绿色空间原位雨水调节与储能系统应对极端降雨事件设计与评价——适应气候变化的上海共康绿地设计.docx

绿色空间原位雨水调节与储能系统应对极端降雨事件设计与评价适应气候变化的上海共康绿地 设计抽象全球气候变化导致了更极端的降雨事件。探索绿地雨水原位调节和蓄水系统应对极端降雨事件的不同设计方案，对于城市抗击 洪水灾害至关重要。以共康绿地为研究对象，以XPDrainage软件程序为模拟工具，探索并评价了上海绿地雨水原位调节和储 能系统的不同设计方案及其对上海极端降雨事件的响应。根据共康绿地径流曲线、路径和积水面积的模拟结果，确定了雨水调 节和储存设施的理想数量和位置。审查了四种不同的方案：方案A（以分流为导向）、方案B（以渗透和滞留为导向）以及方窠 C和D （全面的雨水调节和储存系统）。从仿真评价来看，在一年、三年和五年降雨事件下，方案C的总径流量捕获率分别达 到100%、99.8%和98.2%O在210毫米超常暴雨事件中，方案C和方案D的总径流量捕获率分别到达81.9%和94.7%。因此, 全面的雨水调节和储存方案（方案C和D）满足了共康绿地极端降雨事件下的径流控制要求。本研究为绿地雨水原位调控与储 能系统的优化设计提供技术参考，促进韧性城市建设。关键字:XPDrainage Simulation;径流调节和储存;绿地定量设计;评估.引言随着气候变化的加剧，极端降雨造成的城市洪涝灾害已成为最常见的气象灾害之一。此外，城市地表径流的控制引起了人 们的极大关注1。城市绿地作为城市的主要自然空间，是雨水原位控制的重要场所2。然而，在城市绿地设计过程中，设计师 通常关注绿地的雨水排放，而忽略了其调节和储存径流的功能。由于游客的进入和践踏，土壤渗透减弱，减少了雨水滞留、渗 透和储存的绿地功能。大多数绿色空间在源头调节和储存雨水的能力有限3。因此，探索和优化雨水源调控的设计与评价方法 和绿地的蓄水功能，对于全市雨水和防洪具有重要意义。定量模拟和径流分析对于设计和评估绿色空间雨水储存系统至关重要。许多水文和水力模拟模型和软件程序适用于不同的 尺度，包括盆地、城市和局部尺度。与流域尺度相关的代表性软件/模型包括盆地、流域模型系统（WMS）、TOPMODEL和集 水区水文建模，其重点是流域划分、区域地表径流、洪水预测和非点源污染的扩散4, 5, 6o适用于城市规模的水文和水力模 型包括SWMM, InfoWorks ICM MUSICo它们主要用于城市地区或社区的水文和水力规划和设计7, 8, 9。虽然SWMM和 MUSIC等城市规模模型可以估计特定地区对低影响开发设施的需求，但对设施的位置和布局考虑较少。相关结果很难被设计人 员直接使用10。局部尺度水文模型与设计与实践结合最紧密，能更好地支持小规模雨水和洪水调涝库设施的设计。局部尺度水文模型包括 RECARGA. SUSTAIN XPDrainage,用于原位雨水储存和调节11, 12, 13。RECARGA可以估计低影响开发设施对径流 减少、地下水渗透补给、积水时间和总处理水量的影响14。SUSTAIN可用于低影响开发设施的水文效率分析和规划低影响设 施的空间位置15。XPDrainage软件可以对当地低影响开发设施中雨水和洪水调节的影响进行更详细的模拟和设计。它（1）支 持使用数字高程模型快速建立地表2D模型，（2）确定降雨径流路径，积水面积和排水设施的最正确位置，（3）估计径流量和 水质及其随时间的变化过程16。XPDrainage软件比其他模型更简单，更有效，用于设计局部雨水原位调节和存储系统17。上海是长江三角洲的一个全球超级大都市，一个拥有兴旺的河流网络的平原。由于上海不透水面比例大，地形平坦，地下 水位高，存在径流产生快、渗透困难、排放困难等问题。面对雨涝灾害的严重威胁、上海亟需提高雨水原位处理能力。关于雨 水的原位调节，城市绿地是最重要的改善和优化潜力空间。本研究以上海共康绿地为研究对象，以XPDrainage为模拟工具， 探索上海绿地雨水原位调控与储能系统的定量设计和评价方法。本研究为改善上海及类似地区绿地雨水就地调节和封存提供了 技术支持。1 .研究领域和模拟软件43使用XPDrainage模拟评估全面的雨水调节和储存系统（方案C和D）基于方案C的仿真结果（图11）,该系统对径流控制良好，在1年回流期降雨事件下到达100%的总径流量捕获率，在 3年和5年返回期降雨事件下，总径流量捕获率分别到达99.8%和98.2%。然而，在极端的210 mm暴雨事件下，绿地的总径 流体积捕获率为81.9%,不符合设计要求。30 r(EE) 3Eno>Jtouna(EE) 3Eno>Jtouna20Total runoff volume capture rate,81.9% s.:,、 98.2%* 1 一" JOO%ooooooooo 9cM 8V O9CM8 I I CM CO CO 寸 VO O O 寸。9 G 9 9o o CXJ 00 z zo o o o o o o CM 00 O <O CXI CO O OrHCMCMCOCOr-i vHt<v-<t-<t-<r-HTime (min)3a 一 5a 210mm图11 .使用XPDrainage软件程序模拟方案C的径流曲线和控制速率。与方案C相比，方案D有两个雨水花园（6号和7号），雨水径流处理能力更强。根据方案D（图12）的仿真结果，210 mm 暴雨事件期间绿地总径流体积捕获率从方案C的81.9%提高到94.7%,满足了共康绿地的设计要求。8Eno>tfcounxScheme C Scheme D图12.使用XPDrainage软件程序模拟210 mm极端降雨事件的方案C和D的径流曲线和控制速率。44方窠D的现场评估和XPD，ainage软件程序的可靠性分析方案D用于重建共康绿地,并于重建九个月后的2016年9月15日和16日进行了实地测试和评估。该实验记录了从2016 年9月15日18： 00至IJ 2016年9月16日18： 00每5分钟降雨一次，日降雨量为196.9毫米。这些设施控制了 662.3米的共 康绿地径流3和642.5米3,满足了 87.1%的总径流体积捕获率，并实现了设计目标。每日降雨模式被引入XPDrainage软件程序中。比拟模拟溢出时间与各雨水花园实测时间的差异，以评估其可靠性（表 2）。表2.共康绿地雨水花园溢流发生时间.如表2所示，XPDrainage软件程序用于预测设施溢流的发生时间的准确性普遍良好。在3号和5号雨水花园中，现场观 测到的溢流发生时间比模拟发生时间早45 min和160 min,误差分别为5%和15%。可能的原因是雨水花园每天处于自然含水 量状态，比XPDrainage软件程序设置的耍大，导致实际径流生成时间早于模拟时间。只有7号雨水花园模拟的溢流发生时间 与现场观测到的溢出发生时间有很大差异。模拟结果说明，7号雨水花园没有溢出;然而，测量的溢出发生在1365分钟内。这种 差异可能是因为7号雨水花园的地形低于其他雨水花园，上游雨水花园的溢流径流在收集后渗入7号雨水花园，导致溢流。总体而言，七个雨水花园中有四个没有溢出，这与模拟一致，其中两个比模拟中更早溢出。在模拟中，只有一个被认为不 会溢出的雨水花园确实溢出了。XPDrainage软件程序在模拟径流生成中表现良好。5.讨论和结论利用XPDrainage软件程序，模拟了上海共康绿地在一年、三年、五年极端降雨事件和210 mm降雨异常情况下的径流曲 线、路径和积水区域。根据仿真结果，设计了共康绿地抗击极端降雨事件的4种不同方案（以引流为导向、以渗透和滞留为导 向以及综合雨水调节和蓄水系统）。通过仿真评价发现，在1年、3年和5年降雨条件下，方案C的总径流量捕获率分别到达 100%、99.8%和98.2%。在210毫米暴雨事件中，方案C和方案D的总径流量捕获率分别到达81.9%和94.7%。因此，综合 雨水调节和储存方案满足了共康绿地极端降雨事件下的径流控制要求。总的来说，本研究利用XPDrainage仿真为共康绿地寻 找一种基于自然的解决方案设计方案，以应对极端气候。在雨水和洪水调节和储存设计中，流域尺度和城市尺度的水文模拟软件，如BASIS, WMS, SWMM和MUSIC,使用频 率更高。同时，本地规模软件XPDrainage的使用频率较低6, 7, 8。然而，一些研究证明，XPDrainage软件在准确确定径流 路径、积水面积以及调节和储存设施的最正确位置方面比流域和城市规模软件具有更多的优势16,17。本研究还证明，XPDrainage 软件能够准确识别共康绿地的径流路径和积水区域，在模拟溢流的位置和时间方面具有较高的精度。这对以原地雨水调节和储 存为目标的海绵城市设计有很大的帮助。这项研究发现，XPDrainage软件模拟的径流生成可能比实际径流生成晚。其原因可能是上海是一个地下水位高、土壤天 然含水量高、径流生成时间短的平原水网区。因此，在类似的环境条件下使用XPDrainage软件进行仿真和设计时，应特别注 意此错误。通常，XPDrainage软件程序适用于设计和评估绿色雨水的原位调节和存储系统。它使设计过程更加方便有效，为指导上 海应对气候变化极端降雨事件的绿色设施的设计和评估提供了参考。2.1.研究领域共康绿地位于上海市闸北区共康村(图1)。它建于1990年，是居民重要的休闲娱乐区。总面积为9366.1米2： 6850.5 米2 (73.1%)绿地，1133.1米2 (12.1%)的铺砌面积，1317.3米2 (14.1%)是一个池塘，65.3米2 (0.7%)的建筑物。图1 .研究地点位置。水泥墙围住工康绿地的西两侧和南侧，东侧与房屋直接相连，北侧是生态滞留池。共康绿地是一个独立的集水区。北池有 一条排水管，是绿地唯一的雨水排水通道。绿地上有两条花园路，连接南北和东西方向。南北方向的花园路略低，已成为绿地 雨水汇集到池塘的重要通道。共康绿地一般平坦，地表径流缓慢流向池塘;因此，绿地的自然排水条件较差。游客经常践踏的表 面土壤雨水截留和渗透能力低。因此，共康绿地易受积水影响，影响社区娱乐休闲活动，亟需重新设计原地雨水调控和蓄水系 统，以解决这一积水问题。22 XPDrainage软件和参数选择XPDrainagc是山XP Solutions开发的可持续排水设计软件程序。该程序可以模拟现场当前的雨水和洪水情况，现场设计 LID雨水调节和储存系统，水质估计，雨水调节和储存过程模拟，并综合评估设计方案对雨水调节和储存的影响。XPDrainage 集成了 CAD以缩短设计时间。与其他水文模拟软件程序相比，XPDrainage提供了一种快速识别径流现状和调节和储存设施布 局的方法，以评估设计方案的效果，使设计过程更加合理有效。使用XPDrainage软件进行雨水调节设计的常规工作流程包括目标设定，现有场地的径流和积水模拟，设计方案制定(设 施数量和位置确实定)，不同方案的模拟和比拟，最终方案确实定和评估。XPDrainage模拟所需的参数包括极端降雨曲线，现场情况以及调节和存储设施的参数。现场情况主要包括有关地表高程和土壤渗透率的信息。调节和储存设施参数包括设施结构、土壤条件和蒸发。本研究的具体参数和条件设定如下：(1)上海极端降雨事件根据中国住宅绿地设计标准18,住宅绿地应该能够应对降雨，回报期为三到五年。此外，研究区域频繁的降雨事件(一 年返回期的降雨)和最强降雨事件值得更多关注。因此，将上海一年、三年、五年回归期的极端降雨事件和最雨选为实验性极 端降雨事件。不同回流期的降雨曲线(图2)是参考之前对上海近67年降雨数据的研究制定的19。1年、3年和5年回归 期降雨事件和最雨的降雨深度分别为104 mm、146 mm、166 mm和210 mm。C一 E - EE) A±fsu£.£C一 E - EE) A±fsu£.£Time (min)1 a 3a 5a 210mm图2,一年、三年、五年回归期极端降雨事件的降雨曲线，以及共康绿地最雨。(2)站点参数现场参数为地表高程、碱基浸润速率、导水性和蒸散量，其值来自先前的研究(表1)20o表1 .工康绿地的场地参数。(3)调节和储存设施参数本研究包括的调节和储存设施是雨水花园，草地洼地，绿色屋顶和透水路面。利用上海交通大学生态规划设计团队的相关 研究成果，获得了雨水花园、草地洼地和绿化屋顶的结构与功能参数21, 22, 23o相比之下，多孔路而参数为透水路面砖和 路面板标准24。有关具体参数，请参见附录Ao3.共康绿地雨水调控与封存设计方案及评价方法3.1. 设计目标应为该空间设计具有雨水原位调节和储存功能的低影响开发设施，以缓解与共康绿地极端降雨事件相关的积水问题。利用 雨水管理期间最常用的总径流量捕获率来指导设计和评估。自然生态系统的地表径流溢出通常为10-15%,自然生态系统的总径 流量捕获率为85-90%25o在考虑自然生态系统总径流体积捕获率时，设计目标设定为极端降雨事件期间共康绿地总径流体积 捕获率超过85%o32早期设计阶段径流和积水区的模拟采用XPDrainage软件程序模拟了不同极端降雨事件下共康绿地径流和积水面积分布，以估计低影响开发设施的数量和空 间分布。根据XPDrainage软件仿真结果（图3）,径流值为246.8 m3, 347.6 m3 , 394.4 m3和571.5米3将分别在 一年、三年和五年回返期的极端降雨事件和最雨事件下产生。根据模拟的集水路径和积水区（图4）,主要集水区位于南北花园 路周围，这将成为低影响开发雨水调节设施的所在地。Cumulative runofflala- 3a 5a210mm图3.勘后共康绿地模拟径流曲线.Ponding volumePonding volume30 m3Runoff direction图4.估计径流方向和积水面积。33设计方案通过对共康绿地的蓄水面积、径流路径和场地情况进行分析，发现雨水花园、草地、绿化屋顶、透水路面、蓄水池等低影 响开发设施可以控制工康绿地外表径流沙，缓解工康绿地积水。为了通过XPDrainage模拟和比拟找到最正确方案，我们根据不 同的功能方向建立了四种雨水调节和储能系统方案。方案A以分流为导向，方案B以渗透和滞留为导向，方案C和D以雨水综 合调节和储存系统为导向。关于工康绿地的地表径流路径和积水区分布，确定了各方案低影响开发设施的数量和位置。具体如 下：（1） 方案A一引水型雨水调蓄系统以引流为导向的雨水调节和储存系统包括两个草地洼地和一个生态滞留池(图5),是最廉价的方案。径流自然流入草堆， 然后进入生态滞留池。该场地必须有合适的空间来安排草地的转移路径。同时，积水区必须相对分散，快速径流不超过草群的 体积，以便草洼可以逐渐转移径流。考虑到共康绿地的场地情况，沿着花园路布置了草地洼地，以引导径流。草地总长130米， 宽 1.5-2 米，总面积 230 米 2.草洼地中的植物包括 Caeca/cofca, Iris tectorum, Lythrum salicaria. Arundo donax, Fleineckia carnea, Buddleja lindleyana等。生态滞留池面积约1317.3米2.池塘中种植的水生植物包括昌瀚；水生莒蒲等。图5.以引流为导向的雨水调节和储存系统以及设施分配示意图（方案A）。（2） 方案B一以渗透和滞留为导向的雨水调节和储存系统以渗透和滞留为导向的雨水调节和储存系统包括三个绿色屋顶，五个雨水花园，两个透水路面和一个生态滞留池（图6）。 所有设施均布置在XPDrainage软件程序模拟结果中的主要集水点。以渗透和滞留为导向的雨水调节和储存系统要求设施以蓄 积区为目标，这有效地解决了初期降雨阶段的积水问题。绿色屋顶位于西北建筑上，面积约65米2.五个雨水花园的总面积为 203米2雨水花园中的植物与草地洼地中的植物相同。透水路面设置在绿地中心水平和垂直方向的两条主要花园道路上，总长 度为145米，宽度为1.5米，面积约为217.5米2.材料为透水砖，渗透率为10m/d。然而，由于径流渗透率和调节和储存设 施的体积有限，以渗透和滞留为导向的雨水调节和储存系统在短时间内管理长期强降雨的能力可能不够。图6.以渗透和滞留为导向的雨水调节和储存系统以及设施分配的示意图（方案B）。（3） 方案C和D综合雨水调节和储存系统设计了两种方窠（方案C和D ）,用于全面的雨水调节和储存系统（图7）。这两个方案有三个绿色屋顶，一个草地洼地, 两个透水路面道路和一个生态滞留罐。此外，方案C有五个雨水花园（Raingarden Nos. 1-5）,而方案D只有两个雨水花园 （Raingarden Nos. 67）。在综合雨水调节和储存系统中，雨水首先渗透。然后，径流的溢流局部进入草地洼地，从而进入 雨水花园和生态滞留池。雨水综合调节储存系统对现场条件要求高，施工工作量大。根据共康绿地的场地情况和XPDrainage 软件程序的模拟结果，在综合方案中，沿着花园道路布置草地洼地以改道径流。此外，在主要集水区安排雨水调节和储存设施,以吸收附近的径流。方案C包括230 m2草地围栏，203 m2雨水花园，65 m2绿色屋顶数量，217.5 m2透水路面和 1317.3 m2 一个生态滞留罐。方案D比方案C多了两个雨水花园，其面积为57米2.Permeable pavement Green roof Gfeen fQof Rainwater garden> > Surface runoff InfiltrationGrasEcological detention tankRainwater garden Permeable pavementNo.6Ra：nwatef garden No3Rainwater gardenNo.lRainwater gardenEcological detention tankNo7Rainwater gardenNo.4Rainwater gardenNo2Rainwater garden图7.雨水综合调节和储存系统及设施分配示意图（方案D）。34评估方法采用两种方法对共康绿地雨水调节和蓄水设计方案进行了评价。首先,使用XPDrainage软件程序模拟和比拟不同极端降 雨事件下每个方案的总径流量捕获率。然后，检测重建绿地的总径流体积捕获率和溢出发生时间，以比拟和分析XPDrainage 软件的可靠性。（1） 使用XPDrainage软件模拟进行评估将雨水调节和储存系统的四种设计方案引入XPDrainage软件程序，以模拟降雨标准下104 mm （一年）、146 mm （三 年）、166 mm （五年）和210 mm （特大暴雨）下每个方案的总径流量捕获率。（2） 绿地改造后的现场试验评估根据XPDrainage软件程序的仿真评估结果，选择方案D重建共康绿地（图8）。在完成共康绿地改造9个月后，对绿地 雨水调节储能系统总径流容积捕获率和溢流发生时间进行了测试和评价。Reconstruction processAfter reconstructionEcological detention tankGrass swaleReconstruction plan forGongkang green spaceRainwater garden图8.共康绿地的重建过程。在绿地重建九个月后，根据天气预报，发现2016年9月15日和16日是发生异常降雨的时候。因此，在这两天里进行了 实地评估实验。使用雨量传感器记录每小时降雨量值（戴维斯雨量传感器S-RGC-M002, Onset HOBO, Bourne, MA, USA）。 该传感器在降雨前一天根据天气预报安装在Gongkang绿地上，以记录48-72小时的连续降雨。手动记录径流溢出设施的时间。降雨后每5 min观察各设施的径流蓄积情况，并记录各设施的溢流开始时间。记录的降雨曲线被导入到XPDrainage软件程序中。对每个设施的溢出时间进行仿真，并与现场测试结果进行比拟，以评 估XPDrainage软件程序的可靠性。4.评估结果使用XPDrainage模拟评估引流雨水调节和储存系统（方案A）根据仿真结果（图9）,方案A在1年、3年和5年回流期的雨水控制率和210 mm降雨事件分别为99.2%、81.9%、72.0% 和48.0%。在1年和3年回归期的降雨事件下，方案A更好地控制了径流生成。在5年回归期和210 mm降雨事件下，绿地产 生大量径流，草地对径流的传导能力缺乏。为了提高绿地的调节和储存能力，有必要增加草堆的数量和深度。但由于地形的限 制，绿地没有其他路径将雨水引导到生态滞留池，草地洼的深度不应增加;因此，系统的调节和存储容量无法得到有效改善。因 此，方案A无法满足共康绿地控制极端降雨事件径流的要求。60Total runoff volume capture rate. 50Lu)aJEno/VJJOUnu4030201048.0%72.0%81.9%99.2%oooooooooooooooooooooooo 9cxico 寸 09(X100 寸 09(X100 寸 O9CM8 寸 O9(N00 llZCOCO b bS99ZZ0066OOLZCNC000210mmTime (min) 1a 3a 5a 图9.面向引流的雨水调蓄系统的模拟径流曲线及控制速率（方案A）.42使用XPDra/nage模拟评估以渗透和滞留为导向的雨水调节和储存系统（方案B）根据模拟结果（图10）,方案B在1年、3年和5年回流期的雨水控制率和210 mm降雨事件分别为84.8%、80.3%、77.0%和65.6%。方案B在极端降雨事件下控制径流的能力有限，未能实现设计目标。当雨水量超过设施的储存能力时，设施 只能依靠渗透来缓慢处理雨水，对持续降雨的反响能力较差。然而，由于设施获得的雨水量不同，设施之间的连接较低，因此 首先在一些地区发生溢流;因此，很难到达整个系统的最大调节和存储容量。共康绿地地形平坦，在没有导流设施的情况下，绿 地生态滞留池的利用效率较低。因此，这种以渗透和滞留为导向的雨水调节和储存系统（方案B）在共康绿地的适用性很差。Total runoff volume capture rate120100100 Eno> tourto:806040200654% 77.0%一一一二二二-* 803%84.8%oooooooooooooooooooooooo9cMeO 寸。9cMeO 寸 0 9CXICObC>9ZOOW0 9(N8 llCMCOCO 寸寸 S99ZZ0066OOlCMC|c0C0T- T - T -Time (min)1a #3a 一一 5a210mm图10.使用XPDrainage软件程序模拟方案B的径流曲线和控制速率。