郑州透水砖和下凹式绿地对城市雨洪的影响

郑州透水砖厂家分析随着社会经济的发展和城市化进程的不断加快,城市化面积和城区下垫面条件发生了很大变化。在相同量级别的降雨情况下,由于不透水面积增加,径流系数增大,产流量也相应增加,洪峰流量增大,峰现时间提前,不但给下游的防洪排涝带来很大负担,而且可能导致局部地区排雨不畅,出现积水现象,给人们的生活带来很大不便;此外,由于雨水被排出境,宝贵的雨水资源未得到充分利用。因此,很多城市都采取了雨洪利用措施,比如修建蓄水池、铺设透水砖、采用下凹式绿地等。为更好地利用这些雨洪措施,有必要对它们在防洪和增加雨洪资源利用量等方面进行研究。笔者采用城市暴雨雨水管理模型(SWMM)对北京某区域内铺设透水砖和采用下凹式绿地这两种措施下排水管道主要断面洪峰流量的变化进行了计算分析。

1　SWMM模型概述

SWMM是美国环保局为了设计和管理城市暴雨而研制的综合性数学模型,它可以模拟完整的城市降雨径流过程,包括地面径流和排水系统中雨洪的调蓄过程。SWMM模块包括径流模块、输送模块、扩展的输送模块、调蓄/处理模块和受纳水体等主要模块。模型的输出可以显示系统内和受纳水体中各点的水流和水质状况。

①　子流域的概化

在SWMM模型中一般将一个流域划分为若干个子流域,根据各子流域的特点分别计算径流过程,然后通过流量演算方法将各子流域的出流量叠加起来。为反映不同的地表特性,每个排水小区再分为三个部分:a.有洼蓄量的不透水地表A1;b.无洼蓄量的不透水地表A2;c.透水地表A3。

②　地表产流计算

无洼蓄量的不透水地表,降雨损失表现为初期的蒸发;有洼蓄量的不透水地表,降雨损失主要为洼蓄量。对于不透水地表,在未满足初损时不产流,一旦满足初损就会全面产流;对于透水地表,除填洼损失外,还有入渗损失。SWMM采用Horton模型、Green-Ampt模型和SCS模型计算入渗损失。

③　地表汇流的计算

汇流过程是指将各分区净雨汇集到出口控制断面或直接排入河道。地表汇流模拟采用非线性水库模型,由连续方程和曼宁方程联立求解。模型需要输入研究区域的面积、排水小区的宽度、三种不同地表的曼宁糙率、有滞蓄量地表的滞蓄量以及整个排水小区的坡度。

④　管网汇流子系统的演算

管网汇流子系统的演算在SWMM模型中可以通过输送模块或扩展输送模块来演算。都是采用对圣维南方程组(Saint-Venant)求解的方法。SWMM模型中蓄水池的作用是储存降雨产生的雨水径流,从而减少进入管网的雨水量。研究中,将部分区域铺设透水砖,当降雨强度小于入渗率时,降雨不产流;当降雨强度大于入渗率后,利用曼宁公式计算产流。对于不同子汇流单元上的蓄水池,降雨满足初损后的径流首先进入蓄水池,当蓄水池满水后,超出的部分再进到排水管网。

⑤　SWMM模型的使用步骤

a.仔细研究进行暴雨模拟的区域,依据管线的铺设把整个排水区域划分成几个相互独立的排水片。b.依据管线的铺设和其他设施的控制面积将各个排水片再细化为若干个子流域,并对所有子流域编号。c.求子流域面积,确定所有模型的参数。d.数据输入。e.计算各设计断面的洪峰流量、径流总量及流量过程,并进行合理性分析。

2　模型的应用

2.1　研究区域排水系统概化

本模型选择北京工业大学西校区作为研究对象,区域面积为2.87× 104m 2。其中,不透水面积为0.99× 104m 2,占总面积的34.5%;透水面积为1.88× 104m 2,占总面积的65.5%,该区域的具体地表分

布情况见图1。基于SWMM的应用,需将此区域进行合理概化,并拟建简单的雨水管网,雨水分别汇入市政排水管网内。整个模拟小区共划分为17个排水小区,共有节点14个、管道13个、出水口1个。

2.2　模型参数的确定

该研究区域的透水面积为1.88× 104m 2,其中小区S12为绿地,拟将小区S1、S5中的透水面积铺设透水砖;采用Horton入渗模型模拟研究区域的降雨入渗过程,所以模型需要输入峰值入渗率f0、谷值入渗率f∞和衰减系数α,三者分别取值为76.2mm/h、3.81mm/h和2h- 1[2]。透水砖的入渗率为2. 89mm/s[3]。汇流计算采用非线性水库模型进行模拟,参考SWMM模型用户手册中的典型值,透水地表

(除绿地外)和不透水地表的洼蓄量分别取12、2滞蓄库容取100mm。研究区域的地表坡度取0.000 1,并根据研究区域的下垫面情况,透水地表、不透水地表和管道的曼宁系数分别取0.03、0.011和0.013。模拟过程采用动力波进行流量演算。

2.3　设计暴雨的计算

根据《北京市水文手册》所附带的图集和公式得出各时段降雨的均值、变差系数Cv及偏态系数Cs,并由此计算重现期分别为5年、10年、20年的设计日降雨过程。设计雨型的峰值出现在23:00,然后需要较长的汇水时间,由于模型所需的计算时间较长,因此可以将日降雨内的主、次雨峰对换,将主降雨峰提前至10:00,经验证对模拟结果不会造成影响。以上三个重现期的日降雨过程分配见图2。

2.4　模拟结果分析

模拟中将透水砖和蓄水池两种措施进行组合,分别计算3种设计频率降雨条件下4种方案的区域产流过程,得到其洪峰流量和峰现时刻以及径流总量和径流变化系数。 4种设计方案分别为:小区不铺设透水砖,平式绿地(A);小区不铺设透水砖,下凹式绿地(B);小区铺设透水砖,平式绿地(C);小区铺设透水砖,下凹式绿地(D)。降雨频率分别为5%、10%、20%时的模拟结果见表1。

从表1可知,当降雨频率为5%时,采用下凹式绿地使管道出口断面的洪峰流量减少了2.78%,约0.02m 3/s,径流系数减小了0.02,峰现时刻推迟了1min;采用铺设透水砖的措施,使管道出口断面的洪峰流量减少了8.33%,约0.06m 3/s,径流系数减小了0.05;两种措施都采用时,管道出口断面的洪峰流量减少了11.11%,约0.08m 3/s,径流系数减小了0.07,峰现时刻推迟了1min。当降雨频率为10%时,采用下凹式绿地的小区管道出口断面的洪峰流量减少了5.08%,约0.03m 3/s,径流系数减小了0.02;采用铺设透水砖措施的小区管道出口断面的洪峰流量减少了8.47%,约0.05m 3/s,径流系数减小了0.04;两种措施都采用时,洪峰流量减少了11.86%,约0.07m 3/s,径流系数减小了0.06。当降雨频率为20%时,采用下凹式绿地的小区管道出口断面的洪峰流量减少了4.44%,约0.02m 3/s,径流系数减小了0.01;采用铺设透水砖措施的小区管道出口断面的洪峰流量减少了8.69%,约0.04m 3/s,径流系

表1　不同降雨频率下的模拟结果

　　由此可以看出:①当只考虑采用下凹式绿地的雨洪措施时,随着降雨频率的增大,径流系数减小的幅度逐渐增大,也即随着降雨频率的增大,径流总量逐渐减少。因此,当降雨频率较大时,采用下凹式绿地的雨洪利用效果较好。②当只考虑铺设透水砖的雨洪措施时,随着降雨频率的增大,其径流系数减小的幅度逐渐减小。因此当降雨频率较小时,铺设透水砖的雨洪措施效果较为明显。

由试验结果还知:①采用铺设透水砖的雨洪利用措施时,其洪峰流量减少幅度基本稳定,其原因在于透水砖的入渗率非常大,降落在透水砖上的雨水通过透水砖能够全部渗入地下;②只采用下凹式绿地的雨洪利用措施时,其洪峰流量减少幅度随着降雨频率的增大而增大,但增大的幅度趋缓,甚至当降雨频率增大到一定程度时,洪峰流量减少的幅度反而减小;③当两种雨洪措施都采用时,其洪峰流量减膜槽、60支浸入式超滤膜、1台电磁流量计、1台鼓风机和2台抽吸水泵组成。采用海南立升公司的LH 3- 0685型浸入式合金PVC超滤膜,膜孔径为0.01μm,设计膜通量为27.2L/(m 2·h),过滤周期为60min,单支膜反洗水量为2.2m 3/h,单支膜曝气量为3～ 4m 3/h,反洗时间为2min。

3.3　工程实施效果

回收系统于2007年建成投产。通过浸入式膜系统对示范工程主工艺系统膜反洗水的回收,系统产水率从79.85%提高到98.03%,可减少废水排放量达33× 104m 3/a,节约了大量的水资源。采用浸入式膜组合工艺回收处理膜反洗水,提高了回收效率,降低了回收风险,特别是有机物和微生物累积风险。多次抽样检测表明,其出水水质满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749— 2006)的要求,不需要再

次进行净化处理,经消毒后可直接进入供水管网。

4　结论

①　膜反洗水中的有机物浓度较高,以DOC表征的有机物主要分布在MW > 30ku和MW < 1ku区间内。

②　浸入式膜和混凝、粉末活性炭吸附组合工艺对膜反洗水的处理效果较好,平均出水浊度为0.07NTU;当FeCl3和PAC的投量均为15mg/L时,出水CODMn平均为2. 81mg/L,平均去除率为50.7%;出水的pH和微生物指标均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749— 2006)的要求。

③　将浸入式膜回收反洗水系统应用于膜处理示范工程,取得了满意的效果。回收系统出水满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749— 2006)的要求,经消毒后可直接进入供水管网。通过对示范工程主

工艺系统膜反洗水的回收处理,使系统的产水率从79.85%提高到98.03%,可减少废水排放量达33×104m 3/a,节约了大量的水资源 　。