大坡度透水沥青路面-生物滞留带径流控制试验研究

为研究大坡度透水沥青路面-生物滞留带径流控制效果,通过人工控制降雨条件,更换路面材料等方式,模拟纵坡5%、横坡2.5%坡度条件下1 h内普通沥青路面/透水沥青路面及其与生物滞留带联用条件下的产汇流过程,监测流量并进行对比分析。试验结果显示:降雨重现期为1～20年内,所铺设的透水路面径流总量削减率可达71%～93%,联用滞留带后的总量削减率为81%～93%;联用滞留带后的峰值削减率为75%～95%,削峰效果明显。透水路面的径流系数为0.07～0.29,联用滞留带之后则为0.07～0.19。透水路面雨水口的雨水收集率为0.06～0.13,联用滞留带后可减少82%～95%的雨水口入流总量。针对道路坡度的特殊性,可在道路面层下设置排水边沟及排水横篦,以提升径流削减控制效率。     

景观雨水设施对城市道路径流削减效果评价

生物滞留带和透水铺装作为城市道路低影响开发重要的景观雨水设施,能有效调控道路雨水径流。以漳州市区某道路为研究区域,通过构建传统开发模式和低影响开发模式的SWMM模型,模拟不同重现期下生物滞留带、透水铺装及两者组合模式对城市道路的径流削减效果,结果表明对降雨历时2 h重现期为2 a、5 a、10 a和20 a的降雨而言,其径流总量削减率均在50%以上,峰值削减率均为45%左右。各种措施的径流削减量和峰值削减量随着重现期的增大而增大,但削减率呈现出下降的趋势,短重现期的降雨条件下削减效果更明显,尤以组合模式的效果最佳。     

生物滞留设施对雨水径流热污染控制效果试验EI北大核心CSCD

通过土柱模拟试验,采用人工模拟降雨的方法,研究了生物滞留设施在不同降雨历时、不同服务面积以及不同内部储水层高度条件下对雨水径流热污染的控制效果。结果表明:在进水温度为30℃的试验条件下,生物滞留设施对1年一遇雨水径流的热污染控制效果显著,在设施深度范围92.5~115.0 cm处土壤温度最低且最稳定;生物滞留设施服务面积一定时,随降雨历时的延长生物滞留设施对雨水径流热污染削减率呈现先增大后减小的趋势;降雨历时一定时,生物滞留设施对雨水径流的最佳热污染削减率随设施设计参数改变,其中生物滞留设施面积与其服务面积比是重要因素,该比值由1∶20增至1∶5,热污染削减率由23.19%增至38.02%,且出水温度较稳定;内部具有储水结构的生物滞留设施对热污染的控制效果较好。     

基于HYDRUS-1D生物滞留设施雨水径流水文调控模拟EI北大核心CSCD

为研究生物滞留设施水文调控效能,基于HYDRUS-1D建立生物滞留设施模型,通过物模试验数据率定模型参数,验证模型可靠性;利用验证后的模型开展模拟试验,采用径流总量和峰值削减率及产流和峰现延迟时间定量分析水力负荷参数、蓄水层高度和初始含水率对生物滞留设施水文调控效应的影响。结果表明:所建模型模拟值与实测值的均方根误差最高仅为0.134,相对误差为-2.28%~7.59%,纳什效率系数和决定系数均在0.8以上,模拟结果可靠;综合考虑水力负荷参数,汇流比小于10∶1的生物滞留设施对于重现期小于1a并且降雨时长小于120 min的降雨过程有较好的调控效果,随着汇流比、重现期和降雨时长的增加,设施水文调控效果不断削弱;增加蓄水层高度会提升生物滞留设施水文调控效果,当蓄水层高度由0 cm增加至25 cm时,径流总量和峰值削减率分别增加86.16%和96.74%,产流和峰现延迟时间分别为57.8 min和36.0 min;初始含水率的增大会降低设施水文调控效果,其径流总量和峰值削减率变化范围分别为49.32%~54.11%和22.84%~45.37%,产流和峰现延迟时间变化范围分别为24.1~25.0 min和1.0~2.5 min。     

基于暴雨洪水管理模型的低影响开发设施应用研究

海绵城市是针对解决我国水危机提出的新理念,而低影响开发(LID)设施是构建海绵城市的关键。为了分析不同降雨重现期、不同降雨历时、占地面积对单项LID设施径流控制能力的影响,以亦庄调节池一期工程为研究区域,利用暴雨洪水管理模型(SWMM)进行模拟计算,研究了不同占地面积下各LID设施对不同降雨过程的径流削减效果,分析了降雨重现期及降雨历时与占地面积影响作用的相关性。结果表明:随着降雨重现期由1年增加至10年,透水铺装径流削减率下降了13%～35%;随占地面积占比由25%增至100%时,其径流削减率增大了4. 8%～23%,且占地面积变化对低重现期降雨径流削减效果影响明显,生物滞留槽和植草沟呈相同规律。相反,下凹绿地占地面积变化对高重现期径流削减效果影响较大。绿色屋顶的径流削减率与土壤层厚度成正比,与降雨重现期成反比,且绿色屋顶厚度对低降雨重现期削减效率影响稍大; LID设施的径流削减率随降雨历时增加而增大(削减率增长区间为1. 7%～7. 7%),且占地面积越大,降雨历时变化对径流削减率的影响就越明显。各LID设施的性价比和适用情况对比计算表明,下凹绿地和透水铺装性价比较高,适于作为主控设施大面积应用,而植草沟、生物滞留池及绿色屋顶适于作为辅助设施部分应用。研究成果为选择效益最优的海绵城市建设模式提供科学参考。     

倒置生物滞留技术水量水质控制效果研究

生物滞留技术是目前应用较为广泛的雨洪控制利用措施,生物滞留技术在应用过程中也出现一些问题。针对传统生物滞留设施存在的水土流失、污染物表层累积、填料层更换困难等问题,提出了一种新型倒置生物滞留技术。通过实验室模拟试验,研究了不同重现期条件下,倒置生物滞留技术的水量、水质控制效果,并与传统生物滞留技术进行了比较。结果表明:倒置生物滞留技术在径流总量控制率、峰值削减率方面比传统生物滞留分别提高了9%～21%和1%～32%;在峰值延迟时间方面最大延长了8 min;倒置生物滞留对TP、TN、COD、NH_4~+-N等污染物的平均去除率比传统生物滞留分别提高了约6%、4%、3%、6%。研究成果可为倒置生物滞留技术在海绵城市建设中广泛应用提供技术支撑,为生物滞留技术的完善与发展提供借鉴和参考。     

深圳光明新区透水沥青道路与滞留带对径流水质水量控制效果研究

通过现场监测分析,研究了深圳光明新区国家低影响开发雨水综合利用示范区内透水沥青道路与滞留带对路面径流水质和水量的控制效果。研究结果表明:与传统沥青道路相比,透水沥青道路径流中的SS、COD、NH3-N、NO-3-N、TN和TP等污染物浓度分别降低了94.76%、83.84%、70.59%、33.33%、50.00%和65.96%,对径流总量和峰值流量的平均削减率分别达76.70%和74.92%。道路滞留带对COD、NH3-N、NO-3-N、TN和TP也具有一定的去除效果;在小雨事件下不外排雨水,在中雨、大雨和暴雨事件下,对径流总量和峰值流量平均削减率分别达65.71%和57.69%,同时具有明显的延迟峰值作用。     

降雨特征对西北地区海绵改造小区径流控制效果的影响

为研究海绵措施对降雨径流的削减效果和不同降雨特征对海绵措施的影响,以宁夏固原市玫瑰苑小区为研究对象,构建暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model,SWMM）,模拟不同重现期下研究区域海绵改造前后径流过程的变化。结果表明：(1)布设低影响措施对排水口1、2、3的径流削减效果明显。(2)重现期为1 a、5 a、10 a时,径流峰值和径流总量削减率分别可达到25%和10%,排水口水位峰值削减率可达到10%,且海绵措施可以适当延后洪峰出现时间;对于较大的降雨,海绵措施对径流的削减作用有限。(3)不同降雨特征的设计暴雨下,海绵措施的径流控制效果存在差异,径流峰值和水位峰值的削减率随着雨峰系数的增大而增大,径流总量的削减率随着降雨历时的增大而减小。     

高渗透下凹绿地对城市降雨径流的削减作用研究

针对下凹绿地的蓄水、渗水能力有限的特点,为了进一步提高其蓄水、渗水能力,对内部结构进行优化改善,开发出水平高渗透、垂直高渗透、组合高渗透3种高渗透下凹绿地。通过模拟降雨产流中试系统,分析不同降雨重现期及降雨历时条件下高渗透下凹绿地径流削减作用及洪峰削减量,并与传统上凸绿地、普通下凹绿地进行比较。结果表明,在降雨重现期1～10年、降雨历时30～120 min的芝加哥设计暴雨雨型条件下,与传统上凸绿地对比,普通下凹绿地径流总量削减率为23. 14%～67. 04%,径流峰值削减率1. 41%～100%,径流系数0. 29～0. 69;组合高渗透下凹绿地径流总量削减率为39. 93%～89. 87%,径流峰值削减率为6. 54%～100%,径流系数0. 05～0. 55。研究成果可为高水平城市绿地以及海绵城市的规划和建设提供参考。     

生物滞留池水文水质效应模拟分析

为研究生物滞留池措施对雨水水文水质的调控作用,以宜兴市城区某试验区为研究区域,利用SWMM模拟软件,在5年、10年、100年设计重现期下,分别模拟城市化后有无生物滞留池措施的水文水质状况,并将两者比较分析。研究发现:占研究区域总面积10.75%的生物滞留池措施下,雨水径流量减少了12%左右,峰值流量降低了8%左右,入渗量增加了22%左右;污染物SS、COD、TN、TP总负荷量的削减率分别在10%、7%、9%、8%左右。结果表明:随着城市化进程日益加快,生物滞留池可有效地降低雨水径流量、增加雨水入渗量,削减雨水径流的峰值流量;同时还可以拦截一定量的颗粒悬浮物、营养物质、重金属等污染物。研究成果对海绵城市建设和雨水资源调控利用具有参考价值,对城市水生态建设具有重要意义。     

城市雨水径流污染及LID控制效果模拟

采用SWMM(storm water management model)模型对城市雨水经流及水质进行模拟,分析不同降雨条件下,LID(low impact development)控制措施对城市雨水径流及污染物的削减效果。结果发现:LID控制措施对城市雨水径流量、污染物总负荷以及径流峰值均有明显削减作用,对径流峰现时间有延迟作用;雨水径流量、污染物总负荷以及径流峰值的削减率随雨峰系数的增大呈先增大、后较小的变化趋势,随重现期的增大而减小;峰现时间的延迟效果与雨峰系数和重现期均呈负相关;相对雨峰系数,重现期对雨水径流量、污染物负荷的削减率、径流峰值以及峰现时间的影响更显著。     

透水道路径流系数试验研究

透水道路是缓解城市道路积水问题的有效途径,但现有道路的排水设计方法对于透水道路并不完全适用,为解决上述问题,利用人工降雨装置和特别设计的透水道路试验平台和流量监测系统,通过人工模拟降雨试验,研究在不同降雨条件下透水道路径流系数的变化规律。试验研究结果表明:在地形条件不发生改变的情况下,透水道路径流系数在降雨过程中呈现单峰状动态变化,并且降雨历时与降雨重现期都会影响透水道路径流系数的最大值,并与之成正相关关系;在试验条件下,径流系数随降雨强度的变化存在一个敏感区间,在此区间内,径流系数随雨强变化的速率较快;当试验工况不变且降雨强度小于50 mm/h时,透水道路的径流系数平均值为0.023,说明该条件下的透水道路可控制降雨强度50 mm/h以下的降雨不产流,即在后续排水通畅条件下,所研究透水道路可以解决多数降雨事件的道路积水问题。试验为后续透水道路径流系数的研究打下了基础,也为透水道路的排水设计提供了一定的理论依据。     

基于SWMM的海绵校园径流控制效果评估——以萍乡市北星小学为例

为了研究海绵校园LID措施的径流控制效果,以萍乡市北星小学的改造项目为例,利用萍乡市暴雨强度公式计算各个重现期的设计降雨,借助雨洪管理模型(SWMM),构建LID改造前后的降雨-径流模型,模拟不同设计降雨条件下校园内分别采用组合LID及单独布设LID措施的径流控制效果,以及透水路面堵塞情形下的径流控制效果。结果表明:校园海绵化改造后,年径流总量控制率达到75%,污染物削减率在60%左右,排放口流量峰值时刻延后7～10 min;三种LID措施对校园径流量削减的贡献度排序为透水铺装下沉式树池下沉式绿地,对污染物削减的贡献度排序为下沉式绿地下沉式树池透水铺装;透水路面堵塞对径流控制效果的影响在降雨重现期30a时显著增大。通过对结果分析,设计方案下的海绵校园径流控制效果均达到预期目标,对一般的小范围海绵校园进行LID改造具有一定的参考价值。     

建筑小区尺度下径流控制率与非点源污染负荷削减率协同关系研究

以陕西省西安市天福和园小区为例,基于SWMM原理构建了水质水量计算模型,借鉴国内外相似地区相关模型参数的选取并结合实测数据确定模型参数。设计了9种重现期和5种雨峰系数条件的45场降雨,以分析不同降雨条件下研究区域的径流控制率与非点源污染负荷削减率的协同关系。结果表明：相同雨峰系数降雨条件下,径流控制率与非点源污染负荷削减率呈线性关系,COD、TN、TP和TSS 4种污染物的拟合函数曲线的协同系数均大于0.989;雨峰系数对拟合函数曲线的斜率与截距影响不大;建筑小区尺度下径流控制率与非点源污染负荷削减率存在高度的线性关系,可根据径流控制率推算出污染负荷削减率。     

建筑废弃料对改良土壤蓄渗效果的试验及模拟研究

为了解决我国华南地区土壤质地黏重、渗透性能极差,无法及时排干随着不透水路面剧增而增长的城市径流雨水的问题,依据生物滞留池典型构造原理制备实验室自制滤柱装置,通过测试不同重现期下滤柱装置的下渗曲线,以评估不同粒径级配的建筑废弃料对土壤蓄渗的改良效果。结果表明:中小雨强下符合华南地区土壤特征和降雨条件的最优建筑废弃料粒径级配为5~9mm,且随着降雨重现期的增加,蓄渗改良效果更为明显,产渗流时间也显著提前;在SWMM中构建LID生物滞留池模块,根据试验结果进行模型率定,可为生物滞留池提供合理设定参数。研究成果拓展了建筑废弃料在低影响开发措施中的应用,以期为华南地区大规模海绵城市低影响开发措施的土壤蓄渗改造提供科学参考和评估工具。     

不同植被措施下红壤坡地径流产沙对天然降雨的响应

通过分析气象观测站收集的年内各降雨特征参数,研究了野外植被覆盖及敷盖措施相对于裸露小区的径流产沙特性对天然降雨的响应,分析了植被措施的减水减沙效益。结果表明:(1)裸露小区、植被敷盖小区、植被覆盖小区有效降雨次数随月份变化峰值出现在4~5月,占全年降雨总场次比例分别为31.1%、25.3%和20.1%;降雨量在4~5月及7~8月出现两次峰值,分别占全年降雨量的比例为63.2%、66.4%和70.5%。降雨强度的峰值均出现在7月,是其他月份的1.1~6.5倍。(2)植被敷盖和覆盖小区年内平均地表径流量较裸露小区分别减少91.4%和95.8%,年内平均侵蚀量均减少99.9%。覆盖小区较敷盖小区的减流减沙效果更显著。(3)裸露小区、植被敷盖和覆盖小区总径流系数分别为77.5%、87.4%和81.1%。径流量、侵蚀量均与降雨量呈显著相关性。     

城市下垫面渗蓄性能量化模拟试验研究

在城市化快速进程中,下垫面渗水、蓄水性能的逆向变化,成为了影响城市内涝的控制因素之一。实验室条件下采用不同比例的砂土来混合制作模型,模拟城市下垫层土层,根据桂林市降雨资料,以桂林市新城区临桂新区为目标实验地,采用不同重现期雨型进行模拟降雨实验,通过对不同条件下的下垫面蓄渗性能的实验研究分析,来评估其海绵城市建设的效果。实验结果表明：在相同的降雨强度及坡度下,模型蓄渗性能与含砂量呈正相关;在相同的模型含砂量及坡度下,模型蓄渗性能与降雨强度呈负相关;在相同的模型含砂量及降雨强度下,模型蓄渗性能与坡度呈负相关。本实验研究结果对于城市下垫面规划及海绵城市建设具有一定的参考意义。     

Assessment of flood regulation service based on source–sink landscape analysis in urbanized watershed

Facing climate change and rapid urbanization, urban flooding has exposed human and properties to increasing disaster risks. The attention from researchers and decision-makers to understand the key role of flood regulation service (FRS) in flood management has arisen. However, the mechanism of FRS supply–demand is little known from landscape scale. The FRS assessment methodology considering interacts between source, sink, and flow landscape was proposed in this study. The spatial distributions of surface runoff generation, runoff reduction capacity, and flood inundation were mapped using one-dimensional rainfall–runoff method SCS-CN and two-dimensional flood propagation model CADDIES. Four 3-hour designed rainfall scenarios ranging from nuisance to extreme events (3a, 11a, 56a, and 100a) were simulated. The Liuyang River Watershed in Changsha Municipality, China was selected for case study. The results showed that, the differences of runoff reduction coefficient and runoff generation volume between vegetation and built-up landscape have shortened. The peak flood depth, extent of flood inundation, and peak flood velocity have increased continuously with the growing rainfall intensity. The number of source–sink mismatch catchment was the highest under 56 and 100a, and the most of source-sink match catchments were observed under 3a. Under four rainfall scenarios, the changes of source–sink relationships were witnessed and the potentials of flow zone in source–sink mismatch catchments have increased. The FRS management framework concerning supply–demand connections has been proposed based on source–sink–flow analysis. These findings could provide a scientific basis for sustainable urban flood management and disaster risk mitigation.