中在汛期(每年4—9月)，多年平均气温为21.8℃,地下水位埋深1.5～3.0 m,地面高程在5.2～6.8 m之间(广州高程)[9]。由于该地区地势低平，区域内河道众多，暴雨期间极易产生内涝灾害。

1.2 研究区设计暴雨

本文所用到的设计暴雨资料包括2 h短历时暴雨和24 h长历时暴雨。2 h短历时设计暴雨过程根据广州市短历时暴雨公式推求，24 h长历时暴雨过程根据研究暴雨资料，采用年最大值法选样统计分析1 d降雨量，并利用P-Ⅲ型分布曲线进行拟合得到。

1.2.1 长历时设计暴雨推求

通过中国气象科学数据共享服务网下载广州市1952—2011年的逐日降雨资料，采用年最大值选样统计分析1 d降雨量，利用P-Ⅲ型分布曲线对其进行拟合，得到广州市1 d降雨频率、均值、变差系数等分布数据，成果(见表1)。

表1 广州市24 h不同频率下的降雨量统计成果表

查《广东省暴雨径流查算图表》[10]大岗镇位于Ⅶ珠江三角洲分区Ⅶ1亚区，根据广东省综合单位线法[10]中滞时m1计算方法可推求流域滞时m1=1.4，1 h≤m1<2 h，故24 h设计暴雨以1 h、6 h为控制时段，时间步长Δt=1 h。查《广东省水文图集》[10]中广东省年最大1 h、6 h点雨量均值等值线图Ht，变差系数Cv等值线图，Cs=3.5Cv,P-Ⅲ型曲线Kp，由H点=KpHt，H面=αH点，得设计暴雨统计参数(见表2)。

表2 研究区不同时段设计暴雨

1.2.2 短历时设计暴雨推求

短历时设计暴雨推求根据广州市市政排水2 h短历时暴雨强度公式，式(1)，结合芝加哥过程线法[11]通过计算得到1年一遇、2年一遇、3年一遇和5年一遇2 h的暴雨强度过程。

(1)

式中：q—设计暴雨雨强，L/(s·hm2)；

P—降雨重现期；

t—降雨历时，min。

综上所述，食品安全问题与人们的日常生活密不可分，直接影响着人们的健康和安全，强化动物检验检疫是保证食品安全不可缺少的环节，对保障食品安全具有非常重要的作用。希望我国相关部门能加强动物检验检疫的工作力度，加强监督，严格控制好每个环节，减少食品安全问题的产生，从根本上提高动物性食品的安全性，保障人们的生命健康与安全，促进和谐社会的稳定发展。

2 RECARGA模型原理及建模参数设置

2.1 RECARGA模型原理

RECARGA由Wisconsin大学开发的用于评估雨水花园、生物滞留池等水力性能[12]。RECARGA模型设计了地表蓄水层、种植土壤层、储水层(填料层)以及天然土壤基质层，外加底层排水设施。降雨后，在雨水花园内部以及周围控制区域分别产生产流，周围区域的径流汇集流入雨水花园蓄水层通过种植土层、储水层然后一部分雨水通过土壤基质层入渗补给地下水，另一部分通过底层排水设施外排。该模型中以降雨为输入条件，依据水量平衡方程分别计算溢出径流量、排水设施排水量、补给地下水量等，模型结构(见图1)。下垫面状况分为透水区域和不透水区域，对于透水区下垫面产流的计算RECARGA采用SCS水文模型，不透水区产流量等于降雨量减去蒸发量，由于研究区计算面积不大，且暴雨历时段，故蒸发量不考虑。

图1 RECARGA模型结构图

雨水花园蓄水层到种植土层间的入渗运用Green-Ampt方程，种植土层、填料层以及天然基质土壤间的水力特性用Van Genuchten非线性方程模拟。SCS水文模型、Green-Ampt模型及Van Genuchten非线性方程如式(2)-(6)。

Green-Amp模型将土壤下渗过程分为饱和阶段和非饱和阶段进行计算，通过联合达西公式和水量平衡方程求解得到饱和下渗速率f为：

(2)

式中：k—饱和导水率，m/s；

θs—饱和含水率，%；hs—下渗锋面有效吸力，m；

θo—初始含水率，%。

采用该模型计算时，只需要输入饱和导水率、初期含水率和下渗锋面有效吸力。

SCS曲线模型参数简单，应用该模型只需要输入一个参数CN值，在无资料的中小流域得到广泛应用，其计算公式为：

(3)

式中：Q—径流量，m3/s；R—降雨量，mm；

S—水土保持参数，与土壤水力性能、土地利用类型等因素有关，可由CN求得，CN值由土壤结构、坡度、湿润状况等综合决定,S=25 400/CN-254。

Van Genuchten非线性方程如式(4)：

(4)

(5)

(6)

式中：θs—饱和含水率；θt—残余含水率；

Se—相对饱和度；Ks—饱和导水率，m/s；

h—土壤中的负压水头，m；

α、n、m—均为孔隙尺寸参数。

2.2 雨水花园结构设计及建模参数

雨水花园的设计应综合考虑研究区土壤类型、地下水位埋深和土地使用情况等客观因素，一个雨水花园应具有良好的处理径流污染物的能力，又要保证能入渗一定标准雨水以及通过底层设施排除多余雨水。

大岗镇地处珠三角北部广州市南沙区，海拔10～300 m，为三角洲平原与丘陵地带过渡区。第四系地层上层多为粉砂质淤泥，局部地区为砂或浅风化粘土；下层多为砂层，部分为粘性土土壤为赤红壤，其土壤容重ρB=1.3 g/cm3;土壤孔隙度P=40.6%；土壤含水率为16.4%；饱和水力传导系数为0.86 cm/h[14]。雨水花园其他土层土壤渗透系数参考《建筑与小区雨水利用工程技术规范》选取[15]。

雨水花园结构设计规范主要参考相关书籍[16]，并考虑到地下水位埋1.5～3.0 m[9]。取雨水花园蓄水层15 cm、覆盖层7 cm、种植土层30 cm、填料层60 cm、砂砾层5 cm、天然土壤层33 cm。模型计算中覆盖层与种植土层作为同一土层处理，渗透系数为2.0 cm/h；填料层与砂砾层作为同一土层处理，渗透系数取2.5 cm/h。设置雨水花园面积为100 m2。雨水花园结构图(见图2)。

图2 研究区雨水花园结构设计示意图

3 不同设计暴雨下雨水花园产流量

RECARGA模型中将覆盖层与种植土层作为同一土层处理，种植土层厚度为37 cm，渗透系数2.0 cm/h；填料层与砂砾层作为同一土层处理，填料层厚度为65 cm，渗透系数为2.5 cm/h。天然土壤层渗透系数为0.86 cm/h。分别计算在遭遇不同重现期设计暴雨下雨水花园产流量、总滞蓄量以及蓄水层水量充分入渗所需的时间，结果(见表3)。

表3 雨水花园模拟结果

通过模拟可知，对于雨水花园对于其面积内100年一遇24 h的降水都能很好地滞蓄，而不产生径流。这个结果参考雨水花园的结构设计深度是合理的，因为雨水花园没有考虑周围的控制区域，故百年一遇24 h降雨的总雨量远小于雨水花园的深度。只是对于不同降雨，蓄水层的滞蓄水分的时间不同，参考相应的雨水花园设计规范[15-18]，雨水花园蓄水层一般允许淹没时间为48 h，故模拟结果符合雨水花园的设计要求。

4 城镇新建项目区径流控制分析

4.1 满足年径流控制率规划目标下雨水花园径流控制效果分析

《海绵城市建设技术指南》(试行)中提出城镇开发后径流排放量应接近原先自然场地时的径流排放量。一般情况下，自然场地按绿地处理，其年径流总量外排率为15%～20%，故年径流总量控制率最佳为80%～85%。年径流总量控制率与设计降雨量存在一一对应的关系(见表4)。

表4 不同年径流总量控制率对应的设计降雨量

利用RECARGA模型计算，在年径流控制率为85%时，100 m2的雨水花园最高能控制多少面积的新建城区而使场地在相应的设计降雨量下径流不外排。

研究区为广州市大岗镇，年径流控制率为85%时对应的设计降雨量为43.4 mm。研究区不透水面积率由实测资料可知为75%，参考相关文献查的研究区下垫面CN值(见表5)。

表5 不同土地利用方式下CN值参考取值[17]

通过对RECARGA模型不断试算得知，在年径流控制率为85%时，100 m2雨水花园最大能控制1 000 m2新建项目区，使得该场地径流不外排，结果(见表6)。

表6 100 m2雨水花园最大能控制1 000 m2场地径流结果

4.2 不同重现期降雨下雨水花园的建设对综合径流系数的影响

由之前的计算可知100 m2的雨水花园在满足年径流总量控制率目标下能控制1 000 m2的城镇新建项目区雨水径流。本节计算在1 000 m2项目区内当遭遇不同重现期降雨下雨水花园的建设对场地综合径流系数的影响，计算结果(见表7)。

表7 不同重现期降雨下雨水花园对综合径流系数影响

5 结论

综上所述，雨水花园的建设能满足海绵城市规划中年径流总量控制率的目标，同时在遭遇2年一遇短时历暴雨时，雨水花园可以有效地将研究区综合径流系数从0.61削减为0.36。而对于降雨重现期大于5 a以上的24 h暴雨，雨水花园对径流系数的削减效果不太明显，对于涝水的控制具有很大的局限性。这个结果由雨水花园的控制面积所决定。在城镇内涝防治目标中，根据研究区地理条件、经济发展状况等，其内涝防治标准是要求在遭遇20年一遇24 h时道路积水不超过15 cm。根据内涝防治标准，由表7的计算结果可知，1 000 m2新建项目区建设100 m2面积的雨水花园后遭遇20年一遇24 h暴雨是总产流量为21.3 cm，10年一遇24 h暴雨是总产流量为17.2 cm，与内涝防治标准已是非常接近了。通过RECARGA模型计算可知，100 m2的雨水花园能控制650 m2的区域，使得该区域产流量完全满足内涝防治标准的要求。而在满足年径流控制率条件下100 m2的雨水花园能控制1 000 m2的区域，使得该区域在对应设计降雨量下径流不外排。

在区域建设中，通过建立低影响开发设施使得土地开发利用后的地表径流量应不超过原有地块的径流量。实现区域工程建设规划与低影响开发设计标准相结合控制区域径流。同时，可根据城镇区域实际地理及经济情况，建造由绿地、泛洪区、大型调蓄池、隧道、水系等蓄排水设施组成的大排水系统。大排水系统的建立主要针对城市超常规标准的暴雨(一般重现期为30～100 a)的安全排放，保证城市经济的正常运转。