LID措施提高上海市建成区排涝能力.

LID措施提高上海市建成区排涝标准的模型实验研究同济大学主要内容•研究的背景与意义•研究区域概况•LID方案选择与模型参数设置•模拟实验结果与分析•应用前景探讨1.研究背景与意义•按照《室外排水设计规范》（2014版）的要求，上海市的排水标准从1年一遇提高到5年一遇；•上海市建成区占规划城市用地的很大部分，建成区排水系统的提标改造是不得不面对的实际问题；•挖除旧管道重排的可实施性差，社会成本非常高，从长计议也难以普遍实施；•在建成区实施部分LID措施，通过源头减量，以现有排水管道系统为基础，实现已建成排水系统的提标改造，是一种可能的选择。1.研究的背景意义•研究目标：根据上海市建成区代表性排水区域的具体情况筛选、布置LID措施，考察通过源头控制提高现有灰色基础设施排涝能力的效果，现有排水系统达到5年一遇的可能性；•研究方法：以SWMM软件为工具，建立排水系统管网水力模型，完成LID设施的参数设置，通过模型实验评价绿色设施设置方案对提标改造的效果。鞍山排水系统：服务面积约1.3km2，区域内主要是上世纪80~90年代建造的多层住宅及少量商业建筑。以下简称A汇水区域。2.研究区域概况用地类型面积/ha比例/%建筑38.332.1道路广场40.233.7绿地40.834.2A系统土地利用概况2.研究区域概况•A系统泵站与总管建于1994年，现有排水管道总长度约为6.5km，其中部分路段管道在2007--2009年进行了提标改造；•利用鞍山泵站的运行数据，对A系统的管网模型进行率定验证，确定管网模型的可靠性；•以经过率定验证的管网水力模型，结合SWMM的LID模块评价现有管道系统的实际排涝能力；鞍山系统排水能力评估管网模型的率定和验证2012-7-617:302012-7-619:302012-7-621:302012-7-623:30-10123456水位（m）2012.7.6鞍山obs鞍山sim2012-7-617:302012-7-619:302012-7-621:302012-7-623:301201101009080706050403020100降雨强度（mm/h）Rainfall2012-9-711:302012-9-712:302012-9-713:302012-9-714:30-2-101234562012.9.7鞍山obs鞍山sim2012-9-711:302012-9-712:302012-9-713:302012-9-714:3080706050403020100水位（m）降雨强度（mm/h）Rainfall•以泵站前池水位为模型率定的评价标准•以N-S系数为指标评价模拟值与实测值之间的拟合程度•4场降雨的N-S系数均在0.70以上，满足模型使用要求。管网模型的模拟值与观测值对比鞍山系统排水能力评估鞍山泵站•在1年一遇（36.5mm/h），历时1h的降雨下，鞍山系统积水量约为1380m³，最不利时刻积水点情况如右图。•现状管道系统没有达到1年一遇的标准。现状管道的改造方案•主要是锦西路上游逆坡管道发生积水。对锦西路上长370m的管道进行改造，并通过预抽空降低暴雨事件的泵站运行水位（排涝泵启动水位从1.8m降低到1.5m）；•改造后A系统在36.5mm/h，历时1h降雨下积水量约500m³，基本达到1年一遇标准。•根据SWMM模型应用要求，按照地表径流排入市政管网的路径，A系统共划分了110个子集水区。A汇水区域的用地类型及其分布子汇水区域分布与收集管网3.LID方案选择与模型参数设置上海低影响开发设施的选择•受到高地下水位影响，不能考虑下渗功能（必须设置防水底板）；•土地高度紧缺，须优先考虑不额外占用土地的技术；•汇流坡度小，适合采用分散的小尺度源头控制设施；•雨水存储、直接利用的费用效益差，不予考虑。适用的LID技术主要有生物滞留、绿色屋顶和渗透铺装。《指南》规定设施底部距离地下水最高动水位大于1m，在上海难以满足。生物滞留设施需要设置防渗膜，透水铺装也要设置防渗膜防止地下水污染，设施滞蓄水量只能通过蒸发，排水管道排放。上海市应用LID设施的限制同济大学透水停车场施工现场•根据子汇水区域的下垫面情况，按照建设LID措施的可操作性完成LID设施的布局定位；•采用详细的分布式模型，考虑地表汇流条件，设置LID设施的收集与排放途径；•设施下排水管道出水接入排水管网；•以设计降雨条件下A系统内是否发生地面积水，评价两种场景下该系统的排涝能力。3.LID方案选择与模型参数设置细分汇水区域、不能接入LID设施的径流直接连接到市政管道；调整出水孔口系数，控制生物滞留、渗透铺装设施排空时间(24h）；在接近最大可能性条件下，设置LID的规模；模型中三种设施所占相关用地的比例（设施规模）设施类别比例（%）服务面积比生物滞留池3310%绿色屋顶60N/A透水铺装40N/A3.LID方案选择与模型参数设置•生物滞留池的比例指设施占渗透性下垫面（绿地）的比例；•绿色屋顶、透水铺装的比例为设计面积与屋顶与铺装道路的比例。参数生物滞留池绿色屋顶渗透铺装堰高/m0.05//表层粗糙系数0.40.40.2透水砖厚度/孔隙率/渗透速率//0.08/0.15/35介质厚度/m0.80.150.25介质空隙度0.370.460.35田间持水量0.240.280.062凋萎点0.120.160.024饱和土壤渗透率mm/h405040排水层厚度/m0.150.05（排水板）0.2排水层孔隙率0.3/0.35排水系数0.52/0.38SWMM中LID模块的参数选择3.LID方案选择与模型参数设置模拟计算的条件•生物滞流设施的初始含水率取凋萎点以上10%，绿色屋面初始含水率取凋萎点以上5%；•根据新编上海市短时暴雨强度公式，5年一遇设计降雨58mm/h；•按芝加哥模式雨型分配设计降雨量，雨峰位置0.40；•降雨历时取1h，模拟时长24h•LID设施通过孔口系数控制排空时间24h，3.LID方案选择与模型参数设置4.模型实验结果与分析场景积水量（m³）现状土地使用14740增加LID设施310A系统在5年一遇1h降雨条件下，不同场景的积水情况•在现状灰色设施的基础上，增设低影响开发措施，绿色/灰色组合设施基本可以达到5年一遇排水标准。•模拟计算得到310m³的积水量接近计算误差（小于无LID时1年一遇降雨下的积水量）。项目传统开发低影响开发总降雨量74.774.7渗透损失量20.115.0径流量53.127.0LID排放量/14.7LID初始存储量/23.0结束存储量1.4439.7两种模拟场景下的水量平衡分析（103m3）4.模型实验结果与分析•低影响开发设施在降雨前、后的储水量增加约1.6×104m³，与LID对原有系统积水量的削减数量基本相同。•设施通过临时滞留的重力水，以及增加的部分毛细水，有效削减了径流总量。雨峰位置（降雨历时中比例）0.20.40.60.8地面积水量（m³）530485081108760长历时暴雨雨峰位置对LID设施运行效果的影响4.模型实验结果与分析•在本文的设计方案与参数设置条件下，A系统内LID设施的总滞蓄容量约为1580m3（12.2mm）；•当5年一遇暴雨发生在降雨过程尾部，源头控制设施提高排涝能力的作用将明显下降。•以5年一遇24h模式雨型为输入（总雨量143mm，1h峰值雨量约58mm），考察1h暴雨雨峰位置对设施运行效果的影响。•随着雨峰位置的推后，地面积水大量增加，LID设施提高排涝能力的效果下降；•24h降雨总量143mm是5年一遇，但其中1h雨量达到58mm的发生概率应明显小于5年一遇。00:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0002468101214161820流量（m3/s）时间传统开发低影响开发01:0002:0003:0004:0005:0006:00350300250200150100500降雨强度（mm/h）降雨13.71m3/s8.06m3/s4.模型实验结果与分析为了反映LID设施对系统出口峰值流量的削减效果，将A系统设置为重力出流，计算得到两种场景下的出流流量过程线如右图。两种场景下的流量过程线形状相近，总水量削减是积水减少的主要原因。LID参数设置与计算结果的合理性分析•短历时强降雨条件下的LID模拟，蒸发作用不考虑，下渗作用在上海不存在，依靠LID的滞蓄能力削减径流总量；•设施填料的初始含水率是影响计算结果的主要因素；•LID的初始条件，生物滞留初始含水量22%（田间持水度约24%），绿色屋面初始含水率21%（田间持水度28%），接近正常含水率；•设施的临时滞蓄能力，主要靠孔口系数的设置。绿色屋顶介质含水率的变化过程生物滞留设施填料的含水率变化过程生物滞留设施介质含水率可以长期保持在田间持水度；而绿色屋顶介质含水率容易一直降低到低于凋萎点。不同LID设施的介质含水率变化特征排放系数对生物滞留设施水文性能的影响排放系数对生物滞流设施水文效果的影响排放系数对生物滞留水文效果影响统计在雨量33.8mm,历时6h降雨条件下，孔口系数对A汇水区域内所有生物滞留设施总体水文控制效果的影响；降低孔口系数对减少峰值流量有比较明显的影响，对水量控制率没有影响。重力水缓慢排出减少了排涝负荷14:0016:0018:0020:0022:0000:0002:00-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0C=0.45C=0.9C=1.82011.10.1314:0016:0018:0020:0022:0000:0002:001501401301201101009080706050403020100流量（m3/s）降雨强度（mm/h）Rainfall排空时间(h)排放系数峰值削减率（%）峰值延后（min）水量削减率（%）240.4565.5345.2120.957.1345.061.850.5245.0透水铺装的下排水同样可以设置出口限流装置。6.应用前景探讨•A系统主要是上世纪80-90年代建造的5-7层旧公房；总体绿地比例40%（有同济新村，松鹤公园）•上述有关LID措施的讨论，是在接近最大可能性条件下进行的；•60%旧公房的屋面改造为粗放型屋面，在政府出钱的条件下有比较好的可操作性（已完成大量的平改坡项目）；•40%的铺面改为透水铺装，主要是小区内的轻载、低污染路面/停车场，政府出资可能实施，镇江市已有类似案例；•33%的绿地改造为生物滞留，困难相对较大，因为小区绿地分散，改造后景观效果下降；市政道路没有绿化带；•《指南》规定新建排水系统，LID的降低负荷作用不考虑；•讨论结合绿色基础设施，通过源头减量提高现有排涝系统的能力，并不是这个方法是理想的新发现，而是挖路翻排大部分市政管道似乎更不可行；•改造市政管网的投资本由政府承担，如果达到同样的目标有更好的途径，政府承担LID设施的建造费用顺理成章；•镇江市在创建海绵城市，提出老城区将控制15mm的降雨；•估算新开发区LID设施的建设投资相对容易，在建成区建造不同LID设施的单位造价，还要进一步研究；•愿与LID企业与设计院共同探讨提标改造的费用效益问题。6.应用前景探讨欢迎指教感谢您的关注