CN113240260A - 一种公共建筑海绵设施运行效果评价方法 - Google Patents

一种公共建筑海绵设施运行效果评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种公共建筑海绵设施运行效果评价方法，包括以下步骤：收集海绵城市建设工程实施前后的场地下垫面分布图、雨水管网分布图、当地设计降雨数据；在城市雨洪管理模型中构建海绵城市模型，在海绵城市模型中，导入雨水管网数据、布置下垫面参数块、设置各种LID设施参数、设置设计降雨模块；根据雨水管网实测流量、SS浓度数据，对海绵城市模型进行模型率定与验证；在不同重现期的设计降雨下，对设置某种LID设施前后，雨水管道中流量、SS浓度进行模拟输出，并计算不同LID设施对雨水径流的控制率、对场地污染物去除总量的贡献率及单位面积污染物的去除量。实现对海绵城市项目的定量化评价，获得不同LID设施的截流控污效果的定量化评价结果。

Description

一种公共建筑海绵设施运行效果评价方法
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，具体涉及一种公共建筑海绵设施运行效果评价方法。
背景技术
海绵城市低影响开发设施的效果评价，既是海绵城市建设项目验收必不可少的部分，同时也是指导其他项目海绵城市规划方案、LID设施选择、LID设施运行维护的重要依据。
由于缺少实际监测数据，工程实际中难以对海绵城市建设效果进行准确评价。目前，住建部发布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》和各地发布的指导手册中，对LID设施的径流控制效果和污染物去除能力的取值均为定性数据，且选择范围过大，对工程方案和效果评价的指导性不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种公共建筑海绵设施运行效果评价方法，实现对海绵城市项目的定量化评价，获得不同LID设施的截流控污效果的定量化评价结果，为其他海绵城市项目方案的确定、评价和验收提供实际效果的支撑和参考。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种公共建筑海绵设施运行效果评价方法，包括以下步骤：
S1：选择构建适合公共建筑的城市雨洪管理模型，收集海绵城市建设工程实施前后的场地下垫面分布图、雨水管网分布图、当地设计降雨数据；
S2：在城市雨洪管理模型中构建海绵城市模型，在海绵城市模型中，导入雨水管网数据、布置下垫面参数块、设置各种LID设施参数、设置设计降雨模块；
S3：根据雨水管网实测流量、SS浓度数据，对海绵城市模型进行模型率定与验证；模型评价指标为纳什系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，NSE)；
S4：在不同重现期的设计降雨下，对设置某种LID设施前后，雨水管道中流量、SS浓度进行模拟输出，并计算不同LID设施对雨水径流的控制率、对场地污染物去除总量的贡献率及单位面积污染物的去除量。
按照上述技术方案，在步骤S1中所述的适合公共建筑的城市雨洪管理模型为包含城镇模拟在内的雨洪管理模型；在SWMM、InfoWorks或Mike-Urban模拟软件中选择适合公共建筑的城市雨洪管理模型。
按照上述技术方案，在步骤S1中海绵城市建设工程实施前后的场地下垫面分布图、雨水管网分布图通过海绵城市设计专篇图纸及给排水设计图纸获得，当地设计降雨通过各地方设计暴雨雨型确定。
按照上述技术方案，在步骤S2中构建海绵城市模型的具体步骤包括：
S2.1：获取研究区域的卫星图影像及高程数据，导入现状雨水管网线数据，雨水管网线数据包括管道的坐标、管长、规格、管材等信息；
S2.2：根据海绵城市建设前的下垫面分类布局图，布置下垫面参数块，并设置下垫面参数；
S2.3：根据海绵城市建设后的下垫面分类布局图，布置LID设施，并设置低影响开发参数；
S2.4：选取公共建筑场地雨水管网末端可信度较高的流量及SS浓度实测数据、监测时段用于模型率定及验证。
按照上述技术方案，将纳什系数作为模型率定的评价指标，
Figure BDA0003053081590000021
式中：Qm、Qs、
Figure BDA0003053081590000022
分别为模型模拟值、实际观测值、实际观测平均值，n为观测数据个数，纳什系数Ens是指实测值与模拟值的偏离程度，取值范围为(-∞，1)，Ens越接近于1，说明模拟值与实测值的偏离程度越小，模拟效果越好，Ens＜0，表示模拟可信度低，Ens＞0.5，表示模拟效果较好，评价为合格，当Ens≥0.65时，模拟结果非常好。
按照上述技术方案，在步骤S4中不同重现期的设计降雨条件，参照各地方暴雨强度公式、设计暴雨雨型文件计算设计降雨。
按照上述技术方案，在步骤S4中在不同重现期条件下，分别对设置某类LID设施前后，雨水管网出口处的流量、SS浓度进行模拟，并输出模拟结果。
按照上述技术方案，在步骤S4中LID设施对雨水径流的控制率
Figure BDA0003053081590000023
式中，S为雨水径流控制率，Pr为LID设施面积范围内的总降雨量，单位m3；V为相应LID设施雨水管网出口的流出总体积，单位m3。
按照上述技术方案，在步骤S4中LID设施污染物贡献率
Figure BDA0003053081590000024
式中，Wb为设置该LID设施前，场地污染物的流出总质量，单位kg；Wa为设置该LID设施后，场地污染物的流出总质量，单位kg。
按照上述技术方案，在步骤S4中LID设施单位面积污染物去除能力
Figure BDA0003053081590000025
式中，R单位为kg/m2，A为设置的某类LID设施总面积，单位为m2。
本发明具有以下有益效果：
本发明实现对海绵城市项目的定量化评价，解决以往LID设施截流控污效果仅为定性数据，难以对海绵设施建设效果准确评价的问题，获得不同LID设施的截流控污效果的定量化评价结果，为其他海绵城市项目方案的确定、评价和验收提供实际效果的支撑和参考，本发明的技术方法及研究结果可为公共建筑海绵设施方案的确定、评价和验收提供定量化评价手段。
附图说明
图1是本发明实施例一中公共建筑海绵设施运行效果评价方法的流程示意图；
图2是本发明实施例二中公共建筑海绵设施运行效果评价方法的流程示意图；
图3是本发明实施例二中研究区域下垫面及雨水管网概化图；
图4是本发明实施例二中监测点位示意图；
图5是本发明实施例中模型参数率定结构；
图6为本发明实施例中模型参数验证结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图2所示，本发明提供的一个实施例一中的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，包括以下步骤：
S1：选择构建适合公共建筑的城市雨洪管理模型，收集海绵城市建设工程实施前后的场地下垫面分布图、雨水管网分布图、当地设计降雨数据；
S2：在城市雨洪管理模型中构建海绵城市模型，在海绵城市模型中，导入雨水管网数据、布置下垫面参数块、设置各种LID设施参数、设置设计降雨模块；
S3：根据长序列、高质量的雨水管网实测流量、SS浓度数据，对海绵城市模型进行模型率定与验证；
S4：在不同重现期的设计降雨下，对设置某种LID设施前后，雨水管道中流量、SS浓度进行模拟输出，并计算不同LID设施对雨水径流的控制率、对场地污染物去除总量的贡献率及单位面积污染物的去除量。
进一步地，在步骤S1中所述的适合公共建筑的城市雨洪管理模型为包含城镇模拟在内的雨洪管理模型；在SWMM、InfoWorks或Mike-Urban模拟软件中选择适合公共建筑的城市雨洪管理模型。
进一步地，在步骤S1中海绵城市建设工程实施前后的场地下垫面分布图、雨水管网分布图通过海绵城市设计专篇图纸及给排水设计图纸获得，当地设计降雨通过各地方设计暴雨雨型确定。
进一步地，在步骤S2中构建海绵城市模型的具体步骤包括：
S2.1：获取研究区域的卫星图影像及高程数据，导入现状雨水管网数据，雨水管网数据包括管道的坐标、管长、规格、管材等信息；
S2.2：根据海绵城市建设前的下垫面分类布局图，布置下垫面参数块，并设置下垫面参数；
S2.3：根据海绵城市建设后的下垫面分类布局图，布置LID设施，并设置低影响开发参数；
S2.4：选取公共建筑场地雨水管网末端可信度较高的流量及SS浓度实测数据、监测时段用于模型率定及验证。
进一步地，模型评价指标为纳什系数，
Figure BDA0003053081590000041
式中：Qm、Qs、
Figure BDA0003053081590000042
分别为模型模拟值、实际观测值、实际观测平均值，n为观测数据个数，纳什系数Ens是指实测值与模拟值的偏离程度，取值范围为(-∞，1)，Ens越接近于1，说明模拟值与实测值的偏离程度越小，模拟效果越好，Ens＜0，表示模拟可信度低，Ens＞0.5，表示模拟效果较好，评价为合格，当Ens≥0.65时，模拟结果非常好。
进一步地，在步骤S4中不同重现期的设计降雨条件，参照各地方暴雨强度公式、设计暴雨雨型文件计算设计降雨。
进一步地，在步骤S4中在不同重现期条件下，分别对设置某类LID设施前后，雨水管网出口处的流量、SS浓度进行模拟，并输出模拟结果。
进一步地，在步骤S4中LID设施对雨水径流的控制率
Figure BDA0003053081590000043
式中，S为雨水径流控制率，Pr为LID设施面积范围内的总降雨量，单位m3；V为相应LID设施雨水管网出口的流出总体积，单位m3。
进一步地，在步骤S4中LID设施污染物贡献率
Figure BDA0003053081590000044
式中，Wb为设置该LID设施前，场地污染物的流出总质量，单位kg；Wa为设置该LID设施后，场地污染物的流出总质量，单位kg。
进一步地，在步骤S4中LID设施单位面积污染物去除能力
Figure BDA0003053081590000045
式中，R单位为kg/m2，A为设置的某类LID设施总面积，单位为m2。
LID英文的全称是Low Impact Development，是20世纪90年代末发展起的暴雨管理和面源污染处理技术，旨在通过分散的，小规模的源头控制来达到对暴雨所产生的径流和污染的控制，使开发地区尽量接近于自然的水文循环。LID低影响开发是一种可轻松实现城市雨水收集利用的生态技术体系，其关键在于原位收集、自然净化、就近利用或回补地下水。主要包含：生态植草沟、下凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶、地下蓄渗、透水路面。
低影响开发(LID)是一种强调通过源头分散的小型控制设施，维持和保护场地自然水文功能、有效缓解不透水面积增加造成的洪峰流量增加、径流系数增大、面源污染负荷加重的城市雨水管理理念，20世纪90年代在美国马里兰州开始实施。低影响开发主要通过生物滞留设施、屋顶绿化、植被浅沟、雨水利用等措施来维持开发前原有水文条件，控制径流污染，减少污染排放，实现开发区域可持续水循环。与国外相比，低影响开发技术目前在国内应用较少，但已列入国家“十二五”水专项重大课题进行研究。
低影响开发强调城镇开发应减小对环境的冲击，其核心是基于源头控制和延缓冲击负荷的理念，构建与自然相适应的城镇排水系统，合理利用景观空间和采取相应措施对暴雨径流进行控制，减少城镇面源污染。
进一步地，SS浓度为废水悬浮物浓度。
进一步地，雨水管网有各种雨水管道形成。
本发明的一个实施例二中，以下基于中冶南方大厦海绵城市示范基地的长序列的流量、水质监测数据，运用本发明的一种公共建筑海绵设施运行效果评价方法，对不同LID设施的截留控污效果进行定量化评价，为类似城市公共建筑海绵设施方案的确定、评价和验收提供实际效果的支撑和参考，如图2所示，具体步骤如下：
1)选择适合公共建筑的城市雨洪管理模型，收集海绵城市建设工程实施前后的场地下垫面分布图、雨水管网分布图、当地设计降雨等数据；
中冶南方大厦海绵城市系统是典型的公共建筑海绵城市系统，该系统涵盖的海绵设施包括绿色屋顶、透水铺装、雨水弃流装置、下沉式绿地、渗管、雨水调蓄池等。研究区域下垫面及雨水管网概化图见图3、监测点位示意图见图4。
SWMM模拟软件是一款开放性的软件，在可视化、功能等方面都可以满足本次研究的需要，选择其作为本实施例的雨洪管理模型。
2)在城市雨洪管理模型中构建海绵城市模型，导入雨水管网数据、布置下垫面参数块、设置LID设施参数、设置设计降雨模块；
雨水管网数据通过雨水管网图纸导入模型中，下垫面参数块及LID设施的位置根据研究区下垫面布局图进行布置。
SWMM模型水文模块包括地表产流模型和地表汇流模型。结合研究区域的土壤特性，地表产流模型选用Horton入渗模型，相关参数见表1、表2。
表1入渗模型参数选取
Figure BDA0003053081590000061
表2 LID设施结构及参数
Figure BDA0003053081590000062
表3饱和函数模型参数取值
Figure BDA0003053081590000063
3)根据长序列、高质量的雨水管网实测流量、SS数据，对海绵城市模型进行模型率定与验证；
本实施例选择2020年6月12日20:00～2020年6月13日00:00段、2020年6月29日04:00～2020年6月29日12:00段，调蓄池南侧Y1检查井的流量数据及Y2检查井处SS浓度进行模型率定及验证，并采用纳什系数Nash-Sutcliffe系数(Ens)作为模型率定的评价指标。
水文、水质模型率定结果Ens分别为0.9、0.68；水文、水质模型验证结果Ens分别为0.68、0.17。模型率定及验证结果见图5和图6，即用时间段1的实测值率定参数，再用率定好的参数用于时间段2进行验证，看两次的模型模拟效果。综上，该模型率定验证模拟结果较好，模型达到要求，可利用该模型进行进一步模拟。
4)在不同重现期的设计降雨下，对设置某类LID设施前后，雨水管道中流量、SS浓度进行模拟输出，并计算不同LID设施对雨水径流的控制率、对场地污染物去除总量的贡献率及单位面积污染物的去除量。
本研究以不同重现期P＝1、3、5、10年，t＝120分钟的设计降雨进行海绵设施实际工程效果评价，以使结果具有可对比性。
根据模拟结果，透水铺装、下沉式绿地、绿色屋顶对地表径流污染物SS的去除效果如表4所示。
表4不同重现期，不同LID措施对SS的去除效果
Figure BDA0003053081590000071
Figure BDA0003053081590000081
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选择构建公共建筑的城市雨洪管理模型，收集海绵城市建设工程实施前后的场地下垫面分布图、雨水管网分布图、当地设计降雨数据；
S2：在城市雨洪管理模型中构建海绵城市模型，在海绵城市模型中，导入雨水管网数据、布置下垫面参数块、设置各种LID设施参数、设置设计降雨模块；
S3：根据雨水管网实测流量、SS浓度数据，对海绵城市模型进行模型率定与验证；
S4：在不同重现期的设计降雨下，对设置某种LID设施前后，雨水管道中流量、SS浓度进行模拟输出，并计算不同LID设施对雨水径流的控制率、对场地污染物去除总量的贡献率及单位面积污染物的去除量。
2.根据权利要求1所述的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，在步骤S1中所述的适合公共建筑的城市雨洪管理模型为包含城镇模拟在内的雨洪管理模型；在SWMM、InfoWorks或Mike-Urban模拟软件中选择适合公共建筑的城市雨洪管理模型。
3.根据权利要求1所述的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，在步骤S1中海绵城市建设工程实施前后的场地下垫面分布图、雨水管网分布图通过海绵城市设计专篇图纸及给排水设计图纸获得，当地设计降雨通过各地方设计暴雨雨型确定。
4.根据权利要求1所述的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，在步骤S2中构建海绵城市模型的具体步骤包括：
S2.1：获取研究区域的卫星图影像及高程数据，导入现状雨水管网线数据，雨水管网数据包括管道的坐标、管长、规格、管材等信息；
S2.2：根据海绵城市建设前的下垫面分类布局图，布置下垫面参数块，并设置下垫面参数；
S2.3：根据海绵城市建设后的下垫面分类布局图，布置LID设施，并设置低影响开发参数；
S2.4：选取公共建筑场地雨水管网末端可信度较高的流量及SS浓度实测数据、监测时段用于模型率定及验证。
5.根据权利要求4所述的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，将纳什系数作为模型率定的评价指标，
Figure FDA0003053081580000011
式中：Qm、Qs、
Figure FDA0003053081580000012
分别为模型模拟值、实际观测值、实际观测平均值，n为观测数据个数，纳什系数Ens是指实测值与模拟值的偏离程度。
6.根据权利要求1所述的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，在步骤S4中不同重现期的设计降雨条件，参照各地方暴雨强度公式、设计暴雨雨型文件计算设计降雨。
7.根据权利要求1所述的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，在步骤S4中在不同重现期条件下，分别对设置某类LID设施前后，雨水管网出口处的流量、SS浓度进行模拟，并输出模拟结果。
8.根据权利要求1所述的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，在步骤S4中LID设施对雨水径流的控制率
Figure FDA0003053081580000021
式中，S为雨水径流控制率，Pr为LID设施面积范围内的总降雨量，单位m3；V为相应LID设施雨水管网出口的流出总体积，单位m3。
9.根据权利要求1所述的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，在步骤S4中LID设施污染物贡献率
Figure FDA0003053081580000022
式中，Wb为设置该LID设施前，场地污染物的流出总质量，单位kg；Wa为设置该LID设施后，场地污染物的流出总质量，单位kg。
10.根据权利要求1所述的公共建筑海绵设施运行效果评价方法，其特征在于，在步骤S4中LID设施单位面积污染物去除能力
Figure FDA0003053081580000023
式中，R单位为kg/m2，A为设置的某类LID设施总面积，单位为m2。
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