溫達文,楊建濤,王 森,劉 晉*,王 斌

(1.廣州市增城區(qū)水務(wù)建設(shè)管理所,廣東 廣州 511300;2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510611;3.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室,廣東 廣州 510611)

隨著中國經(jīng)濟快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化建設(shè)取得顯著成就,但同時也存在地塊開發(fā)強度大、下墊面過度硬化等問題,由于現(xiàn)狀下墊面的改變,導(dǎo)致區(qū)域原有自然生態(tài)本底和水文特征發(fā)生改變[1-3]。以習(xí)近平生態(tài)文明思想為指導(dǎo),深入貫徹落實國家關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的重要決定、推進海綿城市示范建設(shè)的要求及系統(tǒng)化全域推進海綿城市建設(shè)符合現(xiàn)階段中國發(fā)展需求[4]。海綿城市是指將傳統(tǒng)建設(shè)模式由“快速排除”和“末端集中”控制為主的規(guī)劃設(shè)計理念轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴奥啪忈尅焙汀霸搭^分散”控制為主的規(guī)劃設(shè)計理念,通過“源頭-過程-末端”的綜合措施,實現(xiàn)對雨水徑流的有效控制,從而轉(zhuǎn)變成自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展方式[5-8]。

在海綿城市建設(shè)過程中,雨水的滲、滯、蓄、凈、用、排主要體現(xiàn)在年徑流總量控制率這一核心指標(biāo)中[9-10]。年徑流總量控制率是區(qū)域范圍內(nèi)通過下滲、蓄積、利用、蒸發(fā)、蒸騰等方式,區(qū)域內(nèi)全年累計得到控制的水量占全年總降水量的比例,與傳統(tǒng)的雨量、流量徑流系數(shù)既有聯(lián)系又有差異[9]。如何科學(xué)合理地確定年徑流總量控制目標(biāo),是近年來海綿城市建設(shè)過程中主要探索內(nèi)容。任心欣等[9]利用SWMM模型,分析建筑小區(qū)開發(fā)建設(shè)后達到年徑流總量控制率指標(biāo)要求時在各種降水條件下的雨水徑流系數(shù),探討了雨水徑流系數(shù)與其年徑流總量控制率之間的內(nèi)在聯(lián)系。張高嫄等[2]針對年徑流總量控制率在控規(guī)層面推進中存在的問題,提出了一套指標(biāo)分解的思路與技術(shù)方法,并通過實際案例對指標(biāo)分解過程加以說明。蘇定江等[11]將容積法在低影響開發(fā)中的應(yīng)用與美國、澳大利亞的水敏性城市設(shè)計中容積法的應(yīng)用進行了比較,分析其異同點。資強等[12]基于容積法對設(shè)計的海綿場地理論徑流控制能力進行研究,結(jié)果表明按照容積法確定的LID設(shè)施規(guī)模具有一定的安全度。臧翀等[13]利用Infoworks ICM模型,建立一維管網(wǎng)和二維河湖耦合模型,結(jié)合管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),劃分匯水分區(qū),確定各類型地塊雨水徑流系數(shù)。

年徑流總量控制率是計算海綿調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模、決定海綿改造程度的重要標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù),年徑流總量控制率在項目規(guī)劃、設(shè)計、施工圖審查等各個環(huán)節(jié)都尤為重要[12,14]。本研究以年徑流總量控制率為研究對象,參考現(xiàn)有研究成果,通過現(xiàn)狀評估、指標(biāo)分解和模型校驗對廣州科教城區(qū)域年徑流總量控制率進行指標(biāo)分解,探討廣州科教城片區(qū)各開發(fā)地塊年徑流總量控制目標(biāo),以期指導(dǎo)廣州科教城片區(qū)各地塊開發(fā)建設(shè)。

1 研究區(qū)概況

廣州市科技教育城(簡稱廣州科教城)位于廣州市增城區(qū)朱村街道[15]。廣州科教城規(guī)劃總用地14.38 km2,根據(jù)規(guī)劃,廣州科教城片區(qū)分一期、二期和遠期建設(shè)。一期包括13所職業(yè)學(xué)校和1處技能人才公共實訓(xùn)鑒定基地。廣州科教城旨在打造大灣區(qū)一流教育聚集區(qū)及南方職業(yè)教育高地,片區(qū)建成后將成為廣州提升粵港澳大灣區(qū)科技教育文化中心功能、增強經(jīng)濟和人口承載力的重要抓手。

結(jié)合廣州科教城片區(qū)規(guī)劃管控和排水分區(qū)劃分,明確本文研究范圍為廣州科教城一期范圍,面積約為10.79 km2,見圖1。廣州科教城一期現(xiàn)狀山水資源豐富,內(nèi)有白水山及眾多小山丘,片區(qū)呈現(xiàn)出山水生態(tài)、水鄉(xiāng)田園的風(fēng)貌格局。廣州科教城片區(qū)內(nèi)部河流屬東江水系,主要河流為東江一級支流西福河。此外,廣州科教城片區(qū)內(nèi)部分布著許多的山塘與水庫(主要有上小磜水庫與下小磜水庫),片區(qū)內(nèi)形成了較為豐富的河涌水系網(wǎng)絡(luò)。

圖1 研究區(qū)位置

2 年徑流總量控制率指標(biāo)分解

2.1 容積法

國家住建部在2014年發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》(以下簡稱《海綿指南》)中第一次介紹了用容積法來計算年徑流總量控制率,其論述如下:海綿設(shè)施在設(shè)計時當(dāng)以年徑流總量控制率和年徑流污染削減率為控制目標(biāo),海綿設(shè)施的調(diào)蓄容積一般應(yīng)滿足“單位面積控制容積”這一指標(biāo)要求[11,16]。設(shè)計調(diào)蓄容積一般采用容積法進行計算,計算公式如下:

V=10HφF

(1)

式中V——設(shè)計調(diào)蓄容積,m3;H——實際設(shè)計降雨量,mm;φ——綜合雨量徑流系數(shù);F——匯水面積,hm2。

本研究采用容積法來確定研究區(qū)各開發(fā)地塊年徑流總量控制率。依據(jù)城市規(guī)劃的土地利用類型,查算出研究范圍內(nèi)各地塊的徑流系數(shù),計算研究區(qū)域的規(guī)劃綜合徑流系數(shù)。根據(jù)研究區(qū)調(diào)蓄容積,核算區(qū)域年徑流總量控制目標(biāo)的可達性。通過對比Vgh和Vt,如Vgh≥Vt,則規(guī)劃調(diào)蓄容積滿足年徑流總量控制率的要求,如Vgh

2.2 現(xiàn)狀評估

廣州科教城片區(qū)現(xiàn)狀處于開發(fā)建設(shè)前期階段,大部分用地已經(jīng)完成土地平整,北部有大面積未建設(shè)農(nóng)林用地,僅有南部部分用地已建設(shè)。根據(jù)圖2可知,片區(qū)居住用地占總用地3.92%,商業(yè)商務(wù)用地占總用地的1.33%,中小學(xué)用地占總用地的0.28%,農(nóng)林用地占總用地的35.29%,已平整未建設(shè)用地占總用地的57.01%。

圖2 廣州科教城土地利用現(xiàn)狀

根據(jù)廣州科教城片區(qū)現(xiàn)狀土地利用情況,依據(jù)GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》(2016 版)、GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》等有關(guān)規(guī)定,通過對各類用地徑流系數(shù)加權(quán)平均(表1),得到廣州科教城片區(qū)現(xiàn)狀城市綜合徑流系數(shù)為0.46。

表1 現(xiàn)狀徑流系數(shù)統(tǒng)計

通過容積法計算廣州科教城片區(qū)各地塊現(xiàn)狀年徑流總量控制率。根據(jù)圖3,插值得出廣州科教城片區(qū)現(xiàn)狀(未開發(fā)建設(shè))年徑流總量控制率為70.5%(即廣州科教城片區(qū)現(xiàn)狀所達到的年徑流總量控制率為70.5%),各地塊現(xiàn)狀年徑流總量控制率空間分布見圖4。由圖可知,該區(qū)域現(xiàn)狀北部地區(qū)主要為林地和裸地,地塊徑流控制能力較好,南部區(qū)域主要包括居住用地、裸地和綠地,地塊徑流控制能力較差,存在較大地提升空間。

圖3 年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量關(guān)系

圖4 廣州科教城現(xiàn)狀年徑流總量控制率分布

2.3 規(guī)劃年徑流總量控制率指標(biāo)分解

根據(jù)《廣州教育城一期控制性詳細規(guī)劃》有關(guān)成果,廣州科教城土地利用規(guī)劃見圖5。由圖可知,研究區(qū)規(guī)劃城市建設(shè)用地863.51 hm2,占總用地的79.99%。規(guī)劃非建設(shè)用地215.93 hm2,占規(guī)劃區(qū)總用地的20.01%,其中水域用地78.76 hm2,農(nóng)林用地137.17 hm2。

圖5 廣州科教城土地利用規(guī)劃

廣州科教城片區(qū)各地塊規(guī)劃年徑流總量控制率計算可按以下步驟。

步驟一核算每個地塊的年均綜合雨量徑流系數(shù)。根據(jù)片區(qū)土地利用規(guī)劃,按表2確定地塊的年均雨量徑流系數(shù),經(jīng)加權(quán)平均得到地塊的年均綜合雨量徑流系數(shù)。若年均綜合雨量徑流系數(shù)對應(yīng)的年徑流總量控制率滿足要求,則該地塊年徑流總量控制率達標(biāo)。

表2 下墊面徑流系數(shù)取值

步驟二若年均綜合雨量徑流系數(shù)對應(yīng)的年徑流總量控制率不滿足要求,則按容積法進行規(guī)劃調(diào)蓄容積核算。各地塊所需規(guī)劃調(diào)蓄容積需在開發(fā)建設(shè)中落實相應(yīng)的海綿設(shè)施,以此達到調(diào)蓄需求。

依據(jù)片區(qū)土地利用規(guī)劃,計算得出廣州科教城區(qū)域的規(guī)劃綜合徑流系數(shù)為0.5。按容積法進行規(guī)劃調(diào)蓄容積核算,得出廣州科教城片區(qū)需設(shè)置總調(diào)蓄容積約為14.04萬m3,各地塊開發(fā)建設(shè)中應(yīng)因地制宜落實相應(yīng)海綿措施,以此達到各地塊所需的調(diào)蓄容積。當(dāng)廣州科教城片區(qū)設(shè)置總調(diào)蓄容積約為14.04萬m3時,結(jié)合各開發(fā)地塊項目類型,片區(qū)年徑流總量控制率分解結(jié)果見圖6。

圖6 廣州科教城規(guī)劃年徑流總量控制率空間分布

根據(jù)廣州市增城區(qū)年徑流總量控制率-設(shè)計降雨量曲線(圖3),當(dāng)廣州科教城片區(qū)設(shè)置總調(diào)蓄容積約為14.04萬m3時,插值得出廣州科教城片區(qū)規(guī)劃總年徑流總量控制率為73%?！稄V州市增城區(qū)海綿城市專項規(guī)劃(2019—2035)》對廣州科教城片區(qū)年徑流總量控制率的要求為不低于72%。通過對比表明本文對廣州科教城各開發(fā)地年徑流總量控制率分解結(jié)果滿足該區(qū)域海綿城市專項規(guī)劃建設(shè)要求。

3 模型校驗

本研究采用InfoWorks ICM對廣州科教城片區(qū)進行管網(wǎng)系統(tǒng)能力、區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險模型評估,以期驗證廣州科教城片區(qū)各地塊在按照本研究確定的年徑流總量控制率開發(fā)建設(shè)后,片區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力。

3.1 產(chǎn)匯流模型選擇

降水經(jīng)過地表的滯留、下滲、蒸發(fā)等過程之后,剩余降水的部分作為地表徑流滯留在匯水區(qū)表面[17-18]。其計算見式(2):

WCL=QZ-QXS-QZF

(2)

式中QZ——降水總量;QXS——降水下滲量;QZF——降水蒸發(fā)量,降水蒸發(fā)量取決于區(qū)域?qū)嶋H情況;QZ——降水時段內(nèi)的累計降水容積,m3,由各子匯水區(qū)面積乘以區(qū)域降水深度得到;QXS——降水滲透到地表土壤下的水量。

產(chǎn)匯流模型中的下滲量利用Horton模型計算。Horton模型標(biāo)正了下滲能力與時間關(guān)系的函數(shù),如式(3):

fp=f∞+(f0-f∞)eαt

(3)

式中fp——t時刻的下滲率,mm/s;f∞——穩(wěn)定下滲率,mm/s;f0——初始下滲率,mm/s;t——降水總時長,s;α——衰減系數(shù),反映土壤下滲率遞減關(guān)系,s-1。

Horton模型下滲量計算過程見圖7。

圖7 Horton下滲曲線

實際下滲率由理論下滲率和實際降水強度中的最小值決定,其公式表示為:

f(t)=min[fp(t),i(t)]f(t)

(4)

式中fp(t)——t時刻理論下滲率,mm/s;fp——僅與時間有關(guān),在降雨強度較小的情況下也將逐漸減小;i(t)——t時刻實際降水強度,mm/s;f0、f∞——通常大于實際降雨強度i(t)。

累計下滲量計算公式見式(5):

(5)

式中F(tp)——t≠p時刻的累計下滲量,mm。

霍頓模型中初始入滲率可參照表3確定,根據(jù)廣州科教城片區(qū)實際土壤情況,本次模型采用干燥黏土、基本無植被,初設(shè)入滲率為25.4 mm/h。

表3 霍頓模型土壤初始入滲率

3.2 排水分區(qū)劃分

根據(jù)片區(qū)現(xiàn)狀地形、豎向規(guī)劃和防洪排澇規(guī)劃,以河涌支、干流節(jié)點分界為劃分基礎(chǔ),對廣州科教城片區(qū)進行排水分區(qū)劃分,劃分結(jié)果見圖8。由圖可知,本次研究將廣州科教城片區(qū)劃分為4個匯水分區(qū)。

圖8 匯水分區(qū)劃分結(jié)果

在匯水分區(qū)的基礎(chǔ)上以管網(wǎng)排水邊界為劃分依據(jù),繼續(xù)劃分排水分區(qū),排水分區(qū)劃分結(jié)果見圖9。由圖可知,每個匯水分區(qū)各劃分出2個排水分區(qū)。

圖9 排水分區(qū)劃分結(jié)果

3.3 模型建立

將雨水管網(wǎng)管道規(guī)格、管底標(biāo)高等數(shù)據(jù)錄入ICM,并進行子集水區(qū)劃分。根據(jù)土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)輸入各地塊土地利用類型,設(shè)置相應(yīng)的徑流表面,得到模型網(wǎng)絡(luò),見圖10。圖中紅線表示廣州科教城片區(qū)實際規(guī)劃管網(wǎng),綠色圓點代表片區(qū)規(guī)劃管網(wǎng)節(jié)點(檢查井、調(diào)蓄池、雨水排口等),本次模型依據(jù)管網(wǎng)節(jié)點將廣州科教城片區(qū)劃分為238個子集水分區(qū)。

圖10 管網(wǎng)模型網(wǎng)絡(luò)

3.4 管網(wǎng)能力評估

管網(wǎng)的超負荷狀態(tài)是指管網(wǎng)內(nèi)水流的充滿程度[19]。本研究選取4個超負荷狀態(tài)閾值(表4),來評估廣州科教城片區(qū)地塊開發(fā)建設(shè)后在不同重現(xiàn)期降雨條件下的管網(wǎng)過流能力。

表4 InfoWorks ICM超負荷狀態(tài)取值定義

本文選用廣州市增城區(qū)暴雨強度公式,結(jié)合芝加哥雨型,得到1、3、5、10、100年一遇設(shè)計重現(xiàn)期下的設(shè)計暴雨數(shù)據(jù),運用InfoWorks ICM模型對廣州科教城區(qū)域管網(wǎng)進行模擬,來分析管道的超負荷狀態(tài),其統(tǒng)計結(jié)果見表5。由表5可知,在1、3、5、10年一遇設(shè)計暴雨條件下,廣州科教城片區(qū)管網(wǎng)的超負荷狀態(tài)均小于2,說明設(shè)計管網(wǎng)滿足10年一遇設(shè)計重現(xiàn)期。在100年一遇設(shè)計暴雨條件下,片區(qū)管網(wǎng)超負荷狀態(tài)出現(xiàn)大于2的情況,占比約為17.29%?？傮w來說,隨著設(shè)計重現(xiàn)期的增大,廣州科教城片區(qū)管網(wǎng)超負荷狀態(tài)比例增加,在100年一遇設(shè)計暴雨條件下部分管網(wǎng)出現(xiàn)過流能力不足情況。

表5 不同重現(xiàn)期下管道超負荷統(tǒng)計

對廣州科教城片區(qū)分別在設(shè)計重現(xiàn)期為1、3、5、10、100年一遇設(shè)計暴雨條件下進行內(nèi)澇模擬分析。結(jié)果顯示在重現(xiàn)期為1、3、5、10年一遇暴雨條件下,片區(qū)均無出現(xiàn)積水現(xiàn)象。100年一遇降雨條件下模型模擬結(jié)果見圖11,圖中藍色表示廣州科教城片區(qū)規(guī)劃雨水管網(wǎng),綠色圓點代表片區(qū)規(guī)劃管網(wǎng)節(jié)點(檢查井、調(diào)蓄池、雨水排口等),紅色表示片區(qū)積水點。由圖可知,在100年一遇降水條件下片區(qū)部分區(qū)域出現(xiàn)積水,但深度均小于0.5 m。結(jié)果表明廣州科教城片區(qū)各開發(fā)地塊按照研究確定的年徑流總量控制率開發(fā)建設(shè)后,片區(qū)可有效應(yīng)對100年一遇降雨。

圖11 100年一遇暴雨條件下模型模擬結(jié)果

4 結(jié)論

a)采用容積法將廣州科教城片區(qū)需滿足的年徑流總量控制率總指標(biāo)分解到各開發(fā)地塊,以指導(dǎo)各地塊后續(xù)開發(fā)建設(shè)。當(dāng)廣州科教城片區(qū)設(shè)置總調(diào)蓄容積約為14.04萬m3時,廣州科教城片區(qū)規(guī)劃總年徑流總量控制率可達到73%。

b)運用InfoWorks ICM模型來分析廣州科教城片區(qū)管網(wǎng)的超負荷狀態(tài),結(jié)果顯示隨著設(shè)計重現(xiàn)期的增大,廣州科教城片區(qū)管網(wǎng)超負荷狀態(tài)比例增加。在100年一遇設(shè)計降雨條件下,片區(qū)管網(wǎng)超負荷狀態(tài)出現(xiàn)大于2的情況,占比約為17.29%。

c)對各地塊年徑流總量控制率指標(biāo)分解的合理性進行模擬驗證,結(jié)果表明各地塊在按照規(guī)劃年徑流總量控制率開發(fā)建設(shè)后,片區(qū)排水管網(wǎng)均滿足10年一遇設(shè)計重現(xiàn)期,在100年一遇降雨條件下部分區(qū)域雖出現(xiàn)積水,但無內(nèi)澇發(fā)生。