低势绿地对降低城市径流深度、径流系数的效果分析

论文导读：而低势绿地可以明显降低径流深度和径流系数。径流深度和径流系数简化公式如下：。雨水径流系数随之迅速加大。防洪排涝，低势绿地对降低城市径流深度、径流系数的效果分析。
关键词：低势绿地，下凹绿地，径流深度，径流系数，防洪排涝，城市内涝
 

1　概述

近三十年来中国城市化进展发展很快，原来为农田、林地的郊区不断转变为道路、广场、商住楼等城市用地，雨水径流系数随之迅速加大，由于原有排水系统设计重现期较低（多为1~2年）负荷能力有限，瓶颈多，因此在城市低洼区域容易造成“落大雨，水浸街”的内涝现象。通过拓宽河道、扩建雨水管网及排涝泵站等建设工程提高排水重现期标准，缓解了城市水涝危害。但上述方式是在汇流形成后采用的疏导、补救工程措施，存在投资大、维护成本高、占用道路地下空间大，且对城市交通干扰大等问题。近年来兴起的城市湿地、水面率标准、低势绿地等雨洪资源利用的趋势，则是一种从源头上治理城市水涝问题的办法。通过从降雨到汇流的过程中降低径流的办法以有效减轻城市水涝危害，同时对改善水质、增加地下水补给都有所裨益。由于城市用地的日趋紧张，难以大规模增加水面，而通过对城市既有绿地的改造或者新建低势绿地则是更具可操作性减涝方法。

本文针对低势绿地对降低城市径流深度、径流系数的效果进行了分析，以期说明即使绿化率较高的城区，在短期强降雨条件下的径流系数仍然较高，而低势绿地可以明显降低径流深度和径流系数。

2　用地概化及径流系数

根据国家标准《城市建设用地分类与规划建设用地标准（GBJ137-90）》，我国的城市用地可分为居住、公共设施、道路广场、绿地等10大类，为简化起见，本文将用地概化为三类进行分析研究：绿地G（包括公园、小区、学校、道路中绿化地带）、道路及广场S、构筑物RCU（包括居住R、公共设施C、市政公用U用地等）。设广州某研究规划区这三类用地比例如下图所示。

三类用地的径流系数分别为ψG＝0.2；ψS＝0.9；ψRCU=0.75。采用加权平均法（参《排水工程》孙慧修等编，3.2.2径流系数ψ的确定）计算得到研究区综合径流系数公式：

ψ1＝G%×ψG+S%×ψS+RUC%×ψRCU 　2-1　综合径流系数加权计算公式（普通绿地）

＝0.35×0.2+0.25×0.9+0.40×0.75＝0.595

概化后的研究区综合径流系数为0.595，与城市水文计算中综合径流参数取值较接近（一般取0.6～0.7）。

实际上，各类下垫面的截流深度虽然会随降雨强度不同有所变化，但不应是简单的线性变化，而采用相对稳定的截流深度更合理。以广州2年一遇1h降雨强度54.6mm估算上述下垫面的截流深度（即总损失量）分别为。

绿地截流深度： IG=54.6×(1-0.2)≈43mm（初损+下渗）

道路广场截流深度： IS=54.6×(1-0.9)≈5mm（路面不平及管沟滞水）

构筑物截流深度： IRCU=54.6×(1-0.75)≈13mm（局部不平及管沟滞水）

因此，综合径流深度、径流系数又可以进一步表达为降雨量的函数（H为降雨量）：

R2＝（G%×（H- IG）+S%×（H- IS）+RUC%×（H- IRCU））2-2综合径流深公式（普通绿地）

＝（G%×（H-43）+S%×（H-5）+RUC%×（H-13））

ψ2＝f(H)＝R / H 2-3综合径流系数公式（普通绿地）

根据上式，可以得到径流深度和径流系数随降雨量增加而上升的关系（如后表2第3列所示），这应当比固定径流系数的计算方法更接近实际情况。

3　降雨历时和雨量

城区雨水具有流程短，汇流速度快的特点，形成短时间汇流，所选用的降雨历时往往也较短。因此，不同于水利河道防洪计算中所采用的6h（h为小时，下同）、24h甚至72h的长历时降雨过程，在城市水文学计算中所采用的降雨历时一般不超过6h。根据广州城区暴雨水浸街的报导和实地走访调查，0.5～1h左右的短历时2年一遇强降雨（注：老城区排水管网设计重现期一般为1年）容易造成水浸街，一般2～3h后才能退水，因此，本文选择1h降雨历时进行分析。

由于暴雨强度公式计算重现期较低（一般为0.25～10年），，为扩展分析较高降雨标准情况，故以水文图集查算方法计算暴雨量为主。根据广东省水文总站2003年编制的《广东省水文图集》和1991年编制的《广东省暴雨径流查算图表》等值线图，查出本流域各历时暴雨均值Ht、变差系数Cvt，用Cs=3.5Cv皮尔逊Ⅲ型曲线，算得P=1%、2%、5%、10%、20%及50%六种频率各历时点暴雨量。相应频率的设计暴雨量参数（点暴雨）成果见下表。

表1　各频率暴雨量计算成果表

历时	（mm）		P（%）雨量（mm）
			1	2	5	10	20	50
1小时	60	0.40	138.6	124.8	106.8	91.8	76.8	54.6
60分钟*	－－	――	――	――	――	77.6	69.5	58.7

注*：采用暴雨强度公式计算结果，在低重现期时与图集查算结果较接近，高重现期时偏小。

4　低势绿地深度

城区低势绿地深度一般不超过150mm，否则高差过大，积水比过深。硕士论文，防洪排涝。本文取0mm、20mm、50mm、80mm、100mm、120mm共6个不同数值的低势绿地平均下凹深度分别计算分析对降低径流深度、径流系数的影响，以期获得深度和效果的有效契合点。

5　产流计算分析

径流为毛雨扣除入渗和洼地积水后的产流，其他因素如：植物枝叶截留、蒸发等一般很小，可忽略不计，土壤初期入渗量与前期降雨量有关，如前期土壤较湿则该值亦较小，对径流影响不大。硕士论文，防洪排涝。

不同下凹深度低势绿地条件下，径流深度和径流系数简化公式如下：

Rd＝（G%×（H- IG）+S%×（H- IS）+RUC%×（H- IRCU））-d×G%　5-1综合径流深公式（低势绿地）

ψd＝Rd / H 5-2综合径流系数公式（低势绿地）

Rd为径流深；ψd为径流系数；H为降雨量（mm）；d为低势绿地平均下凹深度（mm）。

表2　径流深度、径流系数与绿地下凹深度关系表(降雨量为1h雨量)

图1　径流深与绿地下凹深度关系

图2　径流系数与绿地下凹深度关系

5.1　低势绿地深度对径流深度的影响――据表2和图1，当绿地深≥100mm的条件下：

50年一遇（P=2%）1h降雨径流深相当于不设置低势绿地10年一遇（P=10%）数值，约为70mm；

20年一遇（P=5%）1h降雨径流深相当于不设置低势绿地5年一遇（P=20%）数值，约为55mm；

10年一遇（P=10%）1h降雨径流深相当于不设置低势绿地2年一遇（P=50%）数值，约为35mm；

两年一遇（P=50%）1h降雨甚至可以不产生溢流。

可见≥100mm的低势绿地可以将径流深所对应的降雨频率提高1～2个标准级，显著降低汇流量，削减洪峰流量。

5.2　低势绿地深度对径流系数的影响――据表2和图2，当绿地深≥100mm的条件下：

20年一遇（P=5%）1h降雨径流系数由不设置低势绿地时的0.8降低至0.5；

10年一遇（P=10%）1h降雨径流系数由不设置低势绿地时的0.77降低至0.4；

5年一遇（P=20%）1h降雨径流系数由不设置低势绿地时的0.72降低至0.3以下；

2年一遇（P=50%）1h降雨径流系数由不设置低势绿地时的0.61降低至0.0。

可见≥100mm的低势绿地可以将径流系数降低0.3～0.4左右，显著降低汇流比例，削减洪峰流量。

5.3　相同绿地下凹深度条件下，不同降雨量，径流系数的变化――值得注意的是，未设置低势绿地时（即表1第3列绿地下凹深度为0mm），在2年一遇（即城市排水常用标准）条件下，径流系数取值为0.61， 20年一遇（城市河涌防洪排涝常用标准）计算时，径流系数已上升至0.8。上述变化表明，当采用较高排水标准时，应当适当提高径流系数的取值。随着绿地下凹深度的加大，不同降雨量之间径流系数的变化也在加大，如：

绿地下凹深度为0mm时，2年至20年一遇1h径流系数从0.61加大至0.8，变化幅度为0.19；

绿地下凹深度为20mm时，2年至20年一遇1h径流系数从0.48加大至0.73，变化幅度为0.25；

绿地下凹深度为50mm时，2年至20年一遇1h径流系数从0.29加大至0.63，变化幅度为0.34；

绿地下凹深度为80mm时，2年至20年一遇1h径流系数从0.09加大至0.54，变化幅度为0.45；

绿地下凹深度为100mm时，2年至20年一遇1h径流系数从0.00加大至0.47，变化幅度为0.47。

可见设置低势绿地后，特别是随着绿地下凹深度的加大，不同降雨量条件下，径流系数的变化幅度不断加大。硕士论文，防洪排涝。

6　溢流与入渗

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