基于LID措施的城市雨水径流调控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于LID措施的城市雨水径流调控方法，包括：步骤1：使用拉格朗日插值法获取开发前径流系数；利用暴雨管理模型中LID控制编辑模块，获取LID措施参数取值范围；再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数；步骤2：划分子汇水区域，形成以主干河流为中心的一级汇水区域，根据细化的DEM图划分二级汇水区；再根据排水设施空间的分布情况，形成三级汇水区域；步骤3：执行水文过程模拟；步骤4：执行水力过程模拟。执行水力过程模拟。

【技术实现步骤摘要】
基于LID措施的城市雨水径流调控方法


[0001]本专利技术涉及雨水管理技术，具体涉及一种基于低冲击开发(Low Impact Development， LID)措施的城市雨水径流调控方法。

技术介绍

[0002]目前，我国大多数城市的雨水排水系统依照传统雨水排水设计方法建造。传统的城市雨水排水设计多采用快速排出雨水的方式，在短期内保证了城市雨水排水系统安全。但是，随着城市化水平的提高，城市不透水面积比例逐年增加，传统设计方式下的重现期水平已不能满足现代城市的雨水排水需求。尤其是特大暴雨发生时，对短时间内汇集的大量雨水，缺乏有效的、及时的排水方式是造成城市排水系统瘫痪和内涝的根本原因。我国人均水资源拥有量比较匮乏，但污染轻，水量大的雨水资源的利用率却很低。此外，雨水对地面的快速冲刷和排放又会为区域水环境带来严重的面源污染问题。
[0003]以上现象暴露出我国现有的城镇排水系统存在以下问题。第一，排水管网等基础市政工程的设计、建设标准普遍较低，目前我国省会以上城市的排水标准一般只有一年一遇到两年一遇，其它城市的排水标准更低；第二，近年来，我国城市化进程明显加快，随之而来的是城市的急速扩张，随着市区的扩张，房屋建筑更加密集，混凝土铺盖的不透水面积不断增加，而地表植被和坑塘不断减少，致使地表的持水、滞水及渗透能力减弱，暴雨来临时产汇流时间缩短，地表及河道径流量增大，内涝灾害加剧；第三，目前的城市排水系统只关注将雨水资源尽快排走，未考虑雨水的面源污染控制以及雨水资源的利用。由此可见，改变现有的我国传统的城镇排水系统的设计和建设理念，以期达到防治城市内涝、利用雨水资源和控制面源污染的目标具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是基于LID技术的城镇可持续排水系统(Sustainable Urban Drainage System，SUDS)的研究，从城市区域的雨水管理出发，针对城市区域高不透水率，低可开发空间的特点，采用LID技术措施作为雨水径流进入排水管网前的源头控制措施，提出基于LID措施的城市雨水径流调控方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术通过以下的技术方案予以实现：
[0006]一种基于LID措施的城市雨水径流调控方法，包括：
[0007]步骤1：使用拉格朗日插值法获取开发前径流系数
[0008]首先利用暴雨管理模型(Storm water management model，SWMM)中LID控制编辑模块，获取LID措施参数取值范围；再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数；
[0009]然后利用SWMM接收降雨数据，模拟水流在地表的运动，模拟水流和污染物的传输迁移过程；
[0010]步骤2：划分子汇水区域
[0011]按照待模拟的城市实际汇流情况将研究区域划分为若干子汇水区域，形成以具有实际汇水能力的主干河流为中心的一级汇水区域；在一级汇水区内，将影响汇流途径的因子信息融入进数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)图，再根据细化的DEM图进行二级汇水区划分，从而形成二级汇水区；在二级汇水区内，根据排水设施空间的分布情况，利用Voronoi图进行三级划分，从而形成三级汇水区；
[0012]使用DEM图作为输入数据，通过空间分析(Spatial Analyst)组件根据DEM中栅格的水流方向，确定下游栅格中汇流的积累量来模拟水流在重力作用下汇集产生径流的过程来完成对汇水区域的划分；
[0013]步骤3：执行水文过程模拟
[0014]地表径流采用非线性水库法(Nonlinear reservoir)和曼宁公式(Manning formula)联立，在水量平衡原则下计算径流流量：
[0015][0016]式中，W为子汇水区域宽度；n为子汇水区域的曼宁系数；S为子汇水区域的坡度，m/m； d为水深；d
s
为最大洼地蓄水深度；
[0017]利用格林
‑
安普特(Green
‑
Ampt)方程计算径流下渗值；当净降水量小于土壤饱和含水量时没有下渗水量产生；大于土壤含水量并且小于土壤饱和含水量时，有下渗水量产生，计算方程如下式所示：
[0018][0019]式中，Q为下渗水量，单位为m3；a0为土壤平均吸附力；K
s
为饱和土壤导水率；Q
m
为最大下渗水量，单位为m3；
[0020]当净降雨量大于土壤饱和含水量时，稳定下渗率如下式所示：
[0021][0022]式中，f
t
为稳定下渗率；
[0023]步骤4：执行水力过程模拟
[0024]运动波法模拟计算采用连续方程和运动方程，模拟管段水流过程随时间和空间的变化，模型假定水面坡度和管段坡度一致；管段可输送水量用曼宁公式计算；其计算公式如下：
[0025][0026]S
f
＝S0[0027][0028]其中，A为水流断面面积，m2；Q为断面流量，m3/s；q
L
为网格单元或河道的单宽流量， m3/s；n为曼宁粗糙系数；R为水力半径；S0为网格单元地表坡降或河道的纵向坡降；S
f
为摩擦坡降。
[0029]进一步的，所述SWMM包括LID控制编辑模块，大气模块，地表模块，运移模块和地下
水模块。
[0030]进一步的，所述步骤1中的参数包括：
[0031]所述表面层的模拟参数包括蓄水深度，植被覆盖率，表面粗糙系数和表面坡度；其中所述蓄水深度是指LID措施的地表洼地蓄水高度，所述植被覆盖率是指蓄水区具有植被的区域分数，所述表面粗糙系数是指透水路面和植草沟采用地表漫流的曼宁系数，其他LID 措施为0，所述表面坡度是指透水路面和植草沟的坡度百分比。
[0032]所述路面层的模拟参数包括厚度，孔隙比，不透水面积比，渗透性和堵塞因子；其中，所述厚度是指路面层的厚度，典型值为100到150mm；所述不透水面积比是指模块系统的不渗透铺砌材料与总面积比值，连续多孔路面系统为0；所述渗透性是指用于连续系统中混凝土或者沥青的渗透性，或者用于模块系统中填料的导水率；所述堵塞因子是指为完全堵塞路面时的路面层孔隙径流容积数，忽略堵塞时使用数值0；堵塞急剧降低了直接正比于径流累积容积的路面渗透性。
[0033]所述土壤层的模拟参数包括厚度，孔隙率，产水能力，枯竭点，导水率，导水率坡度和吸水头；其中，所述厚度是指土壤层的厚度，典型竖直范围，雨水花园、街道植物园和其他类型基于土地的生物滞留单元，从450到900mm；对于绿色屋顶为75到150mm；所述孔隙率是指相对于土壤总容积的孔隙容积(分数)；所述产水能力是指相对于土壤允许完全排干之后总容积的孔隙水容积分数；所述枯竭点是指相对于良好排干仅仅具有结合水土壤总容积的孔隙水容积分数，土壤含湿量不能够低于该极限值；所述导水率是指完全饱和土壤的导水率(mm/hr)；所述导水率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LID措施的城市雨水径流调控方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：使用拉格朗日插值法获取开发前径流系数首先利用暴雨管理模型(以下简称SWMM)中LID控制编辑模块，获取LID措施参数取值范围，再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数；然后利用SWMM接收降雨数据，模拟水流在地表的运动，模拟水流和污染物的传输迁移过程；步骤2：划分子汇水区域按照待模拟的城市实际汇流情况将研究区域划分为若干子汇水区域，形成以具有实际汇水能力的主干河流为中心的一级汇水区域；在一级汇水区内，将影响汇流途径的因子信息融入进数字高程模型图(以下简称DEM图)，再根据细化的DEM图进行二级汇水区划分，从而形成二级汇水区；在二级汇水区内，根据排水设施空间的分布情况，利用Voronoi图进行三级划分，从而形成三级汇水区；使用DEM图作为输入数据，通过空间分析组件根据DEM中栅格的水流方向，确定下游栅格中汇流的积累量来模拟水流在重力作用下汇集产生径流的过程来完成对汇水区域的划分；步骤3：执行水文过程模拟地表径流采用非线性水库法和曼宁公式联立，在水量平衡原则下计算径流流量：式中，W为子汇水区域宽度；n为子汇水区域的曼宁系数；S为子汇水区域的坡度，m/m；d为水深；d
s
为最大洼地蓄水深度；利用格林
‑
安普特方程计算径流下渗值；当净降水量小于土壤饱和含水量时没有下渗水量产生；大于土壤含水量并且小于土壤饱和含水量时，有下渗水量产生，计算方程如下式所示：式中，Q为下渗水量，单位为m3；a0为土壤平均吸附力；K
s
为饱和土壤导水率；Q
m
为最大下渗水量，单位为m3；当净降雨量大于土壤饱和含水量时，稳定下渗率如下式所示：式中，f
t
为稳定下渗率；步骤4：执行水力过程模拟运动波法模拟计算采用连续方程和运动方程，模拟管段水流过程随时间和空间的变化，模型假定水面坡度和管段坡度一致；管段可输送水量用曼宁公式计算，其计算公式如下：
S
f
＝S0其中，A为水流断面面积，m2；Q为断面流量，m3/s；q
L
为网格单元或河道的单宽流量，m3/s；n为曼宁粗糙系数；R为水力半径；S0为网格单元地表坡降或...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛志广，王月，王冲，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：