北京住宅小区降雨净雨过程研究

北京住宅小区降雨净雨过程研究
吴俊奇杜长伟汪慧贞
（北京建筑大学北京 100044）
住宅小区中雨水利用的研究通常涉及到降雨过程、净雨过程、径流过程，净雨过程是从降雨到形成径流的重要环节。

对住宅小区中的净雨过程进行研究，可为降雨产流模型提供基本数据和依据，为进一步研究住宅小区中的雨水径流做铺垫，对指导雨水利用有实用意义。

一、基本参数的确定
1、北京住宅小区下垫面
住宅小区中，下垫面一般有屋面、机动车道、硬化铺装地面、透水铺装地面、平式绿地、下凹式绿地等。

根据相关规划建设规定中对各类下垫面比例的要求和北京市雨水利用的相关规定，绿地中至少50%为下凹式绿地及非机动车道以外的铺装地面中透水铺装地面不低于70%的要求[1]，本研究结合实例构建典型住宅小区。

北京市规定新建建设工程总面积5公顷以上的应编制雨水控制与利用规划，再进行雨水控制与利用工程设计，因此本研究的住宅小区面积定为5公顷。

根据《城市居住区规划设计规范》等相关规定和实际住宅小区的下垫面分布，确定住宅小区的下垫面指标如表1所示。

表1 住宅小区下垫面指标
绿地分为平式绿地和下凹式绿地，下凹式绿地有效滞蓄空间50mm，铺装地面分为硬化铺装和透水铺装，比例分配见表2。

表2 住宅小区绿地、铺装地面分布
2、北京市降雨资料
根据北京城区暴雨强度公式推求不同重现期的历时分别为5分钟、15分钟、30分钟、45分钟、60分钟、90分钟、120分钟的设计降雨量，见表3。

表3 不同重现期不同历时的降雨量
根据北京市《城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》课题组研究得到的北京市降雨雨型分配表，进行分配。

北京市历时120min的降雨时程分配如表4。

表4 不同重现期120min历时降雨时程分配
二、净雨过程的推求
设计净雨量由设计暴雨推求而得，推求设计净雨量的方法有相关图法、径流系数法、初损后损法等。

相关图法计算净雨需要大量降雨资料，按相关分析法建立降雨量、流域蓄水量或前期影响雨量与径流深的关系图。

因资料的限制，主要研究径流系数法和初损后损法。

1、径流系数法
在径流系数法中，设计净雨量是由降雨量与雨量径流系数而得。

雨量径流系数的确定比较重要，故对不同下垫面的雨量径流系数进行分析。

《室外排水设计规范》中给出的各种屋面、混凝土或沥青路面的径流系数参照取值为0.85-0.95[2]。

《建筑与小区雨水利用工程技术规范》规定硬屋面、未铺石子的平屋面、沥青屋面的雨量径流系数Ψc 宜取0.8-0.9，混凝土和沥青路面的雨量径流系数Ψc 宜取0.8-0.9。

北京市水科学研究院观测了北京城区汛期，对有代表性的降雨和相应的屋顶径流进行分析，提出大于30mm 降雨的平均径流系数为0.94，10-30mm 降雨的平均径流系数为0.84[3]。

考虑到建筑物的屋面施工质量较高，防水效果比较好，屋面雨量径流系数取0.95；混凝土或沥青路面、广场等透水效果较屋面好，雨量径流系数取0.9。

绿地的雨量径流系数借鉴李俊奇等对住区绿地雨水量的平衡分析[4]，认为绿地中土壤的含水量达到田间持水量，下渗量按照渗透系数5.79×10-6m/s 计算。

计算平式绿地的雨量径流系数时，不考虑其服务面积；计算下凹式绿地时，下凹绿地面积与对应的屋面服务面积比例为1:1.5，建立组合块。

即可得到平式绿地和组合块在重现期1、2、3、5、10年下，设计降雨历时2小时降雨条件下的雨量径流系数。

透水铺装地面的雨量径流系数参照式（1）[5]计算。

,,,()
c
c
c
N t p j c N t
N t
P W K t P −+Ψ= （1）
式中ΨN ，tc ——重现期为N 、历时为t c 降雨条件下的透水地面雨量径流系数； W p ——透水铺装层容水量，mm ；
P N ，tc ——重现期为N 、历时为t c 的降雨量，mm ； K j ——基层的饱和入渗速率，mm/min 。

路基土壤渗透系数取0.0001mm/s ，设计铺装层容水量为45mm ，即可计算降雨历时2小时透水地面的雨量径流系数。

下凹式绿地与屋面组合，小区的下垫面类型重新划定为：屋面、机动车道、组合块、绿地、硬化铺装、透水铺装。

建设用地的综合径流系数通过加权平均求得。

住宅小区内各下垫面不同重现期下的雨量径流系数Ψc 见表5。

表5 不同重现期下住宅小区雨量径流系数Ψc
根据表4中不同重现期120分钟历时降雨时程分配和表5中不同重现期下的建设用地综合雨量径流系数，同一重现期下两者相乘，即降雨时程分配表中不同时间段的降雨量直接乘以同一重现期的综合雨量径流系数就是该时间段的净雨量。

以住宅小区为例，不同重现期120分钟历时下的净雨时程分配如表6示。

表6 住宅小区不同重现期净雨时程分配
2、初损后损法
初损后损法将下渗损失过程简化为初损、后损两个阶段。

平式绿地、下凹式绿地、屋面、机动车道、硬化铺装地面、透水铺装地面的前期及后期损失情况差别较大。

周玉文在北京市百万庄小区进行的降雨损失量试验[6]结果如表7所示。

表7 不同下垫面前期降雨损失
下垫面正好能产生径流的最小降雨量称作临界产流降雨量。

中科院对皋兰生态农业试验站的降雨径流实验用直线回归模型分析后得到的结果如表8所示[7]。

北京市丰台园林局在绿源公园进行了降雨径流观测试验，绿地坡度在0-0.2之间时，临界产流净雨量基本相同为9.5mm[8]。

根据上述研究结果，各下垫面损失如下：平式绿地初期损失9.5mm，后期渗透系数5.79×10-6m/s，即5分钟损失1.74mm；屋面不计损失；机动车道和硬化铺装地面前期损失为1.48mm，后期损失不计。

表8 不同下垫面临界产流降雨量
透水铺装地面的铺装层容水量按照45mm计算，基层土壤渗透系数为0.0001mm/s，即5分钟0.03mm。

则透水铺装地面的前期损失为45mm，后期损失为5分钟0.03mm。

下凹式绿地有效滞蓄空间50mm，初期损失和后期损失同平式绿地。

屋面雨水按照降落到地面后先进入下凹式绿地考虑，下凹式绿地和屋面组合成块，统一计算。

按照上述参数计算住宅小区各下垫面不同重现期的降雨净雨过程。

3、计算结果
用径流系数法和初损后损法计算住宅小区降雨净雨过程的结果如图1至4所示。

图1 住宅小区一年一遇降雨净雨过程
图2 住宅小区三年一遇降雨净雨过程
图3 住宅小区五年一遇降雨净雨过程
图4 住宅小区十年一遇降雨净雨过程
通过对比发现住宅小区中初损后损法和径流系数法得到的净雨过程略有差别，重现期越小，差别越大；重现期越大，净雨过程越接近。

一年一遇降雨初损后损法得到的净雨峰值高于径流系数法，其余重现期下初损后损法得到的净雨峰值略小于径流系数法或基本相同。

净雨峰值之前径流系数法得到的净雨量略大于初损后损法，净雨峰值后径流系数法得到的净雨量略小于初损后损法。

净雨次峰值初损后损法高于径流系数法。

三、结论
1、降雨历时2小时，重现期为1、
2、
3、5、10年时，北京新建住宅小区的雨量径流系数分别为0.32、0.45、0.50、0.55、0.61。

2、通过北京住宅小区中用雨量径流系数及初损后损法对净雨过程的推求，得到的净雨过程总体一致，说明雨量径流系数取值和初损后损法的取值合理。

3、小区工程设计中采用的重现期多为2年、3年或5年，用径流系数法得到的净雨过程中降雨前期净雨量略大，产生的净雨峰值略高，前期径流流量相对大些。

但因径流系数法计算方便，故建议在工程设计中采用径流系数法。

参考文献
[1]新建建设工程雨水控制与利用技术要点(暂行).
[2]室外排水设计规范(2011版) GB50014-2006,中国计划出版社,2011.
[3]建筑与小区雨水利用工程技术规范GB50400-2006,中国建筑工业出版社,2006.
[4]李俊奇,车伍,池莲,等.住区低式绿地设计的关键参数及其影响因素分析.给水排
水,2004,30(9):41-45.
[5]张书函,陈建刚,赵飞等.《透水砖铺装地面的技术指标和设计方法分析》,中国给水排
水,2011,27(22):16-17.
[6]任伯帜.城市设计暴雨及雨水径流计算模型研究,重庆:重庆大学学位论文,2004.
[7]李小雁,龚家栋,高前兆.人工集水面临界产流降雨量确定实验研究.水科学进
展,2001,12(4):516-522.
[8]华伟军,苏得荣,赵会娟.《城市草坪绿地临界产流降雨量的试验研究》.中国农业工程学会
2007年学术年会论文集:1-4.。