关于海绵城市两种降雨控制模式的讨论

我国《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建(试行)》采用降雨总量控制模式以实现径流总量控制目标,但降雨总量控制率并不等同于径流总量控制率,降雨控制需将降雨转换成径流后才能与径流控制对应。按美国EPA提出的降雨场次控制模式进行设计,其降雨场次控制率等于径流场次控制率,降雨控制与径流控制直接对应。为此,本文开展了关于海绵城市建设中两种降雨控制模式的讨论。论文首先对两种降雨控制模式内涵进行了解析。然后以北京、武汉、广州为代表比较了两种不同控制模式下的城市产流雨量设计结果。研究表明,两种降雨控制模式其设计降雨量具有一定对应关系,但概念上应有所区别;相同控制条件下,按降雨总量控制的设计降雨量要明显高于按降雨场次控制,但两种模式下的最优控制率差异并不大;总量控制模式能较好地反映城市年均产流水平,有利于雨水利用目标实现,而场次控制模式则更能代表城市对场次降雨的消纳能力,有利于径流污染控制目标的实现。     

不同水文年型海绵城市径流总量控制率特征研究

国家海绵城市试点已进入验收阶段,径流总量控制率是建设效果评估的关键指标之一。海绵城市建设技术指南中给出了径流总量控制率的计算方法,但它是通过长序列(一般30年以上)降雨数据排序计算得到的,是反映了长期降雨规律的一个综合平均值。海绵城市考核的年份往往对应具体的水文年型,用统一的综合平均值去考核具体的水文年型,在丰水年标准偏严,在枯水年偏松,不能客观反映海绵城市的建设效果。本文定量分析了海绵城市径流总量控制率的年际变化特性和概率分布特征,基于海绵城市建设技术指南核算了特定年份径流总量控制率的客观指标,可为海绵城市建设效果的考核提供参考依据。     

极端降雨事件对雨水年径流总量控制率和24h降雨场次控制率的影响规律探析

雨水年径流总量控制率是海绵城市建设中最重要的指标之一。通过对降雨资料的统计分析得出雨水年径流总量控制率与设计降雨量之间的关系,由设计降雨量确定雨水源头控制设施规模。合理规范地选择分析降雨统计参数是科学制定雨水年径流总量控制目标的前提和保障。采用《海绵城市建设技术指南》的统计方法,分析极端降雨事件(极端小降雨事件和极端大暴雨事件)对雨水年径流总量控制率与24h降雨场次控制率的统计结果带来的影响,对统计中极端降雨事件的取舍做出判断,同时采用箱形图识别极端大暴雨事件,从而确定其最佳扣除比例。     

海绵城市年径流总量控制率的若干问题探讨

针对年径流总量控制率这一海绵城市建设重要指标,探讨不同暴雨类型地区及数据年限对年径流总量控制率的影响、年径流总量控制率与年降雨场次控制率比较分析、年径流总量控制率对合流制溢流污染控制效果等内容,为海绵城市规划设计应用年径流总量控制率指标提供参考。     

一种基于重现期定义海绵城市设计降雨量的方法——以常德市为例

确定径流总量控制目标及其对应的设计降雨量是海绵城市建设的首要任务。以常德市为例,首先评估了《海绵城市建设技术指南》(以下简称《指南》)中设计降雨量计算方法在南方多雨城市的适用性,并提出了根据降雨的连续性和雨水超排(年径流总量控制率78%)重现期定义设计降雨量的方法,结论如下:(1)常德市降雨丰富且集中,近20年降雨的年际变率增大,面临的洪涝和干旱风险加剧,建设海绵城市的必要性凸显。(2)《指南》中给出的设计降雨量是多年日降雨数据的统计结果,不能保证每年都实现径流控制目标。在21mm设计降雨量下,1968～2015年常德市有34年的控制率低于目标值78%。(3)设计降雨量越大,建设成本越高。根据海绵城市建设的经济合理性原则,保证每一年的径流控制率都达到78%是不现实的。考虑南方城市降雨的连续性,根据雨水超排重现期计算设计降雨量更符合实际。若将常德市的雨水超排重现期设置为5年,则对应的设计降雨量约为58mm。     

基于既有数据的年径流总量控制率与设计降雨量模型拟合方法研究

年径流总量控制率是海绵城市建设的重要目标,为了方便其在海绵城市规划和绿色建筑设计中的应用,基于对既有数据的分析,探讨年径流总量控制率与设计降雨量的对应模型拟合方法。结果表明:利用"对数处理+多项式拟合"方法,可以得到拟合度和准确度均较高的年径流总量控制率与设计降雨量计算模型,具有误差小、方便快捷、可嵌入软件等优点。     

基于线性插值法的年径流总量控制率与设计降雨量快速估算

各城市5%步长年径流总量控制率与设计降雨量无法完全满足海绵城市专项规划编制及相关科研工作的需求。因此,本研究以萍乡市莲花县为例借助线性插值法对1%步长年径流总量控制率与设计降雨量进行估算,并将10958条降雨数据统计得出的实际值与估算值做误差分析,结果表明,该方法具有准确率高、快速、简便且无需重新统计萍乡市近30年日值降雨数据等优点,具有较好的可推广性。     

南昌市低影响开发设计降雨量的确定方法研究

海绵城市建设中,一般采用多年平均的方法确定标准年径流总量控制率下设计降雨量,该方法忽略了降雨的年际变异性,也未明确“年控制”的概念。为此,以南昌市为研究区域,分别采用多年平均法、年单样本方法推求低影响开发设施的设计降雨量,并将两种方法得到的不同标准控制率下的设计值与《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(简称《指南》)中的同标准设计值进行对比。结果表明：《指南》的设计值反映多年平均降雨水平,该设计值仅有约60%概率实现年降雨总量控制目标;而年单样本方法考虑了降雨的年际变异性,能给出不同频率下的设计降雨量,实现统计意义上的“年控制”,可提高对城市的降雨控制水平的估计。     

不同汇流关系LID降雨控制方式分析检验

雨水径流总量控制作为城市低影响开发(Low Impact Development,LID)重要目标之一,对降雨选用何种控制模式(方式)是个重要的问题。本文通过理论分析与实际监测检验,对不同汇流关系下LID降雨控制方式的区别进行了分析研究。理论分析结果表明,LID设施与不透水地表之间依汇流方式不同可以分为串联、并联两种关系形式,分别对应不同的降雨控制方式。对于小于设计降雨量的降雨,前者为场次控制,后者为部分控制;对于大于设计降雨量的降雨,两者均为部分控制。从各场次降雨控制总量来看,前者略大于后者;从对地下水涵养、径流水质改善和流量峰值削减角度而言,前者效果要优于后者。因此,对于LID雨水径流控制效果的检验,不能仅限于降雨总量控制率的统计,还需分析判别LID降雨控制的方式,尽量选用串联的汇流形式。以北京未来科技城为例,对其LID雨水径流控制效果与方式进行了分析检验。结果表明,虽然监测期内雨水总量控制率可以达到≥85%的目标,但对小于设计降雨量的场次降雨未能实现场次控制,原因在于区内不透水车道与两侧绿化带未按规划实现串联布置,后期有待加以改进。     

南宁市设计降雨及其总量控制率时空异质性特征

针对当前我国海绵城市建设及成效考核中设计降雨及其控制率指标单一均化、难以有效定量指导不同下垫面LID设施建设并评价其效果等问题,以南宁市市区为例,基于2020年Quick Bird土地利用及子流域精细划分,根据1981-2010年南宁市0.1°CMFD格点日降雨序列资料,采用ArcGIS空间插值法、《指南》中设计降雨量与控制率关系法以及容积法,分析了研究区日降雨量、设计降雨量及其总量控制率的时空异质性特征,并讨论了现状下垫面调蓄及管网排水对控制率指标的定量影响。结果表明：南宁市市区日降雨频次、年分配、设计降雨量及其控制率均具有显著的时空异质性特征,按75%控制率对应各月的日设计降雨量变化范围为9.72（2月）~32.05 mm（7月）;南宁市主城区（面积占比31.99%）现状年降雨总量控制率普遍低于50%,仅靠绿色LID设施难以实现75%控制率目标,要实现该控制率目标,主城区还需增加调蓄容积120~211 m³/hm²,若考虑管网排水能力70~103 m³/hm²,则所需调蓄容积可减少30~108 m³/hm²。综上,为实现南宁市75%控制率目标,应针对现状下垫面水平,建立考虑时空异质性的不同控制率目标与调蓄容积、管网排水之间的定量函数关系,这是有效提升海绵城市调控雨洪径流能力的一个主要途径。     

城市化对降雨特征影响研究

根据北京城郊雨量站1959～2001年逐月降雨资料，分析了北京城市化对降雨特征的影响。分析表明，城市化使北京地区降雨量等值线加密、年雨量增加，使城区雨量变差系数变化大于郊区。分析北京城市化对降雨特征的影响，可为城市雨洪排水工程设计提供参考。     

泰森多边形法在小流域面雨量计算中的应用

为探究泰森多边形法在小流域面雨量计算中的适用性,以地处江淮丘陵区适宜进行产汇流机制等水文基础理论研究的典型闭合小流域花山流域为例,结合流域现状站点分布和地形特点,选取流域多年面雨量、典型场次与典型日面雨量三种不同降雨量级实例,分别采用算术平均法、泰森多边形法和等值线法计算面雨量进行对比。年面雨量和场次面雨量计算中泰森多边法对比等值线法计算值相对误差小于 1.00%,日面雨量计算值相对误差小于 2.00%;算术平均法在典型场次面雨量样本中有 40.0%的计算值相对误差大于 1.00%,最大相对误差为 -2.47%,在典型日面雨量样本中有36.8%的计算值相对误差大于 2.00%,最大相对误差为 9.38%。结果表明：不同降雨量级使用泰森多边形法计算面雨量比算术平均法更接近于等值线法计算值;算术平均法在降雨量较小时受局部降雨影响计算误差较大,在年面雨量计算时可以和泰森多边形法互换使用。     

天津市设计暴雨雨型的演变

利用天津市1951—2004年54年逐分钟的暴雨资料,采用Huff雨型法研究了天津市设计暴雨雨型及其年代变化。结果表明,天津市的暴雨雨峰大部分出现在降雨历时的第一和第二的四分之一时段内;对比前后27年数据得到的设计暴雨雨型,发现近年来暴雨出现了雨峰提前、雨峰峰值升高等现象,受此影响,暴雨径流出现了洪峰提前、径流总量升高的现象;即使设计暴雨在总量上没有变化,其降雨过程和雨型对防洪排涝和年径流总量控制的效果也会有相当大的影响。因此设计雨型的研究和设计暴雨一样都应当时常更新,并在工程设计中考虑降雨过程和设计雨型的变化可能带来的影响和水文效应。     

降雨控制模式对海绵城市设计参数的影响——以江苏省为例

为了研究降雨控制模式对低影响开发系统设计参数的影响,以江苏省为例,利用全省70个国家气象站、1961-2019年的降水资料开展分析。结果表明:在相同的控制率之下,降雨总量控制模式的日设计雨量大于降雨场次控制模式的日设计雨量,在暴雨占比较高的地区更加明显,且两种控制模式的日设计雨量差值随着控制率的增大而增加;两种控制模式的日设计雨量有一定的比例关系,85%降雨总量控制率和90%降雨场次控制率的日设计雨量比值为1.08;初期雨量控制率的空间分布形态差异较大,降雨总量控制模式下的控制率由南向北逐渐减小,分布规律明显,降雨场次控制模式的控制率分布比较复杂;强降水的比例越大,两种控制模式之间的设计雨量、初期雨量控制率、最优控制率、最优设计雨量的差异越大。     

基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究

降雨数值模拟是延长水文预报预见期的重要方法,但由于降雨数值模拟中驱动数据所提供的初始场和边界场条件和大气的实际状态并不是完全吻合,导致模拟结果存在误差。减小降雨数值模拟的误差是提高水文预报精度的关键问题,特别是在大气数值模式和分布式水文模型耦合模拟过程中,高精度的降雨信息是准确模拟的关键。本文基于WRF模式和三维变分数据同化方法,选取雷达反射率和GTS(Global Telecommunication System)数据作为同化资料,开展基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究,从降雨的空间展布和指标评价两方面对同化前后的模拟结果进行对比。结果表明:同化后的模拟数据在CSI指标和RMSE指标上都优于同化前的模拟数据,说明同化后模拟数据的误差小于同化前的误差;将同化前后的数据展布在网格图中,发现同化后的数据可以更加准确地刻画降雨的空间分布规律,说明通过数据同化方法提高了模拟降雨和实际降雨空间分布的一致性,改善了WRF模式模拟降雨空间分布的能力。     

基于降雨资料的雨量预警指标阈值求解模型

为保证雨量预警指标阈值在有效周期范围内发挥预警作用,通过分析现有雨量预警指标阈值的确定方法,提出了基于区域临界雨量法-降雨灾害同频率法-R/S分析法的雨量预警指标阈值求解模型。将该模型应用于江苏省泰兴市降雨时间序列的分析,对最大日降水量时间序列进行阈值确定、趋势分析,并用指标阈值进行预警验证。结果表明,该模型的雨量预警指标阈值确定结果相较单一模型更为准确,且具有一定的时效性,可为农村基层防汛预报预警提供参考。     

坡地自然降雨入渗产流的数值模拟

从动量定理和水量平衡原理出发，推导出自然降雨条件(即同时考虑变雨强、降雨动量和风影响下的坡地径流过程)下的坡地径流基本方程。在考虑一般问题定解条件的基础上，采用Preissmann隐式格式对模型进行数值求解。利用在江西省水土保持生态科技园内的10组实测资料对模型进行了验证，其计算值与实测值的相对误差不超过±11％；说明模型的计算结果是可靠的，提出的自然降雨条件下坡地径流模型是可行的。