海绵城市中雨水资源综合利用能力计算

1．屋顶集雨系统水资源调节能力

屋顶集雨系统水资源量通常以特定重现期如半年或一年的标准雨型的降雨过程线来计算,以全年平均降雨量乘上收集面积、径流系数、初期弃流系数、季节折减系数等得到,即

式中 Q——屋面年平均可收集雨水资源量,m3;

ψ——径流系数;

α——季节折减系数;

β——初期弃流系数;

A——屋面水平投影面积,m2;

H——年平均降雨量,mm。

其中折减系数α是考虑我国大多数地区降雨主要集中在汛期(如北京6—9月的雨量占全年的85%),其他月份不仅雨量少而且降雨的强度一般也比较小,有的降雨过程甚至不能形成径流,也就无法收集利用,因此乘上1个修正系数。初期弃流系数的确应根据初期雨水径流的水质和该部分雨洪回用用途综合考虑。据北京建筑工程学院车武等人结合北京市典型降雨实测,屋面初期降雨深控制量可定为3 mm。

除上述屋顶集雨利用系统外,可结合实际设计绿色屋顶雨水利用系统,该系统是一种削减城市暴雨径流量、控制非点源污染、减轻城市热岛效应、调节建筑物温度和美化城市环境的新技术,可作为雨水积蓄利用的预处理措施,如图6-8所示。该系统可用于平屋顶,也可用于坡屋顶。绿色屋顶的关键是植物和上层土壤的选择,植物不仅应根据当地气候和自然条件来确定,还应与土壤类型、厚度相适应。上层土壤应选择孔隙率高、密度小、耐冲刷、可供植物生长的洁净天然或人工材料。研究表明,绿色屋顶雨水利用系统可使屋顶径流系数减少到0．3,有效削减雨水径流量,并改善城市环境。

图6-8　绿色屋顶雨水利用系统示意图

2．下沉式绿地水资源调节能力

(1)下沉式绿地雨水水量平衡分析

在降雨过程中,在下沉式绿地及其相关区域同时发生降雨、汇流、积蓄、入渗和溢流排放等多种水流运动,是一复杂的过程。图6-9所示为下沉式绿地计算模型示意图。

图6-9　下沉式绿地计算模型示意图

设想在计算区域F内包括下沉式绿地Fg和其他用地Fn(如道路或建筑物占地等)两部分,即F=Fg+Fn。Fn也称为下沉式绿地的服务面积。

假定不考虑雨水收集利用,其他用地中的雨水径流首先汇入下沉式绿地,当水量超过下沉式绿地的积蓄和渗透能力时,开始溢流出该计算区域。此时,在一定时间内任一区域各水文要素之间均存在着水量平衡关系:

式中 Q1——计算时段内进入下沉式绿地的雨水径流量,m3;

U1——计算时段开始时下沉式绿地的蓄水量,m3;

S——计算时段内下沉式绿地的雨水下渗量,m3;

Z——计算时段内下沉式绿地的雨水蒸发量,m3;

U2——计算时段结束时下沉式绿地的蓄水量,m3;

Q3——计算时段内下沉式绿地的溢流外排量,m3;通常计算时段可以按照一场降雨来计算,此时,由于蒸发量较小,Z可以忽略不计。

如果计算时段开始与终了时下沉式绿地内蓄水量以ΔU表示,即ΔU=U2-U1,实际计算时可视时段开始时下沉式绿地无蓄水,即U1=0。令U2=S+ΔU,则有

式中 Q2——计算时段内下沉式绿地的雨水蓄渗量,m3。

对某一特定区域来讲,降落在区域内的径流量Q1分为蓄渗Q2和溢流外排Q3两部分。由式(6-4)可得

式中 Q2/Q1——计算时段内下沉式绿地蓄渗量占计算区域径流量的比例,称为下沉式绿地下渗率;

Q3/Q1——计算时段内下沉式绿地雨水溢流外排量占计算区域径流量的比例,称为下沉式绿地的外排水率;令Q3/Q1=C,下渗率和外排水率均在0～1的范围内变化,其和等于1。

Q1包括直接降落在下沉式绿地上的降雨量及其服务用地汇入下沉式绿地的径流量。可用式(6-6)计算:

其中

式中 Q′1——降落在下沉式绿地上的降雨量,m3;

Q″2——下沉式绿地服务用地产生的径流量,m3;

Hz——计算时段内单位面积的降雨量,m3/hm2;

Fg——下沉式绿地的面积,hm2;

Fn——下沉式绿地服务用地的面积,hm2;

Cn——下沉式绿地服务面积的径流系数;

F——计算区域面积,hm2;

G——计算区域内下沉式绿地面积占地比例,用百分数表示;

M——下沉式绿地面积负荷率。

计算时段内单位面积的降雨量Hz可根据当地降雨强度q(t)按一场雨通过积分求得

式中 T——计算时段,min;

t——降雨历时,min。

计算时段下沉式绿地的下渗量,可用式(6-8)计算:

(www.xing528.com)

式中 S——雨水渗透量,m3;

K——土壤渗透系数,m/s,与土质、土壤含水率等因素有关;

J——水力坡度,对于垂直下渗,取J=1;

T——计算时段,min;与Hz的计算时段相同。

当下沉式绿地中的径流量大于同时间的土壤渗透量时,必然在下沉式绿地形成蓄水,当雨水量超过下沉式绿地蓄水量和同时间的土壤渗透量之和时,雨水就会形成径流。下沉式绿地蓄水量为

式中 H——下沉式绿地和雨水溢水口的高程差,m。

由以上分析,可计算出时段内下沉式绿地的雨水溢流量Q3(即Q3=Q1-Q2=Q1-S-ΔU)、下沉式绿地的雨水蓄渗率Q2/Q1和外排率也Q3/Q1;当Q1＜S+ΔU时,下沉式绿地不产生溢流,此时也为零。如果土壤渗透能力好,基础、地下建筑物和地下水条件允许,应尽可能让雨水蓄渗在下沉式绿地中,增加入渗量,使外排水率减少。

(2)下沉式绿地雨洪分析

①设计暴雨过程。一般暴雨过程可用暴雨强度公式,即

式中 I——时段内的平均暴雨强度,mm/min;

s——雨力,mm/min,由不同地区不同重现期T的雨力可查得出;

b,n——为地区参数。

则时段t内的降雨总量为

瞬时降雨强度为

考虑在城区建造下沉式绿地,则绿地除滞蓄绿地本身降雨径流外,还可将建筑物或公共不透水铺装面的径流导入绿地。降雨径流导入绿地的范围可视为绿地的汇水区。汇水区的集流时间较短,为简化计算,设汇水区流入绿地的径流系数为日,假定其总的绿地的入流过程为绿地增加的净雨量,则绿地的总雨力为

式中 s——绿地和汇水区叠加的总雨力,mm/min;

Cn——下沉式绿地服务面积的径流系数;

Fn——下沉式绿地服务用地的面积,hm2;

Fg——下沉式绿地的面积,hm2。

②雨洪计算。绿地上的雨洪流量峰值为暴雨过程和汇水区的入流过程叠加后的峰值,考虑到汇水区入流过程与实际降雨过程有一定的时间差,故绿地的雨洪流量峰值仍按照暴雨公式计算的瞬时降雨强度最大值和汇水区径流叠加乘以一修正系数,计算得出,即

式中 Qm——绿地的雨洪流量峰值,mm/min;

β——修正系数,一般取0．9;

其他符号含义同上。

③绿地雨洪调节计算。下沉式绿地构成一小型调节池,绿地地面到雨水口的顶坎深为拦洪部分,雨水口到周边路面的高差为滞洪部分。为简化计算,把进入绿地的雨洪流量过程线Q(t)与雨水口下泄雨水流量过程q(t)都化简为三角形法计算,根据相似三角形原理,可得当V0＜rW时,绿地溢流流量峰值为

当V0＞rW时,绿地溢流流量峰值为

式中 W——雨洪总量,mm;

V0——绿地最大调蓄量,mm,用水深表示即为雨水口与绿地的高程差h0,mm;

Vm——调洪量,mm,采用自由出流的矩形堰迭代计算,其最大值用水深表示,即为雨水口与路面高程差值,mm;

Qm——绿地雨洪流量峰值,mm/min;

qm——雨水口溢流量峰值,mm/min;

r——涨洪历时与雨洪历时的比值,取0．36。

3．渗透设施水资源调节能力

雨水渗透是雨水就地利用的方法之一,它一方面能促进雨水、地表水、土壤水及地下水“四水”之间转化,维持城市水循环系统平衡;另一方面可以减少地表雨洪径流,防止地面沉降。

雨洪渗透设施有多种类型,一般应结合不同场所规划设计,在规划建设的新城区可采用上述下沉式绿地作为渗透设施。除此之外,还应结合实际采取渗透路地面、渗透沟、井等作为渗透装置。

(1)渗透路(地)面

渗透路(地)面主要分为两类,一类为渗透性多孔沥青混凝土路面或渗透性多孔混凝土地面;另一类是使用镂空地砖(俗称草皮砖)铺砌的路面,可用于停车场、通行较少的道路及人行道,特别适合于居民小区,还可在空隙中种植草类。

(2)渗透沟管、渗透桩、池井

渗透管一般采用穿孔PVC管,或用透水材料制成。汇集的雨水通过透水性管渠进入四周的碎石层,再进一步向四周土壤渗透,碎石层具有一定的贮水、调节作用。

相对渗透池而言,渗透管沟占地较少,便于在城区及生活小区设置。当土壤渗透性良好时,可直接在地面上布渗透浅沟,即覆盖植被的渗透明渠。

渗透桩一般用于该地区上层土壤渗透性不好,而下层土壤渗透性较好的情况,该设施是在地面上开挖比较深的坑,然后用渗透性较好的土壤将其填充,从而使雨水由此渗入地下。

土质渗透性能较好时可采用渗透池,设计时可结合当地的土地规划状况,考虑建在地面或地下。当有一定可利用的土地面积,而且土壤渗透性能良好时,可采用地面渗透池。池的容积设计可大可小,也可以几个小池综合使用,具体视地形条件而定。地面渗透池可采用季节性充水,如一个月中几次充水、一年中几次充水或春、夏季充水,秋、冬季干涸,水位变化很大,也可一年四季充水。在地面渗透池中宜种植景观水生植物,季节性池中所种植物既能抗涝又能抗旱,并视池中水位变化而定。常年存水池可种植耐水植物,还可作为野生动物栖息地,有利于改善城市生态环境。当土地紧张时,可采用地下渗透井,建筑结构和地上渗透设施相似。

在就地利用系统中,渗透设施的入渗量主要是由其渗透性来确定的,选定了渗透设施后可参照表6-4计算入渗量。

表6-4　不同渗透设施下渗量计算表