基于数字排水技术的城市雨洪综合利用方案设计与评估1

基于数字排水技术的 城市雨洪控制方案设计与评估

赵冬泉 邢薇 佟庆远 王浩正

内容提要 研究背景 雨洪控制技术的发展和应用 数字排水平台(DigitalWaterTM DS)介绍 雨洪控制方案设计与评估– 雨洪控制方案设计流程 – 雨洪控制案例应用

结论和展望

城市发展带来的问题 不透水地表显著增加 对水文循环过程产生 重要影响– 地表径流量增加 – 峰值流量增加 – 峰值发生时间提前蒸散发 植被储存 降雨 下渗和 填洼储存

地

表

Q

径

流

河流

壤中

流t Q

天然流域(城市化前)

地表径流 降雨 填洼储存

河流

增加城市洪水发生的 风险 带来严重的城市水体 污染

100% 不 透 水 的 城 市 流 域 ( 城 市 化 后 )

t

国内外雨洪控制技术体系 技术体系– 最佳管理实践(Best Management Practice, BMP) – 低影响开发(Low Impact Development, LID) – 可持续性城市排水系统(Sustainable Urban Drainage Systems, SUDS) – 水敏感区域城市设计(Water Sensitive Urban Design, WSUD) – 低影响城市设计与开发(Low Impact Urban Design and Development, LIUDD)

共同特点– 通过对降雨径流过程的控制，在减轻城市排水系统压 力的同时，减少城市径流的负面影响，具有更好的可 持续性。

雨洪控制技术推广的问题 BMP和LID等城市降雨径流控制理念已经得到了人们的普 遍认可，但工程实践中成功应用的实例仍然较少。 原因之一：雨洪控制是一项综合性强的系统工程，涉及的 学科和部门较多，控制措施的设计需全面考虑当地的土地 利用状况、水文特征、土壤类型、气候和降雨特征等因素。 原因之二：由于雨洪控制方案设计较为复杂且无法通过简 单计算预知实施效果，缺乏有效的设计评估工具。

数字化排水管理与分析模式1. 支持规划方案数据管理与评估① ② 多源数据集成显示，基于汇水关系与复杂网络进行排水系统的资 产管理——解决家底不清、资料混乱的问题 构建模型对排水系统运行状况进行评估、发现管网缺陷点，并对 改造方案进行设计评估——解决排水系统状态评估的缺乏科学手 段的问题 基于模型对规划方案进行不同降雨情景的评估分析，提高规划设 计方案的科学性——解决规划方案合理性难于评估的问题 事故应急处理实现发生前能进行预测，发生时能快速处理——实 现防患于未然 支持排水管网的跨流域调度分析，指导管网调度 实现集团化管理模式——改变分散、不系统的管理模式 实现排水管网巡查养护工作的全流程精细化监管理——解决管网 养护管理随意性大，难以监管的问题

③

2.

支持排水系统的可靠运行① ② ③

④

数字排水平台的技术架构数字排水(DigitalWater)专业分析模块

专业应用与综合分析 的定制开发

污水管网结构分析 与现状评估 管网升级改造 设计与评估

雨水管网溢流管理 管道清淤分析 事故应急分析 户线接入设计与评估

管网规划设计与模拟 雨洪利用设计与评估 排水管网运营监控 ……

数据管理与网络分析 的统一开发

污水管网负荷分析 与布局优化

排水管网GIS高级应用内核多源数据集成显示查询 拓扑空间查询与分析 模拟结果动态表达 管道三维分析与显示

GIS分析与专业模拟 的统一规划

GIS与模型支持平台GIS平台 排水管网数学模型 排水管网复杂关系模型

空间数据与属性数据 的统一存储

数据库支撑体系空间数据库 属性数据库 监测数据库 业务数据库

排水管网软件(DigitalWaterTM DS)

模拟常见管道及附属设施

模拟结果数据表

模拟结果统计

模拟结果专题图

模拟结果曲线图

事件追踪管理

排水管网模拟软件的扩展功能

管网监测扩展模块

空间资料管理扩展 管网规划设计扩展 模块 模块

户线接入管理扩展 模块

管网三维扩展模块

暴雨生成扩展模块

模拟结果率定扩展 模块

用户权限管理扩展 模块

管网模拟分析多窗口动态展示技术

基于数字排水的雨洪控制方案设计 与评估流程 多源数据集中管理模块、设计暴雨生成模块 动态模拟分析模块、模拟结果多视图展示典型降雨 情景 实测降雨 数据 确定控制 方案目标 土地利用

构建排水 管网模型

管网运行 现状模拟节点溢流 总径流量 洪峰流量、时间 其他运行参数

雨洪控制 方案设计

雨洪控制 情景模拟 雨洪控制 方案评估 是否达到 预期效果是

建设蓄滞设施 增大透水面积 其他措施 否

确定雨洪控制方案

案例分析与应用——模型构建 实验小区总面积约为12.9 ha,属 于典型的文教区，下垫面主要由 屋顶、路面、草地等三种类型构 成，各占47%、13%、40%。实 验小区地形较为平坦，降雨径流 由独立的分流制管网收集后排入 临近河道。 模型概化后共包括26个汇水子区， 65个节点和64根管道。参数率定 采用蒙特卡罗方法(Monte Carlo),采用Nash-Sutcliffe效率 系数评价模拟结果曲线与监测序 列的吻合程度，率定和验证结果 证明构建的模型较为可靠。

案例分析与应用——现状模拟结果 参照北京市暴雨强度公式，采用芝加哥法生成1年一遇、历 时120 min、雨峰系数为0.2的前峰型降雨，降雨量45.7 mm。

雨洪控制方案设计前– 3个节点溢流量较大 – 溢流总量191 m3

案例分析与应用——改造方案设计 具体措施包括：– ① 将小区不透水路面改造为透水铺装；

– ② 在屋面比例大于70%的汇水区中，将屋面改装为绿 色屋顶； – ③ 对溢流节点对应的汇水区，设置具有渗透和储水功 能的滞留塘。

修改模型参数：– 在上述雨洪控制措施实施后，研究区域不透水比例从 60%降低至34.5%; – 设定透水砖、绿色屋顶对COD的去除效率分别为30%、 50%; – 在设置滞留塘的汇水区设定“透水区洼蓄量”为0.3m。

案例分析与应用——方案效果评估 雨洪控制方案设计后– 各汇水区净径流量减少， 无节点发生溢流，排水系 统出流过程相对平缓； – 洪峰流量由1.04 m3/s减 少至0.74 m3/s,降低了 28.84% – 总径流量显著降低，由 2.61×103 m3减少至 1.98×103 m3,降低了 24.27%; – 总COD负荷由63.31 kg减 少至53.05 kg,降低了 16.21%。

案例分析与应用——多情景对比现状模拟结果 5 年 一 遇 降 雨 方案效果评估

10

年 一 遇 降 雨