LID措施提高上海市建成區(qū)排澇能力

1、LID措施提高上海市建成區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)的模型實驗研究同濟大學(xué)主要內(nèi)容 研究的背景與意義 研究區(qū)域概況 LID方案選擇與模型參數(shù)設(shè)置 模擬實驗結(jié)果與分析 應(yīng)用前景探討1. 研究背景與意義 按照室外排水設(shè)計規(guī)范（2014版）的要求，上海市的排水標(biāo)準(zhǔn)從1年一遇提高到5年一遇； 上海市建成區(qū)占規(guī)劃城市用地的很大部分，建成區(qū)排水系統(tǒng)的提標(biāo)改造是不得不面對的實際問題； 挖除舊管道重排的可實施性差，社會成本非常高，從長計議也難以普遍實施； 在建成區(qū)實施部分LID措施，通過源頭減量，以現(xiàn)有排水管道系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)已建成排水系統(tǒng)的提標(biāo)改造，是一種可能的選擇。1. 研究的背景意義 研究目標(biāo)研究目標(biāo)： 根據(jù)上海市建成區(qū)

2、代表性排水區(qū)域的具體情況篩選、布置LID措施，考察通過源頭控制提高現(xiàn)有灰色基礎(chǔ)設(shè)施排澇能力的效果，現(xiàn)有排水系統(tǒng)達到5年一遇的可能性； 研究方法研究方法： 以SWMM軟件為工具，建立排水系統(tǒng)管網(wǎng)水力模型，完成LID設(shè)施的參數(shù)設(shè)置，通過模型實驗評價綠色設(shè)施設(shè)置方案對提標(biāo)改造的效果。 鞍山排水系統(tǒng)鞍山排水系統(tǒng)：服務(wù)面積約1.3km2， 區(qū)域內(nèi)主要是上世紀8090年代建造的多層住宅及少量商業(yè)建筑。以下簡稱A匯水匯水區(qū)域。區(qū)域。2. 研究區(qū)域概況用地類型面積/ha比例/%建筑38.332.1道路廣場40.233.7綠地40.834.2A系統(tǒng)土地利用概況2. 研究區(qū)域概況 A系統(tǒng)泵站與總管建于1994年，

3、現(xiàn)有排水管道總長度約為6.5km，其中部分路段管道在2007-2009年進行了提標(biāo)改造； 利用鞍山泵站的運行數(shù)據(jù)，對A系統(tǒng)的管網(wǎng)模型進行率定驗證，確定管網(wǎng)模型的可靠性； 以經(jīng)過率定驗證的管網(wǎng)水力模型，結(jié)合SWMM的LID模塊評價現(xiàn)有管道系統(tǒng)的實際排澇能力；鞍山系統(tǒng)排水能力評估鞍山系統(tǒng)排水能力評估管網(wǎng)模型的率定和驗證 以泵站前池水位為模型率定的評價標(biāo)準(zhǔn) 以N-S系數(shù)為指標(biāo)評價模擬值與實測值之間的擬合程度 4場降雨的N-S系數(shù)均在0.70以上，滿足模型使用要求。管網(wǎng)模型的模擬值與觀測值對比鞍山系統(tǒng)排水能力評估鞍山系統(tǒng)排水能力評估鞍山泵站鞍山泵站 在1年一遇（36.5mm/h），歷時1h的降雨下，鞍

4、山系統(tǒng)積水量約為1380m，最不利時刻積水點情況如右圖。 現(xiàn)狀管道系統(tǒng)沒有達到1年一遇的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)狀管道的改造方案 主要是錦西路上游逆坡管道發(fā)生積水。對錦西路上長370m的管道進行改造，并通過預(yù)抽空降低暴雨事件的泵站運行水位（排澇泵啟動水位從1.8m降低到1.5m）； 改造后A系統(tǒng)在36.5mm/h，歷時1h降雨下積水量約500m，基本達到1年一遇標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)SWMM模型應(yīng)用要求，按照地表徑流排入市政管網(wǎng)的路徑，A系統(tǒng)共劃分了110個子集水區(qū)。A匯水區(qū)域的用地類型及其分布子匯水區(qū)域分布與收集管網(wǎng)3. LID方案選擇與模型參數(shù)設(shè)置上海低影響開發(fā)設(shè)施的選擇 受到高地下水位影響，不能考慮下滲功能（必須

5、設(shè)置防水底板）； 土地高度緊缺，須優(yōu)先考慮不額外占用土地的技術(shù)； 匯流坡度小，適合采用分散的小尺度源頭控制設(shè)施； 雨水存儲、直接利用的費用效益差，不予考慮。適用的LID技術(shù)主要有生物滯留生物滯留、綠色屋頂綠色屋頂和滲透鋪裝滲透鋪裝。指南規(guī)定設(shè)施底部距離地下水最高動水位大于1m，在上海難以滿足。生物滯留設(shè)施需要設(shè)置防滲膜，透水鋪裝也要設(shè)置防滲膜防止地下水污染，設(shè)施滯蓄水量只能通過蒸發(fā)，排水管道排放。上海市應(yīng)用LID設(shè)施的限制同濟大學(xué)透水停車場施工現(xiàn)場 根據(jù)子匯水區(qū)域的下墊面情況，按照建設(shè)LID措施的可操作性完成LID設(shè)施的布局定位； 采用詳細的分布式模型，考慮地表匯流條件，設(shè)置LID設(shè)施的收集與

6、排放途徑； 設(shè)施下排水管道出水接入排水管網(wǎng)； 以設(shè)計降雨條件下A系統(tǒng)內(nèi)是否發(fā)生地面積水，評價兩種場景下該系統(tǒng)的排澇能力。3. LID方案選擇與模型參數(shù)設(shè)置p 細分匯水區(qū)域、不能接入LID設(shè)施的徑流直接連接到市政管道；p 調(diào)整出水孔口系數(shù)，控制生物滯留、滲透鋪裝設(shè)施排空時間(24h）；p 在接近最大可能性條件下，設(shè)置LID的規(guī)模；模型中三種設(shè)施所占相關(guān)用地的比例（設(shè)施規(guī)模）設(shè)施類別比例（%）服務(wù)面積比生物滯留池3310%綠色屋頂60N/A透水鋪裝40N/A3. LID方案選擇與模型參數(shù)設(shè)置 生物滯留池的比例指設(shè)施占滲透性下墊面（綠地）的比例； 綠色屋頂、透水鋪裝的比例為設(shè)計面積與屋頂與鋪裝道路的

7、比例。參數(shù)生物滯留池綠色屋頂滲透鋪裝堰高/m0.05/表層粗糙系數(shù)0.40.40.2透水磚厚度/孔隙率/滲透速率/0.08/0.15/35介質(zhì)厚度/m0.80.150.25介質(zhì)空隙度0.370.460.35田間持水量0.240.280.062凋萎點0.120.160.024飽和土壤滲透率mm/h405040排水層厚度/m0.150.05（排水板）0.2排水層孔隙率0.3/0.35排水系數(shù)0.52/0.38SWMM中LID模塊的參數(shù)選擇3. LID方案選擇與模型參數(shù)設(shè)置模擬計算的條件 生物滯流設(shè)施的初始含水率取凋萎點以上10%，綠色屋面初始含水率取凋萎點以上5%； 根據(jù)新編上海市短時暴雨強度公式

8、，5年一遇設(shè)計降雨58mm/h； 按芝加哥模式雨型分配設(shè)計降雨量，雨峰位置0.40； 降雨歷時取1h，模擬時長24h LID設(shè)施通過孔口系數(shù)孔口系數(shù)控制排空時間24h，3. LID方案選擇與模型參數(shù)設(shè)置4. 模型實驗結(jié)果與分析場景場景積水量（積水量（m）現(xiàn)狀土地使用14740增加LID設(shè)施310A系統(tǒng)在5年一遇1h降雨條件下，不同場景的積水情況在現(xiàn)狀灰色設(shè)施的基礎(chǔ)上，增設(shè)低影響開發(fā)措施，綠色/灰色組合設(shè)施基本可以達到5年一遇排水標(biāo)準(zhǔn)。模擬計算得到310m的積水量接近計算誤差（小于無LID時1年一遇降雨下的積水量）。項項 目目傳統(tǒng)開發(fā)傳統(tǒng)開發(fā)低影響開發(fā)低影響開發(fā)總降雨量74.774.7滲透損失量

9、20.115.0徑流量53.127.0LID排放量/14.7LID初始存儲量/23.0結(jié)束存儲量1.4439.7兩種模擬場景下的水量平衡分析（103m3）4. 模型實驗結(jié)果與分析 低影響開發(fā)設(shè)施在降雨前、后的儲水量增加約1.6104m，與LID對原有系統(tǒng)積水量的削減數(shù)量基本相同。 設(shè)施通過臨時滯留的重力水，以及增加的部分毛細水，有效削減了徑流總量。雨峰位置雨峰位置（降雨歷時中比例）（降雨歷時中比例）0.20.20.40.40.60.60.80.8地面積水量（m）530485081108760長歷時暴雨雨峰位置對LID設(shè)施運行效果的影響4. 模型實驗結(jié)果與分析在本文的設(shè)計方案與參數(shù)設(shè)置條件下，A

10、系統(tǒng)內(nèi)LID設(shè)施的總滯蓄容量約為1580m3（12.2mm）；當(dāng)5年一遇暴雨發(fā)生在降雨過程尾部，源頭控制設(shè)施提高排澇能力的作用將明顯下降。以5年一遇24h模式雨型為輸入（總雨量143mm，1h峰值雨量約58mm），考察1h暴雨雨峰位置對設(shè)施運行效果的影響。 隨著雨峰位置的推后，地面積水大量增加，LID設(shè)施提高排澇能力的效果下降； 24h降雨總量143mm是5年一遇，但其中1h雨量達到58mm的發(fā)生概率應(yīng)明顯小于5年一遇。13.71m3/s8.06m3/s4. 模型實驗結(jié)果與分析為了反映LID設(shè)施對系統(tǒng)出口峰值流量的削減效果，將A系統(tǒng)設(shè)置為重力出流，計算得到兩種場景下的出流流量過程線如右圖。兩種

11、場景下的流量過程線形狀相近，總水量削減是積水減少的主要原因。LID參數(shù)設(shè)置與計算結(jié)果的合理性分析 短歷時強降雨條件下的LID模擬，蒸發(fā)作用不考慮，下滲作用在上海不存在，依靠LID的滯蓄能力削減徑流總量； 設(shè)施填料的初始含水率是影響計算結(jié)果的主要因素； LID的初始條件，生物滯留初始含水量22%（田間持水度約24%），綠色屋面初始含水率21%（田間持水度28%），接近正常含水率； 設(shè)施的臨時滯蓄能力，主要靠孔口系數(shù)的設(shè)置。綠色屋頂介質(zhì)含水率的變化過程生物滯留設(shè)施填料的含水率變化過程生物滯留設(shè)施介質(zhì)含水率可以長期保持在田間持水度；而綠色屋頂介質(zhì)含水率容易一直降低到低于凋萎點。不同LID設(shè)施的介質(zhì)含

12、水率變化特征排放系數(shù)對生物滯留設(shè)施水文性能的影響排放系數(shù)對生物滯流設(shè)施水文效果的影響排放系數(shù)對生物滯留水文效果影響統(tǒng)計p 在雨量33.8mm,歷時6h降雨條件下，孔口系數(shù)對A匯水區(qū)域內(nèi)所有生物滯留設(shè)施總體水文控制效果的影響；p 降低孔口系數(shù)對減少峰值流量有比較明顯的影響，對水量控制率沒有影響。p 重力水緩慢排出減少了排澇負荷排空時間(h)排放系數(shù)峰值削減率（%）峰值延后（min）水量削減率（%）240.4565.5345.2120.957.1345.061.850.5245.0透水鋪裝的下排水同樣可以設(shè)置出口限流裝置。6. 應(yīng)用前景探討 A系統(tǒng)主要是上世紀80-90年代建造的5-7層舊公房；總體綠地比例40%（有同濟新村，松鶴公園） 上述有關(guān)LID措施的討論，是在接近最大可能性條件下進行的； 60%舊公房的屋面改造為粗放型屋面，在政府出錢的條件下有比較好的可操作性（已完成大量的平改坡項目）； 40%的鋪面改為透水鋪裝，主要是小區(qū)內(nèi)的輕載、低污染路面/停車場，政府出資可能實施，鎮(zhèn)江市已有類似案例； 33%的綠地改造為生物滯留，困難相對較大，因為小區(qū)綠地分散，改造后景觀效果下降；市政道路沒有綠化帶； 指南規(guī)定新建排水系統(tǒng)，LID的降低負荷作用不考慮； 討論結(jié)合綠色基礎(chǔ)設(shè)施，通過源頭減量提高現(xiàn)有排澇系統(tǒng)的能力，并不是這個方法是