雨水調蓄設施規模簡化計算研究

肖恒婧

廣州市水務工程技術中心 廣東 廣州 510640

1 引言

近年來，隨著城市化進程的加快，下墊面條件發生改變，極端天氣頻發，城市內澇事件增多。2022年5月10日至13日，廣州市從化區局部出現持續性強降雨過程，造成鰲頭鎮上西村路口和良口鎮石嶺至良新路段發生大面積水浸。雨水調蓄設施是一種用于緩解城市內澇的有效措施，它主要用于蓄存雨水控制徑流、收集具有嚴重污染的初期雨水等[1]，作為一種可以兼具削減洪峰流量與控制徑流污染的海綿城市設施，已經被大量用于國內外的城市內澇控制和面源污染治理工程中，國內外學者也對其進行了大量的研究，熊亮亮[2]分析了建設用地緊張條件下調蓄池和雨水泵站合建的集約化設計方案。王路平等[3]分析了布設調蓄池前以及布設集中和分散式調蓄池3種不同情況下研究區的溢流量變化。汪明明等[4]通過層次分析法研究表明雨水調蓄池的選址方案是影響內澇積水削減比例的重要因素。王東贏等[5]通過構建SWMM模型，得出調蓄池對陶沖湖流域沿線雨水水質改善及污染物去除具有較好的效果。杜建康等[6]研究發現雨水調蓄塘可以大幅削減下泄流量，解決高速公路的內澇問題。可見，目前對雨水調蓄設施的研究主要集中在工藝設計、布置形式、選址方案以及對雨水徑流水量和水質的調控效果等方面，而對雨水調蓄設施規模計算方面研究較少且計算方法較為復雜，因此，本文以廣州市增城區某地塊為研究對象，探索研究單位硬化面積調蓄容積法、年徑流總量控制率對應調蓄容積法、內澇防治設計標準和排水設計標準徑流量削減法等3種雨水調蓄設施規模的簡化計算方法，并采用脫過流量法分別計算排水設計標準和內澇防治設計標準條件下削減洪峰流量所需的有效調蓄容積，與以上3種簡化方法進行比對分析，旨在探索出科學合理的簡化計算方法，以期在內澇治理工程實踐中推廣使用。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

廣州市地處廣東省的中南部，珠江三角洲的北緣，屬海洋性亞熱帶季風氣候，據資料顯示，廣州市多年平均降雨量為1857mm，天河西部、花都東北部、增城東北部、從化東部和黃埔中西部等地年總降雨量均大于2200mm，4—9月為汛期，其雨量占全年的80%左右，降雨具有時空分布不均、強度大、頻率高的特點。本次研究區域為廣州市增城區某地塊，用地性質為二類居住用地，地塊總用地面積為55289.37m2，規劃可建設用地面積為55289.37m2，規劃綠地率不小于30%。地塊開發前，土地類型主要為綠地、農田、林地、水域、裸露土地、硬化地面和屋頂，面積分別為17606.31m2、2835.29m2、17323.18m2、2727.39m2、2018.17m2、6161.40m2、6617.63m2，綜合雨量徑流系數為0.32，其中不透水下墊面面積為12779.03m2，占總面積的比例為23.11%，研究區地塊開發建設前下墊面類型構成情況如圖1，地塊規劃開發建設后，土地發生大面積硬化，不透水下墊面的面積將會大幅度提升，這將可能會導致出現內澇現象。

圖1 地塊開發建設前下墊面分類布局圖

2.2 雨水調蓄設施規模計算方法

2.2.1 三種簡化計算方法

（1）單位硬化面積調蓄容積法

根據《廣州市建設項目雨水徑流控制辦法》（廣州市人民政府第107號令），新建建設工程硬化面積達10000m2以上的項目，除城鎮公共道路外，每萬平方米硬化面積應當配建不小于500m3的雨水調蓄設施，當地塊硬化面積不小于10000m2時，雨水調蓄設施規模可根據下式計算：

式中：V為地塊所需雨水調蓄設施容積，m3；F為地塊硬化面積，m2。

（2）年徑流總量控制率對應調蓄容積法

根據《廣州市海綿城市專項規劃（2016-2030）》《廣州市海綿城市規劃設計導則—低影響開發雨水系統構建》（試行），地塊年徑流總量控制率應不低于80%（居住用地為70%-80%），雨水調蓄設施規模可根據下式計算：

式中：V為地塊所需雨水調蓄設施容積，m3；H為設計降雨量，mm，年徑流總量控制率80%對應的設計降雨量，取36mm；Ψ為綜合雨量徑流系數；F為地塊匯水面積，m2。

（3）內澇防治設計標準和排水設計標準徑流量削減法

根據《室外排水設計標準》（GB 50014-2021），改建后相同設計重現期的徑流量不得大于原徑流量。在內澇防治設計標準和排水設計標準下，為保證地塊開發后雨水洪峰流量不大于開發前，通過控制最大20min、60min雨水徑流總量實現洪峰削減效果，雨水調蓄設施設計規模取地塊開發后與地塊開發前最大1小時雨水徑流量之差，公式如下：

式中：V為地塊所需雨水調蓄設施容積，m3；H為內澇防治設計標準、排水設計標準相應降雨歷時下設計降雨量，本區域內澇防治設計重現期為100年一遇，雨水管渠設計重現期為5年一遇；F為地塊匯水面積，m2；Ψ1為開發前地塊的綜合雨量徑流系數；Ψ2為開發后地塊的綜合雨量徑流系數。

2.2.2 脫過流量法

參考《室外排水設計規范》（GB 50014-2006），用于削減排水管道洪峰流量時，雨水調蓄設施的有效容積計算公式如下：

式中：V為調蓄設施有效容積，m3；α為脫過系數，調蓄設施下游設計流量/上游設計流量；Qi為調蓄設施上游設計流量，m3/min；b、n為暴雨強度公式的參數；t為降雨歷時，min，其中t=t1+t2，t1為地面集水時間，min，一般取5-15min，t2為管渠內雨水流行時間，min。

其中（4）式中上下游設計流量根據下式計算：

式中：Q為設計流量，L/s；q為設計暴雨強度，L/(s*ha)，增城區5年一遇暴雨強度公式為q=2687.364/(t+7.068)^ 0.599，100年一遇暴雨強度公式為q=4678.338/(t+8.167)^ 0.627；Ψ為綜合雨量徑流系數；F為地塊匯水面積，ha。

3 結果與分析

3.1 三種簡化方法計算分析

研究區地塊開發建設后，規劃可建設用地面積為55289.37m2，綠地面積按30%計，硬化面積為38692.05m2，代入公式（1），則采用單位硬化面積調蓄容積法計算得出需設置1934.60m3雨水調蓄設施。年徑流總量控制率80%對應的設計降雨量36mm，地塊開發建設后綜合徑流系數為0.68，代入公式（2），則采用年徑流總量控制率對應調蓄容積法計算得出需設置1343.53m3雨水調蓄設施。根據廣州市增城區暴雨強度公式，雨水管渠設計重現期5年一遇、降雨歷時20min、60min下設計降雨量分別為44.72mm、77.90mm，開發前綜合徑流系數Ψ1為0.32，開發后綜合徑流系數Ψ2為0.68，代入公式（3），則通過排水設計標準下徑流量削減法計算得出降雨歷時20min、60min下分別需設置877.68m3、1529.03m3雨水調蓄設施；內澇防治設計重現期100年一遇、降雨歷時20min、60min下設計降雨量分別為69.23mm、119.33mm，根據《室外排水設計標準》（GB 50014-2021），開發前后地塊綜合雨量徑流系數提高50%（徑流系數超過1時，取值為1），即開發前后綜合徑流系數Ψ1、Ψ2為0.48、1，代入公式（3），則通過內澇防治設計標準下徑流量削減法計算得出降雨歷時20min、60min下分別需設置1990.35m3、3430.74m3雨水調蓄設施，計算結果如表1。

表1 內澇防治設計標準和排水設計標準徑流量削減法計算調蓄容積

3.2 脫過流量法計算分析

為保障地塊開發后較開發前雨水徑流量不增加，即在排水設計標準和內澇防治設計標準下洪峰流量不降低，在雨水管渠設計重現期5年一遇和內澇防治設計重現期100年一遇、降雨歷時為20min、60min條件下，采用脫過流量法，通過（4）和（5）式計算得出雨水管渠設計重現期5年一遇、降雨歷時20min、60min下分別需設置855.82m3、1443.28m3雨水調蓄設施，內澇防治設計重現期100年一遇、降雨歷時20min、60min下分別需設置1908.98m3、3173.31m3雨水調蓄設施，計算結果如表2。

表2 脫過流量法計算調蓄容積

表2計算結果顯示，同一降雨重現期下，雖然降雨歷時20min的降雨設計暴雨強度較降雨歷時60min的設計暴雨強度大，但是降雨歷時60min下的計算所需設置的有效調蓄容積更大，這是因為有效調蓄容積計算受降雨歷時影響權重比設計暴雨強度大。

3.3 計算結果比對分析

（1）采用單位硬化面積調蓄容積法計算得出的雨水調蓄設施規模為1934.60m3，大于脫過流量法雨水管渠設計重現期5年一遇、降雨歷時60min下的洪峰流量控制所需有效調蓄容積1443.28m3，基本可以達到內澇防治設計重現期100年一遇、降雨歷時20min的洪峰流量控制所需有效調蓄容積1908.98m3，但難以滿足內澇防治標準下更長降雨歷時的洪峰控制效果。

（2）采用年徑流總量控制率對應調蓄容積法計算得出的雨水調蓄設施規模為1343.53m3，該結果僅大于雨水管渠設計重現期5年一遇、降雨歷時20min下的洪峰流量控制所需有效調蓄容積855.82m3，而遠小于采用脫過流量法的其他3種條件下的計算結果，原因是此方法主要針對源頭減排、控制降雨初期面源污染，因此該方法計算結果會相對于削減洪峰流量計算結果偏小。

（3）采用內澇防治設計標準和排水設計標準徑流量削減法，在4種條件下計算所得出的雨水調蓄設施規模分別為877.68m3、1529.03m3、1990.35m3、3430.74m3，在與之對應重現期和降雨歷時的4種條件下采用脫過流量法計算所得出的雨水調蓄設施規模分別為855.82m3、1443.28m3、1908.98m3、3173.31m3，可見兩種方法計算結果相近，內澇防治設計標準和排水設計標準徑流量削減法計算結果略大，誤差分別為2.55%、5.94%、4.26%、8.11%，且降雨歷時20min小于降雨歷時60min的誤差。這是因為內澇防治設計標準和排水設計標準徑流量削減法基于水量平衡簡化計算，控制相應降雨歷時的雨水外排量，既可達到總水量控制效果、又可實現洪峰流量調節控制效果。

4 結論

（1）采用單位硬化面積調蓄容積法計算得出的雨水調蓄設施規模基本達到內澇防治設計重現期100年一遇、降雨歷時20min的洪峰流量控制所需有效調蓄容積，但難以滿足內澇防治標準下更長降雨歷時的洪峰控制效果，采用年徑流總量控制率對應調蓄容積法計算得出的雨水調蓄設施規模偏小。

（2）采用內澇防治設計標準和排水設計標準徑流量削減法與脫過流量法計算所得出的雨水調蓄設施規模較為接近，誤差較小，僅為2.55%、5.94%、4.26%、8.11%，且降雨歷時越小時兩者誤差越小，鑒于脫過流量法相關參數多、計算較為復雜，本研究認為內澇防治設計標準和排水設計標準徑流量削減法可作為替代方法簡化計算。