下凹式绿地和蓄水池对城市型洪水的影响（侯爱中,唐莉华,张思聪）

时间：2021-01-10 08:10:08　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：以北京市奥林匹克公园为研究区, 采用美国环保局开发的SWMM ( Storm Water Management Model) , 对研究区内下凹式绿地和蓄水池两种措施条件下排水管道主要断面洪峰流量的变化进行了计算分析。计算结果表明, 下凹式绿地和蓄水池可以有效地削减洪峰, 推迟峰现时刻, 减小径流系数, 从而增加雨洪资源利用量。

关键词：雨洪利用下凹式绿地蓄水池 SWMM

中图分类号P426.62 文献标识码B 文章编号1673- 4637 ( 2007) 02- 0042- 03

Impact s of sunken lawn and stor age pond on ur ban flood

HOU Ai- zhong1 , TANG Li- hua2 , ZHANG Si- cong2

(1. Yellow River Institute of Hydraulic Research, Henan, 453003, China;2. Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China)

Abst r act Nowadays more and more cities are suffering from scarcity of water resources. In order to use stormwater sufficiently, some measures of rainwater utilization, such as storage ponds, sunken lawn and pervious road pavement, are taken in many cities. In this paper the impacts of sunken- lawn and storages pond on urban flood are analyzed in Beijing Olympic park by using SWMM model. The flood peak flow at main sections of rainwater drainage pipes is calculated under the conditions with sunken- lawn or storage ponds. The results show that flood peak and the runoff coefficient can be reduced effectively, the peak time postponed and meanwhile the amount of rainwater utilized as resources increased.

Key wor ds Rainwater utilization Sunken lawn Storage pond SWMM

随着社会经济的发展和城市化进程不断加快, 城市化面积和城区下垫面条件发生了很大变化, 降雨产汇流规律也发生了较大的改变。在相同量级降雨情况下, 由于不透水面积增加, 径流系数加大, 产流量也相应增加。这将造成两方面后果: 一方面由于城区某些市政排水设施标准偏低、管理不到位等导致局部地区雨水排泄不畅, 出现积水现象, 给居民的出行和生活带来不便, 甚至造成一定的经济损失和政治影响。另一方面, 大量的雨水通过排水系统被排放出境, 宝贵的雨洪资源未得到充分利用, 使得许多缺水城市在承受城市防洪、排涝巨大压力的同时, 还要解决水资源短缺问题。为了利用宝贵的雨洪资源, 许多城市都修建了一些雨洪利用措施, 比如修建蓄水池、采用下凹式绿地、透水路面铺装等。因此, 有必要对这些雨洪利用措施对城市防洪和增加雨洪资源可利用量等方面的效果进行研究。

1 模型介绍

本次研究采用美国环保局的暴雨管理模型SWMM。该模型是一个动态的降雨— 径流模拟模型,可以进行城市地区单一降雨事件或者长期的水质和水量模拟。其径流部分汇集处理各个子流域降雨所产生的径流和污染负荷; 汇流部分则通过管网、河道、蓄水设施、水泵、调节闸等进行径流的传输。通过计算, SWMM可以得到任意时刻每一个子流域的径流水量和水质; 每一管道、河道中的流量、水深以及水质等情况。

SWMM模型中计算地表产流时将每一个子流域单元处理为一个非线性蓄水池, 只有当蓄水池水深超过最大洼地储水量时, 地表产流才会发生, 利用曼宁公式进行产流量计算:

Q=W1/n( d- dp) 5 / 3S1 / 2

其中: W为子流域宽度, m; n 为糙率; dp 为滞蓄深度, m; S 为子流域坡度; d 为蓄水池水深, m。不透水地面, 只需从降雨过程中扣除初损( 主要是填洼量) 即为净雨量。在未满足初损前, 地表不产流, 一旦满足初损, 便全面产流。对透水地表, 除填洼损失外, 还有下渗的损失。SWMM可以利用Horton公式和Green- Ampt 公式模拟计算入渗过程。

SWMM模型中蓄水池的作用是储存降雨产生的径流, 从而就可以减少进入到雨水管网中的水量。本研究中, 将下凹式绿地部分处理为滞蓄水库, 降雨首先满足滞蓄水库的滞蓄深度, 然后再利用曼宁公式进行产流计算。对于不同子汇流单元上的蓄水池, 降雨满足初损后产生的径流首先进入蓄水池, 当蓄水池蓄满水后, 超出部分再排放到排水管网中。

2 模型应用

2.1 研究区与研究方法

本模型选择北京奥林匹克公园作为研究区, 区域面积约968 hm2。利用GIS 处理基础数据, 并根据不同的土地利用类型将该区分为62 个子汇流单元, 雨水井简化为116 个, 连接管道115 条, 如图1 所示。

该研究区绿地面积约22 万m2, 蓄水池按照不同地块进行分布, 规划总容积约4 万m3。本文计算了有雨洪利用措施( 下凹式绿地和蓄水池) 和没有雨洪利用措施情况下的流量过程, 通过对比来研究雨洪利用措施对削减洪峰的影响。降雨条件选择50 a 一遇、20 a一遇和5 a 一遇的设计降雨过程, 见图2。

将3 种频率的设计降雨过程分别输入到SWMM模型中, 计算研究区域出口断面的流量过程, 然后对比流量峰值的变化, 得到下凹式绿地和蓄水池对城市型洪水的影响。

计算时一般绿地在模型中滞蓄库容取15 mm, 下凹式绿地滞蓄库容取100 mm; 蓄水池模拟为偏安全,容积取规划容积的一半。研究中将下凹式绿地和蓄水池两种措施进行组合, 分别计算了3 种设计降雨条件下4 种方案的区域产流过程, 得到其洪峰流量和峰现时刻, 以及径流总量和径流系数的变化。

4 种计算方案分别为:

(1) 一般绿地, 滞蓄库容15 mm, 没有蓄水池。

(2) 下凹式绿地, 滞蓄库容100 mm, 没有蓄水池。

(3) 一般绿地, 滞蓄库容15 mm, 有蓄水池, 容积为规划容积的一半。

(4) 下凹式绿地, 滞蓄库容100 mm, 有蓄水池,容积为规划容积的一半。

2.2 结果与分析

50 a 一遇设计降雨条件下, 计算得到的区域管道出口断面流量峰值及峰现时刻见表1。

从表1 中可以看出, 采用下凹式绿地使得管道出口断面的洪峰减少0.39%, 约0.37 m3/s, 径流系数减少0.007, 径流总量减少0.97%; 修建蓄水池使得峰值流量减少5.24%, 约5.03 m3/s, 峰现时刻推迟5 min,径流系数减少0.008, 径流总量减少1.05%。两者同时考虑使得流量峰值减少5.94%, 约5.71 m3/s, 峰现时刻推后5 min, 径流系数减少0.016, 径流总量减少2.03%。

对于20 a 一遇设计降雨和5 a 一遇设计降雨的情况, 计算得到了类似的结论。计算结果见表2 和表3。将不同雨洪利用措施情况下区域管道出口断面流量峰值减少的百分比进行汇总, 得到表4。

从表4 中可以看出, 流量峰值减少的百分比随着设计降雨重现期的延长而减小。对于5 a 一遇的设计降雨过程, 同时采用下凹式绿地和蓄水池可以使得流量峰值减少9.57%; 而对于50 a 一遇的设计降雨过程,同时采用下凹式绿地和蓄水池只能使流量峰值减少5.94%。

从表4 中发现, 在蓄水池和绿地等效库容面积大致相等的情况下, 蓄水池削减洪峰流量的效果更为显著。对于5 a 一遇设计降雨条件下, 蓄水池可以削减8.7%的洪峰流量, 而下凹式绿地只能削减0.92%。这是因为蓄水池相当于一个小型的水库, 对来不及被管道排走而汇入其中的水量进行了调蓄作用, 削减了洪峰流量。

将不同雨洪利用措施情况下区域径流总量减少的百分比汇总得到表5。

从5 表中可以看出, 由于设计降雨重现期越短,相应的径流总量越少, 故雨洪措施的滞蓄洪水作用相对越大。5 a 一遇设计降雨情况下, 下凹式绿地和蓄水池可以滞蓄3.5%的总径流量, 而对于50 a 一遇的设计降雨过程, 只能滞蓄2.03%。

3 结论

本文利用美国环保局的暴雨管理模型SWMM计算分析了下凹式绿地和蓄水池这两种雨洪利用措施对城市型洪水的影响。计算结果表明, 采用下凹式绿地和蓄水池可以削减洪峰流量, 推迟峰现时刻, 减小径流系数, 从而增加雨洪资源利用量。

对于不同重现期的设计降雨过程, 重现期越短,雨洪利用措施的相对作用也大, 减小的洪峰流量相对越多。对径流总量的影响规律也大致相同。而蓄水池削峰蓄洪的效果较下凹式绿地则更为显著。

研究的初步成果可以用来评价雨洪利用措施的效果, 还可为有关部门进行雨洪利用措施的规划和设计提供参考。由于缺乏实测资料, 研究区的计算成果还有待于进一步验证。

参考文献

[1] Theo G.Schmitt, Martin Thomas, Norman Ettrich.Analysis and modeling of flooding in urban drainage systems. Journal of Hydrology 2004, (299) , 300- 311.

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[4] Wayne C.Huber,Robert E.Dickson et al.Storm Water Management Model, Version 4: User’s Manual. USEPA/600/3- 88/001a.NTIS PB88- 236641/AS.First Printing,August 1988.Second Printing,October 1992.

[5] Lewis A.Rossman. Storm Water Management Model User ’s Manual,Version 5.0.USEPA/600/R - 05/040.Revised May 2005.

作者简介: 侯爱中( 1983 — ) , 男, 硕士研究生。

来源：《北京水务》2007.2