劉東旭

（黃河水文水資源科學(xué)研究院，鄭州 450004）

基于自然循環(huán)雨水徑流流量優(yōu)化調(diào)控方法

劉東旭

（黃河水文水資源科學(xué)研究院，鄭州 450004）

通過分析現(xiàn)有雨水徑流流量調(diào)節(jié)方法在應(yīng)用過程中存在的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢，介紹了基于雨水自然循環(huán)的雨水分流管理方法。該方法將雨水徑流分為蒸發(fā)、滲濾和排放3部分，通過調(diào)節(jié)這3部分的比例來模擬區(qū)域開發(fā)前雨水自然循環(huán)過程。分流方法認(rèn)為：蒸發(fā)是降低地面徑流量的主要途徑之一，蒸發(fā)量受當(dāng)?shù)貧庀髼l件的制約，一般為固定值，小的降雨事件以蒸發(fā)為主，中等降雨事件以蒸發(fā)和滲濾為主，大的降雨事件以排放為主。通過實(shí)例分析，詳細(xì)描述了雨水分流技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方法和效果。結(jié)果表明，雨水分流技術(shù)對于降低雨水徑流量和峰流速率，實(shí)現(xiàn)雨水的自然循環(huán)，保護(hù)開發(fā)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境具有重要實(shí)際意義。

雨水管理；自然循環(huán)：蒸發(fā)；滲濾

雨水的自然循環(huán)主要通過蒸發(fā)、滲濾和徑流3種方式。不同的降雨事件、不同地區(qū)，這三者雖然都對生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)揮重要作用，但在自然循環(huán)系統(tǒng)中所發(fā)揮作用的重要程度差別很大。最初建設(shè)雨水管理設(shè)施的目的是防止當(dāng)?shù)匕l(fā)生洪澇災(zāi)害，保護(hù)居民財(cái)產(chǎn)，而不是模擬自然徑流過程。但是隨著城市化進(jìn)程的加快，不透水面積急劇增加，大大降低了滲濾和蒸發(fā)的作用，地面徑流量急劇增加，嚴(yán)重?cái)_亂了雨水的自然水文循環(huán)，破壞了原有的生態(tài)平衡。

城市區(qū)域內(nèi)地面徑流的急劇增加是由于雨水自然循環(huán)過程中滲濾和蒸發(fā)作用降低。比如在美國，一些城市蒸發(fā)量約占全年降雨量的一半，雨水通過原地滲濾后，用于植物生長，地下水補(bǔ)給，河流基流補(bǔ)給等。然而，傳統(tǒng)的雨洪控制與利用設(shè)施的主要是將雨水徑流作為一種“災(zāi)害”來考慮，只進(jìn)行臨時(shí)的收集，然后作為城市發(fā)展過程中的副產(chǎn)物被排放。這種理論在很大程度上忽略了蒸發(fā)和滲濾作為雨水自然循環(huán)過程的重要性［1－2］。

傳統(tǒng)的雨水控制與利用設(shè)施的設(shè)計(jì)方法主要包括直接排放、滯留和儲(chǔ)存。然而，實(shí)踐證明，這3個(gè)理論用于雨水管理問題的某些方面時(shí)都很有效，但用于解決大尺度雨水管理事件時(shí)卻顯得無能為力。因此，很有必要提出新的理論以彌補(bǔ)當(dāng)前的不足。

1 傳統(tǒng)雨水徑流調(diào)節(jié)方法

1．1 直接排放

直接排放是基于不透水區(qū)域產(chǎn)生的大量徑流，將其快速、安全地輸送到下游，從而降低本地發(fā)生洪澇災(zāi)害的頻率［3］。該方法雨水流量分配如圖1所示。橫軸表示降雨時(shí)間，縱軸表示徑流速率。從圖中可知，與開發(fā)前峰流速率相比，開發(fā)后峰流速率增加，二者差值為地面徑流量。雖然直接排放對于預(yù)防本地洪澇災(zāi)害很有效，但加速了徑流向下游輸送速率和流量，增加了下游發(fā)生洪澇災(zāi)害的頻率，且常常導(dǎo)致初期沖刷引起的非點(diǎn)源污染，破壞了雨水自然循環(huán)的水文條件。

圖1 直接排放雨水流量分配示意圖

1．2 調(diào)節(jié)池

雨水調(diào)節(jié)方法是將雨水徑流先實(shí)行原地收集儲(chǔ)存，然后將徑流排放速率控制在開發(fā)前的水平，以減少下游河流發(fā)生洪澇的頻率［4］。該方法可以用圖2表示。雨水調(diào)節(jié)已成為眾多國家控制雨水徑流的方法。因?yàn)檎{(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是將徑流截流，但大尺度暴雨事件除外，頻繁發(fā)生的小降雨事件也不用考慮。因此，該方法不能用于模擬雨水自然循環(huán)水文特征。相對于直接排放系統(tǒng)，雨水調(diào)節(jié)設(shè)施容易引起下游初期沖刷污染，無法有效控制強(qiáng)降雨事件，且河流常常被持續(xù)時(shí)間較長的高峰值流速所侵蝕。

圖2 調(diào)節(jié)池雨水流量分配示意圖

針對上述問題，后來又提出了延時(shí)調(diào)節(jié)池，降低峰值流速至開發(fā)前的水平。該方法基于通過修建大型滯留池，控制較小的出流量，從而使徑流能夠滯留比較長的時(shí)間。雖然延時(shí)調(diào)節(jié)池能夠?qū)⒎逯盗魉俳档椭灵_發(fā)前的水平，但是它仍不能滿足對非點(diǎn)源污染控制或模擬當(dāng)?shù)卣舭l(fā)和滲透的水文過程。

1．3 調(diào)蓄池

針對上述雨水調(diào)節(jié)池存在的問題提出了雨水調(diào)蓄方法。該方法是基于原地蓄存和吸收消納少量徑流，并蓄存初期沖刷中的污染物，從而降低峰值流量和徑流總量［5］，見圖3，控制初期沖刷污染所需要的調(diào)蓄體積見圖中黑色部分。

圖3 初期沖刷調(diào)節(jié)和調(diào)蓄示意圖

調(diào)蓄池存在的主要問題是當(dāng)發(fā)生大的暴雨事件時(shí)，儲(chǔ)存的徑流量體積有限，這對于防止下游洪澇災(zāi)害的發(fā)生顯得微不足道。針對該問題，又提出了另外兩個(gè)基于調(diào)蓄方法的新方法：溢流調(diào)蓄和自動(dòng)液位控制系統(tǒng)［6］。溢流調(diào)蓄是基于調(diào)蓄徑流量等于開發(fā)后增加的峰流量，從而維持峰流量在開發(fā)前自然水文循環(huán)的水平，防止下游發(fā)生洪澇災(zāi)害。即把開發(fā)后增加的徑流量“削減”，并將其儲(chǔ)存在原地。如圖4中所示，黑色部分表示為控制峰值速率需要儲(chǔ)存的徑流體積。

圖4 溢流調(diào)蓄方法示意圖

但是溢流調(diào)蓄仍然不能滿足非點(diǎn)源污染和溢流頻率的控制要求，因?yàn)樵谛〉慕涤晔录r(shí)，初期沖刷污染物和總流量均未加處理地排放到下游，從而引起下游污染。

液位控制方法是通過控制調(diào)蓄池的液位，使開發(fā)后的峰值速率等于開發(fā)前的峰值速率，從而將開發(fā)后峰值速率降低到開發(fā)前的水平。該方法如圖5所示，圖中黑色部分表示調(diào)蓄池需要控制的峰值速率。

圖5 液位控制調(diào)蓄方法示意圖

液位控制調(diào)蓄方法與溢流調(diào)蓄方法的主要區(qū)別在于，前者能夠收集和消納小降雨事件時(shí)的雨水徑流，因此，可使初期沖刷污染得到有效控制。但該方法也存在缺點(diǎn)，因?yàn)閷⒋罅康膹搅鞅Ａ粼谠匾钥刂品逯盗魉?，?huì)導(dǎo)致液位控制調(diào)蓄系統(tǒng)的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際徑流體積。因此，液位控制調(diào)蓄系統(tǒng)的應(yīng)用一般僅限于總徑流系數(shù)變化較小或者是發(fā)生潛在的洪澇災(zāi)害的頻率較低的地區(qū)。

2 分流理論

隨著雨水管理技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員越來越認(rèn)識(shí)到在城市發(fā)展和一體化雨水管理過程中推廣基于分散式雨水管理設(shè)施的重要性。2002年6月，英國哥倫比亞環(huán)境保護(hù)部門出版了英國哥倫比亞指導(dǎo)手冊。該手冊提出了基于雨水自然循環(huán)的水平衡理論，能夠?qū)λ薪涤晔录M(jìn)行調(diào)控［7］。該理論基于以下3個(gè)目標(biāo)：小規(guī)模降雨事件調(diào)蓄；大規(guī)模雨水事件調(diào)節(jié)；非常大的雨水事件進(jìn)行疏導(dǎo)。分流理論是假定蒸發(fā)在雨水管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，這一點(diǎn)不同于其他現(xiàn)有的雨水管理策略。

分流理論是將輸送、調(diào)節(jié)和調(diào)蓄理論進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過構(gòu)建生態(tài)化的分散式雨水管理系統(tǒng)，盡可能將雨水徑流在源頭上進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)雨水管理與景觀設(shè)計(jì)的一體化。分流理論設(shè)計(jì)的目標(biāo)是創(chuàng)建多功能的暴雨管理方法，實(shí)現(xiàn)開發(fā)區(qū)域蒸發(fā)、滲透和徑流的自然過程，維持開發(fā)區(qū)域開發(fā)前的降雨強(qiáng)度、水質(zhì)、頻率、歷時(shí)和降雨量［8］。該理論提出了將雨水徑流分成蒸發(fā)、滲濾和排放3部分，三者以相似的比例通過蓄水設(shè)施、溢流構(gòu)筑物、分流設(shè)施、滲濾和排放系統(tǒng)，進(jìn)入自然景觀。該理論的基本原理見圖6。

圖6 分流方法示意圖

分流理論的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)調(diào)蓄部分體積一定時(shí)，滲透和排放量可根據(jù)降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，調(diào)蓄、滲透和排放設(shè)施與分流設(shè)施相結(jié)合就構(gòu)成了一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（如圖7）。圖中所示灰色部分為蒸發(fā)量，白色部分為滲透量，黑色部分為排放量。

圖7 不同降雨事件分流理論示意圖

當(dāng)發(fā)生小降雨事件時(shí)，分流理論將大部分地面徑流用調(diào)節(jié)池收集，然后進(jìn)行蒸發(fā)，處理初期沖刷污染物。當(dāng)發(fā)生中等降雨事件時(shí)，地面徑流被平均分為蒸發(fā)、滲濾和排放。當(dāng)發(fā)生大的降雨事件時(shí)，蒸發(fā)和滲濾所占的百分比降低，地面徑流以排放為主。因此，可以實(shí)現(xiàn)雨水的自然循環(huán)過程，因?yàn)榘l(fā)生頻繁的小降雨事件，雨水大部分被植物和表層土壤吸收，而頻率較低的大降雨事件所產(chǎn)生徑流大部分排放到下游。分流理論將降雨分為蒸發(fā)、滲濾和地面徑流3部分，并滿足以下水平衡方程［9－10］：

式中 P為降雨量；R為地面徑流量；I為滲濾量；WL為水損失（主要為蒸發(fā)作用）。

與傳統(tǒng)雨水管理方法相比，分流理論的主要優(yōu)點(diǎn)在于將排水設(shè)施中過剩的雨水徑流分為蒸發(fā)、滲濾和排放的能力3部分。其中蒸發(fā)部分的量是一定的，然而滲濾和排放的體積可進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。在開發(fā)區(qū)域建設(shè)大量小的分流設(shè)施，降低地面徑流量，并且采用表面積較大的設(shè)施以利于滲濾和蒸發(fā)，使該理論在城市開發(fā)項(xiàng)目中得以成功應(yīng)用。

3 結(jié)語

分流雨水管理技術(shù)集非點(diǎn)源污染雨水管理系統(tǒng)于一體，

形成了一種新的模擬雨水自然循環(huán)過程的雨水管理方法。比如，將雨水收集利用系統(tǒng)和景觀灌溉系統(tǒng)相結(jié)合，以恢復(fù)自然循環(huán)過程中的蒸發(fā)水平；綠色屋頂和滲濾系統(tǒng)可與建筑物非飲用水系統(tǒng)相結(jié)合以降低徑流量；將滲濾系統(tǒng)與生物滯留系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行過濾和補(bǔ)充地下水。因此，未來雨水管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)集中于模擬自然景觀水文過程，實(shí)現(xiàn)公眾健康、安全和生態(tài)修復(fù)等多個(gè)目標(biāo)。

［1］DeBarry， Paul A．.Watersheds： Processes， Assessment， and Management．John Wiley and Sons， New York．2004.

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［3］Tunney， K．W．Innovative stormwater design： the role of the landscape architect， in stormwater．J．Surf．Water Qual．Professionals（2）， 1， http：//www．forester．net/sw 0101 innovative．html， Accessed July 2007．

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A Novel Methods to Regulate Runoff Volume on the Basis of Natural Recycle

LIU Dong－xu
（The Yellow River Hydrology and Water Resources Research Institute，Zhengzhou450004，China）

This article reviews the development and application of existing runoff volume regulation theories with a focus on emulating natural on site hydrological processes and discusses the design intentions， merits， and weaknesses of each theory．Stormwater split theory is then introduced using elements found in each of these existing theories．This new theory proposes to systematically split runoff into three volumes and evaporate， infiltrate and discharge； and manage these volumes in ways that emulate natural hydrological site processes，thereby creating stormwater management systems that are more ecologically based．The intent is to provide a stormwater management theory that can be used to emulate natural processes of evapotranspiration， infiltration， and runoff and， by extension， emulate pre－development stormwater rate， quality， frequency， duration， and volume．

stormwater management；natural recycle；evapotranspiration；infiltration

TV121

A

1672－9900（2012）01－0004－03

2011-11-17

劉東旭（1978—），男（漢族），河南開封人，工程師，主要從事水文水資源、河流泥沙等研究工作，（Tel）13592698680。