基于模型分析的低影響開發(fā)提升城市雨水排水標準案例研究

王文亮1,2，邊靜3，李俊奇2，李小靜2

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083；2. 北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京100044；3. 北京市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)城市規(guī)劃和環(huán)境設(shè)計研究中心，北京100176)

摘要介紹了在城市雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計新舊標準轉(zhuǎn)變的過渡期，面對城市新建與已建雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃標準銜接的難題時，解決已建雨水排水系統(tǒng)進行提標改造的問題。以某開發(fā)區(qū)為例，利用Mike Urban、Mike21及Mike Flood模型對管網(wǎng)運行情況及內(nèi)澇風(fēng)險進行評價，提出了基于已建雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標準提升的低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模，并提出了相應(yīng)的規(guī)劃控制指標，以期為同類工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞低影響開發(fā)城市雨水排水系統(tǒng)標準提升規(guī)劃控制指標

中圖分類號：TU992文獻標識碼： B

[收稿日期]2014-08-27

[基金項目]國家水體污染控制與治理科技重大專項(2010ZX07320-002)

[作者簡介]王文亮(1984—)，男，碩士，研究方向為雨水利用與回用。電話： 15101197415；E-mail： wwl841012@126.com。

Case Study on Low Impact Development (LID) for Design Standard Upgrade of Urban Stormwater Drainage Based on Model Analysis

Wang Wenliang1, 2, Bian Jing3, Li Junqi2, Li Xiaojing2

(1.SchoolofWaterResourceandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;

2.KeyLaboratoryofUrbanStormwaterSystemandWaterEnvironment(MinistryofEducation),BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China;

3.UrbanPlanningandEnvironmentalDesignResearchCenterBeijingEconomic-TechnologicalDevelopmentArea，Beijing100176,China)

AbstractDuring the period of transition between old and new standard for planning and design of urban stormwater drainage system, considering new and existed urban stormwater drainage system, the way of upgrading existing drainage system was introduced. The applications of Mike Urban, Mike21 and Mike Flood model on stormwater drainage network operation status and local flooding risk assessment were analyzed on the basis of an economic development zone. The design standard of low impact development for design standard upgrade of existing stormwater drainage system was proposed. In addition, the corresponding planning control targets were proposed in order to provide references for similar projects.

Keywordslow impact development (LID)urban stormwater drainage systemstandard upgradecontrol target for planning

項目研究范圍屬于城市新開發(fā)區(qū)域，占地面積約9.2km2。主要為工業(yè)用地、多功能用地和行政辦公用地，部分市政主干道排水管線已施工完畢，如圖1所示。

項目建設(shè)過程中，北京市發(fā)布了《城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計暴雨徑流計算標準》[1]。該標準對城市雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期和匯水時間計算公式中的折減系數(shù)進行了調(diào)整，提高了城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標準，因此相關(guān)部門對原標準下雨水排水規(guī)劃方案(以下簡稱原方案)進行了調(diào)整，調(diào)整后的新規(guī)劃方案(以下簡稱新方案)與原方案規(guī)劃設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1　研究區(qū)域土地使用規(guī)劃及道路施工情況 Fig.1　Land-Use Planning and Road Construction Situation of Study Area

項 目設(shè)計重現(xiàn)期/a徑流系數(shù)主干道其他地區(qū)地塊綠地折減系數(shù)排水子系統(tǒng)數(shù)量及管徑原方案310.550.223個;φ8002,矩形方溝(3800mm×2000mm)新方案530.650.215個;φ6004,矩形方溝(3500mm×2000mm)

表2　模型參數(shù)值

按照新方案要求，未施工雨水管線需按新標準進行設(shè)計施工，已建管線需進行提標改造，施工難度和投資成本大大增加。為了避免對已建管線的重復(fù)施工并達到提標改造的目的，本文采用Mike Urban、Mike21及Mike Flood模型，構(gòu)建研究區(qū)域的一維管網(wǎng)模型、二維地表漫流模型及一維、二維耦合模型，以原方案為基礎(chǔ)，通過不同重現(xiàn)期降雨情景下的管網(wǎng)運行情況及地表積水風(fēng)險模擬分析，提出實現(xiàn)原方案雨水排水系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期由“1+3”提升到“3+5”的低影響開發(fā)(LID)雨水系統(tǒng)的設(shè)計降雨量標準，并通過與新方案進行技術(shù)經(jīng)濟分析，確定最優(yōu)方案。

1數(shù)據(jù)整合與模型搭建

1.1數(shù)據(jù)整合

一銨市場弱穩(wěn)運行，企業(yè)報價變化不大，成交觀望氛圍濃郁，內(nèi)銷進入收尾階段，部分企業(yè)主要供應(yīng)前期預(yù)收訂單發(fā)貨；預(yù)計短期內(nèi)盤整運行。二銨市場延續(xù)平穩(wěn)走勢，東北市場價格已經(jīng)逐步明朗，受經(jīng)銷商庫存低位影響，企業(yè)惜售心態(tài)明顯，看好后市。因市場當前觀望氛圍較濃，部分企業(yè)二銨價格調(diào)整或推遲至本月底，預(yù)計幅度在50-100元/噸，個別企業(yè)或有150元/噸的上調(diào)意向。

規(guī)劃階段一維管網(wǎng)模型搭建所需數(shù)據(jù)主要有管道及附屬構(gòu)筑物、河道設(shè)計洪水位、土地使用規(guī)劃及用地指標等，由于模型對數(shù)據(jù)格式有特定要求，需利用地理信息系統(tǒng)(GIS)進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與整理。二維地表漫流模型搭建所需數(shù)據(jù)主要為道路與地塊控制高程，所得數(shù)據(jù)文件類型一般為CAD格式，為構(gòu)建地面高程模型，仍需借助GIS及其他軟件工具進行數(shù)據(jù)處理。

1.2模型搭建

一維管網(wǎng)模型中匯水分區(qū)參照研究區(qū)域雨水排水規(guī)劃，產(chǎn)匯流模型分別采用固定初損模型和時間—面積(T-A)模型，參數(shù)取值參照相關(guān)工程經(jīng)驗，如表2所示。

模型邊界條件為降雨和下游水位，選取重現(xiàn)期分別為1 a、3 a、5 a和20 a一遇降雨事件，雨型根據(jù)《城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計暴雨徑流計算標準》計算，結(jié)果如圖2、圖3所示。其中1 a、3 a和5 a一遇降雨事件的降雨歷時為2h，雨量分別為45.68、63.41和71.59mm，20 a一遇降雨事件的降雨歷時為24h，雨量為223.99mm；下游水位邊界采用根據(jù)實際河道設(shè)計洪水位及排水口設(shè)計管底高程假設(shè)的時間—水位序列。

圖2　1 a、3 a和5 a一遇降雨雨型 Fig.2　Rainfall Pattern for Recurrence Interval of 1, 3 and 5 Years

圖3　20 a一遇降雨雨型 Fig.3　 Rainfall Pattern for Recurrence Interval of 20 Years

LID雨水系統(tǒng)中LID設(shè)施以源頭分散的生態(tài)設(shè)施為主，如雨水花園、下沉式綠地、透水鋪裝、植草溝、濕塘和雨水濕地等，主要通過滲透、儲存、轉(zhuǎn)輸與截污凈化等作用實現(xiàn)對徑流雨水的消納和處理。其中雨水花園、下沉式綠地、濕塘等滲透、儲存設(shè)施的規(guī)模以設(shè)計降雨量為設(shè)計指標，其意義為LID設(shè)施能消納的徑流總量(包括蓄滯量及降雨過程中的下滲量)對應(yīng)的降雨量，在產(chǎn)流模型中，設(shè)計降雨量可以用“初損”來表達；而植草溝等轉(zhuǎn)輸型設(shè)施則可通過管道匯流參數(shù)來表達，從而實現(xiàn)模型對LID雨水系統(tǒng)的模擬。

2模擬結(jié)果分析

2.1原方案與新方案管網(wǎng)運行情況分析

分別對1 a、3 a和5 a一遇降雨情景下的模型模擬結(jié)果進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計模擬過程中管道最大充滿度小于1的管線，得到原方案分別滿足1 a和3 a一遇規(guī)劃設(shè)計標準的管線如圖4所示。根據(jù)3 a一遇降雨情景下地表徑流模擬的統(tǒng)計結(jié)果，計算各匯水區(qū)的徑流系數(shù)(總產(chǎn)流量/總降雨量)，如圖5所示。

圖4　原方案設(shè)計工況下管網(wǎng)運行情況 Fig.4　Pipe Network Operation Conditions of Original Program

由圖4可知原方案分別只有約30%和80%的主干管和支管達到設(shè)計標準；而新方案雨水主干管和支管基本達到5 a和3 a的設(shè)計標準。原因在于根據(jù)研究區(qū)域各用地指標手動計算得到的綜合徑流系數(shù)(如工業(yè)用地、多功能用地及市政公用設(shè)施用地分別為0.74、0.65和0.62)及模擬統(tǒng)計出的各匯水區(qū)的徑流系數(shù)(如圖5)均大于原方案雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計徑流系數(shù)0.55。

圖5　各匯水區(qū)模擬徑流系數(shù) Fig.5　Simulated Runoff Coefficient of Each Catchment

2.2原方案與LID雨水系統(tǒng)耦合模式管網(wǎng)運行情況

LID雨水系統(tǒng)通過源頭徑流總量減排提升場地或區(qū)域排水防澇能力，同時最大程度緩解下游地區(qū)排水壓力，LID雨水系統(tǒng)一般以年徑流總量控制率或?qū)?yīng)的設(shè)計降雨量作為其規(guī)劃控制指標及設(shè)計標準，應(yīng)通過源頭LID雨水設(shè)施實現(xiàn)設(shè)計降雨量產(chǎn)生的徑流體積零排放。

針對3 a和5 a一遇降雨的情況，LID雨水系統(tǒng)設(shè)計降雨量標準分別為20、25及30mm時原方案的模型模擬結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到綜合設(shè)計標準由3 a一遇提升到5 a一遇的主干管管段長度和由1 a一遇提升到3 a一遇的支管管段長度，并計算提標率(達到新標準管段長度/管段總長度)，如表3所示，設(shè)計降雨量為25mm時管網(wǎng)運行情況如圖6所示。

表3　原方案雨水排水管網(wǎng)提標率

注： 設(shè)計降雨量為25mm時 圖6　原方案管網(wǎng)運行情況 Fig.6　Pipe Network Operation Conditions of Original Program

由表3可知當LID雨水系統(tǒng)的設(shè)計降雨量為25mm時，可達到較高的提標率，隨著設(shè)計降雨量繼續(xù)提高，主干管提標率增加較小，支管提標率增加較大，且約80%支管設(shè)計標準可由1 a提高到5 a；而由圖1和圖6可知未提標主干管主要位于未建路段，因此可通過局部調(diào)整未提標管線的管徑實現(xiàn)提標目標，綜上分析，可知已建區(qū)域LID雨水系統(tǒng)的設(shè)計降雨量不應(yīng)小于25mm。

2.3內(nèi)澇風(fēng)險評價

若將城市內(nèi)澇風(fēng)險進行分級(如表4)，分別對原方案、原方案與LID雨水系統(tǒng)耦合模式的二維地表漫流模擬結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明兩種模式分別在3 a、5 a一遇降雨情景下無內(nèi)澇風(fēng)險。

表4　城市內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分

在20 a一遇暴雨的情況下，對原方案與LID雨水系統(tǒng)(設(shè)計降雨量為25mm)耦合模式及新方案進行內(nèi)澇風(fēng)險評價，內(nèi)澇風(fēng)險等級劃分分別如圖7、圖8所示。

圖7　原方案與LID耦合模式內(nèi)澇風(fēng)險評價 Fig.7　Local Flooding Risk Assessment of LID and Original Program

圖8　新方案內(nèi)澇風(fēng)險評價 Fig.8　Local Flooding Risk Assessment of New Program

模擬結(jié)果表明研究區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險等級為1～2級，且原方案與LID耦合模式的內(nèi)澇風(fēng)險低于新方案。由于本研究為控制性詳細規(guī)劃階段雨水排水系統(tǒng)的模擬分析，雨水檢查井的布置相對設(shè)計階段較為粗糙，出現(xiàn)道路低洼路段雨水口設(shè)置數(shù)量不足或未設(shè)置雨水口的問題，導(dǎo)致路面積水無法快速消退，是研究區(qū)域內(nèi)澇的主要成因，因此設(shè)計階段應(yīng)加大道路低點雨水口數(shù)量，使路面積水能夠快速消退，以減輕對路面交通及人身安全的危害。

2.4經(jīng)濟效益分析

原方案、新方案鋼筋混凝土雨水排水管投資估算分別為2.66億元和3.85億元。以研究區(qū)域面積A為1hm2的工業(yè)地塊為例，綜合徑流系數(shù)Ψ為0.74，則設(shè)計降雨量H為25mm時，LID雨水設(shè)施的設(shè)計規(guī)模(容積)V按式(1)計算為185m3。

V=10H×Ψ×A

(1)

若選擇雨水設(shè)施中投資相對較高的雨水花園作為源頭減排設(shè)施，需雨水花園面積約350m2，單價按600元/m2計，LID雨水系統(tǒng)的投資估算為21萬元/hm2，則研究區(qū)域LID雨水設(shè)施總投資為1.84億元，因此原方案與LID雨水系統(tǒng)的總投資為4.50億元。

根據(jù)北京近30年日降水資料的統(tǒng)計規(guī)律分析，LID雨水系統(tǒng)設(shè)計降雨量為25mm時，年徑流總量控制率約77%，以北京年均降雨量530mm計，研究區(qū)域年徑流減排總量約4 876萬m3，若進行有效回用，則年節(jié)水帶來的經(jīng)濟效益約1.50億元(以自來水單價4元/m3計)，且考慮LID雨水系統(tǒng)削減城市徑流污染、緩解內(nèi)澇風(fēng)險及營造生態(tài)景觀帶來的經(jīng)濟、社會效益，還有新方案由于道路及管線重復(fù)施工帶來的經(jīng)濟損失，原方案與LID雨水系統(tǒng)耦合模式仍優(yōu)于新方案。

3LID雨水系統(tǒng)規(guī)劃控制指標

根據(jù)LID雨水系統(tǒng)注重源頭減排的特點，雨水控制利用指標應(yīng)落實到地塊中，具體項目可根據(jù)場地空間、綠地率等條件，選擇適宜的雨水花園、下沉式綠地、滲透塘、濕塘(景觀水體)、濕地、雨水池等雨水滲透、儲蓄回用設(shè)施控制徑流。

為便于指導(dǎo)LID雨水系統(tǒng)的有效落實，控制性詳細規(guī)劃階段應(yīng)優(yōu)化土地利用布局及豎向標高，為LID雨水設(shè)施的建設(shè)提供條件，還應(yīng)根據(jù)不同用地性質(zhì)的用地指標條件，將設(shè)計降雨量為25mm的指標分解為單位面積雨水蓄滯量、透水地面面積比例、下沉式綠地率等規(guī)劃控制指標，以單位面積(占地面積為1hm2)雨水滯蓄量為例，由式1計算出研究區(qū)域內(nèi)各類用地控制性詳細規(guī)劃階段的LID雨水規(guī)劃控制指標，具體如表5所示。

表5　各類用地LID雨水規(guī)劃控制指標

4結(jié)語

本項目原方案與LID雨水系統(tǒng)(設(shè)計降雨量不小于25mm)耦合模式可實現(xiàn)已建雨水排水系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期由“1+3”提升到“3+5”，經(jīng)濟效益分析表明此耦合模式優(yōu)于新方案。

對于已建城區(qū)或改、擴建項目，應(yīng)根據(jù)空間條件、技術(shù)經(jīng)濟等綜合分析，利用LID雨水系統(tǒng)與已建雨水排水系統(tǒng)耦合模式，綜合達到相關(guān)規(guī)范要求的雨水排水規(guī)劃設(shè)計標準。有條件的利用一維、二維及耦合模型評估現(xiàn)狀和規(guī)劃排水系統(tǒng)能力，識別內(nèi)澇風(fēng)險區(qū)域，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)置規(guī)劃控制指標，并對規(guī)劃方案進行優(yōu)化。

參考文獻

[1] DB11/T 969—2013,城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計暴雨徑流計算標準[S].