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基于InfoworksCS的雨水利用措施对城市雨洪影响的模拟研究_黄国如

第31卷第5期2 0 1 

3年5月水 电 能 源 科 学

Water Resources and PowerVol.31No.5

May 

2 0 1 3文章编号:1000-7709(2013)05-0001-

05基于Infoworks 

CS的雨水利用措施对城市雨洪影响的模拟研究

黄国如1,2,吴思远1

(1.华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640;2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广东广州510640

)摘要:以广州市新河浦社区为研究区域,构建了基于Infoworks CS的城市雨洪模型,对研究区年均可收集雨量和需水量进行分析计算,并设计了雨水利用方案。采用Infoworks CS模型模拟了设置蓄水池、下凹式绿地和透水砖3种雨水利用措施在不同重现期时排水管道出口断面洪峰流量和淹没情况。结果表明,

蓄水池、下凹式绿地和透水砖皆可有效地削减洪峰、推迟峰现时刻、减少径流量及被淹没节点数,三者组合可更好地发挥控制流量的作用,

增加雨洪资源利用量,且重现期越小,雨水利用措施效果越好。关键词:Infoworks CS模型;蓄水池;下凹式绿地;透水砖中图分类号:TV124

文献标志码:B

收稿日期:2012-10-26,修回日期:2012-12-

03基金项目:水利部公益性行业科研专项经费基金资助项目(201301093);华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题基金资助项目(2012ZC09

)作者简介:黄国如(1969-),男,教授、博导,研究方向为水资源和水环境,E-mail:huangg

r@scut.edu.cn 近年来,

随着我国社会经济的快速发展和人口的增加,

城市化进程加快,一方面城市规模不断扩大,不透水地面面积不断增加,绝大部分雨水都直接汇集成地表径流,

排水管网无法短时间内排出雨水,从而在低洼处形成积水,造成城市内涝;另一方面,雨水直接被排出境,雨水资源未得到充分利用而造成浪费。因此,通过修建蓄水池、设置

下凹式绿地、铺设透水砖等[1~8]

雨水利用措施来

减缓城市内涝就具有非常现实的意义。雨水利用措施不仅缓解了水资源供需矛盾,还可滞留、储蓄、下渗部分雨水,从而减缓城区雨水洪涝灾害和地下水位下降、控制雨水径流污染、改善城市生态环境。鉴此,本文以Infoworks CS为基础,构建了广州市新河浦社区城市雨洪模型,在不同暴雨重现期和不同雨水利用措施条件下进行模拟计算,研究雨水利用措施对城市雨洪的影响,从而为城区防洪排涝和雨水利用提供技术支持。

1 Infoworks 

CS模型Infoworks 

CS模型的前身是沃林福特程序,后经不断发展,演变成为城市排水系统模型[9]

。该模型既可用于暴雨系统、污水系统或雨污合流系统的规划设计,又可进行雨洪实时运行管理,时间步长可达15min。Infoworks 

CS有许多模块,本文主要采用降雨径流模块和管流模块。

降雨落在城市地表之初,汇积在地表的低洼地面并蒸发,当降雨量超过填洼容量时产生部分径流,

地表积水剩余部分渗入地下,其中截留和洼蓄称为初始损失。当土壤达到饱和时积水开始稳定下渗,

一部分渗入地下,另一部分则直接渗透到下水道网络[

10]

。地表径流经过雨水口汇集进入雨水管道系统,并最终进入受纳水体。Infoworks CS采用分布式模型模拟降雨径流过程,基于详细的子集水区划分和不同产流特性的表面组成进行径流计算。主要计算单元包括初期损失、产流模型和汇流模型,其中产流模型有固定比例径流模型、Walling

ford固定径流模型、新英国可变径流模型、美国SCS模型、Green-Ampt渗透模型、Horton

渗透模型、固定渗透模型等;汇流模型有双线性水库(Walling

ford)模型、SPRINT径流模型、Desbordes径流模型、SWMM径流模型等[1

0]

。Infoworks 

CS的管道模型以Preissmann四点隐式差分格式求解一维圣维南方程组。

2 研究区雨洪模型构建

2.1 新河浦社区概况

广州市新河浦社区位于东山湖公园北侧,地处亚热带,多年平均降雨量1 

982.7mm,降雨年

内分布不均,4~6月为雨季。辖区总面积12.26hm2,人口12 600多人。研究区内地面情况复杂,包括住宅区、办公楼、广场、草坪、道路等。近年来,社区环境、市政设施、房屋外立面、河涌污染等经过综合整治,环境明显改善,学校和沿新河浦涌处有较大面积绿地,绿化覆盖率达30%以上。但街道雨水管道设计标准偏低,排水管道中满足重现期为1年的占83%,重现期为2年的占9%,还有部分重现期为0.5年,当小范围、高强度局部暴雨发生时,易导致内涝灾害发生。

2.2 子流域概化

将新河浦社区CAD数据导入ArcGIS处理后,将研究区域的节点、管线、子集水区等要素以shp格式文件导出,利用数据导入中心功能将这些要素导入Infoworks CS,并在Infoworks CS中建立研究区域的排水管网模型。

研究区域不透水地面面积为83 140m2,占总面积的67.81%;透水地面面积为39 460m2,占总面积的32.19%。区内排水管网主要沿道路设置,由北向南有2条干管,由东向西有3条干管,最终沿新河浦路和内环路在西南处一个拍门汇合[11]。支管线则四通八达,分别就近汇入干管的节点处。依据地形、道路和街区将新河浦社区概化为610个节点(其中609个检查井,1个出口),621条管线(管线总长5 347m,管径在100~1 700mm之间),依据雨水口、检查井位置和坡度将新河浦社区概化为91个子集水区(0.01~1.02hm2)[7]。概化结果见图1。

图1 新河浦社区管网概化图和平均坡度图

Fig.1 Generalized under drain and average

slope at Xinhepu Region2.3 模型参数确定

节点、管线、子集水区数据可在Infoworks CS生成的数据文件中补充和修改,管线截面形状为圆形或矩形,管顶和管底的糙率系数均为0.013。

研究区内的屋面和沥青路面作为不透水表面,碎石、砖铺路面和绿地作为透水表面。固定比例径流模型(Fixed)适用于径流比能够较准确估计的不透水表面汇水区,参数为固定径流系数;而新英国可变径流模型(NewUK)考虑降雨径流系数是变化的,广泛应用于透水表面的产流计算。由于Infoworks CS模型在我国应用较少,参数较为缺乏,本文参考该模型的使用手册和相关文献[12],确定各类产汇流类型及参数见表1。

表1 地表产汇流参数

Tab.1 Parameters of runoff yield and concentration at surface下垫面

种类

下垫面

类型

汇流

参数

产流

模型

固定径

流系数

有效不

透水面

积因子

土壤衰

减常数

/(mm·h-1)

湿度深

度参数

/m

初损值

/mm屋面不透水5Fixed 0.9 0.65 5

沥青路面不透水5Fixed 0.9 0.65 5

碎石路面透水 7NewUK 0.5 0.2 2绿地透水 10NewUK 0.5 0.2 2

3 雨水利用方案

3.1 年均可收集雨量

新河浦社区年均可收集雨水量受气候、降水特性、雨水水质等自然因素及当地建筑物布局和结构等其他因素影响,年均可利用雨水量计算公式为:

Q=0.001αβH∑

i=1

φiAi(1)式中,α为季节折减系数,为汛期平均降雨量/年均降雨量,广州市季节折减系数为0.80;β为初期弃流系数,等于1-初期雨量×年均降雨次数/年均降雨量,屋面雨水的初期弃流系数取0.910,路面雨水径流的初期弃流系数取0.746;H为年降雨量,mm;φi为不同下垫面径流系数;Ai为相应的不同下垫面集雨面积,m2。不同下垫面的径流系数和集雨面积见表2。

表2 不同下垫面径流系数及集雨面积

Tab.2 Runoff coefficient and catchment area of

different underlying surfaces

下垫面种类径流系数集雨面积/m2

屋面0.90 67 330混凝土和沥青路面0.90 15 810

碎石和砖铺路面0.40 5 140

绿地0.15 34 320

一般,绿地、碎石、砖铺路面雨水很难蓄积,渗透后直接排放,所以年可收集雨量只考虑屋面和混凝土、沥青路面雨水。屋面年均可利用水量为

·

·水 电 能 源 科 学 2013年

第31卷第5期黄国如等:基于Infoworks CS的雨水利用措施对城市雨洪影响的模拟研究87 466m3,路面年均可利用水量16 

837m3

,新河浦社区年均可利用雨水量为104 

303m3。3.2 需水量

《室外设计给水规范》[13]

规定,城市回收的雨

水主要作为部分工业用水、消防用水、浇洒道路及绿化用水、

景观用水和其他杂用水。针对新河浦社区实际情况,

只考虑水质要求较低的绿地和道路浇洒用水,浇洒绿地用水、道路用水分别按

3.0、2.0L/(m

·d)每天浇洒一遍。经计算绿地、道路年需水量分别为37 580、11 541m3,新河浦社区年需水量为49 

121m3

。由此可见,新河浦社区年可收集雨量大于需水量,不需要市政管道额外补给。3.3 雨水利用措施

雨水利用是指针对因建筑屋顶、地面硬化导致区域内径流量增加而采取的对雨水进行就地收

集、

入渗、储存、利用等措施[3]

。将新河浦社区下垫面分为屋面、道路、绿地等3种介质。其中屋面雨水水质较好,径流量大,收集后可由雨水管道输送至贮水池处理后利用;路面雨水水质较差,可增加渗透路面面积加大雨水渗透量,然后进入下凹式绿地,

最后超渗雨水经雨水口排放;绿地径流雨水水质较好,

但渗透量大故可收集雨量很小,所以直接溢流排放。通过对该社区下垫面及水量平衡分析,经综合考虑初步拟定雨水利用方案,见图2

。图2 新河浦社区雨水利用流程图

Fig.2 Flow chart of rainwater utilization at Xinhepu Reg

ion(1

)蓄水池。是用人工材料修建、具有防渗作用的蓄水设施,属于雨水直接利用设施范畴。蓄

水池主要是设计其有效容积,

应遵循以下原则[4]

:①当需水量大于可收集雨量时,依据一次暴雨可

集雨量确定蓄水池的有效容积;②当需水量小于可收集雨量时,直接依据用水量来确定蓄水池的有效容积。由前述水量平衡分析可知,新河浦社区可直接根据用水量来确定蓄水池容积。此外,广州市每年有85%的降雨时间间隔小于5d,且雨水在储存池停留时间超过5d易滋生细菌,对水质不利,综合考虑蓄水池存储5d所需用水

量[5]

,则5d绿地灌溉和道路浇洒用水需水量为672.9m3,因此设计雨水集水池容积为700m

。经处理后出水水质应符合国家标准《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》[14]规定。

(2

)下凹式绿地。下凹式绿地的结构为路面高程高于绿地高程,雨水口设在绿地内,高于绿地高程而低于路面高程。这可使道路、建筑物等铺张区的雨水径流首先流入绿地,绿地蓄满后再流

入雨水口[

6]

。下凹式绿地的设计主要是确定低势绿地的下凹深度、面积比例和淹水时间,并选择合适的溢流方式。其主要参数的确定应根据土质渗透系数、地区雨水设计重现期等具体情况经过技

术经济比较综合确定[7]

。广州地区深度为100

mm的下凹式绿地对降低汇流比例、

削减洪峰流量效果较好[

8]

。(3

)透水砖。以无机非金属材料为主要原料,经成型等工艺处理后制成具有较大水渗透性能的铺地砖。主要原理是利用其高孔隙率尽量使雨水渗入土壤。当雨水通过路面的渗透速率大于土壤渗透速率时,多余的雨水再进入雨水管网。将新河浦社区内人行道、

停车场等硬化路面改为多孔混凝土材料所制的透水砖铺装,透水砖的入渗率定为2.89mm/s。3.4 模拟结果分析

为定量分析设置雨水利用设施的效果,本文模拟计算了不设置雨水利用设施、

只设蓄水池、下凹式绿地、透水砖及3种雨水利用措施同时设置5种方案在3种不同重现期降雨条件下区域产汇

流过程。

广州市暴雨强度计算公式为:

q=2

 424.17(1+0.533 1gP)/(t+11.0)0.668

(4)式中,t为降雨历时,min;P为设计重现期,

年。Infoworks 

CS提供6种合成暴雨产生器,而广州市降雨最适合使用香港降雨产生器,利用该降雨产生器分别建立降雨历时为120min,降雨重现期为5、10、20年的降雨事件,

结果见图3

。图3 降雨历时为120min重现期为5、10、20年的雨强图

Fig.3 Rainfall intensity 

for rainfall duration 120minute and return time p=5,

10,20利用Infoworks CS对不同雨水利用措施和不同重现期降雨事件分别模拟计算,得到各种情况下的峰现时刻、峰值、径流系数和淹没节点个数,结果见表3。

·

3·

表3 不同措施、不同重现期下的洪峰流量、峰现时间、径流系数和淹没节点数

Tab.3 Discharge and time of peak flow,runoff coefficient and node number of submergence at different

measures and rainfall return periods

措施类型

峰现时刻峰值/(m3·s-1)径流系数淹没节点数

p=5 p=10 p=20 p=5 p=10 p=20 p=5 p=10 p=20 p=5 p=10 p=20

不设置任何措施1:04 1:04 1:03 3.72 4.06 4.52 0.68 0.71 0.75 10 13 19蓄水池1:07 1:06 1:05 3.38 3.78 4.32 0.62 0.67 0.72 9 12 19下凹式绿地1:05 1:05 1:04 3.39 3.72 4.21 0.66 0.68 0.71 4 8 15透水砖1:04 1:04 1:03 3.67 4.02 4.49 0.67 0.69 0.73 7 10 17三种措施集合1:08 1:07 1:06 3.26 3.65 4.19 0.59 0.64 0.69 2 6 14

由表3可看出:①上述3种措施均在一定程度上削减了洪峰流量、推迟洪峰出现时刻,且下凹式绿地削减洪峰效果优于蓄水池和透水砖。随降雨重现期增大,设置蓄水池削减洪峰的幅度减少,透水砖和下凹式绿地削峰效果则较为稳定。这是由于蓄水池属于雨水直接利用措施,而且蓄水池容积固定;而下凹式绿地和透水砖是雨水间接利用,是利用土壤下渗来减少径流量,下渗量随降雨量增加而增加,故削峰效果更为稳定。②随着重现期增大,径流系数总体增大,经过雨水利用措施后,径流系数减少的幅度随重现期增大而降低。说明重现期越小的降雨,雨水利用措施效果越明显。③设置蓄水池对淹没节点影响较小,原因在于蓄水池一般设置在整个排水系统的中间段,对上游积水的改善效果不明显。而设置下凹式绿地后淹没节点明显减少,这是由于造成节点淹没的主要原因是地势低和下游管径过小,而下凹式绿地有一定的库容,能蓄积洪水,故对积水处理效果最好。

4 结语

a.针对广州市新河浦社区实际情况,构建了基于Infoworks CS的城市雨洪模型,对研究区域的雨水水量平衡进行分析,提出该研究区的雨水利用方案。

b.利用Infoworks CS模型分析了设置蓄水池、下凹式绿地和透水砖3种雨洪利用措施对城市雨洪的影响,可知3种措施皆可有效地削减洪峰流量、推迟峰现时刻、减小径流系数及节点淹没个数,从而有效地减少城市内涝灾害,增加雨洪资源利用量;而且降雨重现期越短,雨洪利用措施发挥的效果相对越好。

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(下转第17页)

·

·水 电 能 源 科 学 2013年

第31卷第5期陆桂华等:中国南方地区VIC模型参数网格化公式及效果验证4 结语

a.VIC模型在我国南方大部分地区具有较好的适用性。各流域模拟的径流相对误差平均为-0.48%,模拟的日流量过程确定性系数平均值达0.79。

b.

构建的中国南方地区六个水文参数网格化公式均通过了显著性水平5%下的F检验。VIC模型水文参数与气候、土壤、地形地貌和植被因子密切相关且均呈非线性关系;各水文参数网格化公式的决定系数在0.22~0.81之间,可信度最好的是参数Ws和D2的网格化公式,最差的是参数Dm。

c.

本文构建的南方地区水文参数网格化公式在验证流域上的模拟效果均较好,为VIC模型在无资料地区的应用提供了有力的技术支撑。参考文献:

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-Five Year(1971-2005)Simulation of Daily Soil Moisture U-sing the Variable Infiltration Capacity Model overChina[J].Atmosp

here-Ocean,2007,45(1):37-45.Parameter Gridding 

Formulas of VIC Model in SouthernReg

ion of China and Effect VerificationLU Guihua1,2,

3,ZHANG Jian1,2,

3,WU Zhiyong1,2,

3,

HE Hai 1,2,

3(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 

210098,China;2.Institute of WaterProblem Research Academy,Hohai University,Nanjing 210098,China;3.National Engineering Research Centerof Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety,Hohai University,Nanjing 

210098,China)Abstract:Taking southern region of China as an study area,based on the hydrologic parameters calibration of varia-ble infiltration capacity(VIC)model in typical basin,multiple stepwise regression method is applied to analy

ze the rela-tionship between hydrologic parameters of VIC model and climate,soil,topography and vegetation characteristics.Andthen a modification for hydrologic parameter gridding 

formulas of the VIC model is established.The result shows that thegridding formula has higher precision and passes F-test at a significance level below 5%;it has good application effect inthe verified basins,which provides technical support for application of VIC model in data scarcity 

areas.Key 

words:VIC model;parameter gridding;stepwise regression;southern reg櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀

ion(上接第4页)

Simulation Study 

on Effect of Rainwater Utilization Measures onUrban Stormwater Based on Infoworks 

CSHUANG Guoru1,

2,WU Siy

uan1

(1.School of Civil Engineering and Transportation,South China University 

of Technology,Guangzhou 510640,China;2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)Abstract:Taking Xinhepu community in Guangzhou City as study 

object,the urban stormwater model is developedbased on Infoworks CS.The water balance is analyzed and the scheme of rainwater utilization is desig

ned.Then,threekinds of measures,for example,storage pond,sunken lawn,and permeable brick based on Infoworks CS model are takeninto consideration to test the change of the discharge and time of peak flow in the outlet of drainage channel during 

differ-ent rainfall return periods.The results show that storage pond,sunken lawn,and permeable brick can all effectively miti-gate peak flow,postpone the time of peak flow and reduce the runoff volume and the number of the wells inundated by

rainwater;combination of three measures can better control the discharge and enhance the rainwater utilization;the shor-ter the return p

eriods are,the better rainwater utilization measures work.Key 

words:Infoworks CS;storage pond;sunken lawn;permeable brick·

71·

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