容積法的年徑流總量控制率精細化計算

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摘要:年徑流總量控制率作為低影響開發(LID)系統構建的首要控制目標,其計算關系到低影響開發設施的規模,目前常用的計算方法主要為模型模擬法和容積法。為了便于設計人員操作并提高計算精度,構建了一種基于容積法的年徑流總量控制率精細化計算方法,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設施組合的精細化計算為基礎,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。同時,根據配置的設施規模求取了年SS總量控制率。

關鍵詞:容積法;低影響開發設施;年徑流總量控制率;精細化計算

0前言

年徑流總量控制率作為LID系統構建的首要控制目標,不論是在規劃階段的指標分解還是在設計階段的設施規模確定,均需要對其進行計算,目前常用的計算方法主要為容積法和模型模擬法。容積法是根據目標年徑流總量控制率對應的設計降雨量求取場地所需的調蓄總容積,再通過LID設施的調蓄容積進行匹配,不斷試算以滿足目標要求。模型模擬法是通過在匯水區內添加LID設施,并可指定設施對應的服務區域,通過概化分解LID設施為不同層次,跟蹤水在每一層的移動和存儲,建立進水量、蒸發、下滲、徑流及暗渠排放的水量平衡,確定控制的徑流量,以模擬出場地的徑流總量控制率。兩種計算方法目前在國內均有應用,相比之下容積法計算較為簡便,工程人員容易掌握,但精度不如模型法;模型法精度較高,但模型建立較為復雜,設計耗時較長。為此,本文擬建立一種基于容積法的LID設施年徑流總量精細化計算方法,并形成較易操作的電子計算表格,供同行參考。

1年徑流總量控制率的容積法計算流程

依據《海綿城市建設技術指南-低影響開發雨水系統構建(試行)》(以下簡稱《指南》),容積法計算一般分為以下步驟:①確定年徑流總量控制目標和設計降雨量H。②結合項目具體情況,如各地塊的用地性質、功能定位和規劃設計方案等條件,初步制定可行的低影響開發措施組合方案及各措施的占地面積。③根據φ=∑Fiφi/∑F計算各地塊的綜合徑流系數,其中,φi為第i類匯水面的雨量徑流系數,Fi為i類匯水面的面積,hm2。④根據年徑流總量控制目標對應的設計降雨量,計算設計調蓄容積V;V=10HφF;其中,H為年徑流總量控制率對應的設計降雨,mm;φ為綜合雨量徑流系數;F為匯水面積,hm2。⑤確定單項LID設施的參數,并計算單位面積設施的調蓄容積,其計算原則應滿足《指南》中4.8.1的計算要求。⑥校驗步驟5中的單項設施的蓄水容積總和能否滿足步驟④中的設計調蓄容積;若不能滿足,則需調整LID設施規模或參數直至滿足。根據上述流程,主要考慮對單項LID設施的調蓄能力進行精細化計算,結合模型模擬法的LID設施層次結構(表面層、土壤層、填料層、排水層),考慮將填洼、下滲、蓄水納入計算。

2LID單項設施的控制徑流量精細化計算

LID設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、調節塘、蓄水池等類別。依據《指南》4.8.1,調節塘對徑流總量削減沒有貢獻,其調節容積不計入;植草溝、滲渠等對徑流總量削減貢獻較小,其調蓄容積也不應計入。透水鋪裝及綠色屋頂參與綜合雨量徑流系數的計算,《指南》提出其結構容積一般不計入,為提高容積法計算的精確度,將二者的結構容積以及綠色屋頂的護堤蓄水高度納入計算。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蓄容積)五種單體設施。(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)、土壤及填料結構空隙的蓄水量(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構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,僅計算其孔隙蓄水量。透水鋪裝單位面積的調蓄容積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堤的蓄水量、土壤層結構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,僅計算護堤蓄水量及其孔隙蓄水量。綠色屋頂單位面積的調蓄容積V4=hm+ndf。

3年污染物總量去除率計算

根據《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性,一般采用SS作為徑流污染物的控制指標,年SS總量去除率可按式(4)計算:年SS總量去除率=年徑流總量控制率×LID設施對SS的平均去除率(4)在LID設施的調蓄容積計算完成后,即可得出實際的年徑流總量控制率,因此,重點在于如何確定多項設施共同作用下的設施平均去除率。擬采用各設施SS去除率按照其對應的調蓄容積加權的方法確定。由于透水鋪裝和綠色屋頂參與徑流系數的計算,因此有部分容積未體現在LID的計算調蓄容積之內,但實際上對徑流污染的去除起到了效果,應將其納入設施的控制容積之中進行加權。

4徑流總量控制率計算表格建立

4.1用地類型、下墊面類型與LID設施的映射關系

具體項目中往往包含很多地塊,如果每個地塊都逐一確定下墊面參數及對應的LID設施規模,將會有巨大的工作量。在規劃設計中,一般會對同種類型的用地進行統一化處理,根據用地類型的不同確定下墊面比例。本文擬在計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設施用地(A)、商業服務業設施用地(B)、工業用地(M)、道路與交通設施用地(S)、公共設施用地(U)、綠地與廣場用地(G)共8大類。將下墊面類型分為:道路廣場、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設施,下墊面與LID設施的映射關系見圖1。

4.2計算表格構建邏輯

徑流總量控制率計算表格的構建邏輯是基于容積法的目標導向試算方法,并在計算表內添加用地類型、下墊面類型、LID精細化計算參數,通過對輸入的LID設施規模不斷計算直到滿足要求,整體計算流程如圖2所示。將模型計算表分為6個區域:用地面積區、控制目標區、LID參數區、LID配置區、配置檢驗區和結果輸出區。現對各區功能進行分別介紹。用地面積區:體現用地面積與下墊面的映射關系,在該區輸入研究區域各類型用地的面積,即可根據對應的下墊面比例輸出各類下墊面的總面積。控制目標區:體現年徑流總量控制率目標與設計降雨量之間的關系,根據鄒寒等[3]對年徑流總量控制率與設計降雨量的擬合結果,輸入年徑流總量控制率,輸出設計降雨量。LID參數區:體現LID設施的基本參數與其單位面積調蓄容積的關系,可根據具體研究范圍調整輸入設施的初始參數值,以更符合具體工程的真實情況,各項設施輸出單位面積上的控制容積。LID配置區:主要為輸入區,由設計人員輸入各單項設施的配置面積,輸出LID設施的總調蓄容積。配置檢驗區:輸出配置面積的合理性,若LID設施配置未超出下墊面限制,則輸出“OK”;否則輸出提示信息,提示減少對應的LID設施配置面積。結果輸出區:輸出當前配置工況下的下凹式綠地率、透水鋪裝率、綠色屋頂率、LID項目的總占地面積、實際控制降雨量、實際年徑流控制率等指標。

4.3計算表格示例

為便于同行參考借鑒及改進,本文提供LID設施計算表格的樣表,見圖3。5結語文章構建了一種基于容積法的年徑流總量控制圖3LID設施計算Fig.3CalculationofLIDfacilities率精細化計算方法,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、蓄水納入考慮進行精細化計算。同時通過用地類型、下墊面類型及各種設施的映射關系建立了電子計算表格,為LID設施精細化計算提供了方便。

作者:王震 吳晗 單位:南昌市城市規劃設計研究總院