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北京西山砂壤土绿地雨水断接径流调控效应试验研究

郭瀛莉 张守红 陈明秀 阿娜尔 姜宇晨 曹书凝 谢朝帅

郭瀛莉, 张守红, 陈明秀, 阿娜尔, 姜宇晨, 曹书凝, 谢朝帅. 北京西山砂壤土绿地雨水断接径流调控效应试验研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 111-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262
引用本文: 郭瀛莉, 张守红, 陈明秀, 阿娜尔, 姜宇晨, 曹书凝, 谢朝帅. 北京西山砂壤土绿地雨水断接径流调控效应试验研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 111-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262
Guo Yingli, Zhang Shouhong, Chen Mingxiu, Anaer, Jiang Yuchen, Cao Shuning, Xie Chaoshuai. Experimental study on runoff control performances for impervious area disconnection system of sandy loam soil green space in West Mountains of Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(6): 111-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262
Citation: Guo Yingli, Zhang Shouhong, Chen Mingxiu, Anaer, Jiang Yuchen, Cao Shuning, Xie Chaoshuai. Experimental study on runoff control performances for impervious area disconnection system of sandy loam soil green space in West Mountains of Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(6): 111-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262

北京西山砂壤土绿地雨水断接径流调控效应试验研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102-001),北京林业大学大学生创新创业训练项目(201710022011)
详细信息
    作者简介:

    郭瀛莉。主要研究方向:水土保持。Email:gyl2015@bjfu.edu.cn 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学

    通讯作者:

    张守红,博士,副教授。主要研究方向:雨水控制与利用、水土保持。Email:zhangs@bjfu.edu.cn 地址:同上

Experimental study on runoff control performances for impervious area disconnection system of sandy loam soil green space in West Mountains of Beijing

  • 摘要: 目的定量评估雨水断接系统的径流调控效应,探寻影响其径流调控效应的主要因素,为海绵城市建设过程中雨水断接系统水文设计和效益评估提供数据基础和科学参考。方法于2017年4—10月,取北京西山砂质壤土填充土槽(4 m长×0.6 m宽×0.25 m高),构建雨水断接试验系统并开展人工降雨试验,采用产流和峰现延迟时间及径流和洪峰削减率4个指标,定量分析绿地面积比例(25%、50%和75%)、绿地建设方式(平式绿地和深5 cm下凹式绿地)及绿地土壤前期含水量(26% ~ 30%和35% ~ 38%)对雨水断接系统径流调控效应的影响。结果本试验9组雨水断接系统的平均产流和峰现延迟时间分别为18和8 min,平均径流和洪峰削减率分别为38.9%和28.3%;雨水断接系统的径流调控效应随绿地面积比例增大而增强,绿地面积比例为25%、50%和75%的雨水断接系统的平均产流延迟时间分别为15、23和24 min,峰现延迟时间分别为5、5和15 min,径流削减率分别为29.4%、35.1%和52.2%;绿地下凹可增强雨水断接系统的径流调控效应,绿地下凹深度为0 cm和5 cm雨水断接系统的平均径流削减率分别为20.3%和52.3%,平均洪峰削减率分别为12.8%和35.4%;绿地土壤前期含水量越低(26% ~ 30%),雨水断接系统的产流延迟时间越长(17 min),径流和洪峰削减率越高(分别为44.1%和39.1%)。结论雨水断接系统具有较好的径流调控效应,能有效滞蓄地表径流,降低流速,延迟产流时间和峰现时间,削减径流总量和洪峰流量。
  • 图  1  试验装置图

    Figure  1.  Experimental equipment

    图  2  设计雨强、人工降雨实测雨强(a)与降雨均匀度(b)

    Figure  2.  Designed rainfall intensity, actual rainfall intensity (a) and rainfall uniformity (b)

    图  3  雨水断接系统降雨径流过程

    Figure  3.  Rainfall-runoff processes of impervious area disconnection system

    图  4  不同绿地面积比例雨水断接系统径流调控效应

    (a)产流延迟时间;(b)峰现延迟时间;(c)径流削减率;(d)洪峰削减率单因素方差分析, n = 3。相同字母表示组间差异不显著(P > 0.05)。(a) Delay in initial runoff-yielding; (b) Delay in peak discharge generation; (c) Runoff reduction rate; (d) Peak discharge reduction rate. The same letters in the figure indicate no significant difference (P > 0.05) among means and bars (one-way ANOVA, n = 3).

    Figure  4.  Runoff control performances of impervious area disconnection systems with different ratios of pervious surfaces

    图  5  不同绿地下凹深度雨水断接系统径流调控效应

    (a)产流和峰现延迟时间;(b)径流和洪峰削减率。单因素方差分析, n = 3; 图中不同字母表示组间差异显著(P < 0.05),相同字母表示组间差异不显著(P > 0.05)。下同。(a) Delay in initial runoff-yielding and peak discharge generation time; (b) runoff and peak discharge reduction rates. Different letters and the same letters in the figure indicate significant difference (P < 0.05) and no significant difference (P > 0.05) among means and bars, respectively (one-way ANOVA, n = 3). The same below.

    Figure  5.  Runoff control performances of impervious area disconnection system with different surface depression depth

    图  6  不同土壤前期含水量雨水断接系统径流调控效应

    (a)产流和峰现延迟时间; (b)径流和洪峰削减率。(a) Delay in initial runoff-yielding and peak discharge generation time; (b) runoff and peak discharge reduction rate.

    Figure  6.  Runoff control performances of impervious area disconnection system with different initial soil moisture contents

    表  1  土壤物理性质

    Table  1.   Physical properties of experimental soil

    孔隙度Porosity/%田间持水量
    Field water
    capacity/%
    饱和导水率
    Saturated hydraulic conductivity/(mm·h− 1)
    密度
    Bulk density/
    (g·cm− 3)
    44.026.41.61.4
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    表  2  试验设计

    Table  2.   Experimental design

    编号
    No.
    排列方式
    Arrangement
    绿地面积比例
    Ratio of pervious areas/%
    下凹深度
    Surface depression depth/cm
    土壤前期含水量
    Initial soil moisture content/%
    AIIII0
    B1IIIP25535 ~ 38
    B2IIIP25035 ~ 38
    B3IIIP25026 ~ 30
    C1IIPP50535 ~ 38
    C2IIPP50035 ~ 38
    C3IIPP50026 ~ 30
    D1IPPP75535 ~ 38
    D2IPPP75035 ~ 38
    D3IPPP75026 ~ 30
    注:I表示不透水面;P表示绿地透水区。Notes: I, impervious area;P, pervious area.
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    表  3  雨水断接系统径流调控效应

    Table  3.   Runoff control performances of impervious area disconnection systems

    编号
    No.
    产流延迟时间
    Delay in initial
    runoff-yielding/min
    峰现延迟时间
    Delay in peak discharge/min
    径流总量
    Total runoff/L
    径流削减率
    Runoff reduction rate/%
    洪峰流量
    Peak discharge/
    (L·min− 1)
    洪峰削减率
    Peak discharge reduction rate/%
    A61.25.2
    B127 443.429.14.611.8
    B2 6855.110.05.2 0.7
    B312431.249.12.847.3
    C134430.450.47.1#
    C215848.221.45.1 2.4
    C321440.633.73.826.7
    D14330 13.877.52.159.0
    D212843.129.63.435.3
    D318630.949.63.043.4
    均值 Mean21838.928.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-10
  • 修回日期:  2018-11-02
  • 网络出版日期:  2019-05-30
  • 刊出日期:  2019-06-01

北京西山砂壤土绿地雨水断接径流调控效应试验研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262
    基金项目:  国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102-001),北京林业大学大学生创新创业训练项目(201710022011)
    作者简介:

    郭瀛莉。主要研究方向:水土保持。Email:gyl2015@bjfu.edu.cn 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学

    通讯作者: 张守红,博士,副教授。主要研究方向:雨水控制与利用、水土保持。Email:zhangs@bjfu.edu.cn 地址:同上

摘要: 目的定量评估雨水断接系统的径流调控效应,探寻影响其径流调控效应的主要因素,为海绵城市建设过程中雨水断接系统水文设计和效益评估提供数据基础和科学参考。方法于2017年4—10月,取北京西山砂质壤土填充土槽(4 m长×0.6 m宽×0.25 m高),构建雨水断接试验系统并开展人工降雨试验,采用产流和峰现延迟时间及径流和洪峰削减率4个指标,定量分析绿地面积比例(25%、50%和75%)、绿地建设方式(平式绿地和深5 cm下凹式绿地)及绿地土壤前期含水量(26% ~ 30%和35% ~ 38%)对雨水断接系统径流调控效应的影响。结果本试验9组雨水断接系统的平均产流和峰现延迟时间分别为18和8 min,平均径流和洪峰削减率分别为38.9%和28.3%;雨水断接系统的径流调控效应随绿地面积比例增大而增强,绿地面积比例为25%、50%和75%的雨水断接系统的平均产流延迟时间分别为15、23和24 min,峰现延迟时间分别为5、5和15 min,径流削减率分别为29.4%、35.1%和52.2%;绿地下凹可增强雨水断接系统的径流调控效应,绿地下凹深度为0 cm和5 cm雨水断接系统的平均径流削减率分别为20.3%和52.3%,平均洪峰削减率分别为12.8%和35.4%;绿地土壤前期含水量越低(26% ~ 30%),雨水断接系统的产流延迟时间越长(17 min),径流和洪峰削减率越高(分别为44.1%和39.1%)。结论雨水断接系统具有较好的径流调控效应,能有效滞蓄地表径流,降低流速,延迟产流时间和峰现时间,削减径流总量和洪峰流量。

English Abstract

郭瀛莉, 张守红, 陈明秀, 阿娜尔, 姜宇晨, 曹书凝, 谢朝帅. 北京西山砂壤土绿地雨水断接径流调控效应试验研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 111-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262
引用本文: 郭瀛莉, 张守红, 陈明秀, 阿娜尔, 姜宇晨, 曹书凝, 谢朝帅. 北京西山砂壤土绿地雨水断接径流调控效应试验研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 111-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262
Guo Yingli, Zhang Shouhong, Chen Mingxiu, Anaer, Jiang Yuchen, Cao Shuning, Xie Chaoshuai. Experimental study on runoff control performances for impervious area disconnection system of sandy loam soil green space in West Mountains of Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(6): 111-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262
Citation: Guo Yingli, Zhang Shouhong, Chen Mingxiu, Anaer, Jiang Yuchen, Cao Shuning, Xie Chaoshuai. Experimental study on runoff control performances for impervious area disconnection system of sandy loam soil green space in West Mountains of Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(6): 111-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180262
  • 随着城镇化进程加快,不透水下垫面的面积比例逐渐增加[1],城市流域中不透水面的下渗过程遭到阻断[2],地表滞蓄作用降低,导致城市水文系统的自我调节能力减弱,排水系统压力加大,易造成严重的城市内涝积水[3]。城市内涝等问题是限制城市可持续发展的重要瓶颈之一,而传统依赖大规模管网和硬化渠道等排水系统建设的“快排模式”无法满足城市可持续发展和增强城市弹性的需求[4]。因此,国外许多城市于20世纪末开始探索并发展出多种创新性城市雨水控制与利用模式,如低影响开发(Low impact development)[5]、可持续城市排水系统(Sustainable urban drainage system)[6]、水敏感城市设计(Water sensitive urban design)[7]。借鉴国外雨水控制与利用理念,结合我国城市发展过程中遇到的城市内涝、缺水等水生态环境问题,我国提出并发展了以实现“自然积存、自然渗透、自然净化”为目标的“海绵城市”建设国家战略[8]

    雨水断接作为海绵城市建设和低影响开发的重要措施之一,通过打断不透水面与排水系统的雨水径流连续性,将不透水面(如屋顶、道路或广场)的雨水径流导入透水区域(如城市绿地等),滞蓄地表径流,降低流速,使雨水径流在透水区域就地蓄渗,增加土壤水和地下水补给,同时削减径流总量和洪峰流量,降低城市内涝积水风险。狭义的雨水断接指屋顶的雨落管断接,即通过改变屋顶雨水径流的途径将原本汇集到排水系统的雨水径流引入建筑物周边绿地或雨水收集设施(如绿地、雨水桶或雨水池等)。广义的雨水断接不仅包括屋顶雨落管断接,还包括采用透水铺装、雨水花园、生物滞留、植草沟等措施接收并调蓄路面和广场等不透水面的雨水径流[4]

    鉴于雨水断接的径流调控功能,世界上许多国家将其列为缓解城市水生态环境问题的重要措施之一,并加以推广应用。Mueller等[9]对位于美国麦迪逊市6处屋顶雨落管断接工程在2004年52场降雨的入渗和径流过程监测表明,雨水断接具有明显的径流调控效应。Battiata等[10]在美国弗吉尼亚州研究表明,雨落管断接可削减25%到50%的雨水径流。Lucas[11]等通过SWMM模拟发现雨水断接可削减85.6%径流总量和43.2%洪峰流量。据美国波特兰市2006年政府统计,该市有超过47 000户住宅采取屋顶雨落管断接措施,每年可以削减379万m3的屋顶雨水径流进入城市排水管网[12]。Shuster等[13]通过室内人工降雨实验,研究了不透水面积比例和连接性以及透水区土壤前期含水量对雨水断接径流调控效应的影响。

    国内关于雨水断接径流调控效应的定量研究相对较少,仅宫永伟等[4]采用径流系数法估算了雨水断接的径流削减效益,尚未发现关于雨水断接径流调控效应的试验研究报道。城市绿地作为调蓄雨洪的主要载体之一,通过蓄积下渗来消纳降雨所产生的地表径流量[14],同时可以减少绿地灌溉用水量,是雨水控制与资源化利用的重要途径之一[15],但目前尚缺乏关于城市绿地面积比例、下凹深度、前期含水量等因素对雨水断接系统径流调控效应影响的综合研究。

    本研究根据北京市暴雨资料设计人工降雨试验,设置不同绿地面积比例、绿地下凹深度和绿地土壤前期含水量的雨水断接系统,并监测其降雨和径流过程,采用产流和峰现延迟时间,径流总量和洪峰流量削减率4个指标,定量分析绿地面积比例、绿地下凹深度和绿地土壤前期含水量等因素对城市雨水断接系统径流调控效应的影响。研究结果可望为海绵城市建设过程中城市雨水断接系统的水文设计和效益评估提供数据基础和科学参考。

    • 本试验研究在位于北京市海淀区北京林业大学鹫峰人工模拟降雨大厅(116°28′E、39°54′N)内开展,自主设计加工的试验土槽(4 m长 × 0.6 m宽 × 0.25 m高)如图1所示。试验土槽内填装取自北京市西山(海淀区苏家坨镇)的砂质壤土,填土厚度为20 cm,土壤的物理性质如表1。北京市有许多园林绿化地的土壤质地为砂质壤土[16]

      表 1  土壤物理性质

      Table 1.  Physical properties of experimental soil

      孔隙度Porosity/%田间持水量
      Field water
      capacity/%
      饱和导水率
      Saturated hydraulic conductivity/(mm·h− 1)
      密度
      Bulk density/
      (g·cm− 3)
      44.026.41.61.4

      图  1  试验装置图

      Figure 1.  Experimental equipment

    • 试验共设置3组绿地面积比例(25%、50%和75%)和1组不透水面积比例为100%的对照(即绿地面积比例为0%),2组绿地建设方式即平式绿地和下凹式绿地(下凹深度为5 cm)和2组绿地土壤前期含水量(26% ~ 30%和35% ~ 38%),共开展10组人工降雨试验(表2)。人工降雨试验前,采用ML3 ThetaProbe手持土壤水分仪测定试验土壤含水量,以确保试验绿地土壤前期含水量达到试验设置条件。试验过程中,采用Hobo RG M3自计雨量计监测降雨过程,通过人工收集雨水断接系统出水口径流监测径流过程,降雨和径流监测的时间间隔为2 min。

      表 2  试验设计

      Table 2.  Experimental design

      编号
      No.
      排列方式
      Arrangement
      绿地面积比例
      Ratio of pervious areas/%
      下凹深度
      Surface depression depth/cm
      土壤前期含水量
      Initial soil moisture content/%
      AIIII0
      B1IIIP25535 ~ 38
      B2IIIP25035 ~ 38
      B3IIIP25026 ~ 30
      C1IIPP50535 ~ 38
      C2IIPP50035 ~ 38
      C3IIPP50026 ~ 30
      D1IPPP75535 ~ 38
      D2IPPP75035 ~ 38
      D3IPPP75026 ~ 30
      注:I表示不透水面;P表示绿地透水区。Notes: I, impervious area;P, pervious area.
    • 本试验采用QYJY-503C人工模拟降雨装置,有效降雨高度为12 m,降雨强度变化范围在10 ~ 300 mm/h之间,有效降雨均匀度超过80%[17]。本试验设计的人工降雨历时60 min,其中0 ~ 30 min、30 ~ 40 min和40 ~ 60 min的降雨强度分别为36、72和52 mm/h,60 min的平均降雨强度为47.3 mm/h[18],设计降雨强度与试验过程实测降雨强度的变化过程见图2(a),各组试验的降雨均匀度见图2(b)

      图  2  设计雨强、人工降雨实测雨强(a)与降雨均匀度(b)

      Figure 2.  Designed rainfall intensity, actual rainfall intensity (a) and rainfall uniformity (b)

    • 产流和峰现时间分别指从降雨开始到雨水断接系统出水口产生径流和洪峰流量出现的时间。本文以人工降雨开始和雨峰出现时刻为参考,分别计算不同绿地面积比例、下凹深度以及土壤前期含水量雨水断接系统的产流和峰现延迟时间,以分析不同雨水断接系统地表径流的产流和洪峰延迟效益。

    • 以不透水面积比例为100%(即绿地面积比例为0%)径流总量和洪峰流量为参照,计算不同绿地面积比例、下凹深度以及土壤前期含水量雨水断接系统的径流总量和洪峰流量削减效率,以定量分析雨水断接系统对径流总量和洪峰流量的调控效应。

      $$ {R_{\rm{q}}} = \frac{{\left( {{Q_{\rm{t}}} - {Q_{\rm{d}}}} \right)}}{{{Q_{\rm{t}}}}} \times 100{\text{% }} $$ (1)
      $$ {R_{{\max}} = \frac{{\left( {{P_{\rm{t}}} - {P_{\rm{d}}}} \right)}}{{{P_{\rm{t}}}}} \times 100{\text{% }}} $$ (2)

      式中:Rq为径流削减率,%;Rmax为洪峰流量削减率,%;Qt为全不透水面径流总量,L;Qd为雨水断接系统径流总量,L;Pt为全不透水面洪峰流量,L/min;Pd为雨水断接系统洪峰流量,L/min。

    • 人工降雨条件下各组雨水断接系统的径流过程如图3,产流与峰现延迟时间、径流与洪峰总量、径流与洪峰削减率如表3。9组雨水断接系统的平均产流和峰现延迟时间分别为21和8 min,平均径流总量和洪峰流量削减率分别为38.9%和28.3%,说明采取雨水断接措施,将不透水面的雨水径流导入透水区域(绿地),能有效延迟产流和峰现时间,削减径流总量和洪峰流量。受绿地面积比例、下凹深度和土壤前期含水量影响,各组雨水断接系统径流调控效应表现出较大差异,绿地面积比例为75%,下凹深度为5 cm的雨水断接系统在土壤前期含水量较低(26% ~ 30%)情况下径流削减率(77.5%)和洪峰流量削减率(59.0%)最大。

      图  3  雨水断接系统降雨径流过程

      Figure 3.  Rainfall-runoff processes of impervious area disconnection system

      表 3  雨水断接系统径流调控效应

      Table 3.  Runoff control performances of impervious area disconnection systems

      编号
      No.
      产流延迟时间
      Delay in initial
      runoff-yielding/min
      峰现延迟时间
      Delay in peak discharge/min
      径流总量
      Total runoff/L
      径流削减率
      Runoff reduction rate/%
      洪峰流量
      Peak discharge/
      (L·min− 1)
      洪峰削减率
      Peak discharge reduction rate/%
      A61.25.2
      B127 443.429.14.611.8
      B2 6855.110.05.2 0.7
      B312431.249.12.847.3
      C134430.450.47.1#
      C215848.221.45.1 2.4
      C321440.633.73.826.7
      D14330 13.877.52.159.0
      D212843.129.63.435.3
      D318630.949.63.043.4
      均值 Mean21838.928.3

      图4(a)(b)分别对比了3种不同绿地面积比例雨水断接系统的产流和峰现延迟时间。随绿地面积比例增大,雨水断接系统产流延迟时间增加,当绿地面积比例从25%增大到50%和75%时,平均产流延迟时间从15 min分别增加至23和24 min。而绿地面积比例为25%和50%时,峰现延迟时间不明显,都为5 min,但当绿地面积比例增大到75%时,峰现延迟效益明显增加,平均可达15 min。图4(c)表明雨水断接系统径流削减率随绿地面积比例增加而逐渐增大,当绿地面积比例由25%增加到50%和75%时,其平均径流削减率由29.4%分别增加到35.1%和52.2%。随着绿地面积比例增加,雨水断接系统的透水面积比例增加,下渗量增加,用于滞蓄雨水径流的空间也有所增加,因而径流量减小,径流削减率增大。喻啸[19]研究表明,在20年一遇的设计暴雨条件下,绿地(亚沙土壤)面积比例为1/3时,径流系数为0.83,而当绿地面积比例增加为100%时,径流系数减小为0.25。Moridnejad[20]基于降雨强度为97.8 mm/h、历时15 min的降雨发现,绿地面积比例为30.0%时,径流量为8.1 m3;而当绿地面积比例增加为57.5%时,径流量减少至4.95 m3,降低了38.9%。以上研究结果与本文相近,即增加绿地面积比例可有效控制城市径流总量。

      图  4  不同绿地面积比例雨水断接系统径流调控效应

      Figure 4.  Runoff control performances of impervious area disconnection systems with different ratios of pervious surfaces

      图4(d)反映了绿地面积比例对雨水断接系统洪峰削减效益的影响,绿地面积比例为25%、50%和75%的雨水断接系统的洪峰流量相对于全不透水系统的洪峰流量分别降低20.0%、14.5%和45.9%。绿地面积比例为50%时,雨水断接系统的平均洪峰削减率比绿地面积比例为25%时低,可能原因在于该组试验径流测量或人工降雨系统误差。如图3,绿地面积比例为50%、下凹深度为5 cm、土壤前期含水量为35% ~ 38%的雨水断接系统在第34分钟开始产流并同时出现洪峰流量7.06 L/min,大于全不透水系统的洪峰流量5.22 L/min。

    • 图5显示了绿地下凹深度对雨水断接系统产流和峰现时间延迟以及径流和洪峰削减率的影响。相同绿地面积比例和土壤前期含水量条件下,下凹式绿地雨水断接系统的产流、峰现延迟以及径流和洪峰削减效果均优于平式绿地雨水断接系统。平式绿地雨水断接系统的平均产流和峰现延迟时间分别为11和8 min,而绿地下凹5 cm雨水断接系统的平均产流和峰现延迟时间分别为35和13 min。绿地下凹深度越大,雨水断接系统调蓄容积越大,能够蓄积的雨水越多,相同降雨条件下,产流和峰现时间越向后推移,因此,雨水断接系统产流和峰现延迟时间会随绿地下凹深度的增加而增加。张丽等[21]模拟研究表明,面积比例为1/3、下凹深度为15 cm的绿地可将5年一遇的暴雨产流时间延迟45 min。

      图  5  不同绿地下凹深度雨水断接系统径流调控效应

      Figure 5.  Runoff control performances of impervious area disconnection system with different surface depression depth

      图5(b),绿地下凹5 cm的雨水断接系统的平均径流和洪峰削减率分别为52.3%和35.4%,都明显高于平式绿地雨水断接系统(分别为20.3%和12.8%)。丛翔宇等[22]采用SWMM模拟北京市某典型小区10年一遇的暴雨—径流过程表明,平式和凹式绿地比凸式绿地的径流量分别减少30.0%和53.0%,洪峰流量分别降低10.0%和35.0%。叶水根等[23]模拟分析表明,面积比例为50%的下凹式绿地对10、50和100年一遇暴雨的滞留率分别为87.2%、58.5%和50.8%。由此可见,下凹式绿地能更好地削减地表径流和洪峰流量,是调控雨水径流的有效措施之一。

    • 图6(a)显示了绿地土壤前期含水量对产流和峰现延迟时间的影响。绿地土壤前期含水量在35% ~ 38%的雨水断接系统在第3 ~ 12分钟开始产流,平均产流延迟时间为11 min;而绿地土壤前期含水量在26% ~ 30%的雨水断接系统在第9 ~ 18分钟开始产流,平均产流延迟时间为17 min。绿地土壤前期含水量在26% ~ 30%的雨水断接系统产流延迟时间较绿地土壤前期含水量在35% ~ 38%的雨水断接系统平均提升了约6 min,原因是绿地土壤前期含水量越低,其入渗强度越大,产生地表径流需要的降雨量或降雨强度越高,产流时间越晚[24]。Pappas等通过人工降雨实验发现,土壤前期含水量在20% ~ 24%的雨水断接系统在第32分钟产生稳态径流,而土壤前期含水量在15% ~ 17%的雨水断接系统在48 min内未产生稳态径流[25]。Shuster等[13]指出当绿地土壤含水量较高时,土壤的负压梯度较小,渗透能力较低,更容易产生地表产流。土壤前期含水量较低时,土壤颗粒间的结合力很小,土壤的入渗能力较强,达到稳定入渗阶段所需的时间也较长,产流越慢[2627]。由于本研究人工降雨的最大降雨强度为72 mm/h,绿地土壤的稳定入渗率为1.64 mm/h,因此,峰现时间主要受最大降雨强度开始时刻和持续时间以及绿地下凹深度等因素影响,而绿地土壤前期含水量对峰现时间影响相对较弱。绿地土壤前期含水量为35% ~ 38%和26% ~ 30%的雨水断接系统的平均峰现延迟时间分别为8和5 min,相差不大。

      图  6  不同土壤前期含水量雨水断接系统径流调控效应

      Figure 6.  Runoff control performances of impervious area disconnection system with different initial soil moisture contents

      绿地土壤前期含水量对雨水断接系统径流总量和洪峰流量削减效益的影响如图6(b)。绿地土壤前期含水量在35% ~ 38%的雨水断接系统的平均径流和洪峰削减率分别为20.3%和12.8%,均低于绿地土壤前期含水量在26% ~ 30%的雨水断接系统(分别为44.1%和39.1%)。由表3可见,绿地面积比例为25%、50%和75%的雨水断接系统在绿地土壤前期含水量为35% ~ 38%时的洪峰流量分别为5.2、5.1和3.4 L/min,绿地土壤前期含水量在26% ~ 30%的雨水断接系统的洪峰流量分别为2.8、3.8和3.0 L/min,相对减少了2.4、1.3和0.4 L/min。相同绿地面积比例下,绿地土壤前期含水量越低,雨水断接系统的径流和洪峰削减效益越高。原因在于土壤下渗容量与土壤孔隙特性及前期含水量有关[28],土壤前期含水量越低,贮存雨水径流的有效孔隙体积越大,对径流的削减作用就越强[29]

    • 雨水断接系统的径流调控功能主要通过绿地(或透水区域)滞蓄地表径流、增加土壤下渗[4]。绿地面积比例、绿地下凹深度和土壤下渗速率等参数是影响绿地蓄积下渗的重要因素[30]。随绿地面积比例增加,雨水断接系统用于滞蓄雨水径流的空间增加,产流时间延迟,下渗量也随之增加,因而径流量减小,径流削减率增大[1920,31]。下凹式绿地雨水断接系统的产流、峰现延迟以及径流和洪峰削减效果均优于平式绿地雨水断接系统,绿地下凹深度越大,雨水断接系统的调蓄容积越大,能够蓄积的雨水就越多[2123]。影响土壤下渗速率的因素包括土壤类型、土壤含水量、不同土地利用方式、降雨量、降雨强度等[32]。在相同土壤性质和降雨条件下,绿地土壤前期含水量越低,土壤入渗能力越强,达到稳渗时间越长[2627],雨水断接系统的产流延迟、径流和洪峰削减效益越高[13,25]

      除绿地面积比例、绿地下凹深度和绿地土壤前期含水量等因素外,绿地土壤的透水性能以及绿地空间布局等因素也可能影响雨水断接系统的径流调控效应。此外,水文尺度问题是水文科学研究的基础问题之一[33],试验土槽规格可能是影响试验结果的重要因素。由于人工降雨器等实验设施或场所规模限制,不同人工降雨试验土槽的规格并不统一[13,25,3436]。在人工降雨过程中,因土槽边壁较为光滑,边壁附近较容易形成径流,且流速较快。土槽宽度可能会对产流和峰现时间产生较大影响。本文以不透水面积比例为100%雨水断接系统的径流总量和洪峰流量为参照,计算不同绿地面积比例、下凹深度和土壤前期含水量的雨水断接系统径流和洪峰削减率。由于不透水面积比例为100%雨水断接系统的试验土槽和其他试验条件土槽的径流过程和径流量都受边壁影响,在计算相对变化率时土槽边壁效应影响有所抵消,因此,土槽宽度对径流和洪峰削减率的影响相对较小。

    • 本文通过人工降雨试验(土槽规格4 m长 × 0.6 m宽 × 0.25 m高),采用产流和峰现延迟时间以及径流和洪峰削减率4个指标,定量分析绿地面积比例、绿地下凹深度和绿地土壤前期含水量3个因素对雨水断接系统径流调控效应的影响,得出主要结论如下:

      (1)在历时1 h、平均降雨强度56 mm/h的人工降雨条件下,雨水断接系统具有较好的径流调控效应,平均产流和峰现延迟时间分别为18和8 min,平均径流和洪峰削减率分别为38.9%和28.3%。

      (2)雨水断接系统的径流调控效应随绿地面积比例增大而增强,当绿地面积比例从25%增大到50%和75%时,雨水断接系统的平均产流延迟时间从15 min分别增加至23 min和24 min,平均径流削减率由29.4%分别增加到35.1%和52.2%。

      (3)下凹绿地(深度5 cm)雨水断接系统的平均产流和峰现延迟时间分别为35 min和13 min,平均径流和洪峰削减率分别为52.3%和35.4%,都明显高于平式绿地雨水断接系统。

      (4)绿地土壤前期含水量越低(26% ~ 30%),雨水断接系统的产流延迟时间越长(17 min),径流和洪峰削减率越高(分别为44.1%和39.1%),绿地土壤前期含水量对峰现时间影响相对较弱。

      在城市化规划中,可因地制宜采取雨水断接措施,利用绿地的透水功能及下凹式绿地的调蓄空间可有效滞留雨水,延缓汇流速度,延迟产流时间,实现对地表径流滞蓄截留、储存利用,并减缓城市化带来的内涝积水等风险。本文基于人工降雨试验,试验结果受人工降雨模拟器雨强变化、降雨均匀度及土槽长度等因素影响较大。未来可基于天然降雨过程,监测雨水断接系统径流调控效应,以提供更具实践参考意义的研究结果。

参考文献 (36)

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