海綿化改造后住宅小區(qū)徑流控制效果評(píng)估

文/北京清控人居環(huán)境研究院 郭慧慧

0 引言

近年來(lái)許多城市都面臨內(nèi)澇頻發(fā)、徑流污染及雨水資源大量流失等問(wèn)題，在城市建設(shè)中構(gòu)建完善的雨洪管理系統(tǒng)刻不容緩。2013年12月12日，中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議上提出，要建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，國(guó)家要大力推進(jìn)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)工作。其中，低影響開(kāi)發(fā)（Low Impact Development，LID）作為海綿城市建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，指通過(guò)在城市中建設(shè)植草溝、雨水花園、透水鋪裝等基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)滯蓄、凈化、回用雨水，最后剩余部分徑流通過(guò)管網(wǎng)、泵站外排，從而有效提高城市排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，緩減城市內(nèi)澇壓力。

然而，“海綿體”在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)降雨徑流削減效果如何？本文選取國(guó)家首批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市某典型海綿改造項(xiàng)目（某住宅小區(qū)）為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其2018年降雨日的排口流量數(shù)據(jù)、對(duì)應(yīng)降雨量及小區(qū)具體情況綜合分析，評(píng)估海綿改造后住宅小區(qū)的徑流控制效果，同時(shí)分析項(xiàng)目徑流控制率與降雨量及降雨強(qiáng)度的關(guān)系，為我國(guó)海綿城市的推廣提供數(shù)據(jù)支持。

1 住宅小區(qū)海綿改造概況

本小區(qū)中所進(jìn)行的海綿改造項(xiàng)目包括：將老年及兒童活動(dòng)場(chǎng)地改為透水鋪裝，小區(qū)干道加鋪透水瀝青路面，路側(cè)修建植草溝，混接排水管道進(jìn)行雨污分流改造，修建地下雨水調(diào)蓄池，將原有小區(qū)內(nèi)的景觀水池升級(jí)改造為雨水調(diào)蓄池等。

經(jīng)過(guò)海綿改造后的小區(qū)雨水排放主要路線如圖1所示。

圖1 海綿改造后的小區(qū)雨水排放路線

1)多層建筑屋面雨水通過(guò)雨落管斷接后接入滲透邊溝過(guò)濾，凈化后導(dǎo)入景觀雨水調(diào)蓄池，高層建筑屋面雨水?dāng)嘟雍筮M(jìn)入地下蓄水模塊儲(chǔ)存滲透。

2)地面徑流進(jìn)入路側(cè)滲透邊溝后，導(dǎo)入小區(qū)景觀生態(tài)水池加以利用。

3)室外全透水鋪裝改造，實(shí)現(xiàn)小雨不積水（見(jiàn)圖2，3）。

圖2 海綿改造前的宅間場(chǎng)地

圖3 海綿改造后的宅間場(chǎng)地

2 項(xiàng)目徑流控制率

式中，α為項(xiàng)目徑流控制率（%）；Ri 為場(chǎng)次降雨累計(jì)降雨監(jiān)測(cè)量（mm）；A為項(xiàng)目總面積（hm2）；Q1為降雨時(shí)所對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目排口監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總累計(jì)流量（m3）。

按照上述公式，基于場(chǎng)次降雨的累計(jì)降雨量，對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的各排口總流量及項(xiàng)目面積對(duì)項(xiàng)目的徑流控制效果進(jìn)行評(píng)估。

3 監(jiān)測(cè)方法及數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方法

3.1.1 監(jiān)測(cè)儀器

監(jiān)測(cè)儀器采用北京清控人居研究院自主研發(fā)的Smart Water智能在線監(jiān)測(cè)流量計(jì)，主要由傳感器、主機(jī)及中繼器組成，采用速度面積法監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)流量。其中速度測(cè)量使用多普勒超聲波測(cè)量原理，最大監(jiān)測(cè)流速為9m/s；液位測(cè)量使用壓力或超聲波測(cè)量原理，最大監(jiān)測(cè)液位為10m。

監(jiān)測(cè)主機(jī)裝置利用傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行在線持續(xù)監(jiān)測(cè)，獲得連續(xù)液位、流速的基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并按照可變化的智能傳輸時(shí)間間隔將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中繼器裝置。監(jiān)測(cè)中繼器裝置接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)或其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心為具有獨(dú)立因特網(wǎng)IP地址的云服務(wù)器主機(jī)或獨(dú)立計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)服務(wù)器。它接收并解析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)；結(jié)合管道截面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出流量并在配套的監(jiān)測(cè)平臺(tái)上展示；同時(shí)，在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，動(dòng)態(tài)發(fā)布報(bào)警信息。

3.1.2 布點(diǎn)原則

在住宅小區(qū)雨水管道接市政雨水管網(wǎng)處安裝在線流量監(jiān)測(cè)儀。本項(xiàng)目共布設(shè)2臺(tái)在線流量監(jiān)測(cè)儀。

雨量計(jì)采用項(xiàng)目所在區(qū)域所屬的雨量計(jì)。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.2.1 項(xiàng)目徑流控制效果評(píng)估

將2018年統(tǒng)計(jì)到的場(chǎng)次降雨按降雨量大小進(jìn)行編號(hào)，分別計(jì)算每場(chǎng)降雨的雨強(qiáng)（降雨強(qiáng)度=降雨量/降雨歷時(shí)）與項(xiàng)目徑流控制率（見(jiàn)表1）。

2018年度共采集有效降雨59場(chǎng)，由表1可知：降雨范圍為2～144mm，此住宅小區(qū)的徑流控制率為82.506%～100.000%，尤其面對(duì)年度強(qiáng)降雨（＞25mm）時(shí)，小區(qū)徑流控制率也在90%以上。由此可見(jiàn)，經(jīng)海綿改造后的居民小區(qū)對(duì)降雨徑流的削減效果明顯，雨水通過(guò)下滲、蓄滯等能實(shí)現(xiàn)源頭控制，減少市政排水管道壓力。

表1 場(chǎng)次降雨量與項(xiàng)目徑流控制率

續(xù)表

3.2.2 降雨量、雨強(qiáng)與項(xiàng)目徑流控制率的關(guān)系

降雨量與項(xiàng)目徑流控制率的關(guān)系如圖4所示。

隨著降雨量逐漸增大，海綿建設(shè)項(xiàng)目的徑流控制率呈降低趨勢(shì)。但并非與降雨量的增大呈規(guī)律性降低，而是具有明顯的上下起伏，說(shuō)明降雨量并不是影響項(xiàng)目徑流控制率的唯一關(guān)鍵因素。

雨強(qiáng)與項(xiàng)目徑流控制率的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，在降雨量達(dá)到一定量時(shí)，項(xiàng)目徑流控制率和降雨雨強(qiáng)具有顯著關(guān)系。當(dāng)降雨量處于2.0～10.8mm時(shí)，無(wú)論雨強(qiáng)多大，項(xiàng)目徑流控制率都為100%，當(dāng)降雨量大于10.8mm時(shí)，降雨雨強(qiáng)增大時(shí)對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目徑流控制率呈一定程度降低，降雨雨強(qiáng)的變化趨勢(shì)與徑流控制率的變化趨勢(shì)基本吻合。如表2所示，選取降雨量一致的每2場(chǎng)降雨進(jìn)行對(duì)比，分析降雨雨強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目徑流控制率的影響。

如圖6所示，項(xiàng)目徑流控制率并未隨著降雨量的逐漸升高而呈下降趨勢(shì)，而與雨強(qiáng)的上下起伏趨勢(shì)相吻合，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，隨著降雨量的逐漸增大，雨強(qiáng)較降雨量對(duì)項(xiàng)目徑流控制率的影響占重要地位。

圖4 場(chǎng)次降雨量與項(xiàng)目徑流控制率關(guān)系

圖5 場(chǎng)次降雨雨強(qiáng)與項(xiàng)目徑流控制率關(guān)系

表2 降雨量一致場(chǎng)次的降雨數(shù)據(jù)

圖6 降雨量一致的4組場(chǎng)次降雨雨強(qiáng)與項(xiàng)目徑流控制率關(guān)系

分析編號(hào)為50和51的場(chǎng)次降雨，2場(chǎng)降雨的雨量分別為25.2，25.4mm，降雨量基本一致。在認(rèn)定降雨量相同情況下，編號(hào)50的場(chǎng)次降雨雨強(qiáng)為2.046mm/h，項(xiàng)目實(shí)際徑流控制率為98.916%； 而編號(hào)51的場(chǎng)次降雨雨強(qiáng)為4.704mm/h，項(xiàng)目實(shí)際徑流控制率為94.221%，降雨雨強(qiáng)增加1.299倍，項(xiàng)目徑流控制率降低4.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文選取海綿城市試點(diǎn)中某海綿改造住宅小區(qū)為研究對(duì)象，以2018年整年為監(jiān)測(cè)期，對(duì)其出口流量及降雨進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)而評(píng)估經(jīng)海綿改造后的住宅小區(qū)對(duì)雨水徑流的實(shí)際削減效果。

計(jì)算分析得知，經(jīng)海綿改造的住宅小區(qū)對(duì)雨水實(shí)際截留效果顯著，在海綿設(shè)施生態(tài)水池、透水鋪裝及植草溝等作用下，該住宅小區(qū)在應(yīng)對(duì)年度2～144mm的降雨中，項(xiàng)目徑流控制率為82.5%～100.0%，尤其是在應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨（＞25mm）時(shí)，其對(duì)雨水的徑流控制率在90%以上，滿足海綿城市建設(shè)要求。

分析59場(chǎng)降雨中降雨量及雨強(qiáng)與項(xiàng)目徑流控制率的關(guān)系，結(jié)果表明隨著降雨量的增大，小區(qū)徑流控制率呈下降趨勢(shì)，但降雨量并非是影響項(xiàng)目徑流控制率的唯一關(guān)鍵因素。當(dāng)降雨量達(dá)到一定量時(shí)，雨強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目徑流控制率產(chǎn)生重要影響，相同降雨量下，雨強(qiáng)越大則項(xiàng)目徑流控制率越小。選取編號(hào)50，51的2場(chǎng)降雨進(jìn)行分析，對(duì)于相同雨量的2場(chǎng)降雨，當(dāng)雨強(qiáng)增加1.299倍時(shí)，項(xiàng)目徑流控制率下降4.7%。降雨量較小時(shí)，雨量并未超出海綿改造項(xiàng)目的基本蓄滯標(biāo)準(zhǔn)，故其下滲與蓄滯能力受降雨強(qiáng)度的影響較小。但隨著降雨量的增大，雨量超過(guò)住宅小區(qū)內(nèi)海綿設(shè)施的基本蓄滯能力時(shí)，就需一定時(shí)間才能下滲。在降雨強(qiáng)度較大情況下，雨水下滲、蓄滯的速度低于降雨強(qiáng)度，導(dǎo)致海綿設(shè)施對(duì)雨水的控制效果變差，徑流控制率變低。因此，在海綿城市改造建設(shè)中，不僅應(yīng)考慮降雨量對(duì)項(xiàng)目徑流控制率的影響，也要考慮海綿設(shè)施對(duì)雨水蓄滯、下滲的效率，以應(yīng)對(duì)不同強(qiáng)度的降雨，從而指導(dǎo)今后的海綿城市建設(shè)。