4.3 海绵技术对径流峰值控制的贡献

对于径流峰值的控制来讲,表面蓄水层及底部蓄水层直接发挥峰值的调蓄功能;而铺装层和土壤层作为表面蓄水层与底部蓄水层的中间层,表面上看起雨水下渗作用,实质上是雨水进入底部蓄水层的排水通道;此外,排干措施则是恢复表面蓄水层、底部蓄水层调蓄能力及铺装层、土壤层下渗能力的必要措施。由此分析,调蓄功能(蓄)是径流峰值控制的主要途径。因此,本章仅对海绵措施的调蓄作用对径流峰值的贡献大小进行深入研究,主要分为以下两个部分:

(1)分析不同调蓄雨量对径流峰值控制贡献大小　以单个地块为研究对象,分析得出峰值削减率随调蓄雨量的变化关系,并给出P=3年的径流峰值削减至P=1年的径流峰值对应的调蓄雨量。

(2)分析不同调蓄方式对径流峰值控制贡献大小　分析全程调蓄与脱过调蓄的区别,并以某个子汇水区为研究对象,比较相同削减率条件下,源头全程调蓄、末端全程调蓄、末端脱过调蓄三种情况下所需的调蓄容积大小。

4.3.1　研究工具

本书采用的水力模拟软件为鸿业暴雨排水及低影响开发模拟系统。鸿业暴雨排水及低影响开发模拟系统是在AutoCAD环境内二次开发的国内首款模型法暴雨排水及低影响开发模拟系统。软件采用的核心计算模型是SWMM模型,雨水管理模型SWMM是美国环境保护局发布的径流模拟计算模型,主要用于城市区域径流水量和水质的单一事件或者长期(连续)模拟。SWMM最初开发于1971年,此后经历了几次重要升级。它一直在世界范围内广泛应用,用于城市地区雨水径流、合流管道、污水管道和其他排水系统的规划、分析和设计。同时在非城市区域也有一些应用。

该软件主要应用于未开发场地、规划(建成)小区及厂区、城市雨水管网单流域和多流域等暴雨排水及低影响开发模拟系统。软件符合GB 50014—2006(2016年版)室外排水设计规范,可以识别各种电子地图,形成三维数字高程模型,根据规范(手册)暴雨强度公式、重现期、降雨历时和峰值系数自动按照芝加哥暴雨模型计算生成暴雨模型。可以根据已有暴雨模型生成其他时间递进性(时间差)暴雨模型。直接利用鸿业管线软件生成管道、节点、汇流面积、地形等数据。对于现状管网,可以采用定义方式快速得到管网模型,自动划分汇流区域、自动根据三维模型计算得到节点地面标高。按照就近原则自动进行地块与节点的汇流关系确定,图形方式定义和表示地块与地块之间、地块与节点之间的汇流关系,汇流关系调整方便。自动提取图形数据进行一维管道模拟,计算结束后即时给出积水节点、形成洪流(过流能力不足)的管道,方便判断方案可行性。采用图形方式向图面布置蓄水池、水泵、堰、分流器、孔口等。采用管道系统+地面排水通道相结合的二维模拟方式,结合三维城市地形、三维建筑物等地形地物进行模拟计算、淹没分析。采用工程和方案的概念,工程内部可以保存多种计算方案,便于进行多方案技术比较。方便进行低影响开发技术参数定义,为“地区改建时,相同重现期设计暴雨时改建后径流量不大于改建前径流量”提供判定依据。通过颜色直观显示积水节点、发生洪流管道和淹没区域。通过多方案对比的方式显示排出口节点的流量变化曲线、指定管道的流速、流量、充满度等变化曲线。动态显示降雨过程淹没范围线变化,自动标注各淹没区最大范围、最大积水容积、最大水深点和最大水深数值。以CAD图形方式、曲线图方式、Excel或Word报表方式显示计算结果。

4.3.2　降雨条件

本书以单场2h短历时降雨作为边界条件,国内外应用最多的短历时降雨雨型为芝加哥雨型,该种雨型的雨峰部分与历时无关,与频率分析法的误差最小,洪峰不受历时影响,一次确定的降雨过程在各段管道计算时均能适用,雨强过程容易确定,雨峰相对位置容易得到。

芝加哥雨型的典型曲线如图4⁃1。

4.3.3　不同调蓄雨量对径流峰值控制贡献大小的研究

以南昌市红谷滩某小区为研究对象,小区占地面积约3.5hm2,综合径流系数取0.6,小区雨水系统接入市政雨水管处的主干管为DN1000。采用鸿业暴雨排水及低影响开发模拟系统建立管网模型,在该雨水干管排入市政雨水管前设置调蓄池,并以P=3年一遇2h降雨作为边界条件,进行模拟计算,最后提取雨水干管末端的流量变化曲线,得出峰值削减率随调蓄雨量的变化关系,如图4⁃2~图4⁃6(图中黑色曲线为调蓄前的流量曲线,灰色曲线为调蓄后的流量曲线H为调蓄雨量)。

　　根据上述曲线,得出表4⁃2的对照表。

由上述结果可以看出:当调蓄雨量由14mm增大至22mm时,调蓄池对径流峰值的削减率由40%增大至71.3%,削减作用十分明显,峰值相应地延后。

根据表4⁃2,利用Excel绘制径流峰值削减率随调蓄雨量的变化曲线如图4⁃7。

由图4⁃7可知,峰值削减率随调蓄雨量单调递增,且斜率也单调递增,这是因为,随着降雨的延续,降雨强度逐渐减小,调蓄作用更加明显。

以P=1年一遇2h降雨作为边界条件进行模拟得径流峰值为0.6m3/s,相对于P=3年一遇的峰值削减率为(0.94-0.6)/0.94=36%,其对应图4⁃7横坐标为12.9mm。换言之,当调蓄雨量为12.9mm时,峰值可由P=3年削减至P=1年。

4.3.4　不同调蓄方式对径流峰值控制贡献大小的研究

在具体分析前,先阐述一下两个概念:全程调蓄与脱过调蓄(图4⁃8)。

全程调蓄是指降雨径流产生的一开始雨水就进入调蓄池,直至调蓄池蓄满,雨水再排入下游管道系统。一般用于源头控制径流污染和控制径流总量的海绵调蓄措施,多数采用的是全程调蓄方式。

脱过调蓄是专门用来削减径流峰值一种调蓄方式,即初期雨量不大时,雨水直接排入下游管道,待雨量超过下游管道排水能力时,超出的雨量进入调蓄池。

根据调蓄池设置在雨水系统的源头还是设置在雨水系统末端,上述两种方式又可细分为源头全程调蓄、末端全程调蓄、源头脱过调蓄及末端脱过调蓄,其中源头脱过调蓄形式运用较少。

以下着重分析比较相同削减率条件下,源头全程调蓄、末端全程调蓄、末端脱过调蓄三种情况下所需的调蓄容积大小,以指导工程实践。

以南昌市红谷滩某独立的汇水区域为研究对象(图4⁃9),该汇水区域总汇水面积约50hm2,其综合径流系数取0.6,雨水主箱涵断面尺寸为B×H=2000mm×1500mm。　

采用鸿业暴雨排水及低影响开发模拟系统建立管网模型,以P=3年一遇2h降雨作为边界条件,进行模拟计算,得到未设调蓄及各地块均设有源头全程调蓄(调蓄雨量12.9mm)两种工况下雨水系统末端的流量过程曲线,如图4⁃10(黑色曲线为未设调蓄工况,灰色曲线为设有源头全程调蓄工况)。

鸿业软件可提取上述曲线的数据并储存为Excel表格,通过Excel表格统计图4⁃10黑色曲线的峰值削减至灰色曲线的峰值所需末端全程调蓄池容积及末端脱过调蓄池容积(即图4⁃11和图4⁃12阴影部分面积)。

统计结果见表4⁃3。

由上结果分析可知:

① 源头全程调蓄、末端全程调蓄、末端脱过调蓄三种情况下,源头全程调蓄所需调蓄容积约为末端全程调蓄的50%,末端脱过调蓄所需调蓄容积约为末端全程调蓄的22%。

② 相对于末端调蓄,源头调蓄可以减小下游所有管道的负荷,而末端调蓄只能减小出水口下游水体的负荷,且若源头调蓄能与初雨截流措施有效结合,则对径流污染控制也能起到重要作用,故首先推荐源头调蓄措施来削减径流峰值。

③ 若采用末端调蓄,则不应采用全程调蓄方式,但因脱过调蓄需将初期雨水首先排除,故若需控制径流污染和径流总量,则应搭配初雨截流措施。

4.3.5　流量过程线理论计算式的推求

要计算任意管段对应不同削减率所需调蓄容积的大小,需先求得管道流量随时间的变化曲线,一般采用软件模型进行模拟求解最为简单精确。而对于不具备条件的城市,软件应用受限。为此,本章主要推求任意管道流量随时间变化的函数关系式,以此来确定调蓄池大小。

根据极限强度理论的假设条件,汇水面积增长速度为定值,即dF=C×dt,因此,可对芝加哥雨型进行积分,再乘以相应的系数,即可求得给定设计管段的流量随时间变化的曲线。当然,该思路还应补充另一个假设条件:假设汇流全过程最远点流行至设计管段的时间为定值(可按各管段的最大流量时的流速来推求)。显然,在工程应用上,该假设条件是安全的。

流量过程线理论计算式的推求过程如下。

芝加哥雨型的一般表达式:

峰前:(4⁃1)

峰后:(4⁃2)

式中,i为降雨强度,t₁、t₂分别为峰前、峰后历时,r为雨峰系数(峰前历时与总历时之比),根据当地降雨过程资料统计,可取多场降雨的平均值,通常r值在0.3~0.5之间。

式(4⁃1)、式(4⁃2)可转化为降雨强度随时间变化的分段函数为:

(4⁃3)

根据前面的假设条件,任一管段的流量随时间变化函数为:

(4⁃4)

式中,τ为集流时间。

对于南昌市:a=1598×(1+0.69×lg3)=2124(重现期取3年),n=0.64,b=1.4,r取0.35,T=120min,代入式(4⁃3)得:

(4⁃5)

将式(4⁃5)代入式(4⁃4)并积分,得如下分段函数:

(4⁃6)

式(4⁃6),只要先算出流行时间,便可得到流量随时间变化关系,录入Excel表格,即可得到变化曲线,再利用表格的求和功能即可求得任意削峰要求的调蓄容积。

举例说明如下:取汇水面积F=50hm2,集流时间τ=30min,综合径流系数Ψ=0.6,代入式(4⁃6),录入Excel表格,给时间变量赋整数值(1min、2min、3min……120min),得到相应的流量值Q(L/s),绘制出流量随时间变化曲线如图4⁃13。

在图4⁃13中,径流峰值若需由7000L/s削减至4000L/s,采用末端脱过调蓄方式,调蓄容积即为图中阴影部分面积,即通过Excel表格筛选大于4000L/s的流量值并求和再乘以时间转化系数即可,采用该方案求得本次需调蓄容积约12000m3。