低影响开发建筑小区雨水控制效果监测与评估

我国建筑小区用地占城市建设总用地的40%～60%，是产生城市雨水径流的主要下垫面之一，其产生的雨水径流约占城市径流总量的50%[1]。近年来我国城市人口快速聚集，城市化规模和速度位居世界首位，2019年末城镇化率达到60.60%[2]，随着城镇化的快速发展，新建建筑小区数量迅速增多。据统计，我国每年新建建筑相当于世界建筑总量的50%[3]，并且建筑小区停车位的需求进一步加大，地下空间开发率显著提高，阻断了雨水径流的下渗通道。与此同时，住宅小区人口和财产密集，一旦发生内涝灾害，损失较大。针对上述雨水问题，在海绵城市建设过程中，低影响开发建筑小区雨水管理理念在我国得到了快速发展和应用。王建龙等[4]探讨了海绵社区改造的技术路线、控制指标和技术模式，系统分析了海绵社区改造前后水文控制效果；康威[5]以深圳市某建筑小区工程示范为基础，研发了适用于建筑小区的低影响开发雨水系统产汇流模型；李亮[6]提出了绿色建筑小区景观水体水量调节与水质保障技术。现有低影响开发建筑小区雨水控制利用效果的研究主要基于理论分析、实验研究和模型模拟[7-9]，缺乏项目建成后实际效果的监测与评估。此外，在建筑小区建设过程中，要充分利用场地的竖向与周边地形地势，合理地衔接建筑屋面排水、地表排水与地下车库顶板排水方式，优先考虑采用生物滞留、透水铺装等低影响开发方式组织雨水径流排放，既体现了生态宜居城市建设要求，又符合城市绿色发展理念。本文以某低影响开发建筑小区为研究对象，通过对小区排口雨水径流的连续监测以及模型模拟，系统分析了建筑小区低影响开发雨水系统的水量、水质控制效果，以期为低影响开发建筑小区推广应用和监测评估提供支撑。

1 项目概况

该建筑小区位于我国南方某城市，总用地面积为90727 m2，总建筑面积为139901.96 m2，容积率为1.01，建筑密度为34%，绿地率为30%。整个小区中间高四周低，雨水径流最终排入相邻河道。

该建筑小区低影响开发(LID)雨水系统设计主要内容包括：屋面雨水和庭院雨水首先进入雨水花园，一部分雨水花园溢流雨水进入相邻暗渠，然后排至末端雨水花园，最终溢流排入河道;另一部分雨水花园溢流雨水排入植草沟，经分级跌水排入河道。雨水花园渗透雨水一部分通过车库顶板排水进入暗渠，最终排入河道，一部分收集回用。该项目的设计目标为：控制设计降雨量≥20 mm，年均雨水径流外排总量削减率≥30%；年均雨水径流污染物总量(以SS计)削减率均≥40%，低影响开发设施布局及场地竖向设计如图1所示。

2 监测方案与模型

2.1 监测布点

低影响开发建筑小区共6个排口，所有排口均设置监测点(A～F)。各监测点位置分布如图2所示。根据下垫面组成、地势地形等相似原则，选择附近传统建筑小区1个排口作为对比监测点(G)，A～G监测点汇水分区下垫面组成见表1。可知：A监测点汇水面积最大，其值为23770 m2，综合径流系数为0.65；B监测点汇水面积最小，其值为7180 m2，综合径流系数最大，其值为0.72，A、G监测点下垫面组成比例相似。

2.2 取样和监测方法

人工采集雨水径流水样进行水质分析，开始产流取第1个样品，然后分别间隔5，10，20，30，60，90，120 min采集水样，样品存放于4 ℃冰箱内待测[10-12]。SS测定采用GB 11901—89《水质悬浮物的测定重量法》[13]，流量监测采用超声波流量计(型号RYS-ISCO 2150)。2018年3—11月共监测到7场有效降雨，各监测场次的降雨量和降雨强度见表2。

2.3 效果评估方法

每场降雨同步监测A—G监测点的流量和水质，评估指标计算公式如下。

1)雨水径流外排总量削减率见式(1)：

式中：θ为雨水径流外排总量削减率，%；V1为低影响开发建筑小区外排总量，m3；V2为传统建筑小区外排总量，m3；A1为低影响开发建筑小区汇水面积，m2；A2为传统建筑小区汇水面积，m2。

2) 雨水径流峰值削减率见式(2)：

式中：δ为雨水径流峰值削减率，%；Q1为低影响开发建筑小区某汇水区峰值流量，L/s；Q2为传统建筑小区峰值流量，L/s。

3)雨水径流污染物总量见式(3)：

式中：M为雨水径流污染物总量，g；Ct为单位时间间隔内的污染物浓度，mg/L；Qt为单位时间间隔内的径流流量，m3/s。

4)雨水径流污染物总量(以SS计)削减率见式(4)：

式中：ε为雨水径流污染物总量(以SS计)削减率，%；M1为低影响开发建筑小区污染物总量，g；M2为传统建筑小区污染物总量，g。

2.4 模型构建与验证

为了进一步验证低影响开发建筑小区水量、水质控制效果，借助Digital Water软件搭建数学模型对该项目进行评估。由于小区主要采用雨水花园和植草沟排水，将小区概化为6条管道、6个检查井、6个排放口、19个汇水区、133个雨水花园、7条植草沟，采用标准偏差(%)分析模型精度。选择2018年3月20日和2018年9月14日典型降雨，对监测点A、C、E进行率定和验证，结果见表3。

由表3模型的率定和验证结果可知：模拟结果标准偏差均在20%以内，说明构建的数模型满足应用要求。根据当地气象局数据分析结果，该市降雨典型年是2014年，总降雨量为1269.3 mm，降雨天数为136 d，以典型年分钟降雨数据作为输入参数，对传统和低影响开发建筑小区进行了连续模拟评估。

3 结果分析

3.1 水量控制效果

3.1.1 降雨总量控制效果

传统建筑小区(G)和低影响开发建筑小区(M)典型降雨场次单位面积累积外排流量随时间变化见图3。可知：当降雨量<12.4 mm时，低影响开发建筑小区基本无外排流量，当降雨量为24.8，43.4，77.4 mm时，场次雨水径流总量削减率分别为60.6%、21.3%、12.1%，随着降雨量的增加，场次雨水径流总量削减率呈逐渐降低趋势，因此，降雨重现期对雨水总量削减率具有重要影响。7场降雨监测数据分析表明：低影响开发建筑小区场次雨水径流外排总量削减率为12.1%～100%，平均削减率为32.0%；与此同时，典型年数据连续模拟结果表明：传统建筑小区年外排雨水径流量为68237.05 m3，低影响开发建筑小区年外排雨水径流量为37446.8 m3，总量削减率为77.3%。实测和模型模拟结果均表明：低影响开发建筑小区雨水径流外排总量削减均>30%，满足预期设计目标要求。

3.1.2 峰值控制效果

低影响开发建筑小区A、B监测点和传统建筑小区G监测点典型降雨场次单位面积瞬时外排流量随时间变化见图4。可知:当降雨量<12.4 mm时，A和B监测点无外排流量，峰值削减率均约为100%;当降雨量为24.8 mm时，A、B监测点峰值流量分别为7.93，9.96 L/s，峰值削减率分别为55.36%、54.34%。当降雨量由12.4 mm增加至77.4 mm，A点峰值削减率由55.4%降低到26.1%，B点由54.3%降低到12.3%。上述监测结果表明：低影响开发建筑小区对中小降雨峰值控制效果显著，但随着重现期增加，削减效果逐渐降低，因此，降雨重现期是影响低影响开发建筑小区峰值控制效果的重要因素。以上结果与已报道相关文献研究结果基本一致[14，15]。

由图4还可看出：同一场次降雨，A点峰值削减效果始终优于B点，初步分析主要是由于A点汇水区域LID措施布设总面积和占比均高于B点，即A点汇水区域单位面积控制容积大于B点。同时，A、B汇水区域综合径流系数分别为0.65、0.72，相同的降雨条件下，理论上B汇水区单位面积要产生更多径流，因此，A点峰值削减效果始终优于B点。杨钢等[15]研究表明：低影响开发可从产流过程上削减地表径流, 且随着低影响开发设施单位面积控制容积的增大, 削减效果会明显增强，与本研究结果基本一致。

3.2 水质控制效果

低影响开发建筑小区和传统建筑小区污染物累积排放量随时间的变化过程如图5所示。可知：当降雨量为28.6，24.8，43.4，77.4 mm时，场次污染物总量削减率分别为97.7%、69.6%、71.4%、93.2%，7场降雨监测平均削减率为89.6%。典型年连续模拟结果表明，传统建筑小区污染物排放总量为39316.9 kg，低影响开发建筑小区污染物排放总量为13210.4 kg，总量削减率为66.4%。实测与模型模拟结果均满足污染物总量削减率不低于40%设计目标。

由图5还可看出：当降雨量为43.4 mm时，传统建筑小区监测点污染物排放总量仅为7.34 kg，分析原因可能是由于降雨间隔时间较短，小区下垫面污染物累积量较少。当降雨量为77.4 mm时，传统建筑小区污染物累积量达到80.48 kg，且该场次降雨存在明显的初期冲刷现象。分析原因，一方面可能是由于小降雨时，污染物在管道中沉积，大雨时赋存的污染物被大量冲出，导致雨水径流污染物浓度急剧增加；另一方面传统建筑小区汇水面积较小，且10月22日降雨雨峰出现时间短，因此初期冲刷现象明显。

4 结论

1)低影响开发建筑小区在中小降雨条件下对雨水径流总量控制效果显著，但随着降雨量的增加，总量控制率逐渐降低。实际监测和典型年连续模拟结果均表明，年均雨水径流外排总量削减率>30%。

2)低影响开发建筑小区在中小降雨条件下对峰值控制效果显著，但随着降雨量的增加，峰值削减率逐渐降低。低影响开发设施单位面积控制容积对峰值削减效果具有重要影响。

3)低影响开发建筑小区主要目标是控制雨水径流污染，监测和模拟结果均表明，年均雨水径流污染物总量(以SS计)削减率>40%。低影响开发雨水系统污染物控制效果与前期干燥天数、汇水面积和污染物累积特征等均密切相关。

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低影响开发建筑小区雨水控制效果监测与评估

0 引言

1 项目概况

2 监测方案与模型

2.1 监测布点

2.2 取样和监测方法

2.3 效果评估方法

2.4 模型构建与验证

3 结果分析

3.1 水量控制效果

3.2 水质控制效果

4 结论

MONITORING AND EVALUATION OF STORMWATER CONTROL EFFECT VIA LOW-IMPACT DEVELOPMENT IN RESIDENTIAL DISTRICTS

低影响开发建筑小区雨水控制效果监测与评估

0 引 言

1 项目概况

2 监测方案与模型

2.1 监测布点

2.2 取样和监测方法

2.3 效果评估方法

2.4 模型构建与验证

3 结果分析

3.1 水量控制效果

3.2 水质控制效果

4 结 论

MONITORING AND EVALUATION OF STORMWATER CONTROL EFFECT VIA LOW-IMPACT DEVELOPMENT IN RESIDENTIAL DISTRICTS

0 引言

4 结论