沈阳市雨涝源头控制措施关键影响因素分析

马兴冠，纪文娟，王梦琪，姜 伟，傅金祥

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，沈阳110168）

城市化建设与经济发展使得城市面临严峻的雨涝问题。城市内涝的传统解决策略往往从给排水角度围绕以排为主的传统理念，遵循“末端控制”被动的解决城市内涝问题。这种处理模式不仅增加了市政管网的压力，降雨初期大量污染物也对河道造成污染；同时，浪费了大量的雨水资源，使得地下水得不到补给。另一方面，单一提高标准、重新修订暴雨强度公式等方式只能解决一部分水涝问题，难以综合防治。因此，将“以排为主”的理念转变为“蓄、滞、渗、排”，综合新型源头控制措施和传统雨水基础设施将成为国内解决内涝问题的发展趋势。

新型源头控制措施是利用多功能调蓄设施来控制城市的水涝［1］，主要包括低势绿地、雨水花园、植被浅沟、透水铺砖等［2－3］。这种新型源头控制措施已在国外具有广泛的应用，例如德国开发利用的“洼地—渗透”系统增强了雨水下渗和雨水径流滞留，使流域径流过程发生推移，峰值时间滞后；同时也减少了径流外排量，防止水涝的发生［4－5］。美国加州弗雷斯等许多城市建立了屋顶蓄水、草地、雨水花园和透水地面相结合的地表回灌系统，有效地实现了就地滞洪蓄水［6］。在新型源头控制措施中，低势绿地是利用下凹空间滞留渗蓄雨水径流、削减洪峰、减轻地表径流污染的一种低影响开发措施（Low Impact Design，LID），具有建设费用低、安全、便捷等特点［7－9］，其渗蓄效率的影响因素包括下凹式绿地面积率f、绿地下凹深度Δh、绿地土壤稳定入渗速率K、设计暴雨重现期P等。在各影响因素中，Δh与f是低势绿地结构设计的关键参数。从低势绿地下凹深度角度考虑，增大Δh与f可以增加雨水径流渗蓄效率，但是受植物耐淹时间、汇水区域径流量、土地规划等因素的限制，不能无限制增加绿地的高程和面积；由于计算的目的、前提以及研究区域的差别，这两个参数的设计取值也会改变。李俊奇等［10］对北京地区的研究表明，植物耐淹时间为1～3d条件下，下凹深度控制在50～250mm的范围内是安全可行的。根据天津市的实际情况，邢国平等［11］认为绿地下凹100mm、绿地率为30%，对1年一遇和2年一遇的雨水有70%入渗，可削减暴雨洪峰。聂发辉等［12］研究表明，由于上海市人口密度、绿地景观等因素限制，绿地下凹深度为50mm比较合适；然而程江等［13］以雨洪滞蓄和削峰为目的，采用极端设计降雨，推荐上海低势绿地下凹深度为100～300mm，绿地面积率10%～30%为宜。有研究认为广州省下凹绿地深度宜采用80～120mm，既能避免高差过大，又可以有效降低城区径流深度；并且提出低势绿地的绿化面积率一般需达到10%以上［14－15］。由此看来，低势绿地设计的关键参数下凹深度和绿地面积率受稳定入渗速率、设计降雨重现期、植物耐淹时间等很多因素影响。对于特定城市内涝问题的解决，最有效的方法是通过该地区降雨雨型的统计分析，选择适宜的调控措施，并对关键设计参数进行调整优化。

雨涝渗蓄效应的影响因素和低势绿地设计参数的探讨已经成为国内该领域研究的热点［10－15］。本文在已有研究的基础上，利用水量平衡原理，结合沈阳市1975—2005年降雨统计数据与雨型分析，考察沈阳市雨涝源头控制措施低势绿地的雨水渗蓄效应及主要影响因素，分析低势绿地设计过程中主要控制参数的合理范围，以期为低势绿地在沈阳市绿地规划与建设中发挥削减雨水径流、缓减排水系统建设运行压力等效应应用的设计运行提供理论依据与实践指导。

1 低势绿地雨水量平衡分析与计算

1.1 雨水量平衡分析

雨水径流汇入低势绿地后，首先通过低势绿地表层土壤下渗；雨水径流过大时流入绿地上的雨水口，进入穿孔渗透管中集蓄向底层土壤中下渗；最后，当径流超过低势绿地集蓄和渗透能力时，就近溢流排入雨水管道。计算时段内各水文要素之间存在的水量平衡关系式见公式（1）。

式中：Q0——计算时段进入低势绿地的雨水径流量（m3）；U0——计算时段开始时低势绿地的蓄水量（m3）；S——计算时段内低势绿地的雨水下渗量（m3）；Z——计算时段内低势绿地的雨水蒸发量（不包括植物的蒸腾量）（m3）；D——计算时段内低势绿地的植物蒸腾水量（m3）；U1——计算时段结束时低势绿地的最大蓄水量（m3）；Q2——计算时段内低势绿地的雨水溢流外排量（m3）。

1.2 计算方法

在某场降雨内，低势绿地对雨水的渗蓄效应由雨水径流渗蓄率N来表示，即降雨过程中绿地渗蓄雨量占汇入绿地总雨水径流量的百分比。一般计算时段按一场降雨来计算；降雨历时较短时，雨水蒸发量和植物蒸腾作用较小，Z1可以忽略。由于绿地植物的淹没时间不宜过长，绿地调蓄的雨水在雨后短时间内入渗排空，所以假设降雨开始低势绿地内无蓄水，即U0＝0。假设设计暴雨重现期内的雨水径流全部渗透利用，不产生外排，即Q2＝0。

对于特定的土壤，其不同初始含水率对入渗速率有较大影响。在入渗初期，土壤入渗速率随着土壤含水率的增加而减小，累积入渗量和稳定入渗率增大；随着时间的延续，含水率对入渗的影响减小以致最终可以忽略。此外，有机质含量丰富的草地土壤入渗率对含水率的敏感性较弱。本文采用不同数值的土壤稳定入渗速率，可以近似理解为不同时段土壤入渗速率的平均。另一方面，沈阳不同类型土壤的含水率与入渗速率之间尚未有明确的函数关系。为了在定量前提下简化计算，雨水下渗量按土壤的渗透系数和绿化面积确定，忽略植物截留、土壤含水率对雨水下渗的影响，而且设计值也更偏安全。因此，雨水下渗量按土壤稳定入渗速率和绿化面积确定是合理可行的。雨水径流渗蓄率计算公式如（2）所示，下渗量公式如（3）所示，径流蓄水量公式如（4）所示。

式中：QZ——降雨量（mm）；F1——绿地服务区域的面积（m2）；F2——低势绿地的面积（m2）；Cn——绿地服务区域的径流系数。

式中：K——土壤稳定入渗速率（m／s）；J——水力坡度，一般取J＝1；T——计算时段（min）。

式中：Δh——下凹深度（m）。

2 结果与分析

2.1 降雨过程设计

根据应用数理统计方法，分析沈阳市1960—2005年近45a的短历时降雨量数据和多个气象站逐分钟降雨记录，归纳实际降雨过程。通过模糊模式识别法与目估法相结合［16］进行降雨历时为120min的雨型划分，可以得出：① 沈阳市雨型主体为单峰雨型，其雨量集中，易引起城市内涝；② 强度均匀的降雨占的比例较少，所以不宜采用均匀雨型作为沈阳市设计暴雨雨型，而考虑用非均匀设计雨型比较合理。非均匀设计雨型的方法有Yen ＆Chow法、Huff法、芝加哥 过 程 曲 线 法 等［17－18］。 大 量 研 究 表 明［19－21］，利用芝加哥过程曲线法的设计雨型具有计算方便、洪峰不受降雨历时限制、在城市雨水径流模型中应用效果好等特点。因此，本文基于芝加哥过程曲线法建立沈阳市的设计暴雨分配雨型；为了避免雨峰过于尖瘦的缺点，不同重现期下的降雨过程分布采用5min为单位时段的柱状过程来表示，雨峰的相对位置取0.4［22］，如图1所示；在不同重现期的降雨特性统计结果见表1。可以看出，在不同重现期，降雨强度均随着降雨历时先增大后减小，主体表现为单峰雨型，降雨历时在48min降雨强度达到最大。重现期从1a增加到100a，峰值降雨强度随之从2.21mm／min增加到5.57mm／min。

2.2 渗蓄效应

根据表1的特性参数统计数据，对沈阳市低势绿地的渗蓄率N进行计算。土壤稳定入渗速率K、低势绿地面积率f、下凹深度Δh、重现期P均是影响低势绿地雨水径流渗蓄效应的因素。K受土壤含水量、导水率、植被、土质等众多因素影响差异较大，最小范围为10－8～10－7m／s［23］。由于沈阳市绿地土壤一般为棕壤土，根据现场模拟降雨实验及相关文献［24］，K 可以达到1×10－6～3×10－6m／s，经过土壤改良之后可达5×10－6m／s。因此，在本文中K值取1×10－7，1×10－6，3×10－6，5×10－6m／s。根据已有研究［12］，f一般需要达到10%以上，大多数城市一般为15%～45%，本文中f取较宽的范围10%～60%。根据各个城市Δh的统计，对沈阳市Δh取50～300 mm。按照2.2给出的计算方法，分别计算f值为10%，30%，Δh值为50mm、200mm边界条件下P与N 的关系，结果见图2。计算Δh值为100mm，P值为5a，10a边界条件下，不同土壤稳定入渗速率情况下的面积率为10%～60%的低势绿地对雨水径流渗蓄效应的影响，结果见图3；计算f值为20%，P值为5a，10a边界条件下，不同土壤稳定入渗速率情况下Δh为50～300mm的低势绿地对雨水径流渗蓄效应的影响，结果见图4。

图1 不同重现期下的2h降雨过程分布

表1 沈阳市降雨特性统计

图2为不同下凹深度Δh与绿地面积率f条件下，降雨重现期P与渗蓄率N 的关系。可以看出，在不同的下凹深度Δh和绿地面积率f、重现期P为1～10a范围内，低势绿地对雨水径流的渗蓄率N随着重现期P的增大而快速下降；当P大于10a，渗蓄率N平缓降低。另外，N随着土壤稳定入渗速率K的增大而增大。

图2 不同土壤稳定入渗速率K条件下重现期P与蓄渗效率N的关系

对图2a—d进行两两比较可以看出，在相同的绿地面积率f条件下，渗蓄率N随着下凹深度Δh的增加而增大。例如在10%的面积率条件下，随着Δh从50mm增加到200mm，N从5%～25%范围增加到22%～70%（图2a和b）。在相同的Δh条件下，渗蓄率N随着绿地面积率f的增加而增大。例如对于50 mm的下凹深度，随着f从10%增加到30%，N值从5%～25%范围增加到18%～75%（图2a和c）。当绿地面积率f和下凹深度Δh同时增加，可以使得渗蓄率N大幅升高；在30%和200mm条件下，N值达到70%～210%范围，而且在此条件下低势绿地对10 a一遇的降雨均可100%的渗蓄，当土壤稳定入渗速率K为5×10－6m／s时，可将50年一遇的降雨渗蓄90%以上（图2d）。

图3为不同下凹深度Δh条件下的土壤稳定入渗速率K与渗蓄率N 的关系。可以看出，在一定的Δh和f条件下，渗蓄率N随着土壤稳定入渗速率K 单调增加。由图3a可以看出，当Δh大于250mm时，在所有的土壤稳定入渗速率下的低势绿地渗蓄率均超过100%，即在此边界条件下，低势绿地还可以渗蓄比其服务面积更大区域的雨水径流。由3b可以看出，对于10a一遇的降雨，绿地渗蓄率较图3a明显偏低。这使得下凹深度Δh临界值从250mm增加至300mm，即在Δh为300mm条件下，所有土壤稳定入渗速率下的低势绿地渗蓄率均超过100%。

图4为下凹深度Δh为100mm、不同低势绿地面积率f条件下的土壤稳定入渗速率K与渗蓄率N的关系。在其它参数相同的条件下，渗蓄率随着土壤稳定入渗速率的增大而单调增加。在相同的绿地面积率和土壤稳定入渗速率条件下，降雨重现期为5a的渗蓄率高于10a的渗蓄率。当f值为20%，K值5×10－5m／s时，低势绿地对5a一遇的雨水基本全部渗蓄（图4a）。当f值为30%，K值5×10－5m／s时，低势绿地对10a一遇的雨水基本全部渗蓄（图4b）。

图3 不同下凹深度Δh条件下土壤稳定入渗速率K与蓄渗效率N关系

图4 不同低势绿地面积率f条件下土壤稳定入渗速率K与蓄渗效率N关系

2.3 低势绿地的关键性设计

Δh与f是低势绿地设计的两个关键参数。为了确定合理的Δh和f，使地势绿地能够拦蓄更高重现期的暴雨量，提出临界面积比例f0。f0定义为在一定重现期下、N＝100%时的临界低势绿地面积。当实际的f＞f0时，雨水径流零排放；反之，雨水有外排。结合沈阳地区土壤稳定入渗速率、雨水设计重现期等影响低势绿地渗蓄率的因素，对Δh和f的取值进行讨论。图5所示为不同设计重现期、土壤稳定速率为1.0×10－6m／s和5×10－6m／s条件下的Δh与f0以及雨水下渗时间的关系。

图5 不同重现期下凹深度Δh与临界面积比f0、雨水下渗时间的关系

在一定的土壤稳定入渗速率条件下，低势绿地临界面积比随着下凹深度的增加而减小，随着降雨重现期的增大而增大；雨水下渗时间随着下凹深度的增加而增加。从图5a可以看出，K 值为1.0×10－6m／s，Δh值为150mm时，低势绿地面积率为40%以上即可全部渗蓄20a一遇的降雨；绿地面积率为35%可全部渗蓄10a一遇的降雨。在此入渗速率下，需要较长的下渗时间45～85h。从图5b可以看出，K值增大到5.0×10－6m／s，Δh值为250mm 时，设计重现期为100a的降雨全部渗蓄所需的低势绿地面积率仅需31%。在此入渗速率下，下渗时间控制在2.8～30h。

2.4 讨 论

低势绿地设计时，稳定入渗速率应进行实测，以评价其渗透能力。在设计计算时稳定入渗速率应选取下限，保证完全下渗，所以在本研究中稳定入渗速率取较低值1.0×10－6m／s。低势绿地应保证一定的最小构造深度以便实现其功能，应不小于50 mm［10，25］。经过计算，当下凹深度值为50mm 时，1a一遇降雨的全部渗蓄所需的临界绿化面积率高达43%；10a一遇降雨的全部渗蓄所需临界绿化面积率已经超过了70%。然而，根据《沈阳市绿化条例》规定，居民绿地面积率一般为20%～40%；对一些要求有附加值的工业用地绿化率一般为15%～20%。尽管城市绿地面积率一般大于低势绿地面积率，结合本文理论计算和城市建设规定，可以根据城市绿地面积率来估算低势绿地下凹深度。对于绿地面积率为20%～40%的居民用地，低势绿地下凹深度高达120 mm可将5a一遇的降雨量全部渗蓄，低势绿地下凹深度高达130mm以上时可将10a一遇的降雨量全部渗蓄；对于绿地面积率为15%～20%的工业用地，低势绿地下凹深度高达230mm以上可全部渗蓄5a一遇的降雨量，下凹深度高达280mm以上时可将10a一遇的降雨量全部渗蓄。另一方面，当下凹深度超过250mm时，位于道路或建筑物周边的低势绿地会成为过往行人、车辆的安全隐患［26］。此外，当下凹深度增加到300mm，雨水全部下渗所需时间为83.3h（图5），超过了植物1～3d的耐淹时间，因此植物的耐淹深度一般控制在250mm以下［27－28］。由此看来，当下渗速率高于1.0×10－6m／s，居民区绿化面积在20%～40%范围内时，低势绿地下凹深度宜在120～250 mm；工业区绿化面积在15%～20%范围内时，低势绿地下凹深度宜在230～250mm。

受城市特征和降雨特点等因素的影响，使得低势绿地的关键参数（下凹深度和绿地面积率）设计值存在差异，主要表现在以下几个方面：（1）对于人口密度大、绿地景观要求高的城市，为了保证安全和不影响绿地植物的生长，要求低势绿地设计时尽量减少开挖量［29］。（2）城市实际降雨特性、绿化面积、土壤下渗能力不同使得设计参数存在差异。（3）研究目的与方法不同造成设计参数不同。本研究以雨洪滞蓄和削峰为目的，结合雨型过程线法对设计降雨量进行计算；然而以雨水资源化为目的城市，主要针对小降雨事件并考察长期运行效率［30］。（4）校核所用的绿地植物淹没时间不同。例如，假设本研究校核的植物淹没时间采用24h，那么只有下凹深度在50～80mm才满足低势绿地正常运行。

一般地，参数设计可根据项目的实际条件进行调整。沈阳市45a降雨量统计数据表明，98%以上的降雨事件的降雨量小于50mm，这相当于重现期介于3～5a之间的降雨历时为2h的降雨量。为了控制沈阳市98%的降雨量，将设计重现期从1a提高到5a，则相同下凹深度的低势绿地的雨水渗蓄率将变得更小（图2）。因此，通过改良土壤的方式将K提高到5×10－6m／s（图5b），下凹深度值在50～300mm的低势绿地的雨水下渗时间均小于24h。若下凹深度为100mm，低势绿地均可渗蓄沈阳市居民区重现期为10a以下的降雨量；若下凹深度为250mm，则低势绿地均可渗蓄沈阳市几乎所有服务汇水面的重现期为5a以下降雨量。因此，当K增大至5×10－6m／s时，下凹深度100～250mm即可使得沈阳市98%的降雨量有效渗蓄。对于重现期高达50a，100 a降雨，当绿化面积增大至30%以上，下凹深度增大到250mm以上，将土壤稳定入渗速率K通过改良土壤方式提高到5×10－6m／s时，单独利用低势绿地即可将50a一遇的降雨渗蓄90%以上，将100a一遇的降雨渗蓄80%以上（图2）。然而，下凹深度超过250 mm造成绿地淹水时间过长，同时使绿地日常维护所需水量增大。对沈阳这个水资源相对比较缺乏的城市，以增大低势绿地面积率来提高雨水渗蓄效率并不是完全合理的。因此，对于重现期高达50a，100a降雨乃至更高的降雨，需结合其他的源头控制措施（如透水路面、渗透沟渠、多功能调蓄池等）达到增加雨水渗蓄能力。比如可以利用立交桥附近的部分绿地建成多功能雨洪调蓄设施；可以在快速路或主干道两侧的绿地内建造低势绿地、雨水花园、渗透管渠、雨水塘等设施；可以在硬化铺装较大的停车场铺设低势绿地与植被浅沟，当停车场有足够空间情况下还可设计小型雨水塘，用以调蓄迅速汇流的雨水，防止停车场积水；也可以在交通量较小的道路、人行道和停车场采用透水铺装。此外，还应考虑路面污染物的控制问题，可采用截污措施避免对绿地的不利影响。

3 结论

结合沈阳市1975—2005年降雨统计数据，通过芝加哥降雨过程线法建立沈阳市的设计暴雨雨型模型，研究了土壤稳定入渗速率K、一系列重现期P条件下的低势绿地下凹深度Δh、低势绿地面积率f与渗蓄率N的关系，分析了低势绿地设计的关键参数Δh和f的合理范围，得出以下的结论。

（1）沈阳市降雨强度随着降雨历时先增大后减小，主体表现为单峰雨型，降雨历时在48min时降雨强度达到最大。

（2）在一定的降雨强度条件下，下凹深度Δh和绿地面积率f越大，土壤稳定入渗速率K值越高，低势绿地的渗蓄效果越明显。为了保证实际降雨的完全下渗，K 选取较低值1.0×10－6m／s；居民区绿化面积在15%～20%范围内时，低势绿地下凹深度宜在230～250mm；工业区绿化面积在20%～40%范围内时，低势绿地下凹深度宜在120～250mm。

（3）通过土壤改良将K 提高到5×10－6m／s，下凹深度100～250mm即可使得沈阳市98%的降雨量有效渗蓄。沈阳市低势绿地的设计宜根据实际规划要求和地理条件进行相关参数调整，对于重现期高达50a，100a降雨可结合其他的源头控制措施来增加雨水渗蓄能力。

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