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清华大学学报(自然科学版)  2021, Vol. 61 Issue (1): 50-56    DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.029
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降雨特征对多雨城市海绵改造小区径流控制效果的影响
印定坤1,陈正侠1,李骐安1,贾海峰1,*(),刘正权2,沈雷3
1. 清华大学 环境学院, 北京 100084
2. 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 北京分院, 北京 100081
3. 珠海市规划设计研究院, 珠海 519001
Influence of rainfall characteristics on runoff control of a sponge reconstructed community in a rainy city
Dingkun YIN1,Zhengxia CHEN1,Qian LI1,Haifeng JIA1,*(),Zhengquan LIU2,Lei SHEN3,Shakeel AHMAD1
1. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Beijing Branch, North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100081, China
3. Zhuhai Institute of Urban Planning & Design, Zhuhai 519001, China
全文: PDF(5065 KB)  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

为科学定量评价不同降雨特征对多雨城市海绵改造小区径流控制效果的影响,该文基于在线监测和模型模拟相结合的方法,以某多雨地区海绵城市试点区内一个典型小区为研究对象,布置代表性的监测点对其排口流量和悬浮物(suspended solid,SS)进行连续在线监测。在此基础上构建暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM),开展海绵小区改造对径流水量控制和水质净化效果评价的实证研究。利用实测在线降雨水量水质数据对模型关键参数进行率定和验证,Nash-Sutcliffe效率系数均大于0.71。在实际场次降雨和典型年降雨情景下,模拟分析了海绵改造对雨水径流水量控制和水质净化的效果。结果表明,海绵改造后,小区范围内的年径流总量控制率为52.9%,年径流削减率为28.0%,污染物负荷削减率为66.3%。整体而言,共计81场降雨事件下的径流控制率均达到70%以上。同时,研究发现极端降雨事件与各降雨事件下的降雨特征均对场降雨径流控制能力有不同程度的影响。研究区2009年内平均场降雨控制率为86.5%,而当分别不考虑极端小降雨/暴雨事件时,平均场降雨控制率为79.9%和88.2%。降雨量与雨前干期对场降雨径流控制能力的影响较大,在小雨(< 15 mm)、中雨(10~25 mm)及大雨(>25 mm)3种不同情况下,研究区的场降雨径流平均控制率分别为98.1%、73.8%和52.9%。在雨前干期大于等于6 d的降雨事件下(共15场),场降雨径流控制率均达到90%以上。而降雨历时与平均雨强对场降雨径流控制率的影响并不显著。

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印定坤
陈正侠
李骐安
贾海峰
刘正权
沈雷
关键词 排水工程海绵城市在线监测暴雨洪水管理模型(SWMM)小区尺度水量控制污染物去除降雨特征    
Abstract

Runoff control and non-point source pollution reduction in a sponge reconstruction community in a rainy city were studied using online monitoring and model simulations of a typical community in the sponge city pilot area. The rainfall-runoff volume and the suspended solid (SS) concentration were monitored continually at the two outlets from the community. A storm water management model (SWMM) was used to simulate the runoff control and non-point source pollution reduction in the sponge city design. Then, the model parameters were calibrated and validated against a natural rainfall event during the monitoring period. The results showed that all of the Nash-Sutcliffe efficiency coefficients were greater than 0.71, which ensured the model accuracy. Finally, the model was used to evaluate the effect of total runoff control and non-point source pollution reduction for 2 scenarios "before" and "after" the sponge city construction. The results showed that the sponge city construction helped control the runoff volume and reduce the non-point source pollution. After the sponge city construction, the total annual runoff rate was 52.9% of the total rainfall, the annual runoff was reduced by 28.0%, and the pollutant load was reduced by 66.3%. Overall, the runoff rate exceeded 70% for 81 rainfall events. Extreme rainfall events and the rainfall characteristics for each rainfall event have varying degrees of influence on the rainfall control rates. The average rainfall control rate in this study area in 2009 was 86.5%. The average rainfall control rates were 79.9% for light storms and 88.2% for severe storms. The rainfall amount and the preceding dry period strongly influenced the runoff control capacity. The average rainfall control rates were 98.1% for a light rainfall (< 15 mm), 73.8% for a moderate rainfall (10~25 mm) and 52.9% for a heavy rainfall (> 25 mm). For rainfall events after dry periods of 6 days or more (15 events in total), the rainfall runoff control rate exceeded 90%. The rainfall duration and average rainfall intensity had little effect on the rainfall runoff control rate.

Key wordsdrainage engineering    sponge city    online monitoring    storm water management model (SWMM)    community scale    water quantity control    pollutant removal    rainfall characteristics
收稿日期: 2020-03-22      出版日期: 2020-11-26
通讯作者: 贾海峰     E-mail: jhf@tsinghua.edu.cn
引用本文:   
印定坤,陈正侠,李骐安,贾海峰,刘正权,沈雷. 降雨特征对多雨城市海绵改造小区径流控制效果的影响[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2021, 61(1): 50-56.
Dingkun YIN,Zhengxia CHEN,Qian LI,Haifeng JIA,Zhengquan LIU,Lei SHEN,Shakeel AHMAD. Influence of rainfall characteristics on runoff control of a sponge reconstructed community in a rainy city. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2021, 61(1): 50-56.
链接本文:  
http://jst.tsinghuajournals.com/CN/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.029  或          http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2021/V61/I1/50
  研究区概化图
10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.029.T001

降雨事件特征统计

降雨事件 降雨量/mm 降雨历时/min 平均雨强/(mm·min-1)
2019-05-31 24.2 161 0.15
2019-06-18 42.6 459 0.09
2019-06-25 35.4 141 0.25
2019-07-02 110.6 1 802 0.06
2019-07-31 47.2 396 0.12
  
降雨事件特征统计
  模型参数率定结果
  模型验证结果
10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.029.T002

关键参数取值

参数类型 序号 参数名称 参数值
不透水区水量参数 1 下渗曲线数值 55
2 不透水区Manning粗糙系数 0.01
3 不透水区初损填洼深度/mm 2
透水区水量参数 1 下渗曲线数值 98
2 透水区Manning粗糙系数 0.1
3 透水区初损填洼深度/mm 0.05
下渗参数 1 最大下渗速率/(mm·h-1) 30
2 最小下渗速率/(mm·h-1) 15
3 下渗速率衰减常数/h-1 1
4 饱和土壤到完全干燥土壤需要的时间/d 0.5
海绵设施参数 1 存储水深/mm 100
2 植被覆盖度/% 0.2
3 表面糙率-Manning系数n 0.24
4 土壤厚度/mm 250
5 孔隙度 0.6
6 田间持水量 0.2
7 凋萎点 0.1
8 传导度/(mm·h-1) 10
9 传导度坡度 10
10 土壤水吸力/mm 5
11 存储高度/mm 300
12 孔隙率 0.75
13 下渗率/(mm·h-1) 25
14 阻碍因子 0
15 排水系数 0
16 排水指数 0.5
水质参数 1 累积/冲刷曲线 EXP
2 绿地最大累积量 80
3 绿地速率常数/d-1 10
4 绿地冲刷系数 0.014
5 绿地冲刷指数 0.3
6 绿地清扫效率/% 0
7 绿地BMP效率/% 80
8 屋面最大累积量 65
9 屋面速率常数/d-1 3
10 屋面冲刷系数 0.014
11 屋面冲刷指数 0.8
12 屋面清扫效率/% 0
13 屋面BMP效率/% 0
14 路面最大累积量 500
15 路面速率常数/d-1 3
16 路面冲刷系数 0.018
17 路面冲刷指数 0.8
18 路面清扫效率/% 50
19 路面BMP效率/% 55

  注:表中海绵设施参数仅为研究区内雨水花园各结构层的参数配置,且植草沟的面层参数与雨水花园一致。由于无透水铺装具体结构层信息,因此使用模型默认值进行模拟。

  
关键参数取值
10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.029.T003

不同降雨场次水量水质控制效果分析

降雨时间 海绵改造情景 产流体积/m3 SS负荷/kg 径流削减率/% 径流控制率/% SS负荷削减率/%
2019-05-31 改造前 286.8 1.82 30.3 51.6 22.9
改造后199.81.40
2019-06-18 改造前 618 10.12 18.3 30.5 67.9
改造后504.63.245
2019-07-02 改造前 1 239.6 88.96 20.1 47.5 78.3
改造后990.619.26
2019-07-31 改造前 237.6 41.59 94.4 98.4 96.6
改造后13.21.41
  
不同降雨场次水量水质控制效果分析
10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.029.T004

典型年降雨条件下研究区域排口的水量和水质改造前后变化

参数 数值
年降雨量/mm 2 000.6
区域面积/m2 17 048
年降雨体积/m3 34 110
年产流体积(改造后)/m3 16 070
年产流体积(改造前)/m3 22 330
年径流总量控制率/% 52.9
年径流总量削减率/% 28.0
年污染物负荷削减率/% 66.3
  
典型年降雨条件下研究区域排口的水量和水质改造前后变化
  典型年海绵城市建设前后研究区排口的水量和水质变化   不同降雨事件对径流减控效果的影响   降雨特征对场降雨径流控制率的影响
3 XU T , JIA H F , WANG Z , et al. SWMM-based methodology for block-scale LID-BMPs planning based on site-scale multi-objective optimization:A case study in Tianjin[J]. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2017. 11 (4): 1.
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