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論文導(dǎo)讀:而低勢綠地可以明顯降低徑流深度和徑流系數(shù)。徑流深度和徑流系數(shù)簡化公式如下:。雨水徑流系數(shù)隨之迅速加大。防洪排澇,低勢綠地對降低城市徑流深度、徑流系數(shù)的效果分析。
關(guān)鍵詞:低勢綠地,下凹綠地,徑流深度,徑流系數(shù),防洪排澇,城市內(nèi)澇
1 概述
近三十年來中國城市化進展發(fā)展很快,原來為農(nóng)田、林地的郊區(qū)不斷轉(zhuǎn)變?yōu)榈缆贰V場、商住樓等城市用地,雨水徑流系數(shù)隨之迅速加大,由于原有排水系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期較低(多為1~2年)負荷能力有限,瓶頸多,因此在城市低洼區(qū)域容易造成“落大雨,水浸街”的內(nèi)澇現(xiàn)象。通過拓寬河道、擴建雨水管網(wǎng)及排澇泵站等建設(shè)工程提高排水重現(xiàn)期標準,緩解了城市水澇危害。但上述方式是在匯流形成后采用的疏導(dǎo)、補救工程措施,存在投資大、維護成本高、占用道路地下空間大,且對城市交通干擾大等問題。近年來興起的城市濕地、水面率標準、低勢綠地等雨洪資源利用的趨勢,則是一種從源頭上治理城市水澇問題的辦法。通過從降雨到匯流的過程中降低徑流的辦法以有效減輕城市水澇危害,同時對改善水質(zhì)、增加地下水補給都有所裨益。由于城市用地的日趨緊張,難以大規(guī)模增加水面,而通過對城市既有綠地的改造或者新建低勢綠地則是更具可操作性減澇方法。
本文針對低勢綠地對降低城市徑流深度、徑流系數(shù)的效果進行了分析,以期說明即使綠化率較高的城區(qū),在短期強降雨條件下的徑流系數(shù)仍然較高,而低勢綠地可以明顯降低徑流深度和徑流系數(shù)。
2 用地概化及徑流系數(shù)
根據(jù)國家標準《城市建設(shè)用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標準(GBJ137-90)》,我國的城市用地可分為居住、公共設(shè)施、道路廣場、綠地等10大類,為簡化起見,本文將用地概化為三類進行分析研究:綠地G(包括公園、小區(qū)、學(xué)校、道路中綠化地帶)、道路及廣場S、構(gòu)筑物RCU(包括居住R、公共設(shè)施C、市政公用U用地等)。設(shè)廣州某研究規(guī)劃區(qū)這三類用地比例如下圖所示。
三類用地的徑流系數(shù)分別為ψG=0.2;ψS=0.9;ψRCU=0.75。采用加權(quán)平均法(參《排水工程》孫慧修等編,3.2.2徑流系數(shù)ψ的確定)計算得到研究區(qū)綜合徑流系數(shù)公式:
ψ1=G%×ψG+S%×ψS+RUC%×ψRCU 2-1 綜合徑流系數(shù)加權(quán)計算公式(普通綠地)
。0.35×0.2+0.25×0.9+0.40×0.75=0.595
概化后的研究區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.595,與城市水文計算中綜合徑流參數(shù)取值較接近(一般取0.6~0.7)。
實際上,各類下墊面的截流深度雖然會隨降雨強度不同有所變化,但不應(yīng)是簡單的線性變化,而采用相對穩(wěn)定的截流深度更合理。以廣州2年一遇1h降雨強度54.6mm估算上述下墊面的截流深度(即總損失量)分別為。
綠地截流深度: IG=54.6×(1-0.2)≈43mm(初損+下滲)
道路廣場截流深度: IS=54.6×(1-0.9)≈5mm(路面不平及管溝滯水)
構(gòu)筑物截流深度: IRCU=54.6×(1-0.75)≈13mm(局部不平及管溝滯水)
因此,綜合徑流深度、徑流系數(shù)又可以進一步表達為降雨量的函數(shù)(H為降雨量):
R2=(G%×(H- IG)+S%×(H- IS)+RUC%×(H- IRCU))2-2綜合徑流深公式(普通綠地)
。剑℅%×(H-43)+S%×(H-5)+RUC%×(H-13))
ψ2=f(H)=R / H 2-3綜合徑流系數(shù)公式(普通綠地)
根據(jù)上式,可以得到徑流深度和徑流系數(shù)隨降雨量增加而上升的關(guān)系(如后表2第3列所示),這應(yīng)當比固定徑流系數(shù)的計算方法更接近實際情況。
3 降雨歷時和雨量
城區(qū)雨水具有流程短,匯流速度快的特點,形成短時間匯流,所選用的降雨歷時往往也較短。因此,不同于水利河道防洪計算中所采用的6h(h為小時,下同)、24h甚至72h的長歷時降雨過程,在城市水文學(xué)計算中所采用的降雨歷時一般不超過6h。根據(jù)廣州城區(qū)暴雨水浸街的報導(dǎo)和實地走訪調(diào)查,0.5~1h左右的短歷時2年一遇強降雨(注:老城區(qū)排水管網(wǎng)設(shè)計重現(xiàn)期一般為1年)容易造成水浸街,一般2~3h后才能退水,因此,本文選擇1h降雨歷時進行分析。
由于暴雨強度公式計算重現(xiàn)期較低(一般為0.25~10年),,為擴展分析較高降雨標準情況,故以水文圖集查算方法計算暴雨量為主。根據(jù)廣東省水文總站2003年編制的《廣東省水文圖集》和1991年編制的《廣東省暴雨徑流查算圖表》等值線圖,查出本流域各歷時暴雨均值Ht、變差系數(shù)Cvt,用Cs=3.5Cv皮爾遜Ⅲ型曲線,算得P=1%、2%、5%、10%、20%及50%六種頻率各歷時點暴雨量。相應(yīng)頻率的設(shè)計暴雨量參數(shù)(點暴雨)成果見下表。
表1 各頻率暴雨量計算成果表
歷時 | ![]() |
![]() |
P(%)雨量(mm) | |||||
1 | 2 | 5 | 10 | 20 | 50 | |||
1小時 | 60 | 0.40 | 138.6 | 124.8 | 106.8 | 91.8 | 76.8 | 54.6 |
60分鐘* | -- | ―― | ―― | ―― | ―― | 77.6 | 69.5 | 58.7 |
注*:采用暴雨強度公式計算結(jié)果,在低重現(xiàn)期時與圖集查算結(jié)果較接近,高重現(xiàn)期時偏小。
4 低勢綠地深度
城區(qū)低勢綠地深度一般不超過150mm,否則高差過大,積水比過深。碩士論文,防洪排澇。本文取0mm、20mm、50mm、80mm、100mm、120mm共6個不同數(shù)值的低勢綠地平均下凹深度分別計算分析對降低徑流深度、徑流系數(shù)的影響,以期獲得深度和效果的有效契合點。
5 產(chǎn)流計算分析
徑流為毛雨扣除入滲和洼地積水后的產(chǎn)流,其他因素如:植物枝葉截留、蒸發(fā)等一般很小,可忽略不計,土壤初期入滲量與前期降雨量有關(guān),如前期土壤較濕則該值亦較小,對徑流影響不大。碩士論文,防洪排澇。
不同下凹深度低勢綠地條件下,徑流深度和徑流系數(shù)簡化公式如下:
Rd=(G%×(H- IG)+S%×(H- IS)+RUC%×(H- IRCU))-d×G% 5-1綜合徑流深公式(低勢綠地)
ψd=Rd / H 5-2綜合徑流系數(shù)公式(低勢綠地)
Rd為徑流深;ψd為徑流系數(shù);H為降雨量(mm);d為低勢綠地平均下凹深度(mm)。
表2 徑流深度、徑流系數(shù)與綠地下凹深度關(guān)系表(降雨量為1h雨量)
徑流深/徑流系數(shù) | 綠地下凹深度(mm) | ||||||
頻率 | 降雨量mm/h | 0 | 20 | 50 | 80 | 100 | 120 |
P=1% | 138.6 | 117.1/0.84 | 110.1/0.79 | 99.6/0.72 | 89.1/0.64 | 82.1/0.59 | 75.1/0.54 |
P=2% | 124.8 | 103.3/0.83 | 96.3/0.77 | 85.8/0.69 | 75.3/0.60 | 68.3/0.55 | 61.3/0.49 |
P=5% | 106.8 | 85.3/0.80 | 78.3/0.73 | 67.8/0.63 | 57.3/0.54 | 50.3/0.47 | 43.3/0.41 |
P=10% | 91.8 | 70.3/0.77 | 63.3/0.69 | 52.8/0.58 | 42.3/0.66 | 35.3/0.38 | 28.3/0.31 |
P=20% | 76.8 | 55.3/0.72 | 48.3/0.63 | 37.8/0.49 | 27.3/0.36 | 20.3/0.26 | 13.3/0.17 |
P=50% | 54.6 | 33.1/0.61 | 26.1/0.48 | 15.6/0.29 | 5.1/0.09 | 0.0/0.0 | 0.0/0.0 |
圖1 徑流深與綠地下凹深度關(guān)系
圖2 徑流系數(shù)與綠地下凹深度關(guān)系
5.1 低勢綠地深度對徑流深度的影響――據(jù)表2和圖1,當綠地深≥100mm的條件下:
50年一遇(P=2%)1h降雨徑流深相當于不設(shè)置低勢綠地10年一遇(P=10%)數(shù)值,約為70mm;
20年一遇(P=5%)1h降雨徑流深相當于不設(shè)置低勢綠地5年一遇(P=20%)數(shù)值,約為55mm;
10年一遇(P=10%)1h降雨徑流深相當于不設(shè)置低勢綠地2年一遇(P=50%)數(shù)值,約為35mm;
兩年一遇(P=50%)1h降雨甚至可以不產(chǎn)生溢流。
可見≥100mm的低勢綠地可以將徑流深所對應(yīng)的降雨頻率提高1~2個標準級,顯著降低匯流量,削減洪峰流量。
5.2 低勢綠地深度對徑流系數(shù)的影響――據(jù)表2和圖2,當綠地深≥100mm的條件下:
20年一遇(P=5%)1h降雨徑流系數(shù)由不設(shè)置低勢綠地時的0.8降低至0.5;
10年一遇(P=10%)1h降雨徑流系數(shù)由不設(shè)置低勢綠地時的0.77降低至0.4;
5年一遇(P=20%)1h降雨徑流系數(shù)由不設(shè)置低勢綠地時的0.72降低至0.3以下;
2年一遇(P=50%)1h降雨徑流系數(shù)由不設(shè)置低勢綠地時的0.61降低至0.0。
可見≥100mm的低勢綠地可以將徑流系數(shù)降低0.3~0.4左右,顯著降低匯流比例,削減洪峰流量。
5.3 相同綠地下凹深度條件下,不同降雨量,徑流系數(shù)的變化――值得注意的是,未設(shè)置低勢綠地時(即表1第3列綠地下凹深度為0mm),在2年一遇(即城市排水常用標準)條件下,徑流系數(shù)取值為0.61, 20年一遇(城市河涌防洪排澇常用標準)計算時,徑流系數(shù)已上升至0.8。上述變化表明,當采用較高排水標準時,應(yīng)當適當提高徑流系數(shù)的取值。隨著綠地下凹深度的加大,不同降雨量之間徑流系數(shù)的變化也在加大,如:
綠地下凹深度為0mm時,2年至20年一遇1h徑流系數(shù)從0.61加大至0.8,變化幅度為0.19;
綠地下凹深度為20mm時,2年至20年一遇1h徑流系數(shù)從0.48加大至0.73,變化幅度為0.25;
綠地下凹深度為50mm時,2年至20年一遇1h徑流系數(shù)從0.29加大至0.63,變化幅度為0.34;
綠地下凹深度為80mm時,2年至20年一遇1h徑流系數(shù)從0.09加大至0.54,變化幅度為0.45;
綠地下凹深度為100mm時,2年至20年一遇1h徑流系數(shù)從0.00加大至0.47,變化幅度為0.47。
可見設(shè)置低勢綠地后,特別是隨著綠地下凹深度的加大,不同降雨量條件下,徑流系數(shù)的變化幅度不斷加大。碩士論文,防洪排澇。
6 溢流與入滲
雨水填滿低勢綠地后,通過設(shè)置在綠地內(nèi)的雨水井口溢流進雨水管網(wǎng)系統(tǒng)。
除溢流外,為保證綠地積水在一定時間內(nèi)可以排走,尚需要考慮滲透排水。從園林方面考慮,綠地植物通?梢阅脱12~24小時(百喜草則可耐淹數(shù)月),但淹水時間過長,對綠地空間利用有影響,不便于市民雨后活動;從防洪排澇方面考慮6小時設(shè)計降雨強度約為1小時的降雨強度的27~30%,但總降雨量僅為1小時設(shè)計雨量的1.6~1.8倍,故可在一定時間內(nèi)排走積水,騰出綠地庫容。以100mm深綠地6小時為例,要求入滲率達到100/6=16.7 mm/h。
根據(jù)在上海測定過多處地點表層雜填土的穩(wěn)定入滲速率多在3.9~7.5 mm/h,個別達到24~27mm/h。碩士論文,防洪排澇。按土質(zhì)情況得到的數(shù)值卻相對較小,砂壤土僅2.7~3.3 mm/h。碩士論文,防洪排澇。據(jù)相關(guān)文獻[廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊,廣東省水文總站1991]珠江三角洲的平均入滲參數(shù)為2.5~3.6 mm/h,折算為綠地的應(yīng)該有所提高。
廣州市表層土多為雜填土,雜填土的入滲能力一般較好,表土下的原狀土基本為粘土、淤泥,入滲性能較差,目前暫時缺乏對廣州市綠地入滲能力統(tǒng)計數(shù)據(jù),加之綠地改造回填土的影響,因此入滲率存在不確定性,難以保證凹地積水及時有效入滲,故需采用工程措施加快入滲。一般可通過魚骨狀布置的滲透淺溝結(jié)合滲透管的方式,將綠地面狀分布的綠地雨水集中至雨水井附近,同時新建或改造雨水井,井壁采用無砂砼透水材料,以控制入滲時間。
7 結(jié)語
1、徑流系數(shù)受降雨量影響,當采用較高排水標準時,應(yīng)當適當提高徑流系數(shù)的取值。
2、在1h不同頻率降雨條件下,綠化率35%深度為100mm的低勢綠地可以將相同徑流深度所對應(yīng)的降雨頻率提高1~2個標準級,顯著降低匯流量,削減洪峰流量。
3、在1h相同頻率降雨條件下,綠化率35%深度為100mm的低勢綠地可以將徑流系數(shù)降低0.3~0.4左右,顯著降低匯流比例,削減洪峰流量。
4、低勢綠地既可成片設(shè)置,亦可分散建設(shè),需有相應(yīng)的入滲等排水措施相配套。碩士論文,防洪排澇。
綜上所述,綠地不下凹時,在降雨量大的情況下,徑流深度和徑流系數(shù)仍較大,仍存在較大內(nèi)澇隱患;而通過傳統(tǒng)的拓寬河道、擴建雨水管網(wǎng)及排澇泵站等建設(shè)工程提高排水重現(xiàn)期標準,存在投資大、維護成本高、占用道路地下空間大,且對城市交通干擾大等問題;因此,為有效降低城區(qū)徑流深度和徑流系數(shù),減少內(nèi)澇災(zāi)害,有必要推廣設(shè)置低勢綠地,綠地設(shè)置深度建議為80~120mm。
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