CN112663760A - 基于lid措施的城市雨水径流调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LID措施的城市雨水径流调控方法,包括:步骤1:使用拉格朗日插值法获取开发前径流系数;利用暴雨管理模型中LID控制编辑模块,获取LID措施参数取值范围;再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数;步骤2:划分子汇水区域,形成以主干河流为中心的一级汇水区域,根据细化的DEM图划分二级汇水区;再根据排水设施空间的分布情况,形成三级汇水区域;步骤3:执行水文过程模拟;步骤4:执行水力过程模拟。
Description
技术领域
本发明涉及雨水管理技术,具体涉及一种基于低冲击开发(Low ImpactDevelopment, LID)措施的城市雨水径流调控方法。
背景技术
目前,我国大多数城市的雨水排水系统依照传统雨水排水设计方法建造。传统的城市雨水排水设计多采用快速排出雨水的方式,在短期内保证了城市雨水排水系统安全。但是,随着城市化水平的提高,城市不透水面积比例逐年增加,传统设计方式下的重现期水平已不能满足现代城市的雨水排水需求。尤其是特大暴雨发生时,对短时间内汇集的大量雨水,缺乏有效的、及时的排水方式是造成城市排水系统瘫痪和内涝的根本原因。我国人均水资源拥有量比较匮乏,但污染轻,水量大的雨水资源的利用率却很低。此外,雨水对地面的快速冲刷和排放又会为区域水环境带来严重的面源污染问题。
以上现象暴露出我国现有的城镇排水系统存在以下问题。第一,排水管网等基础市政工程的设计、建设标准普遍较低,目前我国省会以上城市的排水标准一般只有一年一遇到两年一遇,其它城市的排水标准更低;第二,近年来,我国城市化进程明显加快,随之而来的是城市的急速扩张,随着市区的扩张,房屋建筑更加密集,混凝土铺盖的不透水面积不断增加,而地表植被和坑塘不断减少,致使地表的持水、滞水及渗透能力减弱,暴雨来临时产汇流时间缩短,地表及河道径流量增大,内涝灾害加剧;第三,目前的城市排水系统只关注将雨水资源尽快排走,未考虑雨水的面源污染控制以及雨水资源的利用。由此可见,改变现有的我国传统的城镇排水系统的设计和建设理念,以期达到防治城市内涝、利用雨水资源和控制面源污染的目标具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是基于LID技术的城镇可持续排水系统(Sustainable UrbanDrainage System,SUDS)的研究,从城市区域的雨水管理出发,针对城市区域高不透水率,低可开发空间的特点,采用LID技术措施作为雨水径流进入排水管网前的源头控制措施,提出基于LID措施的城市雨水径流调控方法。
为解决上述技术问题,本发明通过以下的技术方案予以实现:
一种基于LID措施的城市雨水径流调控方法,包括:
步骤1:使用拉格朗日插值法获取开发前径流系数
首先利用暴雨管理模型(Storm water management model,SWMM)中LID控制编辑模块,获取LID措施参数取值范围;再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数;
然后利用SWMM接收降雨数据,模拟水流在地表的运动,模拟水流和污染物的传输迁移过程;
步骤2:划分子汇水区域
按照待模拟的城市实际汇流情况将研究区域划分为若干子汇水区域,形成以具有实际汇水能力的主干河流为中心的一级汇水区域;在一级汇水区内,将影响汇流途径的因子信息融入进数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)图,再根据细化的DEM图进行二级汇水区划分,从而形成二级汇水区;在二级汇水区内,根据排水设施空间的分布情况,利用Voronoi图进行三级划分,从而形成三级汇水区;
使用DEM图作为输入数据,通过空间分析(Spatial Analyst)组件根据DEM中栅格的水流方向,确定下游栅格中汇流的积累量来模拟水流在重力作用下汇集产生径流的过程来完成对汇水区域的划分;
步骤3:执行水文过程模拟
地表径流采用非线性水库法(Nonlinear reservoir)和曼宁公式(Manningformula)联立,在水量平衡原则下计算径流流量:
式中,W为子汇水区域宽度;n为子汇水区域的曼宁系数;S为子汇水区域的坡度,m/m; d为水深;ds为最大洼地蓄水深度;
利用格林-安普特(Green-Ampt)方程计算径流下渗值;当净降水量小于土壤饱和含水量时没有下渗水量产生;大于土壤含水量并且小于土壤饱和含水量时,有下渗水量产生,计算方程如下式所示:
式中,Q为下渗水量,单位为m3;a0为土壤平均吸附力;Ks为饱和土壤导水率;Qm为最大下渗水量,单位为m3;
当净降雨量大于土壤饱和含水量时,稳定下渗率如下式所示:
式中,ft为稳定下渗率;
步骤4:执行水力过程模拟
运动波法模拟计算采用连续方程和运动方程,模拟管段水流过程随时间和空间的变化,模型假定水面坡度和管段坡度一致;管段可输送水量用曼宁公式计算;其计算公式如下:
Sf=S0
其中,A为水流断面面积,m2;Q为断面流量,m3/s;qL为网格单元或河道的单宽流量,m3/s;n为曼宁粗糙系数;R为水力半径;S0为网格单元地表坡降或河道的纵向坡降;Sf为摩擦坡降。
进一步的,所述SWMM包括LID控制编辑模块,大气模块,地表模块,运移模块和地下水模块。
进一步的,所述步骤1中的参数包括:
所述表面层的模拟参数包括蓄水深度,植被覆盖率,表面粗糙系数和表面坡度;其中所述蓄水深度是指LID措施的地表洼地蓄水高度,所述植被覆盖率是指蓄水区具有植被的区域分数,所述表面粗糙系数是指透水路面和植草沟采用地表漫流的曼宁系数,其他LID措施为0,所述表面坡度是指透水路面和植草沟的坡度百分比。
所述路面层的模拟参数包括厚度,孔隙比,不透水面积比,渗透性和堵塞因子;其中,所述厚度是指路面层的厚度,典型值为100到150mm;所述不透水面积比是指模块系统的不渗透铺砌材料与总面积比值,连续多孔路面系统为0;所述渗透性是指用于连续系统中混凝土或者沥青的渗透性,或者用于模块系统中填料的导水率;所述堵塞因子是指为完全堵塞路面时的路面层孔隙径流容积数,忽略堵塞时使用数值0;堵塞急剧降低了直接正比于径流累积容积的路面渗透性。
所述土壤层的模拟参数包括厚度,孔隙率,产水能力,枯竭点,导水率,导水率坡度和吸水头;其中,所述厚度是指土壤层的厚度,典型竖直范围,雨水花园、街道植物园和其他类型基于土地的生物滞留单元,从450到900mm;对于绿色屋顶为75到150mm;所述孔隙率是指相对于土壤总容积的孔隙容积(分数);所述产水能力是指相对于土壤允许完全排干之后总容积的孔隙水容积分数;所述枯竭点是指相对于良好排干仅仅具有结合水土壤总容积的孔隙水容积分数,土壤含湿量不能够低于该极限值;所述导水率是指完全饱和土壤的导水率(mm/hr);所述导水率坡度是指导水率与土壤含湿量曲线的坡度(无量纲);典型数值范围,砂子为5,粉质粘土为15,所述吸水头是指土壤毛细吸水沿着湿润锋县的平均数值(mm)。
所述蓄水层的模拟参数包括高度,孔隙比,过滤速率,堵塞因子;其中,所述高度是指它是雨桶的高度或者砂砾层的厚度。碎石和砂砾层厚度一般为150到450mm,家庭雨桶高度范围从600到900mm。
所述孔隙比是指相对于层中固体容积的孔隙容积。砂砾的典型数值从0.5到0.75。
所述过滤速率是指在首次建造之后,可以流过层底的水的最大速率(mm/hr)。砂砾的典型数值为250到750mm/hr;所述堵塞因子是指完全堵塞需要的总径流容积除以层的孔隙容积。忽略堵塞时使用数值0。
所述暗渠的模拟参数包括排水系数,偏移高度和排水滞后时间;其中,所述排水系数是确定通过暗渠的流量系数C和指数n,作为排水渠高度之上蓄水高度的函数。所述偏移高度是任何暗渠管道在蓄水层底之上或者雨桶的高度(mm),和所述排水滞后时间雨水桶排水前必须经过的旱季小时数。
其中,所述LID措施包括生物滞留池、透水路面、植草沟和绿色屋顶。与现有技术相比,本发明有益效果及显著进步在于:
本发明在具体措施结构设计的基础上借助雨水管理模拟工具,利用暴雨管理模型模拟得出开发前径流系数,再通过划分子汇水区域,从而得出城市雨水径流调控方法;利用DEM 图,对城市小范围进行划分,具有步骤简单,操作性强的优点。本发明有效的模拟雨水径流流量,为海绵城市LID措施的制定和调控提供精确的数据支持,智能化程度高。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚,下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例,而不是全部的实施例;基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种基于LID措施的城市雨水径流调控方法,包括:
步骤1:使用拉格朗日插值法获取开发前径流系数
有研究表明在没有经过参数验证的情况下,对多汇水区域的模拟会低估径流总量和平均洪峰流速,且低估率超过80%。虽然SWMM能预测LID设计的径流减少量和水质,但是缺少已经校准的数据可供直接使用。通过对未校准和校准后的流域模拟结果进行比较能够表明模拟的预测能力和限制条件。目前,LID规划设计缺少成规模的实测数据,很难在前期设计时根据实地测量情况进行校准工作。因此,在使用SWMM模型对LID进行模拟时,设计和模拟参数起着至关重要的作用。
首先利用SWMM中LID控制编辑模块,获取LID措施参数取值范围;再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数。
其中,所述表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数见表1。
表1 LID措施过程层模拟参数
然后利用SWMM接收降雨数据,模拟水流在地表的运动,模拟水流和污染物的传输迁移过程。
利用SWMM中大气模块主要接受降雨数据,来自大气的降雨和污染物经过大气模块进入到地表模块中;地表模块模拟水流在地表的运动,接受降水产生径流,并将径流通过下渗的方式将水流传输到地下水模块,同时也将地表径流和污染物运输到运移模块;地下水模块主要模拟含水层的下渗过程;运移模块是模型的核心模块,其主要的功能是模拟水流和污染物的传输迁移过程,运移模块由一系列具有传输,储水和处理性质的设施组成。
步骤2:划分子汇水区域
按照待模拟的城市实际汇流情况将研究区域划分为若干子汇水区域,形成以具有实际汇水能力的主干河流为中心的一级汇水区域;在一级汇水区内,将影响汇流途径的因子信息融入进DEM图,再根据细化的DEM图进行二级汇水区划分;在二级汇水区内,根据排水设施空间的分布情况,利用Voronoi图进行三级划分。
使用DEM图作为输入数据,通过空间分析组件根据DEM中栅格的水流方向,确定下游栅格中汇流的积累量来模拟水流在重力作用下汇集产生径流的过程来完成对汇水区域的划分。
步骤3:执行水文过程模拟
地表径流采用非线性水库法和曼宁公式联立,在水量平衡原则下计算径流流量:
式中,W为子汇水区域宽度;n为子汇水区域的曼宁系数;S为子汇水区域的坡度,m/m;d为水深;ds为最大洼地蓄水深度;
径流下渗计算采用格林-安普特方程,将土壤分为两部分,即非饱和区域和饱和区域并分开进行下渗水量的计算;当净降水量小于土壤饱和含水量时没有下渗水量产生;大于土壤含水量并且小于土壤饱和含水量时,有下渗水量产生,计算方程如下式所示:
式中,Q为下渗水量,单位为m3;a0为土壤平均吸附力;Ks为饱和土壤导水率;Qm为最大下渗水量,单位为m3;
当净降雨量大于土壤饱和含水量时,稳定下渗率如下式所示:
式中,ft为稳定下渗率;
步骤4:执行水力过程模拟
运动波法模拟计算采用连续方程和运动方程,模拟管段水流过程随时间和空间的变化,模型假定水面坡度和管段坡度一致;管段可输送水量用曼宁公式计算;其计算公式如下:
Sf=S0
其中,A为水流断面面积,m2;Q为断面流量,m3/s;qL为网格单元或河道的单宽流量,m3/s;n为曼宁粗糙系数;R为水力半径;S0为网格单元地表坡降或河道的纵向坡降; Sf为摩擦坡降。
其中,所述LID措施包括生物滞留池、透水路面、植草沟和绿色屋顶。
所述生物滞留池用于对部分雨水进行截留并暂时存储,并利用其中的土壤和植被去除雨水径流中的污染物。
所述透水路面用于降低地表径流系数,削减径流和洪峰流量,同时还能补充还原地下水,保持土壤湿度,维护地下水及土壤的生态平衡。
所述植草沟是指种有植物的开放式的地表沟渠排水系统,用于去除悬浮颗粒污染物和部分溶解态污染物。
所述绿色屋顶是指覆盖有植物的屋顶,用于保存雨水,吸收污染物质。
所述雨水径流调控系统,利用SWMM对城市地区雨水径流、合流管道、污水管道和其他排水系统的规划、分析和设计;利用二维扩散地表径流模型,用来模拟城市区域排水管道过载和泵站出口造成的洪水。二维扩散地表径流模型在引入沉降方程的基础上计算详细的洪水区域和洪水深度,同时,还能根据地表的过载流量计算通过泵站排出的水量。
以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案,而非是对其的限制,尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换,而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换,均属本发明所要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种基于LID措施的城市雨水径流调控方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤1:使用拉格朗日插值法获取开发前径流系数
首先利用暴雨管理模型(以下简称SWMM)中LID控制编辑模块,获取LID措施参数取值范围,再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数;
然后利用SWMM接收降雨数据,模拟水流在地表的运动,模拟水流和污染物的传输迁移过程;
步骤2:划分子汇水区域
按照待模拟的城市实际汇流情况将研究区域划分为若干子汇水区域,形成以具有实际汇水能力的主干河流为中心的一级汇水区域;在一级汇水区内,将影响汇流途径的因子信息融入进数字高程模型图(以下简称DEM图),再根据细化的DEM图进行二级汇水区划分,从而形成二级汇水区;在二级汇水区内,根据排水设施空间的分布情况,利用Voronoi图进行三级划分,从而形成三级汇水区;
使用DEM图作为输入数据,通过空间分析组件根据DEM中栅格的水流方向,确定下游栅格中汇流的积累量来模拟水流在重力作用下汇集产生径流的过程来完成对汇水区域的划分;
步骤3:执行水文过程模拟
地表径流采用非线性水库法和曼宁公式联立,在水量平衡原则下计算径流流量:
式中,W为子汇水区域宽度;n为子汇水区域的曼宁系数;S为子汇水区域的坡度,m/m;d为水深;ds为最大洼地蓄水深度;
利用格林-安普特方程计算径流下渗值;当净降水量小于土壤饱和含水量时没有下渗水量产生;大于土壤含水量并且小于土壤饱和含水量时,有下渗水量产生,计算方程如下式所示:
式中,Q为下渗水量,单位为m3;a0为土壤平均吸附力;Ks为饱和土壤导水率;Qm为最大下渗水量,单位为m3;
当净降雨量大于土壤饱和含水量时,稳定下渗率如下式所示:
式中,ft为稳定下渗率;
步骤4:执行水力过程模拟
运动波法模拟计算采用连续方程和运动方程,模拟管段水流过程随时间和空间的变化,模型假定水面坡度和管段坡度一致;管段可输送水量用曼宁公式计算,其计算公式如下:
Sf=S0
其中,A为水流断面面积,m2;Q为断面流量,m3/s;qL为网格单元或河道的单宽流量,m3/s;n为曼宁粗糙系数;R为水力半径;S0为网格单元地表坡降或河道的纵向坡降;Sf为摩擦坡降。
2.根据权利要求1所述的基于LID措施的城市雨水径流调控方法,其特征在于,所述步骤1中的参数包括:
所述表面层的模拟参数包括蓄水深度,植被覆盖率,表面粗糙系数和表面坡度;其中,所述蓄水深度是指LID措施的地表洼地蓄水高度;所述植被覆盖率是指蓄水区具有植被的区域分数;所述表面粗糙系数是指透水路面和植草沟采用地表漫流的曼宁系数;其他LID措施为0,所述表面坡度是指透水路面和植草沟的坡度百分比;
所述路面层的模拟参数包括厚度,孔隙比,不透水面积比,渗透性和堵塞因子;其中,所述厚度是指路面层的厚度;所述不透水面积比是指模块系统的不渗透铺砌材料与总面积比值;所述渗透性是指用于连续系统中混凝土或者沥青的渗透性,或者用于模块系统中填料的导水率;所述堵塞因子是指为完全堵塞路面时的路面层孔隙径流容积数,忽略堵塞时使用数值0;
所述土壤层的模拟参数包括厚度,孔隙率,产水能力,枯竭点,导水率,导水率坡度和吸水头;其中,所述厚度是指土壤层的厚度;所述孔隙率是指相对于土壤总容积的孔隙容积(分数),所述产水能力是指相对于土壤允许完全排干之后总容积的孔隙水容积分数;所述枯竭点是指相对于良好排干仅仅具有结合水土壤总容积的孔隙水容积分数;所述导水率是指完全饱和土壤的导水率(mm/hr);所述导水率坡度是指导水率与土壤含湿量曲线的坡度(无量纲);所述吸水头是指土壤毛细吸水沿着湿润锋县的平均数值(mm);
所述蓄水层的模拟参数包括高度,孔隙比,过滤速率和堵塞因子;其中,所述高度是指它是雨桶的高度或者砂砾层的厚度;所述孔隙比是指相对于层中固体容积的孔隙容积;所述过滤速率是指在首次建造之后,可以流过层底的水的最大速率(mm/hr);所述堵塞因子是指完全堵塞需要的总径流容积除以层的孔隙容积;
所述暗渠的模拟参数包括排水系数,偏移高度和排水滞后时间;所述偏移高度是任何暗渠管道在蓄水层底之上或者雨桶的高度(mm);所述排水滞后时间是指雨水桶排水前必须经过的旱季小时数。
3.根据权利要求1所述的基于LID措施的城市雨水径流调控方法,其特征在于,所述SWMM包括LID控制编辑模块,大气模块,地表模块,运移模块和地下水模块。
4.根据权利要求1所述的基于LID措施的城市雨水径流调控方法,其特征在于,所述LID措施包括生物滞留池、透水路面、植草沟和绿色屋顶。
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CN115222115A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-10-21 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 一种含植物河道的综合糙率计算方法及系统 |
CN116579584A (zh) * | 2023-07-11 | 2023-08-11 | 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 | 基于城市超量径流安全管控的多级行泄空间优化组合方法 |
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CN115222115B (zh) * | 2022-07-07 | 2023-06-16 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 一种含植物河道的综合糙率计算方法及系统 |
CN116579584A (zh) * | 2023-07-11 | 2023-08-11 | 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 | 基于城市超量径流安全管控的多级行泄空间优化组合方法 |
CN116579584B (zh) * | 2023-07-11 | 2023-10-03 | 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 | 基于城市超量径流安全管控的多级行泄空间优化组合方法 |
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