容积法的年径流总量控制率精细化计算

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摘要:年径流总量控制率作为低影响开发(LID)系统构建的首要控制目标,其计算关系到低影响开发设施的规模,目前常用的计算方法主要为模型模拟法和容积法。为了便于设计人员操作并提高计算精度,构建了一种基于容积法的年径流总量控制率精细化计算方法,以生物滞留单元、下凹式绿地、透水铺装、绿地屋顶及蓄水池5种典型LID设施组合的精细化计算为基础,以不同下垫面为布置的边界条件,试算满足多种类型用地的年径流总量控制目标。同时,根据配置的设施规模求取了年SS总量控制率。

关键词:容积法;低影响开发设施;年径流总量控制率;精细化计算

0前言

年径流总量控制率作为LID系统构建的首要控制目标,不论是在规划阶段的指标分解还是在设计阶段的设施规模确定,均需要对其进行计算,目前常用的计算方法主要为容积法和模型模拟法。容积法是根据目标年径流总量控制率对应的设计降雨量求取场地所需的调蓄总容积,再通过LID设施的调蓄容积进行匹配,不断试算以满足目标要求。模型模拟法是通过在汇水区内添加LID设施,并可指定设施对应的服务区域,通过概化分解LID设施为不同层次,跟踪水在每一层的移动和存储,建立进水量、蒸发、下渗、径流及暗渠排放的水量平衡,确定控制的径流量,以模拟出场地的径流总量控制率。两种计算方法目前在国内均有应用,相比之下容积法计算较为简便,工程人员容易掌握,但精度不如模型法;模型法精度较高,但模型建立较为复杂,设计耗时较长。为此,本文拟建立一种基于容积法的LID设施年径流总量精细化计算方法,并形成较易操作的电子计算表格,供同行参考。

1年径流总量控制率的容积法计算流程

依据《海绵城市建设技术指南-低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称《指南》),容积法计算一般分为以下步骤:①确定年径流总量控制目标和设计降雨量H。②结合项目具体情况,如各地块的用地性质、功能定位和规划设计方案等条件,初步制定可行的低影响开发措施组合方案及各措施的占地面积。③根据φ=∑Fiφi/∑F计算各地块的综合径流系数,其中,φi为第i类汇水面的雨量径流系数,Fi为i类汇水面的面积,hm2。④根据年径流总量控制目标对应的设计降雨量,计算设计调蓄容积V;V=10HφF;其中,H为年径流总量控制率对应的设计降雨,mm;φ为综合雨量径流系数;F为汇水面积,hm2。⑤确定单项LID设施的参数,并计算单位面积设施的调蓄容积,其计算原则应满足《指南》中4.8.1的计算要求。⑥校验步骤5中的单项设施的蓄水容积总和能否满足步骤④中的设计调蓄容积;若不能满足,则需调整LID设施规模或参数直至满足。根据上述流程,主要考虑对单项LID设施的调蓄能力进行精细化计算,结合模型模拟法的LID设施层次结构(表面层、土壤层、填料层、排水层),考虑将填洼、下渗、蓄水纳入计算。

2LID单项设施的控制径流量精细化计算

LID设施主要可分为生物滞留单元、下凹式绿地、透水铺装、绿色屋顶、渗渠、植草沟、调节塘、蓄水池等类别。依据《指南》4.8.1,调节塘对径流总量削减没有贡献,其调节容积不计入;植草沟、渗渠等对径流总量削减贡献较小,其调蓄容积也不应计入。透水铺装及绿色屋顶参与综合雨量径流系数的计算,《指南》提出其结构容积一般不计入,为提高容积法计算的精确度,将二者的结构容积以及绿色屋顶的护堤蓄水高度纳入计算。因此,文章主要考虑生物滞留单元、下凹式绿地、透水铺装、绿色屋顶和蓄水池(其蓄水容积直接作为调蓄容积)五种单体设施。(1)生物滞留单元可分解为表面层、土壤层、填料层及排水层,其能消纳的水量包括表面层的蓄水量(Vg)、土壤及填料结构空隙的蓄水量(Vs)以及下渗量(Vi)三部分。下凹式绿地可分解为表面层和土壤层,其能消纳的水量包括下凹深度的蓄水量(Vg)以及土壤下渗量(Vi)两部分。透水铺装可分解为路面层(面层、基层和垫层)以及排水层,其消纳的水量包括路面结构孔隙的蓄水量以及下渗水量,考虑透水铺装已纳入雨量径流系数,仅计算其孔隙蓄水量。透水铺装单位面积的调蓄容积V3=hgng+hjnj+hdnd。其中,hg为面层厚度,m;ng为面层有效孔隙率;hj为透水基层厚度,m;nj为透水基层有效孔隙率;hd为透水垫层厚度,m;nd为透水垫层有效孔隙率。(4)绿色屋顶可分解为表面层、土壤层和排水层,其消纳的水量包括屋顶护堤的蓄水量、土壤层结构孔隙的蓄水量以及下渗水量,考虑绿色屋顶已纳入雨量径流系数,仅计算护堤蓄水量及其孔隙蓄水量。绿色屋顶单位面积的调蓄容积V4=hm+ndf。

3年污染物总量去除率计算

根据《指南》,在城市径流污染物中,SS与其他污染物具有一定的相关性,一般采用SS作为径流污染物的控制指标,年SS总量去除率可按式(4)计算:年SS总量去除率=年径流总量控制率×LID设施对SS的平均去除率(4)在LID设施的调蓄容积计算完成后,即可得出实际的年径流总量控制率,因此,重点在于如何确定多项设施共同作用下的设施平均去除率。拟采用各设施SS去除率按照其对应的调蓄容积加权的方法确定。由于透水铺装和绿色屋顶参与径流系数的计算,因此有部分容积未体现在LID的计算调蓄容积之内,但实际上对径流污染的去除起到了效果,应将其纳入设施的控制容积之中进行加权。

4径流总量控制率计算表格建立

4.1用地类型、下垫面类型与LID设施的映射关系

具体项目中往往包含很多地块,如果每个地块都逐一确定下垫面参数及对应的LID设施规模,将会有巨大的工作量。在规划设计中,一般会对同种类型的用地进行统一化处理,根据用地类型的不同确定下垫面比例。本文拟在计算表中建立用地类型库,包含居住用地(R)、公共管理与公共服务设施用地(A)、商业服务业设施用地(B)、工业用地(M)、道路与交通设施用地(S)、公共设施用地(U)、绿地与广场用地(G)共8大类。将下垫面类型分为:道路广场、绿地、屋面、水面。不同类型的用地配置不同比例的下垫面种类,研究范围内不同下垫面的总面积为:S下垫面=∑用地类型S用地×P下垫面其中S用地为各种类型用地的面积,P下垫面为该类用地指定下垫面所占的比值。除水面外的三种下垫面均可配置LID设施,下垫面与LID设施的映射关系见图1。

4.2计算表格构建逻辑

径流总量控制率计算表格的构建逻辑是基于容积法的目标导向试算方法,并在计算表内添加用地类型、下垫面类型、LID精细化计算参数,通过对输入的LID设施规模不断计算直到满足要求,整体计算流程如图2所示。将模型计算表分为6个区域:用地面积区、控制目标区、LID参数区、LID配置区、配置检验区和结果输出区。现对各区功能进行分别介绍。用地面积区:体现用地面积与下垫面的映射关系,在该区输入研究区域各类型用地的面积,即可根据对应的下垫面比例输出各类下垫面的总面积。控制目标区:体现年径流总量控制率目标与设计降雨量之间的关系,根据邹寒等[3]对年径流总量控制率与设计降雨量的拟合结果,输入年径流总量控制率,输出设计降雨量。LID参数区:体现LID设施的基本参数与其单位面积调蓄容积的关系,可根据具体研究范围调整输入设施的初始参数值,以更符合具体工程的真实情况,各项设施输出单位面积上的控制容积。LID配置区:主要为输入区,由设计人员输入各单项设施的配置面积,输出LID设施的总调蓄容积。配置检验区:输出配置面积的合理性,若LID设施配置未超出下垫面限制,则输出“OK”;否则输出提示信息,提示减少对应的LID设施配置面积。结果输出区:输出当前配置工况下的下凹式绿地率、透水铺装率、绿色屋顶率、LID项目的总占地面积、实际控制降雨量、实际年径流控制率等指标。

4.3计算表格示例

为便于同行参考借鉴及改进,本文提供LID设施计算表格的样表,见图3。5结语文章构建了一种基于容积法的年径流总量控制图3LID设施计算Fig.3CalculationofLIDfacilities率精细化计算方法,将生物滞留单元、下凹式绿地、透水铺装、绿地屋顶及蓄水池5种典型LID设施按照表面层、土壤层、蓄水池和排水层分解,将填洼、下渗、蓄水纳入考虑进行精细化计算。同时通过用地类型、下垫面类型及各种设施的映射关系建立了电子计算表格,为LID设施精细化计算提供了方便。

作者:王震 吴晗 单位:南昌市城市规划设计研究总院