下凹式綠地徑流削減公式及實(shí)驗(yàn)論證

宋召鳳

摘要：根據(jù)下凹式綠地的滲蓄原理及水量平衡關(guān)系式，建立了其徑流削減率理論公式，并通過實(shí)驗(yàn)論證了其準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：徑流削減率隨著降雨重現(xiàn)期的增加而降低，隨下凹深度的增加而呈升高趨勢(shì)；3種下凹深度工況下，綠地徑流削減率理論值與實(shí)驗(yàn)值相差均低于5%。其中，下凹深度為15 cm時(shí)理論削減率（97.15%）與實(shí)驗(yàn)值（97.88%）最為接近，且重現(xiàn)期小于4a時(shí)二者削減率均為100%。

關(guān)鍵詞：下凹式綠地；滲蓄；徑流削減；下凹深度

中圖分類號(hào)：X171.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2017）14-0119-03

1 引言

城市化的高速發(fā)展、過度建設(shè)使得大量的硬化地面代替了原來具有涵養(yǎng)水源的林地和草地[1]，城市化不透水面積逐年增加、地面蓄水能力大大減弱。這不僅帶來降雨洪峰流量增大、到達(dá)洪峰時(shí)間縮短及地表徑流總流量增加等諸多問題，同時(shí)使徑流雨水沖刷下墊面所帶來的面源污染日漸嚴(yán)重[2]。為有效避免城市化進(jìn)程對(duì)城市水體的影響，國際上陸續(xù)出現(xiàn)了諸多新的雨洪管理理念與技術(shù)。其中，低影響開發(fā)技術(shù)因其能實(shí)現(xiàn)雨水徑流的源頭控制而在國外許多發(fā)達(dá)國家得到廣泛的應(yīng)用[3～5]。

下凹式綠地作為一種典型的低影響開發(fā)技術(shù)，不僅能夠增加城市綠地面積，更重要的是可以有效的蓄滲雨水徑流、增加匯流時(shí)間，實(shí)現(xiàn)削減徑流污染、凈化水質(zhì)的效果[6-8]。目前對(duì)于下凹式綠地的研究雖多，但大多停留在凈化效果的研究[9]。本文從下凹式綠地的徑流削減原理出發(fā)，建立多參數(shù)的徑流削減率理論公式，并通過實(shí)驗(yàn)論證其準(zhǔn)確性，以期為城市規(guī)劃建設(shè)中發(fā)揮綠地的徑流削減作用提供參考依據(jù)。

2 下凹式綠地徑流削減率理論計(jì)算

2.1 下凹式綠地構(gòu)造圖

典型的下凹式綠地由蓄水層、種植層及原土層三部分構(gòu)成（圖1）。綠地內(nèi)設(shè)有溢流口，保證暴雨時(shí)徑流的溢流排放。與普通綠地相比，下凹式綠地利用下凹空間滯留雨水、增加匯流時(shí)間、削減徑流污染，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充地下水、減少徑流污染的效果。

2.2 下凹式綠地水量平衡分析

假設(shè)面積為A1的下凹式綠地，其集水區(qū)面積為B1。當(dāng)降雨發(fā)生后，下凹式綠地通過蓄集、滲透、蒸發(fā)等方式處理集水區(qū)內(nèi)徑流雨水，超過綠地處理能力的雨水通過溢流口排入雨水管道。計(jì)算時(shí)段內(nèi)存在以下水量平衡關(guān)系式[10～12]：

式（1）中，P0為降雨總量（包括集水區(qū)雨水徑流量及直接降至綠地的雨水），m³；U0為初始蓄水量，m³；Wp為下滲量，m³；U1為結(jié)束時(shí)綠地蓄水量，m³；D為徑流損失量，m³；E為蒸發(fā)量，m³；Q為溢流外排量，m³。

2.3 下凹式綠地徑流削減能力計(jì)算

下凹式綠地徑流削減率是降雨過程中綠地滲透、蓄積、蒸發(fā)雨水的量占進(jìn)入綠地總雨水徑流量的百分比，用N綠地表示。由此可見，Wp、U1、E均為下凹式綠地的徑流削減量，由于時(shí)段內(nèi)蒸發(fā)量E較小，在計(jì)算中未考慮。因此，下凹式綠地徑流削減率N綠地可通過式⑵計(jì)算：

從式（6）可以看出，在綠地面積及其集水區(qū)面積一定的情況下，影響下凹式綠地徑流削減率的主要因素是綠地的滲透速率、下凹深度、坡度、綠地周長、降雨重現(xiàn)期與歷時(shí)，以及集水區(qū)的徑流系數(shù)等。

3 實(shí)驗(yàn)論證

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)共采用3個(gè)下凹式綠地反應(yīng)器（編號(hào)A、B、C），每個(gè)反應(yīng)器長、寬、高均為1.0 m，如圖2所示。反應(yīng)器內(nèi)由下而上分別是反濾層（直徑2 cm的鵝卵石，鋪設(shè)厚度10 cm）、土工布、綠化土、草皮（10 cm）。其中，綠化用土依據(jù)上海市綠地土壤容重1.42 mg/m³裝填，總厚度為60 cm；草皮覆蓋面積為90%。裝置內(nèi)壁在距離草皮上面5 cm處設(shè)有直徑為2 cm的排水口，并與收集徑流雨水的桶銜接。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)下凹深度為5 cm、10 cm、15 cm，進(jìn)水速率按照設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的降雨量換算而來，采取人工注水的方式模擬降雨，徑流雨水由裝置溢流口收集，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

3.3 評(píng)估分析

將表1設(shè)計(jì)參數(shù)帶入式⑹得到下凹式綠地在不同重現(xiàn)期下的理論徑流削減率，從與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖（圖3）可以看出，下凹式綠地的徑流削減率理論值與實(shí)驗(yàn)值均隨重現(xiàn)期的增大而降低、隨下凹深度的增加而呈升高趨勢(shì)。其中，下凹深度為15 cm時(shí)理論削減率（97.15%）與實(shí)驗(yàn)值（97.88%）最為接近，二者僅相差0.73%，且重現(xiàn)期小于4a時(shí)二者削減率均為100%；下凹深度為10cm和5cm時(shí)理論削減率（分別為83.96%、67.94%）與實(shí)驗(yàn)值（88.68%、71.12%）相差較大，最大差值也僅為4.72%。通過對(duì)比還發(fā)現(xiàn)，三個(gè)下凹深度的理論削減率均低于實(shí)驗(yàn)值。由此可見，在本實(shí)驗(yàn)條件下，下凹式綠地徑流削減率理論值與實(shí)驗(yàn)值相差均低于5%，且理論值較低。因此，下凹式綠地的徑流削減理論公式可作為實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)參數(shù)制定的依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）下凹式綠地是一種通過滲透、蓄積來實(shí)現(xiàn)削減雨水徑流、凈化水質(zhì)的低影響開發(fā)技術(shù)。根據(jù)其削減徑流的原理及水量平衡關(guān)系式得到其徑流削減率理論公

由此可見，影響下凹式綠地的徑流削減能力的因素包括滲透速率、下凹深度、坡度、綠地周長、降雨重現(xiàn)期與歷時(shí)等。

⑵徑流削減率隨著降雨重現(xiàn)期的增加而降低，隨下凹深度的增加而呈升高趨勢(shì)。三種下凹深度工況下，綠地徑流削減率理論值與實(shí)驗(yàn)值相差均低于5%，且理論值較低。其中，下凹深度為15cm時(shí)理論削減率（97.15%）與實(shí)驗(yàn)值（97.88%）最為接近，且重現(xiàn)期小于4a時(shí)二者削減率均為100%。

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