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《重庆两江新区海绵城市建设模型 应用技术导则(试行)》

时间:2018-04-26     来源:SWMM(微信号:Sponge-Model)     查看:605 次

文章摘要:


原标题:《重庆两江新区海绵城市建设模型 应用技术导则(试行)》

来源:来源:SWMM(微信号:Sponge-Model)


两江新区海绵城市建设模型应用技术导则(试行)

目 录

1 总则

2 术语及符号

2.1  术语

2.2  符号

3 模型主要功能及建模步骤

3.1  模型主要功能

3.2  建模步骤

4 模型模拟方法选取

4.1  水文计算方法与模型

    4.1.1 产流模型

    4.1.2 汇流模型

4.2  水力学模型

    4.2.1 排水管网模型

    4.2.2 二维地表淹没模型

    4.2.3 河道模型

4.3  面源水质模型

    4.3.1 地表污染物累积模型

    4.3.2 地表污染物冲刷模型

    4.3.3 街道清扫模拟

4.4  海绵设施模型

    4.4.1 LID低影响开发的模拟

    4.4.2 生物滞留设施模拟

    4.4.3 绿色屋顶模拟

    4.4.4 透水铺装模拟

    4.4.5 植草沟模拟

    4.4.6 模型软件比选

5 模型构建

5.1  基础数据收集

    5.1.1 地理数据

    5.1.2 管网数据

    5.1.3 海绵设施数据

    5.1.4 气象数据

    5.1.5 监测数据

5.2  产汇流模型

5.3  海绵设施模型

5.4  排水管网模型

5.5  地表淹没模型

5.6  河道模型

6 模型参数率定与验证

6.1  一般规定

6.2  率定与验证标准

7 模型本地化参数

7.1  水文产汇流模型参数

7.2  设计降雨

7.3  年平均蒸发量

7.4  水质模型参数

7.5  海绵设施参数

7.6  水力学模型参数

8 模型应用

8.1  海绵城市评价目标计算

    8.1.1 年径流总量控制率目标计算

    8.1.2 内涝风险评级

    8.1.3 径流污染控制率目标计算

8.2 年径流总量控制率预测与评价

    8.2.1 预测方法

    8.2.2 预测范围

    8.2.3 模拟工况

    8.2.4 指标评价

8.3 内涝风险预测与评价

    8.3.1 预测方法

    8.3.2 预测范围

    8.3.3 模拟工况

    8.3.4 指标评价

8.4 年雨水污染径流去除率预测与评价

    8.4.1 预测方法

    8.4.2 预测范围

    8.4.3 模拟工况

    8.4.4 指标评价

9 模型更新维护

附录  应用实例

1 SWMM水文水质模型

1.1 EPA SWMM模型介绍

1.2 SWMM水文模型的构建

1.3 SWMM水质模型的构建

1.4 SWMM 海绵设施模型的构建

1.5 28个汇水分区模型建立

2  InfoWorks ICM城市内涝模拟

2.1 InfoWorks ICM城市内涝模拟

2.2 InfoWorks ICM二维城市/流域洪涝淹没模型

2.3 Infoworks ICM内涝模型的构建

3 模型率定

3.1 水文模型率定

3.2 水质模型率定

4 模型验证

4.1 水文模型验证

4.2 水质模型验证



1 总则

1.1  为贯彻落实生态文明建设和绿色发展理念,全面推进重庆两江新区海绵城市建设,根据国家和重庆的相关法律、法规及相关规划,结合实际情况,编制本导则。

1.2  本导则适用范围为重庆两江新区直管区。

1.3  本导则用于指导海绵城市建设模型的选型、构建、应用,率定及验证等。

1.4  海绵城市建设相关模型文件除满足本导则的要求,尚应符合国家和重庆市现行有关规范、规定的要求及两江新区各项管理规定。

2 术语及符号

2.1 术语

低影响开发  指在场地开发过程中采用源头、分散式措施维持场地开发前的水文特征,也称为低影响设计或低影响城市设计和开发。低影响开发在城市开发建设过程中,通过生态化措施,尽可能维持城市开发建设前后水文特征不变,有效缓解不透水面积增加造成的径流总量、径流峰值与径流污染的增加等对环境造成的不利影响。

年径流总量控制率  根据多年日降雨统计数据分析计算,通过自然和人工强化的渗透、贮存、蒸发等方式,场地内累计全年得到控制(不外排)的雨量占全年总降雨量的百分比。

典型气象年  以近30年的月平均值为依据,从近10年的资料中选取一年各月接近30年的平均值作为典型气象年。

设计暴雨雨型  设计暴雨的降雨过程(降雨强度随时间的分配)称为设计暴雨时程分配雨型;设计暴雨在流域范围内的面分布图形称为设计暴雨面分布雨型;两者统称设计暴雨雨型。

产流模型  又称产流模式,指降雨经过损失阶段而产生径流过程的数学模型。

汇流模型  描述由降水到形成流域出口断面径流过程的流域汇流演算的模型。

汇水分区  又称作集水区域、集水盆地、流域盆地,是指地表径流或其他物质汇聚到一共同的出水口的过程中所流经的地表区域,它是一个封闭的区域。出水口是指水流离开汇水区的点,这个点是汇水区边界上的最低点。通常一条河流的汇水区没有其他的地表径流流入且只有惟一的一个出水点。

排水分区  是指考虑排水地区的地形、水系、水文地质、容泄区水位和行政区划等因素,把一个地区划分成若干个不同排水方式排水区的工作。

纳什效率系数  用以验证水文模型模拟结果与实际监测结果的匹配程度。NSE取值为负无穷至1,接近1,表示模式质量好,模型可信度高;接近0,表示模拟结果接近观测值的平均值水平,即总体结果可信,但过程模拟误差大;远远小于0,则模型是不可信的。

最佳流域管理措施  对流域水文、土壤侵蚀、生态及养分循环等自然过程产生有益于环境,以及保护流域水环境免受农业生产活动导致的污染的一系列措施。

可持续排水系统 利用自然的方式排除雨水而不是仅仅靠管渠来排水,旨在从排水系统上减少城市内涝发生的可能性,同时提高雨水地表水的利用率,兼顾减少河流污染。

合流制排水系统  将生活污水、工业废水和雨水混合在一个管渠内排除的系统。

参数率定 根据实测数据推定模型参数或选择最优参数,使得模拟结果与实测数据最接近的过程。

模型验证 选择独立于参数率定选用的实测数据,评估模型准确性的过程。

2.2 符号

        本导则使用的主要符号的意义与单位见下表2.1。



3 模型主要功能及建模步骤

3.1 模型主要功能

(1)方案比选

在海绵城市专项规划编制、系统化方案设计等过程中进行方案比选。在规划编制中要选择适宜水质、水量模拟模型开展建设试点区域地表径流及管网排水能力现状分析,包括内涝风险模拟、管网现状能力评估、泵站及调蓄等设施规模优化等;在系统化方案设计中要对设施种类选择、设施参数确定、不同设施布设情景模拟及方案比选等,不同整治方案对城市内涝防治、河湖水体水环境改善效果的模拟和比选。

(2)设施运行维护

在海绵设施的运行维护阶段,需在实际监测数据采集和对参数不断率定验证的基础上,根据现场实际水质、水量监测结果,对海绵设施的运行状态、区域地表径流、排水管网及城市河湖水体状况进行评价,指导城市海绵设施的日常运行、检修和维护。

(3)设施效果评估

在效果评估阶段,要选择适宜模型进行模拟评估,主要包括城市内涝防治达标情况、合流制溢流频次、年径流总量控制率等重要指标的达标情况等,其他指标应结合监测进行评估。

3.2 建模步骤

海绵城市建设所需的的水文水力模型构建的步骤一般为:

(1)确定模型软件;

(2)收集建模数据;

(3)模型构建;

(4)模型率定;

(5)模型验证;

(6)工况设置计算;

(7)评价指标计算。


4 模型模拟方法选取

4.1 水文计算方法与模型

4.1.1 产流模型

(1)产流模型可采用SCS模型、Clark Unit Hydrograph,Snyder Unit Hydrograph 等,推荐采用SCS径流曲线模型,其中SCS径流曲线模型根据一个描述降雨与径流关系的综合参数CN进行入渗计算,反映的是流域下垫面单元的产流能力以及前期土壤含水量对产流的影响,对大流域的产汇流计算较为适合,SCS方法和模型由美国土壤保持学会(Soil Conservation Society)于1960年发布,并且在美国大部分地区得到应用。同时具有参数少,容易计算等特点。鉴于重庆属于山地城市且流域面积较大,推荐使用SCS模型。

(2)产流初损模型应包含以下内容:

1)无洼蓄量的不透水地表产流量:无洼蓄量的不透水地表的降雨损失是雨期蒸发;

2)有洼蓄量的不透水地表产流量:有洼蓄量的不透水地表上的降雨损失主要是洼蓄量;

3)透水地表产流量:透水地表的降雨损失主要包括洼蓄和下渗。下渗是表示降雨入渗到地表不饱和土壤带的过程。

(3)下渗模型可选用曲线数模型。根据悦来新城模型经验,推荐重庆两江新区采用Green--Ampt模型或Horton模型。

Green--Ampt模型考虑饱和及未饱和土壤带的界面,假设降雨的入渗使土壤下垫面由不饱和变为饱和的过程,将下渗过程分为饱和及未饱和两个阶段予以计算。主要参数有初损(Initial loss ,mm)不饱和率(Moisture Deficit,), 吸水度(Suction, mm),导水率(Conductivity,mm/hr) 不透水率(Impervious, %)。

Horton模型描述的是下渗率随降雨时间的变化关系,不包括饱和及未饱和带土壤的下垫面情况。

4.1.2 汇流模型

汇流模型可选取Modified Puls,Muskingum, Muskingum-cunge, Kinematic Wave, 非线性水库等。推荐采用非线性水库。

地表径流用非线性水库模型来模拟产生于三种不同的地面类型,如下图4.1所示:      

                                      

图 4.1排水子流域的非线性水库模型示意图

其中的连续方程:

用曼宁公式计算出流量:

通过上述两个公式联立,对其中的未知数Q、d采用有限差分法进行求解,平均出流由时间始末的水深平均值近似算出。用Newton-Raphson迭代法求解时段末的水深,采用曼宁公式计算出时段末瞬时出流量。

4.2 水力学模型

水力学计算的方法和模型软件的通用性较高,但是绝大多数应用地区的水力学计算由于地势坡度比较缓,多以缓流计算为主,有些软件不具备急流计算方法。对于山地,由于坡度大,无论是管网还是明渠流,均会有急流出现、缓流和急流交替出现,在应用这些模型软件时候,要注意选用急流计算方法, 边界输入条件,时间步长取值,注意模型的发散与收敛,保证计算结果的合理与准确。

4.2.1 排水管网模型

排水管网模型可以完整模拟管道、明渠以及各种排水构筑物的水力学状态。水力计算采用完全求解的圣维南方程模拟管道明渠流,对于明渠超负荷的模拟采用Preissmann Slot方法。

4.2.2 二维地表淹没模型

二维地表淹没模型应根据地形高程数据建立,建立过程中应考虑以下因素:(1)道路,建筑物等对水流的引导和阻挡作用;

(2)地面上不同类型地块的糙率对流速的影响,如道路,草地等;

(3)地面的下渗作用;

(4)根据关注程度设定不同精度的网格;

(5)湖泊,河道等的水位边界,模拟出洪水在地面上行进的过程。

4.2.3 河道模型

也叫明渠流水力学模型,根据流域的水量和河流信息推算水面线和洪水淹没范围。水力学模型需要河道、河网、桥梁、断面资料、河床糙率系数等参数。

4.3 面源水质模型

径流子系统对水质的模拟包括地表污染物累积模型及冲刷模型,主要是针对SS。目前的模拟方法如下:

4.3.1 地表污染物累积模型

子流域中的地表累积污染物的存在形式以尘埃、颗粒物的累积为主。通过线性或非线性累积形式来模拟地表污染物增长过程,其累积曲线和对应方程如图4.2所示。

累积方程包括以下三种:

(1)  指数函数:污染物的累积量和累积时间呈现比例关系;

污染物的累积量和累积时间呈现比例关系:

式中,C1是最大累积量;C2是累积速率常数。

(2)幂函数:污染物的累积量和累积时间呈现幂函数关系,累积到最大程度就不再累积;

(3)饱和函数:即米切里斯——门顿函数,污染物累积与时间呈现饱和函数关系。

可结合当地面源污染负荷研究结果,确定模型采用的累积方程。

4.3.2 地表污染物冲刷模型

地表污染物冲刷过程描述的是一个在径流期中地表被侵蚀,污染物在溶解的过程。可用不同的单位计量方式来模拟污染物的冲刷,比如细菌总数、浊度(单位为NTU)等。包括三种冲刷模拟的方法。

(1)流量特性冲刷曲线

此曲线假设认为污染物的冲刷模型与其地表累积总量之间相互独立,冲刷量和径流率之间只存在简单的函数关系。

(2)场次降雨平均浓度

它是流量特性冲刷曲线的一种特殊情况:

(3)指数方程

污染物的冲刷量和地表的残留量成正比,和径流量成指数函数关系。

式中,Pp是t时刻剩余地表污染因子的量,kg/hm2;r是t时刻子流域单位面积的径流率,mm/h;n是径流率指数;Rc是冲刷系数;Poff是t时刻污染物的冲刷量,kg/s。

同样地,Rc和n的取值与污染物种类有关。当地表污染物的剩余量是0时,表示冲刷停止。

4.3.3 街道清扫模拟

街道清扫会受到地表类型的限制,而且是阶段性减少地表累积量。

4.4 海绵设施模型

4.4.1 LID低影响开发的模拟

一般在模型中设置低影响开发模块,模拟常见的生物滞留、渗透铺装、渗透沟渠、雨水储蓄池、植被浅沟等五种分散的雨水处置技术,通过对调蓄、渗透及蒸发等水文过程的模拟,结合模型的水力模块和水质模块,实现LID技术措施对场地径流量、峰值流量及径流污染控制效果的模拟。其它LID措施如过滤带、下凹式绿地、绿色屋顶等技术都可以经参数变换等相应处理后进行模拟。

4.4.2 生物滞留设施模拟


4.4.3 绿色屋顶模拟

4.4.4 透水铺装模拟


4.4.5 植草沟模拟


4.4.6 模型软件比选

海绵城市建设中需要的模型一般为水文计算的产汇流模型、水质模型、海绵设施模型、水力学计算模型等。在住建部提出的试点城市模型应用要求中,实际工作中可采用模型进行模拟,目前常用的模型和软件如下;(1)在城市地表径流模拟方面有美国EPA SWMM(共享)、美国陆军工程师团开发的HEC-系列(共享),澳大利亚XPSWMM(商业), 丹麦水力系统MIKE系列软件(商业)、英国Infoworks ICM(商业)、国内基于SWMM模型开发的DigitalWater、鸿业SWMM等模型;(2)在城市河湖水体模拟方面有美国EPA的EFDC(共享)、QUAL2K(共享)和WASP(共享)、丹麦水力系统MIKE系列软件(商业)、英国Infoworks ICM(商业)、以及荷兰的Delft3D(商业)等模型,全国还有每个省市当地的水文,水力学,水质计算方法,经验公式,计算模型等。

根据重庆两江新区海绵城市建设的基础条件和应用需求,应遵循先易后难的原则,循序渐进地选择和构建有关的模型和软件;应用层次主要包括规划设计、状态评估与运行调度、水质模拟等,不同简化程度(最小管径)的管网模型应满足不同层面的应用需求。针对不同的数据基础和应用需求,建立不同简化程度、不同精度等级的管网模型。有条件的可一步到位建设一个高精度的模型,可同时满足规划设计、状态评估、运行调度和水质模拟等应用需求。


5 模型构建

5.1 基础数据收集

5.1.1 地理数据

所有高程信息须在一个统一高程系统内。

(1)数字高程数据:一般模型要求的精度不低于5m*5m,建设后高程数据可以按照设计施工图在原有地形基础上修改。

(2)土地利用类型:按照汇水分区,统计所有土地利用类型和面积。

(3)河道高程数据:如果需要建立河道水力模型,需要提供河道高程数据和岸线平面信息。

(4)构筑物平面信息:包括构筑物位置、占地面积和高程信息,建设后的构筑物平面信息由设计施工图或者规划设计图提供。

5.1.2 管网数据

管网高程数据需与5.1.1地理数据使用统一高程系统。

(1)排水管网数据:包括检查井的编号、形状、尺寸、井底标高,管道的编号、上下游检查井编号、上下游管底标高、管径、宽度、糙率和检查井局部损失等数据。

(2)附属构建物信息:如果规划区内有附属构建物,需要提供闸门/孔口/堰的上下游检查井编号和口底高程。

(3)管道实际运行状态:排水管道有无破损、淤积、沉积物等,管网中的泵站、闸门等的运行工况或调度规则(若有)。

(4)其它:若为合流制系统,需要补充收集各排水分区的人口、排水当量等信息。

5.1.3 海绵设施数据

(1)海绵设施种类:模型中预定义设施,或其它通过改变参数可以模拟的设施。

(2)海绵设施布局:海绵设施的位置、数量和单个设施规模。

(3)海绵设施设计参数:包括海绵设施的介质层厚度、入渗系数、污染物浓度去除效率、各纵向结构深度。

5.1.4 气象数据

(1)长历时降雨时序资料

由规划片区的气象站提供多年连续分钟级别的降雨数据。如条件允许和有记录数据,提供典型年步长不超过5分钟的全年连续降雨数据。

(2)年蒸发量数据

由规划片区的气象站提供月均蒸发量或者年蒸发量数据。

(3)设计暴雨强度

参照《室外排水设计规范》(GB50014-2006,2016版),设计暴雨强度由暴雨强度公式计算得出:

公式中参数A1、b 、c、n需要以当地降雨资料进行拟合,可采用皮尔逊III型、耿贝尔曲线和指数分布曲线对暴雨强度总公式进行修正。

(4)设计暴雨雨型

2小时及以下历时设计暴雨过程,可根据《室外排水设计规范》(GB50014-2006,2016版)的推荐,选用芝加哥雨型法推求,或根据7.2.2节选用设计降雨雨型。2小时以上的设计暴雨应根据7.2.2节选用设计降雨雨型。

5.1.5 监测数据

(1)管网监测:总排口的连续水量与水质监测数据,用于模型率定与验证。排水管连续检查井的水位监测数据,用于排水管网水力模型率定。对于合流制系统,需要在污水管与雨水管混接处的水量与水质监测数据,用于检验污水排水量。

(2)海绵设施监测:在降雨事件过程中,监测海绵设施入流及出流径流流量过程线,评估海绵设施对径流的削减量。

5.2 产汇流模型

根据土地利用类型和地表排水系统,把一个整体的流域划分为若干个排水子流域,然后根据各子流域的概况特征模拟各自不同的径流过程,采用流量演算方法将各子流域的出流归结在一起,根据各子流域的概况特征设置参数模拟各自不同的径流过程。

5.3 海绵设施模型

在评估海绵设施影响时,需要将海绵设施的位置、面积和种类等设计参数输入到各个排水子流域中。对于模型中未提供的海绵设施种类可以经参数变换等相应处理后进行模拟。

海绵设施在场地中的布置方式主要有两种:

(1)场地层面  将设施设置为一个独立的子集水区,用子汇水区的属性参数来表达设施或将定义好的设施在子汇水区范围内并满覆盖,此方式使场地内雨水处置路径可视化,适用于小地块的集成技术及水质控制效果模拟,例如对过滤带与汇流路径打断技术的模拟等。

(2)子集水区层面  将预先定义好的设施直接应用到子集水区内。此方式无法明确指定设施的服务区域及处置路径,适合较大区域的海绵设施模拟。

对于城镇海绵城市建设项目适合采用子集水区层面的LID设施模拟,具体的模型输入参数将在第七章叙述。

5.4 排水管网模型

排水管网模型主要是由两部分组成:水文模型,根据降雨资料计算表面径流水量,又叫降雨-径流模型。排水管网水力学模型,根据收集到的资料将排水管网相关信息,包括检查井的编号、形状、尺寸、井底标高等,管渠编号、上下游管底标高、尺寸、糙率等,及其他排水构筑物(泵站、堰、闸门、调蓄池)的数据录入模型,并检查录入信息的准确性,模拟水流在管道的流动、淹没。

根据不同的设计雨强和雨型,模拟城市内涝、积水的情况,利用模型对项目区域的排水状况进行分析,特别是对重点积水区域积水产生的原因进行分析。并对排水管网的排水能力及内涝风险进行评估,为决策者提供科学支持,提高对城市洪水灾害应急实际的预见性。

5.5 地表淹没模型

地表淹没模型首先引入地面高程模型,然后刚根据GIS、AutoCAD或其他地理数据直接引入城市中的各类建筑物及其他阻碍,也可以直接根据地形背景手工绘制建筑物等。在此基础上模型软件自动生成三角计算网格,网格生成器通过最大三角面积和最小三角形来控制分辨率。对网格的不同部分可以有所不同,从而使得在关键区域周围保持使用高分辨率,而在比较平坦,特征不太明显、不太重要的区域使用较低的分辨率。

网格生成器也可包括空间物体(建筑物)、波浪线与墙体在内,从而进一步定义重要水力特征,并可以使用多边形划定范围来指定粗糙度分区。这些线和多边形可以从背景图层、外部文件或1D网络特性中导入。

模型软件通过计算出各三角网格内的积水深度及流速,最终得到地面积水的积水深度及积水漫溢的路径及流速。

5.6 河道模型

河道(明渠)水动力模型根据研究目的和内容可以选择一维水动力模型或二维水动力模型。城镇河道一般采用一维水动力模型,城市周边河流(城市外河)视河流属性与规模可选一维水动力模型或二维水动力模型。当洪水超过河道堤防高程并在城镇内演进时,应采用河道一维及平面二维数学模型耦合的方法进行计算。一维水动力模型采用Saint-Venant方程组作为河道非恒定流控制方程,主要包括节点-河道模型、单元划分模型以及融合两者优点的混合模型。节点-河道模型中的分级联解法是目前求解河网水动力最主要的方法。二维水动力模型采用二维浅水方程求解河道水力参数,根据河网拓扑的离散方式主要包括有限差分法、有限元法和有限体积法。


6 模型参数率定与验证

6.1 一般规定

参数率定和模型验证应采用独立的实测数据。

参数率定和模型验证数据可来自地表径流和排水管网的水量、水质动态监测数据,也可来自现场流量、液位等监测数据。

参数率定和模型验证工作的一般步骤包括:

(1)首先对获得的监测数据进行筛选评估,选取可用作模型率定的降雨场次监测数据,排除缺失和存在明显偏差数据;

(2)采用一套或多套独立的监测数据进行参数率定,通常先假定一组参数,代入模型得到计算结果,将计算结果与监测数据进行比较,若计算值与监测值相差在允许范围内,则将此参数用于模型验证;若计算值与实测值相差较大,则合理调整模型中参数重新计算,再次进行比较,直到计算值与监测值的误差在允许范围内;

(3)采用另外一套或者多套独立的监测数据进行模型验证,将率定得出的参数代入模型中计算,比较计算值与检测值进行比较,若误差在允许范围内,则把此时的参数作为模型的参数;若误差不符合标准,则重复模型参数率定过程,直到率定的参数满足模型验证要求。

由于用于参数率定和模型验证的降雨场次不同,因此应保证数据具有一致性,即在监测数据涵盖时间内排水系统、海绵设施和河道等的物理特征不能有重大变化。

6.2 率定与验证标准

进行场次降雨的模拟时,需要选取至少四场典型降雨的地表径流和排水管网的水量、水质过程监测数据进行地表径流和排水管网模拟,其中至少两场降雨事件的测量数据进行参数率定,至少两场降雨的测量数据进行模型验证;

模拟结果和测量数据对比匹配,需要达到以下两条以上标准:

(1)模拟结果和实测的水量和水质过程数据(应排除缺失或不准确数据的时间段)进行比较, NSE不小于0.5。

(2)模拟结果和实测数据的峰值出现事件偏差在降雨事件历时的20%以内。

(3)模拟峰值和实测峰值的数值偏差在25%以内。

当基于规划数据构建熟悉模型时,模型参数应根据相关规划和当地条件合理确定。


7 模型本地化参数

7.1 水文产汇流模型参数

(1) 典型土层及基岩渗透性能

悦来新城典型地层及渗透性如图7.1所示,重庆两江新区的基岩渗透性可根据地勘资料的实际情况进行选取。

图7.1 悦来新城典型地层渗透性大小柱状图


(2) CN值选取

按照山地城市的特点,地表产流模型采用SCS模型进行模拟。该参数与当地下垫面类型以及土壤结构有关,需要通过率定或者实测实验确定。根据土壤特性,将土壤划分为A、B、C、D四种类型,根据CN值表可以查得不同土地利用条件下,不同土壤类型的CN值。

两江新区CN值的选取应参照表7.1,7.2,7.3,新建填土区域CN值宜选用A类,挖土区域根据实际地勘资料及图7.1选取CN值分类。

7.2 设计降雨

(1)两江新区地形落差较大,地形狭长,最大集流时间小于1小时,按照重庆有关水文和气象研究成果和推荐,降雨模型采用的降雨历时为3h。

(2)两江新区降雨雨型推荐采用渝北区降雨雨型,如图7.2所示。


8 模型应用

8.1 海绵城市评价目标计算

8.1.1 年径流总量控制率目标计算

在规划区域选择1~2个3年内不会开发的具有代表性的小型原始区域,测定该区域的降雨量及径流总量,得到原始区域年径流总量控制率,该值作为规划区域年径流总量控制率。

8.1.2 内涝风险评级

规划区的内涝风险评估将考虑以下两种组合:水力要素和影响对象。水力要素主要考虑超标降雨下积水深度、流速的组合来评估积水程度等级;影响对象主要考虑积水影响对象的防护等级。

(1)积水程度分级

规划范围内的积水程度分为轻微积水、中度积水和严重积水3个等级。按下表8.1进行评价。



8.1.3 
径流污染控制率目标计算

对规划片区的水系进行水质调研,取得现有水系的水质本底值。对取得典型下垫面(商业用地、居住小区及公共设施)初期雨水径流污染物本底值(TSS、COD、TN、TP等)。对比初期雨水径流污染物本底值、《地表水环境质量标准》等级要求及现有水系本底值,制定径流污染控制率。

8.2 年径流总量控制率预测与评价

8.2.1 预测方法

利用水文和海绵设施模型,模拟在设计降雨情况下,流域的全年外排雨量,得出年径流总量控制率:

年径流总量控制率=100%-(全年外排雨量/全年总降雨量)*100%。

8.2.2 预测范围

以项目片区所在流域建立产汇流模型。

8.2.3 模拟工况

以典型年5分钟间隔的全年降雨和日蒸发数据的方案模拟。分别模拟海绵改造前后的年径流总量控制率。

8.2.4 指标评价

对规划片区采用仿真模型模拟的方式分析其采用海绵改造技术后达到区域年径流总量控制率的可行性,综合实测和仿真模拟的数据,以及区域的年径流总量控制率,给出不同用地性质地块年径流总量控制率。

8.3 内涝风险预测与评价

8.3.1 预测方法

利用水文、水力模型,模拟设计降雨下规划区域海绵建设前后的管网排水能力提升效果、内涝缓解或消除效果,包括地表积水范围、水深、流速和汇流路径,分析模拟结果进行内涝风险评估。

8.3.2 预测范围

以项目片区所在流域建立产汇流模型,以项目片区建立排水系统的一二维耦合水文水力学模型。

8.3.3 模拟工况

以1、2、3、5年一遇设计降雨的方案模拟,评估海绵建设前后的管网排水能力提升效果;以10、20、50年一遇设计降雨的方案模拟,评估海绵建设前后的内涝缓解/消除效果。

8.3.4 指标评价

对规划范围的雨水系统进行一维、二维耦合模拟,分析50年一遇设计降雨下,规划范围内的海绵建设后各等级内涝风险区面积,对比建设前情况,评估易涝点是否基本消除,有无系统性内涝风险。

8.4 年雨水污染径流去除率预测与评价

8.4.1 预测方法

利用水质和海绵设施模型,模拟在设计降雨情况下,规划片区中海绵设施对雨水污染物(以SS为例)的去除量以及地表污染物累积量,得出海绵设施的年雨水径流SS去除率:

年雨水径流SS去除率=海绵设施的SS年去除量/地表SS年累积量*100%。

8.4.2 预测范围

以项目片区所在流域建立产汇流模型和带LID模块的水质模型。

8.4.3 模拟工况

以典型年5分钟间隔的全年降雨和日蒸发数据的方案模拟。分别模拟海绵改造前后SS的年雨水径流污染削减率。对于合流制系统,分别模拟海绵改造前后的年溢流污染频次。

8.4.4 指标评价

对比径流污染控制率目标,看建设后的年雨水径流污染削减率是否已达标。

9 模型更新维护

由于海绵建设计划和下垫面状况改变,模型参数取值会随着项目推进发生改变,模型需要每1-2年使用新的场次降雨资料进行率定和验证。

 

附录  应用实例

1 SWMM水文水质模型

1.1 EPA SWMM模型介绍

EPA(Environmental Protection Agency,美国环保署)开发的SWMM(Stormwater Management Model,雨洪管理模型)是一个动态降雨-径流模拟模型,主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水、径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行水量传输。该模型可以跟踪模拟不同时间不长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量,以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。

SWMM在世界范围内广泛应用于城市地区的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其他排水系统的规划、分析和设计。SWMM模型是一个综合性的FORTRAN程序,可以模拟城市降雨径流的完整过程,包括地表径流和排水管道水流、管路中的蓄水池、径流处理设施及受纳水体的污染物含量,依据雨量过程线和系统特性来模拟暴雨径流的水质过程。


图 1.1 EPA SWMM模型界面

1.2  SWMM水文模型的构建

(1)排水系统概化

区域总体模型根据总规按照滨江流域、后河流域以及张家溪流域的共28个雨水管理分区进行划分。典型地块模型在十九雨水管理分区的基础上,结合雨水管道及地形划分排水分区,排水分区汇水就近排入管网的节点。模型对雨水管网的支管不进行水流运动计算,仅将主干管列入概化的雨水管网系统。同时,假定降雨在研究区域的各排水分区上是均匀分布的,即降雨面积内各点的降雨强度是相等的。



(2)区域地表汇水特征

根据收集到的资料对各排水分区相关信息,包括面积、特征宽度、平均坡度、土地类型、不透水比例等进行赋值,并检查赋值的合理性。

由于汇水区域面积较大,选择采用SCS入渗模型模拟研究区域的降雨入渗过程,入渗方程具体见4.1水文计算方法与模型介绍。

地表汇流模型采用线性水库模型进行模拟,具体方程形式见4.1水文计算方法与模型介绍。该方法将每个子排水小区视为一个非线性水库,排水分区内的入流包括降雨和上游来水,初流损失包括蒸发、入渗、径流。排水分区的出流由曼宁公式计算,该模型较好的反映地表的产流机理,适合于模拟城市多类型下垫面条件下的产流。包括以下参数:地表坡度、透水面、不透水面、透水面和不透水面的洼蓄量。



(3)管网数据

根据收集到的资料将排水管网相关信息,包括检查井的编号、形状、尺寸、井底标高等,管道上下游检查井编号、上下游管底标高、管径、糙率、等数据录入模型,并检查录入信息的准确性。

1.3 SWMM水质模型的构建

本报告水质模型将每个汇水流域内排水分区中的土地利用类型分为绿地、屋面、交通道路分别进行模拟,反映不同土地利用类型的地表污染物累积过程。根据国内外有关模拟经验,地表累积物模型采用指数函数模型模拟。该模型可以较好的反映地表污染物累积情况以及最大累积量,适合模拟城市地区的地表污染物累积。地表径流冲刷模型采用指数函数模型进行模拟,该模型能较好的反映被冲刷污染物随降雨强度及降雨历时的变化。

目前海绵城市建设评价指标体系中面源污染削减率一般采用SS削减率指标进行评估,因此模型对SS指标进行模拟。

(1)地表累积物模型

地表污染物累积量与土地利用状况、绿化条件、交通状况、土地裸露程度以及降雨间隔、降雨强度等直接相关。模型借鉴国内外文献中对城市内各功能区的地表累计物负荷研究成果,并结合重庆当地面源污染负荷研究结果,确定模型采用的累积模型参数,见下表1.5。


2 InfoWorks ICM城市内涝模拟

2.1 InfoWorks ICM城市内涝模拟

InfoWorks ICM包含一维模型与二维模型,结合地面高程模型,能够准确的模拟地面积水的漫溢及消退过程。一维模型能够提供漫滩水流、水深等相关信息,是确定洪水最大范围的一个快捷高效方法,但是它依赖于流向的假设。当需要坡面流速度的详细信息,尤其流程受到城市基础设施和建筑严重阻挡影响时,一维模型呈现出一定的缺陷。二维模型更加适合于模拟水流通过复杂几何地形的情况,如城市街道和建筑物、道路交叉口和其他设施、或者开阔地。在城区中,由于排水管网的存在,水流可以在洪水过程中不断流入或逸出系统,导致这一缺陷更加严重。精确而有效的模拟这样复杂的水流情况同时需要一维和二维模型。

二维模型结合地面高程的相关数据来模拟地面之上坡面流路径,帮助设计者、决策者了解这些坡面流,并应用于健康与安全方面的决策支持,从而给出更加经济有效的解决方案。InfoWorks ICM软件中通过一维与二维模型的合并来模拟城市内涝情况,提供完整模拟地面与地下系统交互过程所需的所有功能,包括通常关联于GIS系统的工具,如创建二维网格,以及完全动画的洪水图。通过一维模型确定哪里出现洪水,然后用合并的一维与二维模型来研究这些小区域中洪水流向及深度,用户可以在建模时间与模型精度上获得经济高效性。采用一维模型预测积水位置及积水深度、二维模型模拟积水在地面漫流及消退的过程。

2.2 InfoWorks ICM二维城市/流域洪涝淹没模型

通过InfoWorks ICM中的一维模型确定哪里出现洪水,然后用合并的一维与二维模型来研究这些区域中洪水流向及深度。

采用二维有限体积法求解浅水流方程组,利用Rienmann求解器、TVD激震抓取模型的技术,非常适合于流量变化快的水文水力模拟,如流经陡峭街道与交叉口,与漫堤或决堤相关的情况。二维模型首先引入地面高程模型,然后根据GIS、AutoCAD或其他地理数据直接引入城市中的各类建筑物及其他阻碍,也可以直接根据地形背景手工绘制建筑物等,在此基础上二维模型自动生成三角计算网格,网格生成器通过最大三角面积和/或最小三角形角度来控制分辨率。对网格的不同部分可以有所不同,从而使得在关键区域周围保持使用高分辨率,而在比较平坦、特征不太明显、不太重要的区域使用较低的分辨率。网格生成器也可包括空间物体(建筑物)、波浪线与墙体在内,从而进一步定义重要水力特征,并可以使用多边形划定范围来指定粗糙度分区。这些线和多边形可以从背景图层、外部文件或1D网络特性中导入。二维模型将计算出各三角网格内的积水深度及流速,最终得到地面积水的积水深度及积水漫溢的路径及流速。

本报告利用InfoWorks ICM的一、二维地面洪水淹没演进模块对项目区域的内涝情况进行评估。

2.3 Infoworks ICM内涝模型的构建

项目中对悦来新城18.67km2的规划范围内现状和规划排水系统进行梳理和信息集成,理清排水(雨水)系统,划分排水分区。在此基础上建立排水系统水力模型,进行一维二维耦合模拟分析,评估管网排水能力,识别内涝风险区域,并进行局限性和内涝成因分析,为工程规划提供支撑。


文件下载

《重庆两江新区海绵城市建设模型 应用技术导则(试行)》

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