低影响开发措施的内涝削减效果研究——以济南市海绵试点区为例

本文使用中国水利水电科学研究院自主研发的洪涝仿真模型和洪水风险分析软件(FRAS)对低影响开发(LID)措施的内涝削减效果进行研究。在洪水风险分析软件原降雨产流模型中增加了SCS法,与地面二维水力学模型实时耦合,更精细地反映了LID措施的产汇流过程。结果表明:(1)在5、10和20年一遇24h设计暴雨条件下,LID组合措施在试点区、小流域和街区3个尺度上均能一定程度削减内涝面积,也能在流域尺度上削减径流总量和洪峰流量。措施在5年一遇降雨下内涝削减效果最为显著,径流总量和洪峰流量削减率分别达6.5%和9.7%,在措施布设较为密集的街区内涝面积削减率达48.96%;(2)10年一遇24 h设计暴雨条件下,流域尺度上单项LID措施内涝削减效果各有特点。各措施对积水量的削减效果在降雨过程中均呈先增大后减小的趋势,措施对内涝面积的削减效果排序为下沉绿地透水路面绿色屋顶;(3)措施内涝削减效果与措施类型、措施规模、地形、下垫面条件和措施布设位置密切相关,低影响开发设计时应利用水文水力学模型进行多种方案的模拟分析,合理设置LID措施。     

不同LID设施组合对区域雨洪控制效果的影响模拟

为研究不同LID设施组合对区域雨洪控制效果的影响,以南京市雨花台区一区域为研究区构建了暴雨径流管理模型,在模型中分别设定4种LID设施组合来模拟分析研究区2年一遇、3年一遇、5年一遇、10年一遇降雨条件下的地表径流、排水管网溢流及污染物排放情况。结果表明:不同LID设施组合对研究区均有减小径流量、缓解节点溢流和削减污染物排放量的作用,但随着降雨重现期的增大,对雨洪控制效果降低;以绿色屋顶和透水铺装为主,加以适当比例生物滞留设施和雨水花园的LID设施组合对研究区的雨洪控制效果较好。     

低影响开发措施的城市雨洪控制效果模拟

以广州市某小区为研究对象,根据实测降雨径流资料,结合现状排水管网,建立暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM),模拟不同降雨条件下的产流与排水状况。基于SWMM的低影响开发(low impact development,LID)模块,模拟分析采用渗透铺装、下凹式绿地、雨水花园和LID组合方案对城市雨洪的控制作用。结果表明,采用渗透铺装、下凹式绿地和雨水花园等LID措施,洪峰流量和径流系数均明显降低,可有效缓解市政管网的排水压力,各种LID措施的雨洪控制效果在低重现期降雨时更为显著。其中雨水花园对径流系数和洪峰流量的削减效果最显著;LID组合措施对洪峰的削减和滞后作用较好;下凹式绿地和渗透铺装单独布设的雨洪控制效果一般。     

综合管廊雨水舱缓解城市内涝的效果分析

为了探究综合管廊雨水舱缓解内涝的效果,以广州市杨梅河为例,建立了杨梅河区域现状排水系统、现状排水系统结合综合管廊雨水舱两种工况的暴雨洪水管理模型(SWMM),计算了4种降雨重现期下各工况杨梅河出口流量和典型内涝点溢流量。结果表明:雨水舱较优断面为宽4 m、高3.3 m,此时各降雨重现期下雨水舱对研究区总溢流量的缓解效果已达上限;综合管廊雨水舱可缓解杨梅河下游内涝,对下游两处典型内涝点的溢流量平均削减率分别为86.5%和42.2%,但对杨梅河上游内涝几乎不起作用;综合管廊雨水舱会增大杨梅河出口的峰值流量,在20年一遇降雨条件下杨梅河出口达到最大出流能力。     

LID改造对城市内涝与面源污染的影响

为了探究低影响开发(LID)措施对城市雨水-径流-污染过程的改善效果,以广州市某区域为例,提出了4种LID改造措施(绿色屋顶、生物滞留池、透水铺装、3种LID组合),并构建了SWMM模型来模拟分析5种暴雨重现期下不同LID改造措施的水文水质效应。结果表明：单一LID改造措施下,暴雨重现期较大时透水铺装效果最好,该情景下洪峰削减率、峰现时间延迟和总流量削减率都达到了最大;3种LID组合对总流量削减率最高,为26-12%~34-40%;单一LID改造措施下,透水铺装对COD与NH3-N质量浓度峰值削减和峰现时间延迟效果最佳;3种LID组合对COD和NH3-N总量削减率最高,分别为50-51%~60-83%和53-16%~58-47%。LID改造措施对城市内涝、COD和NH3-N都有不同程度的减轻或削减,其中LID组合改造措施的效果最好。     

典型LID措施对城市降雨径流过程影响

为探讨海绵城市建设中低影响开发(low impact development,LID)措施对城市降雨径流的影响,以深圳市光明区某居民小区为研究对象,通过建立区域SWMM模型,分析不同LID措施及其组合对城市雨洪过程的影响。利用研究区几场典型的降雨径流数据对模型校核验证,结果表明：构建的SWMM模型可以较好地模拟研究区降雨径流过程,纳什效率系数为0.868,峰值流量相对误差0.186,模型模拟效果较好;LID对径流峰值和总量都有削减作用,并在一定程度上延缓峰现时间,且LID布设面积越大,LID对径流的削减效果越明显;组合布设方案对径流的调控效果优于单独布设方案,单独布设方案中径流量削减效果最好的是透水铺装,峰值流量调控效果最好的是绿色屋顶,下沉式绿地的径流调控效果在三者中最差。因此,LID布设结构以及布设面积均对城市降雨径流产生影响,合理布设LID在一定程度上可以有效缓解城市内涝。     

地铁车辆基地低影响开发模式研究

采用分布式水文模型SWMM(storm water management model)作为研究手段,选取西安地铁四号线航天城车辆基地作为研究对象,根据实际的下垫面情况和管网情况建立了SWMM模型,采用Morris筛选法进行模型参数敏感性分析,对模型的敏感性参数进行率定.利用芝加哥雨型及西安市地区暴雨公式,合成不同重现期下的降雨时间序列,并利用所构建模型对1年一遇、5年一遇及10年一遇2小时降雨重现期下,开发前、现状、及添加不同LID (Low Impact Development)措施组合后排水状况分别进行模拟.结果 表明,添加经济合理的LID措施(绿色屋顶+植草沟+渗透铺装)可以控制径流总量与峰值流量同时达到开发前水平.通过模拟最优LID措施模式在不同降雨重现期条件下的径流控制效果,表明在降雨量较小的情况下,设置LID措施对径流总量和峰值流量的控制效果更明显,随着降雨重现期的增大,LID措施对径流总量和峰值的削减有所减少.采用SWMM模型能够有效模拟车辆基地在不同开发模式下的水文状态,研究结果可为地铁车辆基地内海绵建设项目评估提供技术支持和依据.     

雨水花园对雨水径流热污染控制效果试验研究

雨水花园是海绵城市建设中应用较为广泛的技术措施之一。为研究雨水花园对雨水径流热污染的控制效果和影响因素,以典型构造的雨水花园试验装置为研究对象,采用人工模拟雨水径流的方法,系统研究了降雨过程中雨水花园各构造层的温度变化规律,以及雨水径流温度、降雨强度对热污染控制效果的影响。结果表明:雨水花园可以有效控制雨水径流热污染,当重现期从1 a一遇增大到10 a一遇时,雨水径流温度的削减量从17.4℃减小到10.5℃,热量削减率从32.42%减少到14.54%;当雨水径流温度从22℃升高至35℃时,温度的削减量从6.3℃增加到20.5℃,热量削减率从20.67%增大到32.65%。此外,雨水花园出水温度受填料层温度影响较大,靠近出水口附近的填料层温度越低,雨水花园出水温度越低。因此,降雨强度越小、填料层温度越低、雨水径流温度越高时,雨水花园对雨水径流热污染的控制效果越显著。     

基于SWMM模型的LID措施不同布设方式对径流削减作用

利用暴雨雨水管理模型(storm water management model,SWMM)中的低影响开发(low impact development,LID)模块模拟了西安理工大学金花校区现状下以及下沉式绿地、透水路面和2种LID措施组合的布设情况在不同降雨重现期下管道出口径流过程,并评估了该区域排水管网的有效性和内涝状况。结果显示LID措施的布设对于推迟洪峰出现时间、减小洪峰流量、减小洪流总量和削减径流系数方面有着明显的效果,同时,其雨洪控制效果在低重现期降雨中更加明显。     

基于SWMM的银川市金凤区雨洪模拟及LID效果评估

针对城市内涝及非点源污染问题,从海绵城市建设的角度出发,以银川市金凤区作为研究区域,采用SWMM建立雨洪模型,选取设计雨峰系数为0.4的5种降雨重现期和降雨重现期为0.5 a的4种雨峰系数共9场降雨,评估研究区在下凹式绿地、透水铺装、雨水花园、下凹式绿地组合透水铺装及雨水花园组合透水铺装5种LID方案下对径流及4种污染物的控制效果。模拟结果表明：随着重现期的增大,5种方案的径流控制率及污染物负荷削减率均有所减小;下凹式绿地组合透水铺装方案的削减效果最为显著,重现期为0.5～5 a时,该方案径流控制率均大于65%,污染物负荷削减率均大于45%;重现期为10 a时,径流控制率及TSS、COD、TP与TN负荷削减率分别为61.38%、42.86%、58.23%、44.03%和55.95%;重现期为0.5 a时,随着雨峰系数的增大,5种LID方案的径流控制率及污染物负荷削减率的变化均不明显。LID方案对中小重现期降雨有较好的控制效果,但因组合方案各措施间受到相互作用及不透水面积等因素的影响,并未达到“1+1>2”的叠加效应,最优方案还需深入研究。     

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。     

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。     

基于Hydrus-1D模型的LID措施雨水径流控制效应研究

为探究LID措施在不同工况下的雨水径流控制效应,选取生物滞留池、下凹式绿地及透水铺装为研究对象,构建Hydrus-1D模型来模拟分析其雨水径流控制效应。结果表明：生物滞留池的径流量削减率与汇水面积比和蓄水层厚度为正线性相关关系,与种植土厚度(20～40 cm)为负线性相关关系;下凹式绿地的径流量削减率与汇水面积比、雨水口高度和种植土厚度为正线性相关关系;透水铺装的径流量削减率与降雨历时和透水砖渗透系数为正相关关系,与雨峰系数为负相关关系。建议生物滞留池的蓄水层厚度取值为30 cm、种植土厚度取值为30 cm;建议下凹式绿地的汇水面积比不小于15%、雨水口高度取值为10 cm、种植土厚度取值为30 cm;当透水砖渗透系数大于0.291 cm/min时,透水铺装产生的雨水径流较少。     

基于MIKE模型的湘阴县雨水管网健康度评价

以洋沙湖镇涝溪桥村地区为例,采用MIKE模型分析了岳阳市湘阴县在遭遇暴雨干扰时的雨水管网健康度。在采用一次降雨过程中严重内涝点的实测积水深度对模型进行率定和验证的基础上,利用该模型模拟了重现期为1、3、5、10、20 a的2.h设计降雨,重点分析了重现期为3a的降雨过程,并结合排水能力、管网结构、环境因素、社会因素4项综合指标和15项子指标构建了雨水管网健康度评价指标体系。结果表明:该区域管网的排水能力综合指标的得分为0.48,管网结构综合指标的得分为0.78,环境因素综合指标的得分为1,社会因素综合指标的得分为0.66,综合健康度为0.54,综合健康度等级为较差；重现期越大,积水深度也越大,但最大积水深度到达的时间并不受重现期影响；积水风险较大、积水较深位置均位于健康度较低的管道附近。     

基于SWMM的生物滞留池布置水文时空效应

利用SWMM中的低影响开发模块,根据汇流时间将研究区的子汇水区划分为上游和下游,生物滞留池按照不同位置(上游和下游)和不同规模布设,研究其遭遇不同重现期降雨下的水文时空效应。结果表明:在低降雨重现期下,生物滞留池的雨洪控制效果较好;相同重现期时,规模较大的生物滞留池效果较好,而布设的越分散,其降低径流系数的效果越好,但削减洪峰的效果较差。     

杨梅河流域“海绵型”综合管廊水文效应模拟EI北大核心CSCD

以广州市国家综合管廊试点区域——杨梅河流域为研究对象,利用SWMM和SUSTAIN模型对传统开发情景、传统综合管廊情景、低影响开发情景、低影响开发和综合管廊联合作用的“海绵型”综合管廊情景下的水文效应进行对比评估,结果表明:实测降雨条件下,SWMM模型的模拟结果与流域内涝实际情况相符,证明该模型适用于杨梅河流域水文效应研究;结合SWMM和SUSTAIN模型的优势,将SUSTAIN模型中的低影响开发优化布局方案输入至SWMM模型进行水文模拟,使得低影响开发布局更科学合理;“海绵型”综合管廊情景下,溢流量削减效果最佳,50 a重现期设计降雨条件下溢流总量削减率超过60%,与“快排”模式下的传统综合管廊情景相比,“海绵型”综合管廊使杨梅河出水口峰值流量明显降低,峰现时间也相应延迟。