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城市降雨径流管理LID—BMPs工程规划方案的优化
更新时间:2017-03-23 来源:《中国给水排水》 作者:柳敏,邢巧,王晶博

摘要:基于SUSTAIN 技术平台,以扬州市蜀岗汇水区为例,对以最佳管理措施( BMPs) 和低影响开发( LID) 技术为主的生态排水系统规划方案在降雨径流管理中的资金成本—效益优化进行了研究。结果显示: 集成后的LID—BMPs 系统工程对研究区地表径流的洪峰流量削减率可达到82. 98% ~ 100%( 平均为91. 27%) ,对径流总量削减率可达到91. 43% ~ 100%( 平均为98. 81%) ;最小成本投入方案为以129. 23 万元的成本投入达到71. 53% 的径流削减效益,最大效益方案为以181. 46 万元的成本投入达到85. 21%的径流削减效益; 而最佳成本—效益方案为以168. 40 万元的成本投入达到83. 94%的径流削减效益,其中,生态水塘、下凹绿地滞留塘、普通植草沟的面积分别占原规划总面积的65%、28%、7%,去掉了渗透型植草沟工程。在LID—BMPs 系统工程方案的规划和建设阶段,SUSTAIN 显示了强大的优化分析功能,可以很好地应用到我国城市生态排水系统规划和建设方案的评估和优化中。

近年来,我国城市雨洪灾害频发,究其原因,除了降雨增多且时空分布不均等自然因素外,城市化引起的水文过程变化成为主要因素。因此,在对城市雨洪管理中,如何构建城市的生态化排水系统,实现由传统的市政排水向生态排水转变显得愈发重要。西方发达国家早在20 世纪70 年代就开始对城市雨水及其污染问题展开研究,已形成系统的雨洪管理方法和工程技术,最具代表性的有美国的最佳管理措施( BMP) 和低影响开发( LID) 。LID—BMPs管理体系自开发以来,因其良好的效果、低廉的投入成本、简易的工程构建,在国外城市生态排水系统的规划和建设中得到了广泛的应用[1 ~ 3]。在LID—BMPs 技术应用过程中,为了更好地预测、评价工程方案的预期管理效果,美国环境保护署( EPA) 自2003 年起研究开发了城市暴雨处理及分析集成模型系统( SUSTAIN) [4]。SUSTAIN 能有效评估LID—BMPs 措施对城市降雨径流水量的改善效果,并可根据控制目标制定最经济有效的暴雨管理方案。

目前,LID—BMPs 技术在我国的应用主要集中在点位试验、小区尺度的示范,缺乏系统的和整体的集成应用,对城市整体的雨洪管理效果有限。如何借鉴国外先进经验,开发出适合我国城市应用的LID—BMPs 系统应用模式,成为我国城市生态排水系统规划和建设中亟待解决的问题。笔者以扬州市蜀岗汇水区的BMP 工程集成设计为例,在SUSTAIN的支持下提出LID—BMPs 规划方案优化,以期为LID—BMPs 系统工程在我国城市雨洪管理中的应用提供有益探索。

1 研究区概况

蜀岗排水流域是扬州市西北部的重要汇水流域之一,它位于蜀岗分水岭的最东端,向北连接扬州市北部山区,向南与市中心相连。汇水区内的土地利用类型主要包括绿地( 79. 8%) 、居住用地( 10. 0%) 、停车场( 1. 68%) 、各级道路( 7. 73%) 和水体( 0. 79%) ,虽然绿地面积比例很大,但是绿地与建设用地各自组团,呈现集中连片的分布形态,在不加人为建设的情况下,绿地蓄滞建设区地表径流的生态服务功能并不能得到很好的发挥。

该区年内降雨量分布不均衡,汛期的降雨约占全年降雨的47%,再加上蜀岗汇水区地势较高,因此在暴雨情况下,蜀岗排水片区的径流排放已经成为相邻市区的雨洪安全隐患。根据研究区内的道路、停车场和房屋以及相应排水边沟、挡水墙等人工构筑物的建设现状,将研究区划分为8 个集水片区,其中,道路、屋顶这些具有均值特性和单独雨水收集、排放系统的下垫面被单独划分为一个集水片区。

2 现状LID—BMPs 规划方案及效果模拟

2. 1 现状工程方案设计

研究区LID—BMPs 系统布局如图1 所示,其中,普通植草沟( V1、V2、V3) 、渗透型植草沟( I1) 、下凹绿地滞留塘( D1、D2) 、生态水塘( W1) 的设计参数见文献[5]。现状存在的LID—BMPs 方案中采用的措施有以下两大类: ①径流传输过程控制措施,通过控制或改变径流至受纳水体之间的传输路径来减少径流的外排量,采用的工程措施有渗滤渠和植草沟; ②径流调蓄控制措施,在径流的汇集节点布置径流的调蓄空间,通过下渗等方式把径流入渗到地下,在绿地开敞空间内布置的是下凹绿地滞留塘,并依据现状用地分布,把湿地、水塘和洼地修复为生态水塘。

不同生态工程采用串联的模式,依据地表径流产生、传输、调蓄和排放过程进行相适应的工程安排,以期实现研究区地表径流由产生到排放的全水文过程管理,工程之间的空间联系选用地下管道或地表植草沟。在地表生态工程与地下管网连接的垂向布置上采用立体交叉的模式,即生态工程布置在雨水管网周边的地表上,在不同的生态工程旁边建设雨水井,通过在雨水井壁开设进水管的方式把地表生态工程与地下雨水管网连接起来,因此,在工程运行期间,当地表径流产生量小于地表生态工程容纳负荷时,由地表生态工程显示径流路径; 当地表径流产生量大于地表生态工程容纳负荷时,超出负荷部分的地表径流量通过预设的雨水井通道进入地下雨水管网,由地表生态工程与地下管网共同显示径流路径。

2. 2 工程方案效果模拟

2. 2. 1 地表径流总量管理效果

以至少24 h 的干期为标准进行降雨场次划分,研究区2011 年全年共有33 场降雨。选择土地开发建设前( N - CSO) 、土地开发建设后( CSO) 和加入LID—BMPs 后( E - CSO) 三种模式作为比较情景对LID—BMPs 的雨洪管理效果进行模拟。结果表明,LID—BMPs 对研究区径流总量的总削减率为91. 43% ~ 100%,平均为98. 81%。当场降雨量<34. 04 mm 时,规划的BMP—LIDs 系统能使研究区产生的总径流量达到开发建设前的水平,总径流产生量均为零; 当场降雨量> 34. 04 mm 后,研究区在不同管理系统下的径流产生量增加,但是LID—BMPs 的加入使研究区仍然保持较低的径流产生量,径流总量呈现出开发后的市政管网排水系统( CSO) 模式> 自然排水系统( N - CSO) 模式>LID—BMPs 排水模式。

2. 2. 2 地表径流洪峰流量管理效果

对逐场降雨带来的洪峰流量进行分析后发现,LID—BMPs 系统对研究区洪峰流量的总削减率为82. 98% ~ 100%,平均为91. 27%。在场降雨量达到34. 04 mm 之前,地表生态工程的加入使研究区外排径流峰值恢复到开发建设前的状况,洪峰流量为零。LID—BMPs 系统的应用可使研究区的洪峰流量维持在一个较低的水平,呈现出LID—BMPs 排水模式< 自然排水系统( N - CSO) 模式< 市政管网排水系统( CSO) 模式。

版权、出处:《中国给水排水》

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