透水砖和下凹式绿地对城市雨洪的影响
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负担 , 而且可能导致局部地区排雨不畅 , 出现积水现 象, 给人们的生活带来很大不便 ; 此外 , 由于雨水被 排出境, 宝贵的雨水资源未得到充分利用。因此 , 很 多城市都采取了雨洪利用措施, 比如修建蓄水池、 铺 设透水砖、 采用下凹式绿地等。为更好地利用这些 40
, 不但给下游的防洪排涝带来很大
峰流量减少了 11 . 11 %, 约 0 . 08 m / s, 径流系数减 小了 0. 07 , 峰现时刻推迟了 1 m in 。当降雨频率为 10 % 时, 采用下凹式绿地的小区管道出口断面的洪 峰流量减少了 5 . 08 %, 约 0 . 03 m / s, 径流系数减小 了 0 . 02; 采用铺设透水砖措施的小区管道出口断面 的洪峰流量减少了 8 . 47 %,约 0 . 05 m / s , 径流系数 减小了 0 . 04; 两种措施都采用时 , 洪峰流量减少了 11 . 86 %, 约 0 . 07 m / s, 径流系数减小了 0 . 06 。当 降雨频率为 20 % 时, 采用下凹式绿地的小区管道出 3 口断面的洪峰流量减少了 4 . 44 %,约 0 . 02 m / s ,径 流系数减小了 0 . 01 ; 采用铺设透水砖措施的小区管 道出口断面的洪峰流量减少了 8 . 69 %, 约 0 . 04 m / s , 径流系数减小了 0 . 03 ; 两种措施都采用时 , 洪峰流 3 量减少了 13 . 33 %, 约 0 . 06 m / s, 径流系数减小了 0 . 04 。
% 10 m , 占总面积的 65 . 5 % , 该区域的具体地表分
4 2
布情况见图 1 。基于 S WMM 的应用, 需将此区域进 行合理概化, 并拟建简单的雨水管网, 雨水分别汇入 市政排水管网内。整个模拟小区共划分为 17 个排 水小区, 共有节点 14 个、 管道 13 个、 出水口 1 个。
图 1 小区地表及其概化 F ig . 1 Surface m ap and generalized map of a rea stud ied
2 2 模型参数的确定 4 2 该研究区域的透水面积为 1 . 88 % 10 m , 其中 小区 S12为绿地, 拟将小区 S1、 S5 中的透水面积铺设 透水砖; 采用 H orton 入渗模型模拟研究区域的降雨 入渗过程 , 所以模型需要输入最大入渗率 f0、 最小入 渗率 f & 和衰减系数 , 三者分别取值为 76 . 2 mm / h 、 3 . 81 mm /h 和 2 h 。透 水砖的入 渗率为 2 . 89 [ 3] mm / s 。汇流计算采用非线性水库模型进行模拟, 参考 S WMM 模型 用户手册中的 典型值, 透 水地表 ( 除绿地外 ) 和不 透水地 表的 洼蓄 量分 别取 12 、 2
第 26 卷 第 1 期 2010 年 1 月
中 国 给 水排 水
CH I NA W ATER & WA STEWAT ER
V o.l 26 No. 1 Jan. 2010
技术总结
透水砖和下凹式绿地对城市雨洪的影响
晋存田 ,
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赵树旗 ,
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闫肖丽 ,
2
周玉文
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(1 . 北京工业大学 建筑工程学院 , 北京 100124 ; 2 . 北京工业大学 应用数理学院, 北京 100124) 摘 要: 为考察不同雨洪措施对防洪和增加雨洪资源利用量的贡献, 采用城市暴雨雨水管理
Impacts of Per m eable Brick and Sunken Lawn on U rban Stormwater
JIN Cun tian ,
1
Z HAO Shu qi ,
1
YAN X iao li,
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ZHOU Yu w en
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(1 . C ollege of C ivil Engineering and A rchitecture, B eijing University of T echnology, B eijing 100124 , China; 2 . Colleg e of App lied S ciences, B eijing University of T echnology, B eijing 100124 , China ) Abstract : To in vest ig ate the contribu tio n of d ifferen t stor m w ater m easures to increasin g stor m w ater u tilizat io n , the stor m w ater m anagem ent mode l ( S WMM ) w as used to ca lculate and analyze the peak flow changes in the m a in pipe sect io ns using perm eab le brick and sunken law n in a d istrict of Be ijing. T he re su lts show that the t w o m easures can reduce the peak flow, decrease the runo ff coeffic ie nt and increase the am ount o f stormw ater utilized as resources. H ow ever , w ith respect to the areas w ith d ifferent ra in fall frequency, the sunken lawn doesw ell when the ra in fa ll frequency is big , wh ile per m eab le brick does w ell w hen the rainfall frequency is sm a l.l T his research result can be used to eva lu ate the u tilizat ion effect o f urban stor m w ater w ith different stor m w ater m easures under d ifferen t rain fall frequency and provide a tech n ica l support for flo od contro l and dra in age pro je cts. K ey words : stor m w ater ut ilization ; stormw ater m anagem ent m odel ( S WMM ) ; per m eable brick; sunken lawn 随着社会经济的发展和城市化 进程的不断加 快 , 城市化面积和城区下垫面条件发生了很大变化。 在相同量级别的降雨情况下, 由于不透水面积增加 , 径流系数增大, 产流量也相应增加, 洪峰流量增大 , 峰现时间提前
式计算产流。对于不同子汇流单元上的蓄水池, 降 雨满足初损后的径流首先进入蓄水池 , 当蓄水池满 水后 , 超出的部分再进到排水管网。 ∃ S WMM 模型的使用步骤 a. 仔细研究进行暴雨模拟的区域, 依据管线的 铺设把整个排水区域划分 成几个相互独立 的排水 片。 b . 依据管线的铺设和其他设施的控制面积将各 个排水片再细化为若干个子流域 , 并对所有子流域 编号。 c . 求子流域面积 , 确定所有模型的参数。 d . 数据输入。 e . 计算各设计断面的洪峰流量、 径流总 量及流量过程 , 并进行合理性分析。 2 模型的应用 2 1 研究区域排水系统概化 本模型选择北京工业大学西 校区作为研究对 象, 区域面积为 2 . 87 % 10 m 。其中 , 不透水面积为 4 2 0 . 99 % 10 m , 占总面积的 34 . 5 % ; 透水面积为 1 . 88
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SWMM 模型概述
S WMM 是美国环 保局为了设计 和管理城市暴
雨而研制的综合性数学模型 , 它可以模拟完整的城 市降雨径流过程 , 包括地面径流和排水系统中雨洪 的调蓄过 程。 S WMM 模 块包 括径流 模块、 输 送模 块、 扩展的输送模块、 调蓄 /处 理模块和受纳水体等 主要模块。模型的输出可以显示系统内和受纳水体 中各点的水流和水质状况。 子流域的概化 在 S WMM 模型中一般将一个流域划分为若干 个子流域, 根据各子流域的特点分别计算径流过程 , 最后通过流量演算方法将各子流域的出流量叠加起 来。为反映不同的地表特性 , 每个排水小区再分为 三个部分 : a . 有洼蓄量的不透水地表 A1; b . 无洼蓄 量的不透水地表 A 2; c . 透水地表 A 3。 ! 地表产流计算 无洼蓄量的不透水地表 , 降雨损失表现为初期 的蒸发 ; 有洼蓄量的不透水地表 , 降雨损失主要为洼 蓄量。对于不透水地表, 在未满足初损时不产流, 一 旦满足初损就会全面产流 ; 对于透水地表 , 除填洼损 失外, 还 有 入渗 损 失。 S WMM 采 用 H o rton 模 型、 Green Am pt模型和 SCS 模型计算入渗损失。 ∀ 地表汇流的计算 汇流过程是指将各分区净雨汇集到出口控制断 面或直接排入河道。地表汇流模拟采用非线性水库 模型, 由连续方程和曼宁方程联立求解。模型需要 输入研究区域的面积、 排水小区的宽度、 三种不同地 表的曼宁糙率、 有滞蓄量地表的滞蓄量以及整个排 水小区的坡度。 # 管网汇流子系统的演算 管网汇流子系统的演算在 S WMM 模型中可以 通过输送模块或扩展输送模块来演算。都是采用对 圣维南方程组 ( Sa in t Venant)求解的方法。 S WMM 模型中蓄 水池的作用是 储存降雨产生 的雨水径流 , 从而减少进入管网的雨水量。研究中 , 将部分区域铺设透水砖, 当降雨强度小于入渗率时 , 降雨不产流 ; 当降雨强度大于入渗率后, 利用曼宁公 41
模型 ( S WMM ) , 对北京某区域内铺设透水砖和采用下凹式绿地措施的排水管道主要断面洪峰流量 的变化进行了计算分析。 结果表明, 铺设透水砖和采用下凹式绿地均可有效削减洪峰流量 , 减小径 流系数 , 从而增加雨洪资源的利用量 。但对于不同降雨频率的地区 , 下凹式绿地在降雨频率较大的 地区, 雨洪利用效果较好; 透水砖则在降雨频率较小的地区, 雨洪利用效果较好 。该研究成果可以 用来评价不同雨洪措施在不同降雨频率下对城市雨洪的利用效果, 为防洪排涝工程提供了一定的 技术支持。 关键词 : 雨洪利用; 暴雨雨水管理模型 ; 文献标识码: C 透水砖; 下凹式绿地 中图分类号 : P426 . 62 文章编号: 1000- 4602( 2010) 01- 0040- 04
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第 26 卷
第 1期
中国给水排水
www. w ate rgasheat . com
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mm, 平式绿地的滞蓄库容取 20 mm、 下凹式绿地的 滞蓄 库 容 取 100 mm。研 究 区 域 的 地 表 坡 度 取 0 . 000 1 , 并根据研究区域的下垫面情况, 透水地表、 不透水地表和管道的曼宁系数分别取 0 . 03 、 0. 011 和 0. 013 。模拟过程采用动力波进行流量演算。 2 3 设计暴雨的计算 根据 ∋北京市水文手册 (所附带的图集和公式 得出各时段降雨 的均值、 变 差系数 C v 及偏态系数 C s, 并由此计算重现期分别为 5 年、 10 年、 20 年的设 计日降雨过程。设计雨型的最高峰值出现在 , 因此可以将日降雨内的主、 次雨峰对换 , 将 主降雨峰提前至 10 : 00 , 经验证对模拟结果不会造成 影响。以上三个重现期的日降雨过程分配见图 2 。
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晋存田 , 等 : 透水砖 和下凹式绿地对城市雨洪的影响
第 26 卷
第 1期
雨洪措施, 有必要对它们在防洪和增加雨洪资源利 用量等方面进行研究。笔者采用城市暴雨雨水管理 模型 ( S WMM ) 对北京某区域内 铺设透水砖和采用 下凹式绿地这两种措施下排水管道主要断面洪峰流 量的变化进行了计算分析。 1
负担 , 而且可能导致局部地区排雨不畅 , 出现积水现 象, 给人们的生活带来很大不便 ; 此外 , 由于雨水被 排出境, 宝贵的雨水资源未得到充分利用。因此 , 很 多城市都采取了雨洪利用措施, 比如修建蓄水池、 铺 设透水砖、 采用下凹式绿地等。为更好地利用这些 40
, 不但给下游的防洪排涝带来很大
峰流量减少了 11 . 11 %, 约 0 . 08 m / s, 径流系数减 小了 0. 07 , 峰现时刻推迟了 1 m in 。当降雨频率为 10 % 时, 采用下凹式绿地的小区管道出口断面的洪 峰流量减少了 5 . 08 %, 约 0 . 03 m / s, 径流系数减小 了 0 . 02; 采用铺设透水砖措施的小区管道出口断面 的洪峰流量减少了 8 . 47 %,约 0 . 05 m / s , 径流系数 减小了 0 . 04; 两种措施都采用时 , 洪峰流量减少了 11 . 86 %, 约 0 . 07 m / s, 径流系数减小了 0 . 06 。当 降雨频率为 20 % 时, 采用下凹式绿地的小区管道出 3 口断面的洪峰流量减少了 4 . 44 %,约 0 . 02 m / s ,径 流系数减小了 0 . 01 ; 采用铺设透水砖措施的小区管 道出口断面的洪峰流量减少了 8 . 69 %, 约 0 . 04 m / s , 径流系数减小了 0 . 03 ; 两种措施都采用时 , 洪峰流 3 量减少了 13 . 33 %, 约 0 . 06 m / s, 径流系数减小了 0 . 04 。
% 10 m , 占总面积的 65 . 5 % , 该区域的具体地表分
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布情况见图 1 。基于 S WMM 的应用, 需将此区域进 行合理概化, 并拟建简单的雨水管网, 雨水分别汇入 市政排水管网内。整个模拟小区共划分为 17 个排 水小区, 共有节点 14 个、 管道 13 个、 出水口 1 个。
图 1 小区地表及其概化 F ig . 1 Surface m ap and generalized map of a rea stud ied
2 2 模型参数的确定 4 2 该研究区域的透水面积为 1 . 88 % 10 m , 其中 小区 S12为绿地, 拟将小区 S1、 S5 中的透水面积铺设 透水砖; 采用 H orton 入渗模型模拟研究区域的降雨 入渗过程 , 所以模型需要输入最大入渗率 f0、 最小入 渗率 f & 和衰减系数 , 三者分别取值为 76 . 2 mm / h 、 3 . 81 mm /h 和 2 h 。透 水砖的入 渗率为 2 . 89 [ 3] mm / s 。汇流计算采用非线性水库模型进行模拟, 参考 S WMM 模型 用户手册中的 典型值, 透 水地表 ( 除绿地外 ) 和不 透水地 表的 洼蓄 量分 别取 12 、 2
第 26 卷 第 1 期 2010 年 1 月
中 国 给 水排 水
CH I NA W ATER & WA STEWAT ER
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技术总结
透水砖和下凹式绿地对城市雨洪的影响
晋存田 ,
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赵树旗 ,
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闫肖丽 ,
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(1 . 北京工业大学 建筑工程学院 , 北京 100124 ; 2 . 北京工业大学 应用数理学院, 北京 100124) 摘 要: 为考察不同雨洪措施对防洪和增加雨洪资源利用量的贡献, 采用城市暴雨雨水管理
Impacts of Per m eable Brick and Sunken Lawn on U rban Stormwater
JIN Cun tian ,
1
Z HAO Shu qi ,
1
YAN X iao li,
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ZHOU Yu w en
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(1 . C ollege of C ivil Engineering and A rchitecture, B eijing University of T echnology, B eijing 100124 , China; 2 . Colleg e of App lied S ciences, B eijing University of T echnology, B eijing 100124 , China ) Abstract : To in vest ig ate the contribu tio n of d ifferen t stor m w ater m easures to increasin g stor m w ater u tilizat io n , the stor m w ater m anagem ent mode l ( S WMM ) w as used to ca lculate and analyze the peak flow changes in the m a in pipe sect io ns using perm eab le brick and sunken law n in a d istrict of Be ijing. T he re su lts show that the t w o m easures can reduce the peak flow, decrease the runo ff coeffic ie nt and increase the am ount o f stormw ater utilized as resources. H ow ever , w ith respect to the areas w ith d ifferent ra in fall frequency, the sunken lawn doesw ell when the ra in fa ll frequency is big , wh ile per m eab le brick does w ell w hen the rainfall frequency is sm a l.l T his research result can be used to eva lu ate the u tilizat ion effect o f urban stor m w ater w ith different stor m w ater m easures under d ifferen t rain fall frequency and provide a tech n ica l support for flo od contro l and dra in age pro je cts. K ey words : stor m w ater ut ilization ; stormw ater m anagem ent m odel ( S WMM ) ; per m eable brick; sunken lawn 随着社会经济的发展和城市化 进程的不断加 快 , 城市化面积和城区下垫面条件发生了很大变化。 在相同量级别的降雨情况下, 由于不透水面积增加 , 径流系数增大, 产流量也相应增加, 洪峰流量增大 , 峰现时间提前
式计算产流。对于不同子汇流单元上的蓄水池, 降 雨满足初损后的径流首先进入蓄水池 , 当蓄水池满 水后 , 超出的部分再进到排水管网。 ∃ S WMM 模型的使用步骤 a. 仔细研究进行暴雨模拟的区域, 依据管线的 铺设把整个排水区域划分 成几个相互独立 的排水 片。 b . 依据管线的铺设和其他设施的控制面积将各 个排水片再细化为若干个子流域 , 并对所有子流域 编号。 c . 求子流域面积 , 确定所有模型的参数。 d . 数据输入。 e . 计算各设计断面的洪峰流量、 径流总 量及流量过程 , 并进行合理性分析。 2 模型的应用 2 1 研究区域排水系统概化 本模型选择北京工业大学西 校区作为研究对 象, 区域面积为 2 . 87 % 10 m 。其中 , 不透水面积为 4 2 0 . 99 % 10 m , 占总面积的 34 . 5 % ; 透水面积为 1 . 88
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SWMM 模型概述
S WMM 是美国环 保局为了设计 和管理城市暴
雨而研制的综合性数学模型 , 它可以模拟完整的城 市降雨径流过程 , 包括地面径流和排水系统中雨洪 的调蓄过 程。 S WMM 模 块包 括径流 模块、 输 送模 块、 扩展的输送模块、 调蓄 /处 理模块和受纳水体等 主要模块。模型的输出可以显示系统内和受纳水体 中各点的水流和水质状况。 子流域的概化 在 S WMM 模型中一般将一个流域划分为若干 个子流域, 根据各子流域的特点分别计算径流过程 , 最后通过流量演算方法将各子流域的出流量叠加起 来。为反映不同的地表特性 , 每个排水小区再分为 三个部分 : a . 有洼蓄量的不透水地表 A1; b . 无洼蓄 量的不透水地表 A 2; c . 透水地表 A 3。 ! 地表产流计算 无洼蓄量的不透水地表 , 降雨损失表现为初期 的蒸发 ; 有洼蓄量的不透水地表 , 降雨损失主要为洼 蓄量。对于不透水地表, 在未满足初损时不产流, 一 旦满足初损就会全面产流 ; 对于透水地表 , 除填洼损 失外, 还 有 入渗 损 失。 S WMM 采 用 H o rton 模 型、 Green Am pt模型和 SCS 模型计算入渗损失。 ∀ 地表汇流的计算 汇流过程是指将各分区净雨汇集到出口控制断 面或直接排入河道。地表汇流模拟采用非线性水库 模型, 由连续方程和曼宁方程联立求解。模型需要 输入研究区域的面积、 排水小区的宽度、 三种不同地 表的曼宁糙率、 有滞蓄量地表的滞蓄量以及整个排 水小区的坡度。 # 管网汇流子系统的演算 管网汇流子系统的演算在 S WMM 模型中可以 通过输送模块或扩展输送模块来演算。都是采用对 圣维南方程组 ( Sa in t Venant)求解的方法。 S WMM 模型中蓄 水池的作用是 储存降雨产生 的雨水径流 , 从而减少进入管网的雨水量。研究中 , 将部分区域铺设透水砖, 当降雨强度小于入渗率时 , 降雨不产流 ; 当降雨强度大于入渗率后, 利用曼宁公 41
模型 ( S WMM ) , 对北京某区域内铺设透水砖和采用下凹式绿地措施的排水管道主要断面洪峰流量 的变化进行了计算分析。 结果表明, 铺设透水砖和采用下凹式绿地均可有效削减洪峰流量 , 减小径 流系数 , 从而增加雨洪资源的利用量 。但对于不同降雨频率的地区 , 下凹式绿地在降雨频率较大的 地区, 雨洪利用效果较好; 透水砖则在降雨频率较小的地区, 雨洪利用效果较好 。该研究成果可以 用来评价不同雨洪措施在不同降雨频率下对城市雨洪的利用效果, 为防洪排涝工程提供了一定的 技术支持。 关键词 : 雨洪利用; 暴雨雨水管理模型 ; 文献标识码: C 透水砖; 下凹式绿地 中图分类号 : P426 . 62 文章编号: 1000- 4602( 2010) 01- 0040- 04
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第 1期
中国给水排水
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mm, 平式绿地的滞蓄库容取 20 mm、 下凹式绿地的 滞蓄 库 容 取 100 mm。研 究 区 域 的 地 表 坡 度 取 0 . 000 1 , 并根据研究区域的下垫面情况, 透水地表、 不透水地表和管道的曼宁系数分别取 0 . 03 、 0. 011 和 0. 013 。模拟过程采用动力波进行流量演算。 2 3 设计暴雨的计算 根据 ∋北京市水文手册 (所附带的图集和公式 得出各时段降雨 的均值、 变 差系数 C v 及偏态系数 C s, 并由此计算重现期分别为 5 年、 10 年、 20 年的设 计日降雨过程。设计雨型的最高峰值出现在 , 因此可以将日降雨内的主、 次雨峰对换 , 将 主降雨峰提前至 10 : 00 , 经验证对模拟结果不会造成 影响。以上三个重现期的日降雨过程分配见图 2 。
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晋存田 , 等 : 透水砖 和下凹式绿地对城市雨洪的影响
第 26 卷
第 1期
雨洪措施, 有必要对它们在防洪和增加雨洪资源利 用量等方面进行研究。笔者采用城市暴雨雨水管理 模型 ( S WMM ) 对北京某区域内 铺设透水砖和采用 下凹式绿地这两种措施下排水管道主要断面洪峰流 量的变化进行了计算分析。 1