近年来许多城市都面临内涝频发、径流污染及雨水资源大量流失等问题,在城市建设中构建完善的雨洪管理系统刻不容缓。2013年12月12日,中央城镇化工作会议上提出,要建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”,国家要大力推进海绵城市建设试点工作。其中,低影响开发(Low Impact Development,LID)作为海绵城市建设中的关键技术之一,指通过在城市中建设植草沟、雨水花园、透水铺装等基础设施来滞蓄、净化、回用雨水,最后剩余部分径流通过管网、泵站外排,从而有效提高城市排水系统标准,缓减城市内涝压力。

然而,“海绵体”在实际应用中对降雨径流削减效果如何?本文选取国家首批海绵城市建设试点城市某典型海绵改造项目(某住宅小区)为研究对象,通过对其2018年降雨日的排口流量数据、对应降雨量及小区具体情况综合分析,评估海绵改造后住宅小区的径流控制效果,同时分析项目径流控制率与降雨量及降雨强度的关系,为我国海绵城市的推广提供数据支持。

本小区中所进行的海绵改造项目包括:将老年及儿童活动场地改为透水铺装,小区干道加铺透水沥青路面,路侧修建植草沟,混接排水管道进行雨污分流改造,修建地下雨水调蓄池,将原有小区内的景观水池升级改造为雨水调蓄池等。

经过海绵改造后的小区雨水排放主要路线如图1所示。

1)多层建筑屋面雨水通过雨落管断接后接入渗透边沟过滤,净化后导入景观雨水调蓄池,高层建筑屋面雨水断接后进入地下蓄水模块储存渗透。

2)地面径流进入路侧渗透边沟后,导入小区景观生态水池加以利用。

3)室外全透水铺装改造,实现小雨不积水(见图2,3)。

式中,α为项目径流控制率(%);Ri为场次降雨累计降雨监测量(mm);A为项目总面积(hm²);Q₁为降雨时所对应的项目排口监测点的总累计流量(m³)。

按照上述公式,基于场次降雨的累计降雨量,对应时间段内的各排口总流量及项目面积对项目的径流控制效果进行评估。

监测仪器采用北京清控人居研究院自主研发的Smart Water智能在线监测流量计,主要由传感器、主机及中继器组成,采用速度面积法监测实时流量。其中速度测量使用多普勒超声波测量原理,最大监测流速为9m/s;液位测量使用压力或超声波测量原理,最大监测液位为10m。

监测主机装置利用传感器对监测点进行在线持续监测,获得连续液位、流速的基础监测数据,并按照可变化的智能传输时间间隔将数据传输到监测中继器装置。监测中继器装置接收监测数据,通过GPRS通信网络或其他无线网络将监测数据传输给数据中心。

数据中心为具有独立因特网IP地址的云服务器主机或独立计算机的数据服务器。它接收并解析监测数据,将其存入数据库;结合管道截面对数据进行统计分析,计算出流量并在配套的监测平台上展示;同时,在发现数据异常时,动态发布报警信息。

在住宅小区雨水管道接市政雨水管网处安装在线流量监测仪。本项目共布设2台在线流量监测仪。

雨量计采用项目所在区域所属的雨量计。

将2018年统计到的场次降雨按降雨量大小进行编号,分别计算每场降雨的雨强(降雨强度=降雨量/降雨历时)与项目径流控制率(见表1)。

2 0 1 8年度共采集有效降雨5 9场,由表1可知:降雨范围为2～144mm,此住宅小区的径流控制率为82.506%～100.000%,尤其面对年度强降雨(>25mm)时,小区径流控制率也在90%以上。由此可见,经海绵改造后的居民小区对降雨径流的削减效果明显,雨水通过下渗、蓄滞等能实现源头控制,减少市政排水管道压力。

降雨量与项目径流控制率的关系如图4所示。

随着降雨量逐渐增大,海绵建设项目的径流控制率呈降低趋势。但并非与降雨量的增大呈规律性降低,而是具有明显的上下起伏,说明降雨量并不是影响项目径流控制率的唯一关键因素。

雨强与项目径流控制率的关系如图5所示。由图5可以看出,在降雨量达到一定量时,项目径流控制率和降雨雨强具有显著关系。当降雨量处于2.0～10.8mm时,无论雨强多大,项目径流控制率都为100%,当降雨量大于10.8mm时,降雨雨强增大时对应的项目径流控制率呈一定程度降低,降雨雨强的变化趋势与径流控制率的变化趋势基本吻合。如表2所示,选取降雨量一致的每2场降雨进行对比,分析降雨雨强对项目径流控制率的影响。

如图6所示,项目径流控制率并未随着降雨量的逐渐升高而呈下降趋势,而与雨强的上下起伏趋势相吻合,说明在一定范围内,随着降雨量的逐渐增大,雨强较降雨量对项目径流控制率的影响占重要地位。

分析编号为50和51的场次降雨,2场降雨的雨量分别为25.2,25.4mm,降雨量基本一致。在认定降雨量相同情况下,编号50的场次降雨雨强为2.046mm/h,项目实际径流控制率为98.916%;而编号51的场次降雨雨强为4.704mm/h,项目实际径流控制率为94.221%,降雨雨强增加1.299倍,项目径流控制率降低4.7%。

本文选取海绵城市试点中某海绵改造住宅小区为研究对象,以2018年整年为监测期,对其出口流量及降雨进行在线监测,进而评估经海绵改造后的住宅小区对雨水径流的实际削减效果。

计算分析得知,经海绵改造的住宅小区对雨水实际截留效果显著,在海绵设施生态水池、透水铺装及植草沟等作用下,该住宅小区在应对年度2～144mm的降雨中,项目径流控制率为82.5%～100.0%,尤其是在应对强降雨(>25mm)时,其对雨水的径流控制率在90%以上,满足海绵城市建设要求。

分析59场降雨中降雨量及雨强与项目径流控制率的关系,结果表明随着降雨量的增大,小区径流控制率呈下降趋势,但降雨量并非是影响项目径流控制率的唯一关键因素。当降雨量达到一定量时,雨强对项目径流控制率产生重要影响,相同降雨量下,雨强越大则项目径流控制率越小。选取编号50,51的2场降雨进行分析,对于相同雨量的2场降雨,当雨强增加1.299倍时,项目径流控制率下降4.7%。降雨量较小时,雨量并未超出海绵改造项目的基本蓄滞标准,故其下渗与蓄滞能力受降雨强度的影响较小。但随着降雨量的增大,雨量超过住宅小区内海绵设施的基本蓄滞能力时,就需一定时间才能下渗。在降雨强度较大情况下,雨水下渗、蓄滞的速度低于降雨强度,导致海绵设施对雨水的控制效果变差,径流控制率变低。因此,在海绵城市改造建设中,不仅应考虑降雨量对项目径流控制率的影响,也要考虑海绵设施对雨水蓄滞、下渗的效率,以应对不同强度的降雨,从而指导今后的海绵城市建设。