低洼綠地對降低城市徑流深度、徑流系數的效果分析

蔡劍波 ，林 寧 ，杜小松 ，馮云剛

（1.廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州510060；2.惠州市氣象局，廣東惠州516001）

1 概述

近三十年來中國城市化進展發展很快，原來為農田、林地的郊區不斷轉變為道路、廣場、商住樓等城市用地，雨水徑流系數隨之迅速加大，由于原有排水系統設計重現期較低（多為1～2 a）負荷能力有限，瓶頸多，因此在城市低洼區域容易造成“落大雨，水浸街”的內澇現象。目前提高城市防澇能力的辦法主要為增加排澇能力，即通過拓寬河道、擴建雨水管網及排澇泵站等建設工程提高排水重現期標準，緩解了城市水澇危害。但上述方式是在匯流形成后采用的疏導、補救工程措施，存在投資大、維護成本高、占用道路地下空間大，且對城市交通干擾大等問題。近年來興起的城市濕地、水面率標準、低洼綠地等雨洪資源利用的趨勢，則是一種從源頭上治理城市水澇問題的辦法。通過從降雨到匯流的過程中降低徑流的辦法以有效減輕城市水澇危害，同時對改善水質、增加地下水補給都有所裨益。由于城市用地的日趨緊張，難以大規模增加水面，而通過對城市既有綠地的改造或者新建低洼綠地則是更具可操作性減澇方法。

本文針對低洼綠地對降低城市徑流深度、徑流系數的效果進行了分析，以期說明即使綠化率較高的城區，在短期強降雨條件下的徑流系數仍然較高，而低洼綠地可以明顯降低徑流深度和徑流系數。

2 用地概化及徑流系數

根據國家標準《城市建設用地分類與規劃建設用地標準》（GBJ137-90），我國的城市用地可分為居住、公共設施、道路廣場、綠地等10大類，為簡化起見，本文將用地概化為三類進行分析研究：綠地G（包括公園、小區、學校、道路中綠化地帶）、道路及廣場S、構筑物RCU（包括居住R、公共設施C、市政公用U用地等）。廣州某研究規劃區這三類用地比例見圖1。

圖1 綜合徑流系數加權計算公式（普通綠地）

三類用地的徑流系數分別為ψG=0.2；ψS=0.9；ψRCU=0.75。采用加權平均法計算得到研究區綜合徑流系數公式：

概化后的研究區綜合徑流系數為0.595，與城市水文計算中綜合徑流參數取值相比略低（一般取 0.65～0.8）。

實際上，各類下墊面的截流深度雖然會隨降雨強度不同有所變化，但不應是簡單的線性變化，而采用相對穩定的截流深度更合理。以廣州2 a一遇1 h降雨強度54.6 mm估算上述下墊面的截流深度（即總損失量）分別為。

綠地截流深度：IG=54.6×(1-0.2)≈43 mm（初損+下滲）

道路廣場截流深度：IS=54.6×(1-0.9)≈5 mm（路面不平及管溝滯水）

構筑物截流深度：IRCU=54.6×(1-0.75)≈13 mm（局部不平及管溝滯水）

因此，綜合徑流深度、徑流系數又可以進一步表達為降雨量的函數（H為降雨量）：

根據上式，可以得到徑流深度和徑流系數隨降雨量增加而上升的關系，這應當比固定徑流系數的計算方法更合理。

3 降雨歷時和雨量

城區雨水具有流程短，匯流速度快的特點，形成短時間匯流，所選用的降雨歷時往往也較短。因此，不同于水利河道防洪計算中所采用的6 h（h為小時，下同）、24 h甚至72 h的長歷時降雨過程，在城市水文學計算中所采用的降雨歷時一般不超過6 h。根據廣州城區暴雨水浸街的報導和實地走訪調查，0.5～1 h左右的短歷時2 a一遇強降雨（注：老城區排水管網設計重現期一般為1 a）容易造成水浸街，一般2～3 h后才能退水，因此，本文選擇1 h降雨歷時進行分析。

由于暴雨強度公式計算重現期較低（一般為0.25～10 a），排水系統運行過程中必然會遇到超標準甚至稀遇暴雨，為擴展分析較高降雨標準情況，故以水文圖集查算方法計算暴雨量為主。根據廣東省水文總站2003年編制的《廣東省水文圖集》，查出本流域各歷時暴雨均值Ht、變差系數Cvt，用Cs=3.5Cv皮爾遜Ⅲ型曲線，算得P=1%、2%、5%、10%、20%及50%六種頻率各歷時點暴雨量。相應頻率的設計暴雨量參數（點暴雨）成果見表1。

表1 各頻率暴雨量計算成果表

（注*：采用暴雨強度公式計算結果，在低重現期時與圖集查算結果較接近，高重現期時偏小。）

4 低洼綠地深度

城區低洼綠地深度一般不超過150 mm，否則高差過大，積水比過深。本文取0 mm、20 mm、50 mm、80 mm、100 mm、120 mm共6個不同數值的低洼綠地平均下凹深度分別計算分析對降低徑流深度、徑流系數的影響，以期獲得深度和效果的有效契合點。

5 產流計算分析

徑流為毛雨扣除入滲和洼地積水后的產流，其他因素如：植物枝葉截留、蒸發等一般很小，可忽略不計，土壤初期入滲量與前期降雨量有關，如前期土壤較濕則該值亦較小，對徑流影響不大。

不同下凹深度低洼綠地條件下，徑流深度和徑流系數簡化公式如下：

式中：Rd為徑流深；ψd為徑流系數；H為降雨量，mm；d為低洼綠地平均下凹深度，mm。

徑流深度、徑流系數與綠地下凹深度關系見表2。徑流深、徑流系數與綠地下凹深度關系見圖2、圖 3。

表2 徑流深度、徑流系數與綠地下凹深度關系表(降雨量為1h雨量)

圖2 徑流深與綠地下凹深度關系

圖3 徑流系數與綠地下凹深度關系

5.1 低洼綠地深度對徑流深度的影響

當綠地深不小于100 mm的條件下：

50 a一遇（P=2%）1 h降雨徑流深相當于不設置低洼綠地10 a一遇（P=10%）數值，約為70 mm；

20 a一遇（P=5%）1 h降雨徑流深相當于不設置低洼綠地5 a一遇（P=20%）數值，約為55 mm；

10 a一遇（P=10%）1 h降雨徑流深相當于不設置低洼綠地2 a一遇（P=50%）數值，約為35 mm；

2 a一遇（P=50%）1 h降雨甚至可以不產生溢流。

可見不小于100 mm的低洼綠地可以將徑流深所對應的降雨頻率提高1～2個標準級，顯著降低匯流量，削減洪峰流量。

5.2 低洼綠地深度對徑流系數的影響

當綠地深不小于100 mm的條件下：

20 a一遇（P=5%）1 h降雨徑流系數由不設置低洼綠地時的0.8降低至0.5；

10 a一遇（P=10%）1 h降雨徑流系數由不設置低洼綠地時的0.77降低至0.4；

5 a一遇（P=20%）1 h降雨徑流系數由不設置低洼綠地時的0.72降低至0.3以下；

2 a一遇（P=50%）1h降雨徑流系數由不設置低洼綠地時的0.61降低至0.0。

可見不小于100 mm的低洼綠地可以將徑流系數降低0.3～0.4左右，顯著降低匯流比例，削減洪峰流量。

5.3 相同綠地下凹深度條件下，不同降雨量，徑流系數的變化

值得注意的是，未設置低洼綠地時（即表2中第3列綠地下凹深度為0 mm），在2 a一遇（即城市排水常用標準）條件下，徑流系數取值為0.61，20 a一遇（城市河涌防洪排澇常用標準）計算時，徑流系數已上升至0.8。上述變化表明，當采用較高排水標準時，應當適當提高徑流系數的取值。隨著綠地下凹深度的加大，不同降雨量之間徑流系數的變化也在加大，如：

綠地下凹深度為0 mm時，2～20 a一遇1 h徑流系數從0.61加大至0.8，變化幅度為0.19；

綠地下凹深度為20 mm時，2～20 a一遇1 h徑流系數從0.48加大至0.73，變化幅度為0.25；

綠地下凹深度為50 mm時，2～20 a一遇1 h徑流系數從0.29加大至0.63，變化幅度為0.34；

綠地下凹深度為80 mm時，2～20 a一遇1 h徑流系數從0.09加大至0.54，變化幅度為0.45；

綠地下凹深度為100 mm時，2～20 a一遇1 h徑流系數從0.00加大至0.47，變化幅度為0.47。

可見設置低洼綠地后，特別是隨著綠地下凹深度的加大，不同降雨量條件下，徑流系數的變化幅度不斷加大。

6 導入、溢流與入滲

低洼綠地往往設計成中央下凹深度較大100～150 mm，邊緣接順周邊標高的形式，既可以成片設置，也可以利用道路中央綠化帶、路側綠化帶及小區周邊綠化設施改造而成，以便于就近引入收集不透水的路面、屋面的雨水。位于斜坡的綠地則可波浪狀圍壟坡面，以盡量蓄滯雨水。

雨水填滿低洼綠地后，通過設置在綠地內的雨水井口溢流進雨水管網系統。

除溢流外，為保證綠地積水在一定時間內可以排走，尚需要考慮滲透排水。從園林方面考慮，綠地植物通常可以耐淹12～24 h（百喜草則可耐淹數月），但淹水時間過長，對綠地空間利用有影響，不便于市民雨后活動；從防洪排澇方面考慮6 h設計降雨強度約為1 h的降雨強度的27%～30%，但總降雨量僅為1 h設計雨量的1.6～1.8倍，故可在一定時間內排走積水，騰出綠地庫容。以100 mm深綠地6 h為例，要求入滲率達到100/6=16.7 mm/h。

根據在上海測定過多處地點表層雜填土的穩定入滲速率多在3.9～7.5 mm/h，個別達到24～27 mm/h。按土質情況得到的數值卻相對較小，砂壤土僅2.7～3.3 mm/h。據相關文獻《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊，廣東省水文總站1991》珠江三角洲的平均入滲參數為2.5～3.6 mm/h，折算為綠地的應該有所提高。

廣州市表層土多為雜填土，雜填土的入滲能力一般較好，表土下的原狀土基本為粘土、淤泥，入滲性能較差，目前暫時缺乏對廣州市綠地入滲能力統計數據，加之綠地改造回填土的影響，因此入滲率存在不確定性，難以保證凹地積水及時有效入滲，故需采用工程措施加快入滲。一般可通過魚骨狀布置的滲透淺溝結合滲透管的方式，將綠地面狀分布的綠地雨水集中至雨水井附近，同時新建或改造雨水井，井壁采用無砂砼透水材料，以控制入滲時間。

7 結語

（1）徑流系數受降雨量影響，當采用較高排水標準時，應當適當提高徑流系數的取值。

（2）在1 h不同頻率降雨條件下，綠化率35%深度為100 mm的低洼綠地可以將相同徑流深度所對應的降雨頻率提高1～2個標準級，顯著降低匯流量，削減洪峰流量。

（3）在1 h相同頻率降雨條件下，綠化率35%深度為100 mm的低洼綠地可以將徑流系數降低0.3～0.4左右，顯著降低匯流比例，削減洪峰流量。

（4）低洼綠地既可成片設置，亦可分散建設，需有相應的入滲等排水措施相配套。

綜上所述，綠地不下凹時，在降雨量大的情況下，徑流深度和徑流系數仍較大，仍存在較大內澇隱患；而通過傳統的拓寬河道、擴建雨水管網及排澇泵站等建設工程提高排水重現期標準，存在投資大、維護成本高、占用道路地下空間大，且對城市交通干擾大等問題；因此，為有效降低城區徑流深度和徑流系數，減少內澇災害，有必要推廣設置低洼綠地，綠地設置深度建議為80～120 mm。