城市街区尺度住宅雨水收集系统对降雨径流消减的影响评估_陈浩.pdf

：城城市市街街区区尺尺度度住住宅宅雨雨水水收收集集系系统统对对降降雨雨径径流流消消减减的的影影响响评评估估陈浩（河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水）摘要在低影响开发措施中（o o，），雨水收集系统（oo，）是从源头控制地表径流的措施之一。该系统具有污染小、成本低、可实现雨水回收再利用等优点。为了评估其对住宅雨水回收再利用及其在雨水径流控制中的应用，本文提出了一种简单的评估方法。采用 进行水文水力建模，在模型中通过将建筑物的径流排放和排水网络采用存储单元相连接实现。本文在衡水市某场地进行了试验研究。采用不同情景下高分辨率的降雨数据进行连续模拟，以对比使用该系统前后径流量的变化效果。研究结果表明：在研究区域内，次降雨事件中排水系统出流量的峰值和体积分别平均减少了 和 （峰值减少的最大值为 ，体积减少的最大值为 ）；该系统对于雨水排水管网抵抗 年一遇降雨的水文性能是显著的。当总径流深度超过 时，降雨量可能会降低该系统的水文性能。关键词低影响开发；雨水收集系统；雨水桶；径流消减中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介陈浩（），男，河北衡水人，工程师，主要从事水文水资源方面工作。引言近年来，受全球气候变化、极端水文事件频发的影响，加上城市人口密度增加、集水区过度开发，暴雨造成的洪水量往往超过最初排水系统的设计标准。此外，由于城市排水系统设计不足，在台风和暴雨期间，河道和雨水井水位迅速上升直至地面发生溢流以及河道漫流。城市排水系统的泵站排水量有限，无法处理量级较大洪水，这将导致洪水和生命财产损失。为应对这一灾害，应制定新的模式、措施和解决方案，以实现径流控制目标，并评估防洪减灾的可行性。低影响开发（）为城市环境规划、管理和保护提供了新技术。常用的 措施包括雨水桶、绿色屋顶、透水路面、路边下凹式绿地、雨水收集系统（）即雨水桶等。与修建地下排水管网和涵洞的传统防洪措施相比，设施在减少峰值和总径流方面的成本相对较低。此外，设施还可发挥额外的作用，如节约用水、美化城市和改善生态环境。在这些设施中，可在就地集水区上实施，这与末端集中处理的传统排水概念不同。是在暴雨期间收集屋顶径流的容器，常用的设备为雨水桶，其可在干旱期释放或再利用雨水 。从屋顶收集径流，并将其输送至。此外，容易获得，污染少、成本低、风险低和不涉及水权纠纷。简言之，该系统可作为防涝设施和替代水源，值得广泛使用。目前，尽管 对径流消减的水文性能已得到认可，但在城市集水区范围内与实施 的有效性方面相关的实验和数值模拟研究相对较少。等人在澳大利亚东南部城市周边集水区评估了 对降雨的滞留能力，研究结果表明：通过增加雨水桶或将溢流量输送至渗透系统，可提高其截留能力；等在巴黎郊区集水区研究表明：该集水区 的水文响应仅受小降雨事件的影响。已有一些研究对 的截留性能进行了数值模拟研究，但这些模型通常仅能预测系统变量，未考虑非连接区域的径流或进入排水网络内的水流。o 等对于 在节水效率和滞留能力的模拟研究了最佳时间步长的选择。目前，有关对 的模拟均采用 雨水管理模型实现，的建模通过简化处理实现。等和 等通过采用 提供的雨水桶控制单元在降雨事件下实现了 的模拟，但由于溢流量和产流量未单独计算，雨水桶装置未能正确描述 系统的水力特性。综上，本文的研究内容为：（）评估 对城市居住区水文的响应；（）通过对多场次降水记录的连续模拟，评估 系统在节水效率和减少溢流量方面的性能。本文的研究结果可为未来雨水收集系统在城市中的应用提供参考。研究方法为评估 对城市住宅区水文的影响，本文定义了一种简单的评估方法，其评估了 作为源头控制方法的水文表现。的水文性能通过以下方法进行分析：（）典型降雨下 对排水设施出流量的影响；（）不同降水情景下 对径流的控制效果对比分析；本文首先绘制住宅区域的土地使用分布，然后收集高时间分辨率的降雨数据和雨水管网的特征高程和拓扑关系。雨水桶的设计标准参考建筑与小区雨水利用工程技术规范。水文水动力模型水文水动力模型采用 。对于城 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.市街区尺度的模拟，允许以分钟级时间分辨率的降水模拟水文和水动力过程。城市集水区由接受降雨并产生不同水文类型（包括地表径流、渗透和蒸发）的子集水区组成。为准确模拟子集水区水文响应，并准确定义源头控制情景，每个子集水区应具有单一土地利用类型和相同的属性特征。在本研 究 中，为 获 取 系 统 的 溢 流 量 和 产 流 量，其 在 中被定义为调蓄池节点。调蓄池的入流为与 相连接的子集水区的出流量。调蓄池的出流量包含建筑物提供的雨水再利用量即供水量和溢流量，模型中供水量通过水泵将调蓄池与排水口相连接实现，水泵按照建筑物的日常需水时间设置控制规则，日常需水量包括建筑物的卫生间用水、绿化用水等。溢流量的获取通过设置堰将调蓄池与排水口相连接实现，堰的开口底高程为雨水桶的深度，在调蓄池内超过该深度的雨水将通过堰流出至排水口，通过读取排水口的流量数值可得雨水桶的溢流量。性能分析本文从系统性能和水文性能两方面分析模型模拟结果。为获得 安装前后对水文过程的影响，将未安装 的场景作为参考场景。系统性能评估系统性能采用两个无量纲指数即节水效率和雨水溢流率进行计算，系统性能指标是针对整个模拟期进行评估的。节水效率 的计算公式如下：（）式中：为时间步长 的雨水供给量，；为时间步长 的雨水量，；为时间步长数。雨水溢流率计算公式如下：（）式中：为时间步长 超过系统容量的降水量，；为时间步长 系统入流量，；为时间步长数。系统性能分析采用两个无量纲参数的函数进行，即需求分数和存储分数。由于采用了无量纲参数，因此可比较不同系统下的 性能。需求分数 定义为年需水量和年入流量间的比率，而储存分数 定义为雨水桶储存容量和年入流量之间的比率。水文性能评估本文通过两个指标评估城市街区范围内安装的 系统的水文性能即峰值和体积减少率，分别为 和。水文性能指标以事件尺度进行评估。对于每个降雨事件，峰值减少量计算为参考场景和 情景的流出量峰值之间的相对百分比；体积减小率的评估方向与上述相同。为评估降雨事件的特征函数对水文性能指数的影响，降水事件基于降雨深度和最大降雨强度进行分类。本文定义了五个频率恒定在 左右的类。然后通过非参数分布对水文性能进行统计检验。研究区概况本文选择衡水市近郊某场区作为研究区，研究区分布图见图。其位于城市街区，四面由通往内部地块和四 六层建筑的小型道路网组成。该街区面积约 ，包括 栋建筑和绿地。研究区土地利用类型见表，分为屋顶、道路和停车场、其他防渗区和绿化区；根据航空照片计算总不透水 透水面积。土地利用数据分析表明，的城市街区覆盖着不透水表面，屋顶占总面积的 。其建筑雨水管道与下水道系统分离，地下排水管网由 根管道组成，该区域未建设低影响开发措施（如绿色屋顶、透水路面、雨水收集系统等）。本文已为每栋建筑安装 系统。图 研究区分布图表 研究区土地利用类型土地利用类型面积 比例 屋顶 道路和停车场 其他不透水区域 绿化区 总面积 完全不透水 总透水性 研究区降水量数据采用 型自动雨量气象站观测，观测起始时间位 年 月，分辨率为 。研究区面积最大的建筑屋顶已安装截流槽，确保雨水从指定雨水管流入雨水桶。运行条件假设每个 雨水仅从屋顶收集。屋顶径流被收集在相应的储罐中并直接泵送至使用点，而溢流量则直接输送到下游排水管网中。此外，雨水供给的需水量仅限于冲马桶，并假设每日以恒定的速率发生。卫生间每日使用所产生的需水时间序列不会表现出过大差异。本文定义了每日 个不同时段的雨水使用时间，以重现具有明确峰值定义的典型用水量，峰值需水量一般出现在早上（：到：之间）和晚上（：到：之间），午餐时间（：至：之间）需水量较小。假设人均冲厕用水量为 。本文统计了每栋建筑的实际居住人数。根据调查，这四栋建筑分别被划分为 层住宅（栋）、层住宅（栋）和厂房（栋），其特征是居民人数分别为、和。表 给出了每栋建筑的屋顶面积和居民数量的主要特征值以及每年的雨水需水量。模型构建在参考情景下研究区包含 个子汇水区、个节点、个管道和 个排水口。子汇水区具有单一的土地利用类型和相同的属性值。采用土壤水分下渗能力曲线估算径流入第 卷第 期地下水 年 月渗损失量，并使用曼宁方程计算径流量。假设屋顶、道路和停车场等不透水区域的 值等于，绿地的 值等于；假设屋顶、道路和停车场的 值等于 ，管道的 值等于 。径流的演算采用动力波法。包含 个调蓄池（每个建筑物 个）、个堰、个泵（每个 个）和代表建筑物供水系统的 个排水口。每个雨水桶的几何形状根据建筑物附近的可用表面积并考虑到水箱中 的有效水深而设计。对于堰，其入口偏移量设置为 深，堰段开口被设置为横向矩形剖面。对于泵，假设其以恒流速率抽水，其运行时间与建筑物的 个需水时间对应。最后，以 的时间间隔进行 的连续模拟，长历时的分钟级降水数据来自衡水市气象站；假设储罐最初水的体积为。表 不同类型住宅的居住人数、屋顶面积和年需水量住宅类型居住人数屋顶面积年需水量 层住宅 层住宅 厂房 结果分析 模拟结果模型模拟结果包括参考场景和 情景的总流量变化过程线以及单独建筑物的流量和雨水桶的水深变化。参考场景对应于无雨水桶添加的场景，而 场景为城市街区的每个建筑物安装一个 雨水桶。每个建筑物的模拟结果包括雨水桶中的水深、雨水供水量、每个系统的入流和出流量变化。图 参考情景和 情景下总的降雨径流变化曲线图 层住宅降雨径流变化曲线及雨水桶水深及供水量变化图 层住宅降雨径流变化曲线及雨水桶水深及供水量变化图 厂房降雨径流变化曲线及雨水桶水深及供水量变化图 图 给出了 年 月 日降雨事件的城市街区水文响应和雨水收集系统的水力表现。顶部的图表给出了参考场景和 场景模拟的径流图和相应的水位图。左侧的三幅图给出了安装在 楼、楼和厂房的雨水桶的流入和流出量。右侧的三个图给出了每个雨水桶的水深和雨水供应量的变化。可以看出：总降雨深度和历时分别为 和 ，根据对历史降水数据计算的 曲线，其对应 年重现期降雨事件。对于 系统，降雨初期所有雨水桶均被充满；雨水桶的流量变化符合雨季降雨事件发生后的情景。其体积减少可忽略不计（）。相反，雨水桶对流量峰值的降低是有效的（）。系统性能分析本文在整个模拟期间（）对城市街区中的每个 系统进行了评估。表 给出了三种类型住宅的节水效率和溢流率，可以看出：节水效率和溢流率随着需水率（或蓄水率）的增加而略有下降，特别是在，范围内的需水率影响相应的效率从 下降到 ，溢流率从 下降到 。结果表明，需水比例可有效提高节水效率：对于不同的住宅，节水效率在 左右，上述表明雨水桶可有效的提高节约用水。表 三种类型住宅的节水效率和溢流率和存储比例住宅类型需水比例储水比例节水效率溢流比例四层住宅 公寓 六层住宅 水文性能分析上述模拟结果表明 对雨水径流减缓具有显著作用。针对 场降雨事件的模拟结果表明：径流峰值和体积减少率的平均值分别等于 和 。而峰值和体积减缓的最大值分别为 和 。本文选择的实验地点的 场景中每个屋顶均与雨水桶相连。该种布置方式适用于收入较高的住宅区。在城市集水区内，系统布置至少 的屋顶可能更加合理，其对雨水的控制效果更加显著。本文分析了体积和峰值减少率与降雨深度和降雨强度的关系，降雨强度采用 分钟持续时间降雨的最大值。计算结果表明：系统的水文性能与降雨特征的相关性较弱。当总降雨深度超过 时，水文性能下降到 以下。当降雨强度低于 时，水文性能介于 和 之间。结语本研究旨在评估城市集水区内 对雨水径流的控制效果。采用 模型对 系统的水文性能进行了有降雨记录的连续模拟。为了量化 系统对改善城市街第 卷第 期地下水 年 月区水文性能的影响，在有无雨水桶情景的情况下，对峰值和体积减少量进行了评估，研究结果表明：（）各场次降雨事件中，峰值和体积率平均分别为 和 （峰值和体积的最大值分别为 和 ；（）在总降水深度超过 时，降雨会对水文性能产生影响，导致水文性能下降；（）尽管在较大降雨事件（高强度和短持续时间）时水文性能会受到限制，但在城市集水区范围内安装 系统有助于