CN110147591A - 基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法 - Google Patents

基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，用于指导绿地海绵系统的改造与设计。该方法综合考虑了地域性降雨、地域性年径流总量控制率标准、绿地雨水承载量，创新性的提出以城市既有绿地的雨水承载能力为参考，在绿地承载力之内科学的确定绿地海绵系统收储雨水的设计容量。从而实现合理有效的收储和利用雨水，避免超标雨水径流损害绿地生态环境，促进“水绿”供需平衡和有效共存，为海绵城市建设与海绵绿地的改造和设计提供科学的计算依据。

Description

基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法
技术领域
本发明属于海绵城市建设领域，具体涉及一种基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法。
背景技术
雨水资源是城市重要的水资源，因城市下垫面的改变产生了一系列城市水环境问题，如旱涝矛盾问题、水污染、水资源浪费等。在海绵城市建设背景下，城市绿地作为消纳、吸收雨水的主要消解者，扮演着“排水系统”的角色，超标雨水一定程度上损害了绿地本身的生态环境。同时，绿地灌溉多使用市政自来水，进一步凸显雨水资源的浪费和雨水资源利用率不足的问题。因此在海绵城市建设背景下，有效的实现雨水资源利用和雨水排蓄的统一，成为化矛盾冲突为有效共存的重要途径。
“水绿耦合”原理是海绵城市“自然渗透、自然积存、自然净化”等基本功能的前提下，为突出雨水的“自然利用”，达到海绵系统收集雨水能够满足城市绿地的灌溉需求以及“收水-用水”间的动态平衡而提出的规划原理。以往绿地海绵系统设计容量的计算多以降雨量作为雨水调控标准，通过大规模的下挖绿地或收蓄水、排水设施调控雨水径流，对绿地雨水承载能力和绿地生态环境的考虑较少。导致超标雨水超出绿地雨水承载能力，对绿地生态环境造成一定程度的破坏。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，综合考虑了雨水收集、雨水利用与绿地收蓄水、排水功能的耦合关系，实现合理有效的计算绿地海绵系统的收蓄水容量，并应用于指导既有绿地的海绵系统改造，从而达到在绿地承载力之内合理有效的收储和利用雨水，避免超标雨水径流对绿地植被的损害，促进“水绿”供需平衡和有效共存。
技术方案：本发明所述的基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，包括以下步骤：
(1)分析场地基本特征，包括场地所在地的降水特征、植被蒸发散特征、年径流总量控制率标准以及场地内的绿地、植被、水文、土壤的特征；
(2)根据地域性海绵城市建设标准提出的年径流总量控制率对应的设计降水量，计算得到场地设计雨水量，即场地控制利用雨水量；
(3)根据地域性降水特征、地下水位特征、土壤特征、植被特征以及海绵城市建设标准，计算既有绿地雨水承载量；
(4)验证现状场地是否满足地域性设计降水量标准，并确定绿地海绵系统设计容量值域；
(5)根据以上计算结果及场地现状地形、水文、土壤与植被特征，对场地海绵系统改造设计，包括对地表径流控制设施和雨水收集利用设施的改造设计，并计算改造与设计后海绵系统设计容量；
(6)若现状场地满足地域性设计降雨量标准，则直接输出结果；若不满足，则根据绿地海绵系统改造与设计，构建该设计降雨量模式下的SWMM水文模型，计算场地溢流量，验证改造后海绵效益，符合条件后输出结果；
(7)根据以上输出结果，实施海绵系统的改造。
设计降水条件下，通过地表雨水控制设施收集雨水，通过下渗滞留在地下雨水收集模块，以供少雨旱期时通过自然渗透或人工灌溉设施进行绿地灌溉，超标雨水通过雨水管网排至市政管网。
具体的，所述步骤(2)中计算场地设计雨水量采用的公式为：
QR＝I*A/1000
式中，QR为场地设计雨水量，单位为m3；I为地域性年径流总量控制率对应的设计降水量，单位为mm；A为场地面积，单位为m2。
所述步骤(3)中计算既有绿地雨水承载量包括计算土壤的雨水承载量和植被的雨水承载量，步骤如下：
(3.1)以地域性年径流总量控制率的区间范围值作为地域性降水量参考，推导既有绿地雨水承载量衰减系数，并以该衰减系数来表示既有绿地雨水承载能力随降水量的增加和地下水位的上升而降低的承载能力衰减效果；采用的公式为：
M＝IF(α≤αmin,1.00,IF(αmin≤α≤αmin+β/2,0.90,IF(αmin+β/2≤α≤αmax,0.85,IF(αmax≤α≤95％,0.75,0.65))))
式中，M为既有绿地雨水承载量衰减系数；α为不同地域所设定的年径流总量控制率；αmin和αmax为地域性年径流总量控制率标准最小值和最大值；β为地域性年径流总量控制率标准最大值与最小值的差值，其中，β＝αmax-αmin；
(3.2)根据既有绿地的土壤类型、孔隙率、土壤面积和覆土深度，计算既有绿地土壤的雨水承载量；采用的公式为：
式中，QS为既有绿地土壤的雨水承载量，单位为m3；Ni为第i种土壤孔隙率；Ai为第i种土壤面积，单位为m2；Hi为第i种土壤覆土深度，单位为m；其中，i为砂土、壤土、黏土三种土壤；
(3.3)根据既有绿地的不同植被类型、植被数量、植被投影面积，计算既有绿地植被的雨水承载量；采用的公式为：
式中，QG为既有绿地植被的雨水承载量，单位为m3；QEj为第j种植被蒸发散量，单位为m3，其中，所述植被蒸发散包括植被蒸腾、土壤水分蒸发、植物截留及蒸发，使用测量工具现场测量或者根据不同植被蒸发散系数估算；QCj为第j种植被含水量，单位为m3，计算公式为QCj＝QEj/99；j为既有绿地的裸地、草地、灌丛、乔木四种植被覆盖类别；
(3.4)通过既有绿地雨水承载量衰减系数、既有绿地土壤的雨水承载量以及既有绿地植被的雨水承载量，计算既有绿地雨水承载量；计算公式为：
W＝M(QG+QS)
式中，W为既有绿地雨水承载量，单位为m3。
所述步骤(4)中，通过验证现状场地是否满足地域性设计降水量标准，确定绿地海绵系统设计容量值域，判断条件为：W≥QR，若满足，则输出绿地海绵系统设计容量值域为：0≤CF≤QR；若不满足则输出绿地海绵系统设计容量值域为：QR-W≤CF≤QR；
式中，CF为海绵系统设计容量，单位为m3；QR为场地设计雨水量，单位为m3。
所述步骤(5)计算改造与设计后海绵系统设计容量采用的公式为：
式中，CIk为地表径流控制设施设计容量，单位为m3；CUz为雨水收集利用设施设计容量，单位为m3；k表示植草沟、雨水花园、下凹绿地、排水边沟等多种地表径流滞流绿地类型；z表示蓄水模块、溢流井、灌溉设施等多种雨水收集利用设施；
所述步骤(6)通过构建改造设计后的场地海绵系统SWMM模型，计算场地溢流量O，验证场地海绵效益，判断是否满足O≤0，CI≤W，且CF+W≥QR三个条件，若满足，则输出结果：“绿地海绵系统雨期收集并控制雨水径流，最大雨水收集利用总量为：Q＝CF+W，最大雨水控制量为：CF，超标雨水经雨水管网溢流至市政雨水管网；绿地海绵系统旱期利用蓄水层收蓄的雨水，实现绿地雨水灌溉，可利用最大雨水量为：CU”；若不满足则重复步骤(5)和步骤(6)直至满足所述三个条件。
有益效果：本方法基于水绿耦合原理，综合考虑了地域性降雨、地域性年径流总量控制率对应的设计降雨量、绿地雨水承载量、海绵系统收蓄水设计容量，创新性的提出通过以海绵城市既有绿地的雨水承载能力作为参考，合理有效的在绿地承载力之内计算海绵绿地收储雨水的海绵系统设计容量。从而实现在多雨期将绿地集水量控制在绿地雨水承载量之内，同时通过设计或改造绿地结构或设施组成的海绵系统滞流、收蓄雨水，满足地域性年径流总量控制率要求，超标雨水通过溢流雨水管道进入市政管网，达到在绿地承载力之内合理有效的收储和利用雨水，同时避免超标雨水径流损害绿地生态环境的目的；在少雨期通过收储水模块释放雨水以满足绿地灌溉，高效利用雨水，达到促进“水绿”供需平衡和有效共存的目的，为海绵城市建设与海绵绿地的改造与设计提供科学的计算依据。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1，一种基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，包括以下步骤：
(1)分析研究区场地基本特征，包括研究区的场地所在地的降水特征、植被蒸发散特征、年径流总量控制率标准以及场地内的绿地、植被、水文、土壤等特征；
(2)根据住建部海绵城市建设年径流总量控制率标准，查表得出研究区的地域性年径流总量控制率所对应的设计降水量。并根据该设计降水量，计算场地设计雨水量，即场地内消纳和控制的最小雨水量，计算公式为：
QR＝I*A/1000
式中，QR为场地设计雨水量，单位为m3；I为地域性年径流总量控制率对应的设计降水量，单位为mm；A为场地面积，单位为m2。
(3)根据研究区地域性降水特征、地下水位特征、土壤特征、植被特征以及海绵城市建设标准，计算既有绿地雨水承载量；主要根据绿地雨水承载能力，以此为参考进行绿地雨水承载范围之内进行绿地结构与海绵设施模块的设计。具体的，植被特征包括植被类型、植被投影面积、蒸发散系数，主要分析植被蒸发散对绿地雨水承载能力的影响；土壤特征包括土壤类型、土壤面积、覆土深度、土壤孔隙率，主要分析土壤渗水和蒸发散对绿地雨水承载能力的影响。计算步骤如下：
(3.1)根据研究区地域性降水特征、地下水位特征以及海绵城市建设标准，以该区地域性年径流总量控制率的区间范围值作为地域性降水量参考，推导既有绿地雨水承载量衰减系数，该系数用来表示绿地雨水承载能力随场降水量的增加和地下水位的上升而降低的承载能力衰减效果，即随着设计降雨量的增大、地下水位的上升，绿地雨水承载能力下降，计算公式为：
M＝IF(α≤αmin,1.00,IF(αmin≤α≤αmin+β/2,0.90,IF(αmin+β/2≤α≤αmax,0.85,IF(αmax≤α≤95％,0.75,0.65))))
式中，M为既有绿地雨水承载量衰减系数；α为不同地域所设定的年径流总量控制率(％)；αmin和αmax为地域性年径流总量控制率标准最小值和最大值(％)；β为地域性年径流总量控制率标准最大值与最小值的差值(％)，其中，β＝αmax-αmin。
(3.2)根据研究区既有绿地的土壤类型、面积、覆土深度等基本属性，计算既有绿地土壤雨水承载量，主要是根据研究区不同土壤的孔隙率大小计算土壤饱和时的最大含水量，计算公式为：
式中，QS为既有绿地土壤的雨水承载量，单位为m3；Ni为第i种土壤孔隙率(％)；Ai为第i种土壤面积，单位为m2；Hi为第i种土壤覆土深度，单位为m；其中，i为砂土、壤土、黏土三种土壤。
(3.3)根据研究区既有绿地的不同植被类型、植被数量、面积等属性，计算既有绿地植被的雨水承载量，主要是通过利用现有仪器或实验室称重的方法计算植被蒸发散量和植被含水量，也可以利用不同植被的蒸发散系数和植被含水量推导公式进行计算，计算公式为：
式中，QG为既有绿地植被的雨水承载量，单位为m3；QEj为第j种植被蒸发散量，单位为m3，其中，所述植被蒸发散包括植被蒸腾、土壤水分蒸发、植物截留及蒸发，使用测量工具现场测量或者根据不同植被蒸发散系数估算；QCj为第j种植被含水量，单位为m3，根据植被含水量与植被蒸发散系数的比例约为1:99的原理进行计算，计算公式为QCj＝QEj/99；j为既有绿地的裸地、草地、灌丛、乔木四种植被覆盖类别。
(3.4)根据上述步骤计算的既有绿地雨水承载量衰减系数、既有绿地土壤的雨水承载量以及既有绿地植被的雨水承载量，计算既有绿地雨水承载量，计算公式为：
W＝M(QG+QS)
式中，W为既有绿地雨水承载量，单位为m3。
(4)通过验证现状场地是否满足地域性设计降水量标准，确定绿地海绵系统设计容量值域，判断条件为：W≥QR，若满足，则输出绿地海绵系统设计容量值域为：0≤CF≤QR；若不满足则输出绿地海绵系统设计容量值域为：QR-W≤CF≤QR；
式中，CF为海绵系统设计容量，单位为m3；QR为场地设计雨水量，单位为m3；W为既有绿地雨水承载量，单位为m3。
(5)根据设计雨水量、绿地雨水承载量计算结果及场地现状地形、水文、土壤与植被等特征，对场地海绵系统进行改造，包括地表径流调控设施设计(如雨水花园、植草沟、排水边沟等)和雨水收集利用设施设计(如收蓄水模块、灌溉设施、溢流井等)，并计算改造设计后的绿地海绵系统容量，计算公式为：
式中，CF为海绵系统设计容量，单位为m3；CIk为地表径流控制设施设计容量，单位为m3；CUz为雨水收集利用设施设计容量，单位为m3；k表示植草沟、雨水花园、下凹绿地、排水边沟等多种地表径流滞流绿地类型；z表示蓄水模块、溢流井、灌溉设施等多种雨水收集利用设施。
(6)若步骤(4)中验证现状场地满足地域性设计降雨量标准，则直接输出结果“绿地海绵系统雨期收集并控制雨水径流，最大雨水收集利用总量为：Q＝CF+W，最大雨水控制量为：CF，超标雨水经雨水管网溢流至市政雨水管网；绿地海绵系统旱期利用蓄水层收蓄的雨水，实现绿地雨水灌溉，可利用最大雨水量为：CU”；
若不满足，则根据绿地海绵系统改造与设计，构建该设计降雨量模式下的SWMM水文模型，计算场地溢流量O，验证改造后海绵效益，判断是否满足O≤0，CI≤W，且CF+W≥QR三个条件，若满足，则输出结果：“绿地海绵系统雨期收集并控制雨水径流，最大雨水收集利用总量为：Q＝CF+W，最大雨水控制量为：CF，超标雨水经雨水管网溢流至市政雨水管网；绿地海绵系统旱期利用蓄水层收蓄的雨水，实现绿地雨水灌溉，可利用最大雨水量为：CU”；若不满足则重复步骤(5)和步骤(6)直至满足所述三个条件。
(7)根据以上计算与验证结果，实施海绵系统的改造。设计降水条件下，通过地表雨水控制设施收集雨水，通过下渗滞留在地下雨水收集模块，以供少雨旱期时通过自然渗透或人工灌溉设施进行绿地灌溉，提高雨水理由效率，超标雨水通过雨水管网排至市政管网。

Claims (6)

1.一种基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分析场地基本特征，包括场地所在地的降水特征、植被蒸发散特征、年径流总量控制率标准以及场地内的绿地、植被、水文、土壤的特征；
(2)根据地域性海绵城市建设标准提出的年径流总量控制率对应的设计降水量，计算场地控制利用雨水量；
(3)根据地域性降水特征、地下水位特征、土壤特征、植被特征以及海绵城市建设标准，计算既有绿地雨水承载量；
(4)验证现状场地是否满足地域性设计降水量标准，并确定绿地海绵系统设计容量值域；
(5)根据以上计算结果及场地现状地形、水文、土壤与植被特征，对场地海绵系统改造设计，并计算改造设计后海绵系统设计容量；
(6)若现状场地满足地域性设计降雨量标准，则直接输出结果；若不满足，则根据绿地海绵系统改造与设计，构建该设计降雨量模式下的SWMM水文模型，计算场地溢流量，验证改造后海绵效益，符合条件后输出结果；
(7)根据以上输出结果，实施海绵系统的改造。
2.根据权利要求1所述的基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，其特征在于，所述步骤(2)中计算场地设计雨水量采用的公式为：
QR＝I*A/1000
式中，QR为场地设计雨水量，单位为m3；I为地域性年径流总量控制率对应的设计降水量，单位为mm；A为场地面积，单位为m2。
3.根据权利要求2所述的基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算既有绿地雨水承载量包括计算土壤的雨水承载量和植被的雨水承载量，步骤如下：
(3.1)以地域性年径流总量控制率的区间范围值作为地域性降水量参考，推导既有绿地雨水承载量衰减系数，并以该衰减系数来表示既有绿地雨水承载能力随降水量的增加和地下水位的上升而降低的承载能力衰减效果；采用的公式为：
M＝IF(α≤αmin,1.00,IF(αmin≤α≤αmin+β/2,0.90,IF(αmin+β/2≤α≤αmax,0.85,
IF(αmax≤α≤95％,0.75,0.65))))
式中，M为既有绿地雨水承载量衰减系数；α为不同地域所设定的年径流总量控制率；αmin和αmax为地域性年径流总量控制率标准最小值和最大值；β为地域性年径流总量控制率标准最大值与最小值的差值，其中，β＝αmax-αmin；
(3.2)根据既有绿地的土壤类型、孔隙率、土壤面积和覆土深度，计算既有绿地土壤的雨水承载量；采用的公式为：
式中，QS为既有绿地土壤的雨水承载量，单位为m3；Ni为第i种土壤孔隙率；Ai为第i种土壤面积，单位为m2；Hi为第i种土壤覆土深度，单位为m；其中，i为砂土、壤土、黏土三种土壤；
(3.3)根据既有绿地的不同植被类型、植被数量、植被投影面积，计算既有绿地植被的雨水承载量；采用的公式为：
式中，QG为既有绿地植被的雨水承载量，单位为m3；QEj为第j种植被蒸发散量，单位为m3，其中，所述植被蒸发散包括植被蒸腾、土壤水分蒸发、植物截留及蒸发，使用测量工具现场测量或者根据不同植被蒸发散系数估算；QCj为第j种植被含水量，单位为m3，计算公式为QCj＝QEj/99；j为既有绿地的裸地、草地、灌丛、乔木四种植被覆盖类别；
(3.4)通过既有绿地雨水承载量衰减系数、既有绿地土壤的雨水承载量以及既有绿地植被的雨水承载量，计算既有绿地雨水承载量；计算公式为：
W＝M(QG+QS)
式中，W为既有绿地雨水承载量，单位为m3。
4.根据权利要求3所述的基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中通过验证现状场地是否满足地域性设计降水量标准，确定绿地海绵系统设计容量值域，判断条件为：W≥QR，若满足，则输出绿地海绵系统设计容量值域为：0≤CF≤QR；若不满足则输出绿地海绵系统设计容量值域为：QR-W≤CF≤QR；
式中，CF为海绵系统设计容量，单位为m3。
5.根据权利要求4所述的基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，其特征在于，所述步骤(5)计算改造与设计后海绵系统设计容量采用的公式为：
式中，CIk为地表径流控制设施设计容量，单位为m3；CUz为雨水收集利用设施设计容量，单位为m3；k表示地表径流滞流绿地类型；z表示雨水收集利用设施。
6.根据权利要求5所述的基于水绿耦合原理的绿地海绵系统容量确定方法，其特征在于，所述步骤(6)中，验证场地海绵效益的方法是：判断是否满足场地溢流量O≤0，CI≤W，且CF+W≥QR三个条件，若满足，则输出结果：“绿地海绵系统雨期收集并控制雨水径流，最大雨水收集利用总量为：Q＝CF+W，最大雨水控制量为：CF，超标雨水经雨水管网溢流至市政雨水管网；绿地海绵系统旱期利用蓄水层收蓄的雨水，实现绿地雨水灌溉，可利用最大雨水量为：CU”；若不满足则重复步骤(5)和步骤(6)直至满足所述三个条件。
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