容積法的年徑流總量控制率精細(xì)化計(jì)算

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摘要:年徑流總量控制率作為低影響開發(fā)(LID)系統(tǒng)構(gòu)建的首要控制目標(biāo),其計(jì)算關(guān)系到低影響開發(fā)設(shè)施的規(guī)模,目前常用的計(jì)算方法主要為模型模擬法和容積法。為了便于設(shè)計(jì)人員操作并提高計(jì)算精度,構(gòu)建了一種基于容積法的年徑流總量控制率精細(xì)化計(jì)算方法,以生物滯留單元、下凹式綠地、透水鋪裝、綠地屋頂及蓄水池5種典型LID設(shè)施組合的精細(xì)化計(jì)算為基礎(chǔ),以不同下墊面為布置的邊界條件,試算滿足多種類型用地的年徑流總量控制目標(biāo)。同時(shí),根據(jù)配置的設(shè)施規(guī)模求取了年SS總量控制率。

關(guān)鍵詞:容積法;低影響開發(fā)設(shè)施;年徑流總量控制率;精細(xì)化計(jì)算

0前言

年徑流總量控制率作為L(zhǎng)ID系統(tǒng)構(gòu)建的首要控制目標(biāo),不論是在規(guī)劃階段的指標(biāo)分解還是在設(shè)計(jì)階段的設(shè)施規(guī)模確定,均需要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算,目前常用的計(jì)算方法主要為容積法和模型模擬法。容積法是根據(jù)目標(biāo)年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量求取場(chǎng)地所需的調(diào)蓄總?cè)莘e,再通過LID設(shè)施的調(diào)蓄容積進(jìn)行匹配,不斷試算以滿足目標(biāo)要求。模型模擬法是通過在匯水區(qū)內(nèi)添加LID設(shè)施,并可指定設(shè)施對(duì)應(yīng)的服務(wù)區(qū)域,通過概化分解LID設(shè)施為不同層次,跟蹤水在每一層的移動(dòng)和存儲(chǔ),建立進(jìn)水量、蒸發(fā)、下滲、徑流及暗渠排放的水量平衡,確定控制的徑流量,以模擬出場(chǎng)地的徑流總量控制率。兩種計(jì)算方法目前在國(guó)內(nèi)均有應(yīng)用,相比之下容積法計(jì)算較為簡(jiǎn)便,工程人員容易掌握,但精度不如模型法;模型法精度較高,但模型建立較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)耗時(shí)較長(zhǎng)。為此,本文擬建立一種基于容積法的LID設(shè)施年徑流總量精細(xì)化計(jì)算方法,并形成較易操作的電子計(jì)算表格,供同行參考。

1年徑流總量控制率的容積法計(jì)算流程

依據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南-低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》(以下簡(jiǎn)稱《指南》),容積法計(jì)算一般分為以下步驟:①確定年徑流總量控制目標(biāo)和設(shè)計(jì)降雨量H。②結(jié)合項(xiàng)目具體情況,如各地塊的用地性質(zhì)、功能定位和規(guī)劃設(shè)計(jì)方案等條件,初步制定可行的低影響開發(fā)措施組合方案及各措施的占地面積。③根據(jù)φ=∑Fiφi/∑F計(jì)算各地塊的綜合徑流系數(shù),其中,φi為第i類匯水面的雨量徑流系數(shù),Fi為i類匯水面的面積,hm2。④根據(jù)年徑流總量控制目標(biāo)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量,計(jì)算設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積V;V=10HφF;其中,H為年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨,mm;φ為綜合雨量徑流系數(shù);F為匯水面積,hm2。⑤確定單項(xiàng)LID設(shè)施的參數(shù),并計(jì)算單位面積設(shè)施的調(diào)蓄容積,其計(jì)算原則應(yīng)滿足《指南》中4.8.1的計(jì)算要求。⑥校驗(yàn)步驟5中的單項(xiàng)設(shè)施的蓄水容積總和能否滿足步驟④中的設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積;若不能滿足,則需調(diào)整LID設(shè)施規(guī)模或參數(shù)直至滿足。根據(jù)上述流程,主要考慮對(duì)單項(xiàng)LID設(shè)施的調(diào)蓄能力進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算,結(jié)合模型模擬法的LID設(shè)施層次結(jié)構(gòu)(表面層、土壤層、填料層、排水層),考慮將填洼、下滲、蓄水納入計(jì)算。

2LID單項(xiàng)設(shè)施的控制徑流量精細(xì)化計(jì)算

LID設(shè)施主要可分為生物滯留單元、下凹式綠地、透水鋪裝、綠色屋頂、滲渠、植草溝、調(diào)節(jié)塘、蓄水池等類別。依據(jù)《指南》4.8.1,調(diào)節(jié)塘對(duì)徑流總量削減沒有貢獻(xiàn),其調(diào)節(jié)容積不計(jì)入;植草溝、滲渠等對(duì)徑流總量削減貢獻(xiàn)較小,其調(diào)蓄容積也不應(yīng)計(jì)入。透水鋪裝及綠色屋頂參與綜合雨量徑流系數(shù)的計(jì)算,《指南》提出其結(jié)構(gòu)容積一般不計(jì)入,為提高容積法計(jì)算的精確度,將二者的結(jié)構(gòu)容積以及綠色屋頂?shù)淖o(hù)堤蓄水高度納入計(jì)算。因此,文章主要考慮生物滯留單元、下凹式綠地、透水鋪裝、綠色屋頂和蓄水池(其蓄水容積直接作為調(diào)蓄容積)五種單體設(shè)施。(1)生物滯留單元可分解為表面層、土壤層、填料層及排水層,其能消納的水量包括表面層的蓄水量(Vg)、土壤及填料結(jié)構(gòu)空隙的蓄水量(Vs)以及下滲量(Vi)三部分。下凹式綠地可分解為表面層和土壤層,其能消納的水量包括下凹深度的蓄水量(Vg)以及土壤下滲量(Vi)兩部分。透水鋪裝可分解為路面層(面層、基層和墊層)以及排水層,其消納的水量包括路面結(jié)構(gòu)孔隙的蓄水量以及下滲水量,考慮透水鋪裝已納入雨量徑流系數(shù),僅計(jì)算其孔隙蓄水量。透水鋪裝單位面積的調(diào)蓄容積V3=hgng+hjnj+hdnd。其中,hg為面層厚度,m;ng為面層有效孔隙率;hj為透水基層厚度,m;nj為透水基層有效孔隙率;hd為透水墊層厚度,m;nd為透水墊層有效孔隙率。(4)綠色屋頂可分解為表面層、土壤層和排水層,其消納的水量包括屋頂護(hù)堤的蓄水量、土壤層結(jié)構(gòu)孔隙的蓄水量以及下滲水量,考慮綠色屋頂已納入雨量徑流系數(shù),僅計(jì)算護(hù)堤蓄水量及其孔隙蓄水量。綠色屋頂單位面積的調(diào)蓄容積V4=hm+ndf。

3年污染物總量去除率計(jì)算

根據(jù)《指南》,在城市徑流污染物中,SS與其他污染物具有一定的相關(guān)性,一般采用SS作為徑流污染物的控制指標(biāo),年SS總量去除率可按式(4)計(jì)算:年SS總量去除率=年徑流總量控制率×LID設(shè)施對(duì)SS的平均去除率(4)在LID設(shè)施的調(diào)蓄容積計(jì)算完成后,即可得出實(shí)際的年徑流總量控制率,因此,重點(diǎn)在于如何確定多項(xiàng)設(shè)施共同作用下的設(shè)施平均去除率。擬采用各設(shè)施SS去除率按照其對(duì)應(yīng)的調(diào)蓄容積加權(quán)的方法確定。由于透水鋪裝和綠色屋頂參與徑流系數(shù)的計(jì)算,因此有部分容積未體現(xiàn)在LID的計(jì)算調(diào)蓄容積之內(nèi),但實(shí)際上對(duì)徑流污染的去除起到了效果,應(yīng)將其納入設(shè)施的控制容積之中進(jìn)行加權(quán)。

4徑流總量控制率計(jì)算表格建立

4.1用地類型、下墊面類型與LID設(shè)施的映射關(guān)系

具體項(xiàng)目中往往包含很多地塊,如果每個(gè)地塊都逐一確定下墊面參數(shù)及對(duì)應(yīng)的LID設(shè)施規(guī)模,將會(huì)有巨大的工作量。在規(guī)劃設(shè)計(jì)中,一般會(huì)對(duì)同種類型的用地進(jìn)行統(tǒng)一化處理,根據(jù)用地類型的不同確定下墊面比例。本文擬在計(jì)算表中建立用地類型庫,包含居住用地(R)、公共管理與公共服務(wù)設(shè)施用地(A)、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地(B)、工業(yè)用地(M)、道路與交通設(shè)施用地(S)、公共設(shè)施用地(U)、綠地與廣場(chǎng)用地(G)共8大類。將下墊面類型分為:道路廣場(chǎng)、綠地、屋面、水面。不同類型的用地配置不同比例的下墊面種類,研究范圍內(nèi)不同下墊面的總面積為:S下墊面=∑用地類型S用地×P下墊面其中S用地為各種類型用地的面積,P下墊面為該類用地指定下墊面所占的比值。除水面外的三種下墊面均可配置LID設(shè)施,下墊面與LID設(shè)施的映射關(guān)系見圖1。

4.2計(jì)算表格構(gòu)建邏輯

徑流總量控制率計(jì)算表格的構(gòu)建邏輯是基于容積法的目標(biāo)導(dǎo)向試算方法,并在計(jì)算表內(nèi)添加用地類型、下墊面類型、LID精細(xì)化計(jì)算參數(shù),通過對(duì)輸入的LID設(shè)施規(guī)模不斷計(jì)算直到滿足要求,整體計(jì)算流程如圖2所示。將模型計(jì)算表分為6個(gè)區(qū)域:用地面積區(qū)、控制目標(biāo)區(qū)、LID參數(shù)區(qū)、LID配置區(qū)、配置檢驗(yàn)區(qū)和結(jié)果輸出區(qū)。現(xiàn)對(duì)各區(qū)功能進(jìn)行分別介紹。用地面積區(qū):體現(xiàn)用地面積與下墊面的映射關(guān)系,在該區(qū)輸入研究區(qū)域各類型用地的面積,即可根據(jù)對(duì)應(yīng)的下墊面比例輸出各類下墊面的總面積。控制目標(biāo)區(qū):體現(xiàn)年徑流總量控制率目標(biāo)與設(shè)計(jì)降雨量之間的關(guān)系,根據(jù)鄒寒等[3]對(duì)年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的擬合結(jié)果,輸入年徑流總量控制率,輸出設(shè)計(jì)降雨量。LID參數(shù)區(qū):體現(xiàn)LID設(shè)施的基本參數(shù)與其單位面積調(diào)蓄容積的關(guān)系,可根據(jù)具體研究范圍調(diào)整輸入設(shè)施的初始參數(shù)值,以更符合具體工程的真實(shí)情況,各項(xiàng)設(shè)施輸出單位面積上的控制容積。LID配置區(qū):主要為輸入?yún)^(qū),由設(shè)計(jì)人員輸入各單項(xiàng)設(shè)施的配置面積,輸出LID設(shè)施的總調(diào)蓄容積。配置檢驗(yàn)區(qū):輸出配置面積的合理性,若LID設(shè)施配置未超出下墊面限制,則輸出“OK”;否則輸出提示信息,提示減少對(duì)應(yīng)的LID設(shè)施配置面積。結(jié)果輸出區(qū):輸出當(dāng)前配置工況下的下凹式綠地率、透水鋪裝率、綠色屋頂率、LID項(xiàng)目的總占地面積、實(shí)際控制降雨量、實(shí)際年徑流控制率等指標(biāo)。

4.3計(jì)算表格示例

為便于同行參考借鑒及改進(jìn),本文提供LID設(shè)施計(jì)算表格的樣表,見圖3。5結(jié)語文章構(gòu)建了一種基于容積法的年徑流總量控制圖3LID設(shè)施計(jì)算Fig.3CalculationofLIDfacilities率精細(xì)化計(jì)算方法,將生物滯留單元、下凹式綠地、透水鋪裝、綠地屋頂及蓄水池5種典型LID設(shè)施按照表面層、土壤層、蓄水池和排水層分解,將填洼、下滲、蓄水納入考慮進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算。同時(shí)通過用地類型、下墊面類型及各種設(shè)施的映射關(guān)系建立了電子計(jì)算表格,為L(zhǎng)ID設(shè)施精細(xì)化計(jì)算提供了方便。

作者:王震 吳晗 單位:南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院