（环境工程专业论文）基于swmm与wasp的生态小城镇雨水景观利用的模拟研究.pdf

摘要 随着社会经济迅速发展和城市化进程的加快，城市雨水资源利用将在2 1 世 纪具有不可替代的作用，雨水资源利用势在必行。我国正处在城市化、工业化的 高度发展时期，对城市雨水利用理论和技术的研究，并将其在城市水环境规划中 推广应用，将具有深远的历史及现实意义。 本文以天津市某生态小城镇为研究对象，在深入研究s w m m ( s t o r mw a t e r m a n a g e m e n tm o d e l ) 暴雨管理模型的基础上，根据研究区域的地形、汇水特点、 排水分区、排水路线等，对其汇水区、雨水井、雨水管网系统进行概化，建立了 s w m m 雨水径流模型。该模型分别对地表产汇流、地表污染物的积累和冲刷、 街道清扫、输送系统的水动力部分和水质部分进行了模拟，通过对三种降雨情景 的比较和不同绿地率的比较，分析了研究区域雨水排出口雨水水量水质的变化规 律，并对不同时期的雨水进行水质评价，发现后期雨水水质较好，可以结合雨水 弃流技术对雨水收集利用。 以景观河作为研究区域雨水排放的受纳水体，结合w a s p ( w a t e rq u a l i t y a n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ) 水质模型，根据景观河的地形、水文特征等，对其 进行分段概化，在确定初始条件和边界条件的基础上建立了w a s p 水质模型。 该模型对研究区域雨水排出口向景观河排入雨水而引起的景观河水质变化进行 了模拟，通过对三种降雨情景的比较，分析了景观河的水质变化规律，并对其进 行水质评价，发现后期雨水排入景观河对其水质有一定的改善作用。 本文结合两个水质模拟模型，对降雨的全部过程进行了水质分析，对雨水资 源化利用方面的研究做出了一定的贡献，研究表明雨水用于景观水体具有可行 性。 关键词：s w m m ；w a s p ；雨水利用；径流模拟；水质模拟 a b s t r a c t w i t hr a p i ds o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ea c c e l e r a t e dp r o c e s so f u r b a n i z a t i o n ，t h eu s eo fu r b a nr a i n w a t e rr e s o u r c e sw i l lp l a ya ni r r e p l a c e a b l er o l ei n t h e21 瓤c e n t u r y , i ti s i m p e r a t i v et ou s ew a t e rr e s o u r c e s c h i n ai si nt h eh i g h d e v e l o p m e n tp e r i o do fu r b a n i z a t i o na n di n d u s t r i a l i z a t i o n u r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o n t h e o r ya n dt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h ep l a n n i n go fu r b a nw a t e r e n v i r o n m e n th a v ef a r - r e a c h i n gh i s t o r i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ei n d e p t hs t u d yo fs w m m ( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n t m o d e l ) ，t a k i n go n ee c o t o w ni nt i a n j i nf o re x a m p l e ，i na c c o r d a n c ew i t ht o p o g r a p h y , w a t e r s h e dc h a r a c t e r i s t i c ，d r a i n a g e p a r t i t i o n ，d r a i n a g er o u t eo ft h es t u d ya r e a ，a n r a i n w a t e rr u n o f fm o d e lw a se s t a b l i s h e dw h i c hg e n e r a l i z es u b c a t c h m e n t ，i u n c t i o nn o d e a n dr a i n w a t e rn e t w o r ks y s t e mo ft h ee c o t o w n s u r f a c er u n o f - f , t h ea c c u m u l a t i o na n d w a s ho fp o l l u t a n t s ，s t r e e tc l e a n i n g ，t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mo ft h eh y d r o d y n a m i c sa n d w a t e rq u a l i t yw e r es i m u l a t e di nt h i sm o d e l t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h r e er a i n f a l l s c e n a r i o sa n dd i f f e r e n tg r e e n i n gr a t e ，t h er a i n w a t e rf l o wa n d q u a l i t yc h a n g e sf r o mt h e r a i n w a t e ro u t l e tw e r ea n a l y z e d , a n dt h ew a t e rq u a l i t yo fd i f f e r e n t p e r i o dw a s e v a l u a t e d i ti sc o n f k r r n e dt h a tt h el a t e rr a i n w a t e rq u a l i t yi sb e t t e rw h i c hc a nb e g a t h e r e da n du s e dc o m b i n e dw i t hr a i n w a t e rd i s p o s a lt e c h n o l o g y t a k i n go n el a n d s c a p er i v e rf o rr e c e i v i n gw a t e ro ft h ee c o t o w nd r a i n a g e c o m b i n e dw i t hw a s p ( w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ) ，t h el a n d s c a p e r i v e rw a sg e n e r a l i z e dt os o m es u b s e c t i o n s a c c o r d i n gt ot h et o p o g r a p h y ，h y d r o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n ds oo n n ew a t e rq u a l i t ym o d e lo f l a n d s c a p er i v e rw a se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so f d e t e r m i n i n gt h ei n i t i a lc o n d i t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s n ew a t e r q u a l i t yc h a n g e sw h i c hc a u s e db yt h er a i n w a t e rd i s c h a r g e df r o mt h ec c o t o w n r a i n w a t e ro u t l e tw e r es i m u l a t e di nt h i s m o d e l t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h r e e r a i n f a l ls c e n a r i o s ，t h ew a t e rq u a l i t yc h a n g e sw e r ea n a l y z e da n di ti sf o u n dt h a tt h e l a t t e rr a i n w a t e ri so fa d v a n t a g et oi m p r o v et h el a n d s c a p er i v e rq u a l i t yb a s e do nt h e w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n i nt h i sp a p e r ，t w ow a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o nm o d e l sw e r eu s e dt o a n a l y z et h e e n t i r ep r o c e s so fr a i n f a l l i tc o n c l u d e st h a ti ti sf e a s i b l et ou s er a i n w a t e rf o rl a n d s c a p e w a t e r ，w h i c hm a d eac e r t a i nc o n t r i b u t i o nf o rr a i n w a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n k e yw o r d s ：s w m m ；w a s p ；r a i n w a t e ru t i l i z a t i o n ；r u n o f fs i m u l a t i o n ；w a t e r q u a l i t ys i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴做储魏扭啐签字日期：伽罗年上月乡护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢奎卫晖 签字日期：砷年工月z , o 日= 一日 导师签名：么上 签字日期：沙了么月f 日 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 城市人口和城市面积的急剧膨胀，将使城区及其周边地区的生态系统发生显 著的变化，特别是将对现有水资源和水环境造成巨大的压力。持续的人口增长、 地表水与地下水污染、水资源的时空分配不均和周期性的干旱，迫使人们寻找可 替代的水资源。我国水资源总量丰富，达到2 6 8 6 8 亿m 3 ，居世界第6 位，但人 均水资源量仅有2 3 0 0 m 3 ，约为世界人均水资源占有量的l 4 ，世界排名第1 2 1 位， 是联合国认定的“水资源紧缺”国家【l 】。 面对2 l 世纪我国经济社会发展的战略目标，水资源问题已成为我国实施可 持续发展战略过程中必须认真解决的重大问题。对此，国家两届领导人给予了高 度的关注。2 0 0 5 年3 月1 0 日，江泽民同志在中央人口资源环境座谈会中曾经明 确指出：“水资源的可持续利用，是经济和社会可持续发展极为重要的保证”。2 0 0 6 年3 月1 0 日，胡锦涛同志又强调“要继续坚持全面规划、统筹兼顾、标本兼治、 综合治理，坚持兴利除害结合、开源节流并重、防洪抗旱并举，对水资源进行合 理开发、高效利用、优化配置、全面节约、有效保护和综合治理，下大气力解决 洪涝灾害、水资源不足和水污染问题9 9 02 0 0 5 年中央一号文件提出，要加快丘陵 山区和其他干旱缺水地区雨水集蓄利用工程建设，地方政府要切实承担起搞好小 型农田水利建设的责任，各地要积极探索新形势下开展农田水利基本建设的新机 制、新办法。这已经明确指出了集雨用雨的任务、责任和推动主体。 2 0 世纪末，党中央、国务院提出了“抓住机遇，推进我国城镇化进程”、“大 力发展小城镇”的号召，并首次把发展小城镇问题提升为我国经济和社会发展的 一大战略。中共中央和国务院还专门发布了关于促进小城镇健康发展的若干意 见，其中进一步明确：“发展小城镇，是实现我国农村现代化的必由之路”；“当 前，加快城镇化的时机和条件已经成熟，抓住机会，适时引导小城镇健康发展， 应当作为当前和今后较长时期农村改革与发展的一项重要任务”。建设部根据中 央和国务院的指示精神，全国提出了小城镇规划建设工作的指导原则，要求全国 各省市“因地制宜，突出重点，注重实效，量力而行。从本地经济社会发展的实 际情况出发，尊重经济社会发展规律和农民意愿，科学规划，合理布局，逐步实 第一章绪论 施，重点支持具有发展优势的小城镇。避免一哄而起，遍地开花”。 进入2 1 世纪，我国小城镇的发展已从数量的迅猛增加，开始转向总量稳定， 规模拓展质量提高的新时期。小城镇的建设发展已从单纯追求发展经济、先生产、 后生活，先污染后治理的惯势开始转入重视优化生态环境、美化人居环境等为目 标。 1 1 2 研究意义 水是生命之源，是社会发展不可替代的资源。随着国民经济的不断发展，尤 其是工业化和城市化的迅猛发展，使人类赖以生存的水资源遭到了前所未有的挑 战。水循环的下垫面发生变化，透水面积减少，不透水面积增加，地面粗糙率变 小；同时排水系统的改进，使降雨大部分以地而径流形式排出，渗入地下的雨量 减少，由此造成地面径流量增加，径流时间缩短，洪峰流量增大，产生洪涝灾害 的机会增多。在对防洪不利的同时，城市化使地下水位下降、泉水断流，河道枯 水期流量减少，导致城市水环境逐渐恶化。 雨水资源利用是城市开发水资源、节约用水、减轻城市洪涝灾害、缓解排水 管道负担、减少污染负荷、改善城市水环境状态的有效措施。从地球系统的水资 源循环和水量平衡来看，一次水资源( 天然降雨) 是维系整个陆地生态系统，乃 至全人类生存需要水的基础。但是，人们在解决水资源短缺上积极开发新的水资 源和兴建一些跨流域调水工程，使一次水资源逐级转化，水资源的无效损失大大 增加，并且利用难度和利用费用也逐渐增加。随着社会经济的迅速发展和城市化 进程的加快，城市雨水资源将在2 1 世纪具有不可替代的作用，雨水资源利用势 在必行。然而，我国城市雨水资源化利用还未得到足够重视，城市雨水工程还停 留在管道排除上，城市雨水资源化和利用由于缺乏系统研究，在收集雨水及综合 利用方面更谈不上系统规划和工程实施的建设。许多城市规划设计人员在这方面 还十分陌生，问题是何等的严重i 2 | 。 对于一个小流域( 闭合的集水单元) 来说，雨水就是它的水资源。有了这样 一个概念，进行水资源评价，就会得出不同的水资源数量，其结果对于合理开发 利用水资源更具有理论和现实意义p j 。 非点源污染问题已成为主要的水环境问题，由于雨水径流能将城镇地面上及 广大农业耕作区的有毒有害污染物带入水体，而且种类多、数量大，成为水体污 染的主要发生源，而且，面源污染所占比重也随着点源污染的有效控制而不断加 大。而在面源污染中，城市雨水径流污染是仅次于农业面源污染的第二大面源污 染源，可见其危害是相当严重。 雨水径流计算模型是城镇雨水资源化、雨水径流污染控制、城镇基础建设的 2 第章绪论 理论基础，该理论的科学合理性直接关系到这些领域的设计和建设的科学性。建 立雨水径流模型能够预测雨水径流水量和污染负荷情况，根据模拟的数据对未来 雨水的资源化利用工程和雨水污染治理措施提供决策和支持；通过该课题的研究 获得实用性较强的数学模型并为其他相似城镇地区的雨水径流模拟打下基础。 1 2 雨水资源化利用概况 当雨水作为一种用来满足人们生活和生产及其生态环境需要的物质资料时， 它就成为雨水资源。所谓雨水资源化，就是指在雨水转化为可利用资源的过程。 广义的雨水实际上就是指降水，它包括大气中降落到一定区域地面上的多种形式 的液态水与固态水。一般情况下，雨水资源化有两种途径：一种是雨水的自然资 源化过程，其含义是雨水通过入渗进入土壤，增加土壤水库贮水量，直接供给植 物生长；一种是雨水的人为资源化过程，主要含义是经过人为干预，使雨水变为 雨水资源，促进农业生产或解决人畜饮水，如各种增加雨水入渗的水土保持措施、 雨水集流系统等【4 】。对于一个区域来说，雨水是其水资源的最根本来源，所有形 式的水资源( 包括河川径流和地下水) 都来自雨水。因此，广义的雨水资源利用， 不仅仅是指雨水集蓄的家庭人畜吃水和农业灌溉利用，还应当包括水土保持、水 资源涵养、城市防洪和生态环境的改善等水资源利用的各个方面，且外延几乎涵 盖了水资源利用的各种方式。而一般更易理解的对雨水的原始状态或最初转化阶 段( 如地表水、地下水或土壤水阶段) 的利用，只能算是雨水的直接利用，可将 其称为狭义的雨水资源利用【5 】。 城市雨水利用是一个集雨水收集、净化、贮存、输送和利用一体的复杂的系 统。可直接利用，也可间接利用，还能直接和间接结合利用。各国、各地区都根 据不同的城市地形、地貌、气候、城市形态和环境特征，因地制宜的建造雨水直 接利用和间接利用工程，并且制定了雨水利用的法规、政策、标准和技术细则， 以达到充分利用城市雨水、提高雨水利用能力和效率的目的。总体上，从工程的 角度来看主要有以下两种，如图1 1 所示。 ( 1 ) 渗透设施集雨。通过建设各种人工设施加强雨水渗透是城市雨水利用 的重要途径。雨水渗透设施主要有绿地、透水性路面、渗透井、渗透管、渗透沟、 渗透渠等，渗入地下的雨水可以用来回灌地下水。 ( 2 ) 大面积集雨。城市的不透水地面都可大面积的汇集雨水，是良好的雨 水收集面。主要包括城市的居住小区、工厂单位、城市道路、大型广场停车场等， 这些不透水地面对降雨产生的地面径流，只要修建些简单的雨水收集和贮存工 程，或排入湖泊进行贮存，通过调蓄利用就可将城市雨水资源化，用于城市清洁、 第一章绪论 绿地灌溉、维持城市水体景观等。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 图1 1 城市雨水收集利用方案示意图 从2 0 世纪7 0 年代，发达国家为保护水环境及充分利用水资源，开始研究、 开发和应用雨水收集、处理和回用技术，使雨水成为重要的淡水资源之一。2 0 世纪8 0 年代国际雨水研究进入到了系统研究阶段：8 0 年代初成立了国际雨水收 集系统协会i r c s a ( i n t e r n a t i o n a lr a i nw a t e rc a t c h m e n t ss y s t e ma s s o c i a t i o n ) ，19 8 2 年6 月在美国夏威夷召开了第一届雨水集流利用的国际会议，随后分别在维尔京 群岛( 1 9 8 4 6 ) ，泰国( 1 9 8 7 1 ) ，菲律宾( 1 9 8 9 8 ) ，中国台湾( 1 9 9 1 8 ) ，德国( 2 0 0 1 5 ) 等地召开了多次国际大会，每次都汇集了许多科学家，推动雨水资源利用和应用 技术的发展，为各国系统研究雨水资源利用技术和相互交流提供了条件和平台。 许多国家在城市开展了不同规模的雨水利用研究并建成批不同规模的示范工 4 第一章绪论 程，其中德国、美国和日本等国家经济发达，而且都是暴雨洪水灾害频繁的国家， 城市化的进程发展较早，因此，小区雨水利用研究起步较早，也较完善。 日本是雨量充沛的国家，在小区屋顶修建了雨水浇灌的“空中花园”1 6 j ，在 早在1 9 8 0 年，日本建设省就开始推行雨水储留渗透计划。利用雨水储留渗透的 场所，一般为公园、绿地、庭院、停车场、建筑物、运动场和道路等、日本实施 的雨水储留渗透计划得到了民间和企业的支持。在东京都，已有8 3 的人行道 采用了透水性柏油路面。雨水通过透水性柏油路面入渗到地下，经过收集系统处 理后加以利用1 7 】。 德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一。1 9 8 9 年德国就出台了雨水 利用设施标准( d i n l 9 8 9 ) ，对住宅、商业和工业领域雨水利用设施的设计、施 工和运行管理、过滤、储存、控制与监测4 个方面制定了标准。到1 9 9 2 年已出 现“第二代”雨水利用技术。又经过近l o 年的发展与完善，到今天的“第三代” 雨水利用技术，新的标准也正在审批中【引。德国利用公共雨水管收集雨水并经简单 的处理后达到杂用水水质标准，可用于街区公寓的j 9 1 1 j 所冲洗和庭院浇洒，部分地 区利用雨水可节约饮用水达5 0 。另外德国还制订了一系列有关雨水利用的法律 法规。如目前德国在新建小区之前，无论是工业、商业还是居民小区，在做排水 规划时均要设计雨水利用设施，若无雨水利用措施，政府将征收雨水排放设施费 和雨水排放费【9 1 。德国联邦和各州有关法律规定，新建小区( 无论是工业、商业、 居住区) 时均要设计雨水利用设施，柏林等一些城市已将小区雨水利用和城市环 境、城市生态建设等结合起来进行设计，已建或正在建成一批各具特色的生态小 区雨水利用系统。其生态小区雨水利用系统柏林广场的d a i m l e e r 区域城市水体 工程设计是雨水生态系统的成功典范。同时系统对水质实行自动监控，并增设水 循环设施，使水体满足鸟和鱼类动物的生存环境，实现了居住小区内建筑、水和 生物的高度和谐和统一【1 0 1 。 美国和许多欧洲国家也转变了过去单纯解决雨水排放的观念，认识到雨水对 城市发展的必要性，制定了相应的政策和法规，限制雨水的直接排放与流失，控 制雨水径流的污染，征收雨水排放费，要求或鼓励雨水的储留，贮存或回灌地下， 改善城市水环境和生态环境。美国从2 0 世纪8 0 年代初开始研究雨水利用，首先 考虑雨水的截留、储存、回灌、补充地表和地下水源，改善小区水环境与生态环 境。美国的城市雨洪利用以提高入渗能力为主要方法，作为土地利用规划的一部 分，并在新的开发区成功地实施。在芝加哥兴建了著名的地下水回灌系统，以解 决城市防洪和雨水利用问题。此外，在众多州研究了屋顶蓄水和由入渗池、井、 草地、透水路面组成的地表回灌系统美国的雨洪利用主要是以提高天然入渗。针 对城市化引起河道下游洪水泛滥问题，美国的很多州制定了雨洪管理条例。这些 第一章绪论 条例规定：新开发区的暴雨洪水洪峰流量必须被控制在开发前的水平：所有新开 发区必须实行强制的“就地”滞洪蓄水措施，以使滞洪设施的最低容量均能控制 在五年一遇的暴雨径流指标之内【l l 】。在美国的第二代b m p ( b e s tm a n a g e m e n t p r a c t i c e ) 方案中更强调与植物、绿地、水体等自然条件和景观结合的生态设计， 如植被缓冲带，植物浅沟、湿地等，以获得环境、生态、景观等多重效益。非工 程的生态技术的开发和应用，将是美国雨水径流管理发展的重要方向。 欧美、日本等诸多发达国家对城市暴雨径流问题研究较多，他们针对不同的 应用目的和要求，开发了一些暴雨径流模型，在城市雨洪管理、防洪排涝、洪水 风险管理和非点源污染控制中发挥着重要作用。 最早用于城市径流量计算的是基于物理机制的经验方程，根据c h o w 1 2 1 的搜 集约有1 0 0 个类似的方程，最著名的是l l o y d d a v i e s 方法。从1 9 3 9 年，洛杉矶 市及其卫星区开始用洛杉矶流量过程线方法，该方法1 9 9 4 年由h i c k s l l 3 1 介绍。 在以后的时间，通过学者的研究，t h o l i n 和k e i f e r t l 4 1 于1 9 5 9 年开发了芝加哥流 量过程线法，该方法是最早把径流过程分为地表和地下两个阶段的排水管道设计 的方法。其特点就是根据当地实测降雨资料求得五年一遇- d , 时设计暴雨，转换 成径流过程线，在地上部分通过边沟的径流过程线进行调蓄计算，得出在最近的 道路雨水口随时间变化的流量过程：在地下部分则可在一个主管下游对来自支管 的流量过程线进行洪水演算。经过多年的研究，英国公路研究所开发了城市流域 模拟模型，即公路研究所法( r r l m ) ，r r l m 以城市区域降水作为输入，输出 暴雨流量过程线，该模型可以用于连续性模拟，但是场次模拟的效果更好，其 1 9 6 2 年由w a t k i n s 1 5 j 发表，该方法在英国的到了广泛应用。1 9 6 5 年，d a w d y 开 发了用于农村地区的降雨径流场次模拟模型。1 9 7 0 年，d a w d y ，l i c h t y 和b e r g m a n 出版了更新的版本，用于城市区域的模拟，该版本是半连续性的模型，其中包含 了水质模块。1 9 7 0 年，h a r l e y 、p e r k i n s 和e a g l e s o n 在麻省理工学院开发了m i t 模型，这是目前最复杂的数学模型，这是一个非连续性的模型，不包括水质模块。 虽然该模型只在两个很小的城市区域得到应用，但是却解决了实际问题。1 9 7 1 年，c r a w f o r d t l 6 】颁布了h s p f 模型，开发起初用于农村地区径流模拟，最新的版 本可以用于城市地区，包含了水质模块，可以进行连续性模拟。1 9 7 2 年，p a p a d a k i s 和p r u e l 1 7 】开发了一个数学模型，即辛辛那提大学城市径流模型( u c u r m ) ，含 有水质模块，该模型在几千公顷的城市区域得到了很好的验证，t e r s t r i e p 和s t a l l 州 于1 9 7 3 年成功地将该模型应用于美国的三个子流域。1 9 7 4 年，t e r s t r i e p 和s t a l l 发表了伊利诺伊城市排水模拟模型，即i l l u d a s ，它是r r l m 的升级版，该模 型未考虑水质因素。为适应城市区域径流和水质评价的总体规划要求，美国工程 水文中心开发了s t o r m 模型，1 9 7 4 年，r o e s n e r 【19 】等发表的s t o r m 同样适用 6 第一章绪论 于非城市区域。s w m m 是目前最完整的降雨径流水质模型，该模型由麦特卡 夫埃迪公司，弗罗里达大学和水资源工程所共同为美国环保署开发；1 9 7 4 年水 资源工程所( w r e ) 修改了s w m m 用于三藩市；1 9 7 5 年，弗罗里达大学开发 了另外版本的s w m m ，1 9 7 5 年m c p h e r s o n 在优化s w m m 基础上，提出了s w m m 版本i i 。 从洪峰流量叠加法、流量过程线时间滞后法到复杂的芝加哥流量过程线法 ( c 蹦) 、公路研究所法( r r l m ) 、伊利诺伊城市排水模拟模型( i l l u d a s ) 、 辛辛那提大学城市径流模型( u c u r m ) 及洪水管理模型( s w m m ) ，先后提出 和开发了不同的雨水利用模型。这些模型能较好地模拟城市雨水径流过程，为排 水系统规划、设计和管理发挥了很大的作用，但各自的优势又不太相同。目前， 国外常用的城市暴雨径流模型主要有s w m m 、h s p f 、s t o r m 、d r 3 m q u a l 、 w a s p 和m i k e 等，这些模型都可以对整个城市的降雨径流过程进行水量和水质 的准确模拟。 1 3 2 国内研究现状 我国城市雨水利用的思想虽具有悠久的历史，而真正意义上的城市雨水利用 的研究与应用始于2 0 世纪8 0 年代，发展于9 0 年代。总的来说我国城市雨水资 源利用技术还比较落后，缺乏系统性，更缺少法律法规保障体系。城市水资源主 要聚集在地表水和地下水的开发利用，忽视了对城市雨水的利用，部分城市建筑 物虽有较完善的雨水收集系统，但却没有处理和回用系统。与发达国家相比，我 国在城市雨水集蓄、回灌技术及管理措施等方面还存在着较大差距。城市雨水工 程还停留在管道排除上，城市雨水资源化和利用由于缺乏系统研究，在收集雨水 及综合利用方面更谈不上系统规划和工程设施的建设。目前主要在缺水地区有一 些小型、局部的非标准性应用。比较典型的有山东的长岛县、大连的獐子岛和浙 江省舟山市葫芦岛等雨水集流利用工程。大中城市的雨水利用基本处于探索与研 究阶段，但已显示出良好的发展势头。 由于缺水形势严峻，北京的雨水利用步伐较快。2 0 0 0 年国家科技部与德国 联邦教育科技部合作开展“北京城区雨洪控制与利用技术研究示范”项目，项目 主要承担单位北京水利科学研究所选择了五种建设模式、六个不同的雨洪利用工 程示范小区和一个雨洪利用中心试验场，工程建设总面积达6 0 h m 2 。该项成果目 前已取得良好的社会和经济效益【2 0 1 。2 0 0 1 年国务院批准了包括雨洪利用规划内 容的“2 l 世纪初期首都水资源可持续利用规划”。2 0 0 3 年3 月北京市规划委员会 和水利局又联合发布经市政府同意“关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂 行规定”，做出明确规定：“凡在本市行政区内的新建、改建、扩建工程均应进行 7 第一章绪论 雨水利用工程设计和建设”。建设工程的附属设施应与雨水利用工程结合。景观 水池应设计为雨水储存设施，草坪绿地应设计建设为雨水滞留设施。 我国许多建筑己建有完善的雨水收集系统，但是没有处理和回用系统。例如 上海浦东国际机场航站楼己建有1 7 6 万1 1 1 2 可完善的雨水收集系统，约3 0 0 0 万 l n 2 屋面排水面积，在暴雨季节收集雨量为5 0 0 m 3 h 【2 1 1 。如果这些雨量能被有效地 处理和加以利用，比处理轻污染的生活污水更经济、简便易行。 目前，由于城市人口集中和收入水平的提高，可以预见，城市生活的水环境 问题愈加严峻【2 2 】。我国城市雨水利用的设施并不多，主要集中在北京、上海、 大连等几个主要的环境城市。目前，全国很多城市都在仿效以上几个城市的雨水 利用工程和应用技术【2 3 】，研究城市雨水集蓄利用的可行性。综上所述，全国已 经掀起城市雨水利用的热潮，如何充分利用城市雨水，实现城市区域的良性水循 环已经提上日程。 我国在城市降雨径流模型的研究方面起步较晚，除引进吸收国外模型外，正 在积极研究适合我国国情的城市水文模型。1 9 6 1 1 9 7 4 年间，北京市市政设计院 在北京市西城区百万庄小区作了降雨径流观测，取得了不少资料，开始了城市雨 水径流的初步研究。比较系统的研究是在2 0 世纪8 0 年代后期，如北京水利和城 建部门合作，进行了北京市雨洪分析和控制调度的研究；河海大学和上海市政工 程设计研究院合作，进行了城市雨水管道计算模型的研究；铁道科学研究院西南 研究所进行了城市化对径流影响的研究；南京水文研究所等单位进行了苏州市径 流污染的研究等。其中主要的模拟模型主要有： ( 1 ) 城市雨水管道计算模型( s s c m ) 岑国平等研制的s s c m 模型【2 4 1 ，是我国第一个完整的雨水管道径流计算和 设计模型，模拟采用等流时线法，即出流量由流域上的降雨形成，把汇流过程与 流域形态相联系，并考虑了降雨空间分布的不均匀性。它由暴雨、地面产流、地 面汇流、管网汇流和雨水管道等子模型组成，主要用于城市雨水管道系统的设计 和校核，也可用于城市雨洪的控制利用和污染防治等。该模型分为三部分：暴雨 计算、雨水径流模拟、雨水管道系统设计和校核。模型根据城市降雨径流的基本 规律，模拟地面及雨水管渠中的水流运动过程，得到各点的流量过程线及洪峰流 量、径流总量等，进行雨水管道系统的设计校核。s s c m 采用等流时线法，其优 点主要是在处理的过程中可以对各块等流时面积按实际的净雨计算，参数可根据 流域状况直接估算。但等流时线实际上并不存在，尤其对城市地面汇流来说，由 于各子区域形状复杂，局部分水岭很多，流域汇流速度在一次洪水过程中随坡地、 河网的特性而变，因此等流时面积实际上是很难划分的，从而使s s c m 在城区 的应用受到很大限制。 第一章绪论 ( 2 ) 城市雨水径流模型( c s y j m ) 周玉文、赵洪刭2 5 】在对城市排水管网研究的基础上，提出了c s y j m 该模型 采用的是瞬时单位线的方法，根据城市雨水径流的特点，把汇流过程分为地表汇 流和管内汇流两个阶段。降雨经过地面汇流从雨水口进入雨水管网，模型可以计 算雨水口流量过程线，并作为管网的输入。在管网网格雨水口输入已知的条件， 采用非线性运动波演算管网的汇流过程。该模型可以作为设计、模拟和排水网工 况分析的有用工具。但是由于单位线并没考虑流域上实际的水力状态，所以使用 时必须有水文实测资料来率定模型参数。要处理汇流非线性变化及降雨的空间不 均匀性，都不能通过成因分析的途径来解决。 ( 3 ) 其他模型 在我国，还有很多学者针对研究区不同的特点建立了相应的城市雨洪模型。 邵尧明【2 6 】等建立了基于g i s 的城市雨洪预报模型，该模型通过多种方式如图形 图像、空间分析、属性数据库、模型库等，提取、加工和表达某一专题的城市雨 洪信息，并可以编制出彩色数字化水文城市雨洪系列图件。该模型决策支持的可 操作性强，可对城市雨洪预报模型数据进行前处理和后处理。由于所建立的模型 属于经验模型，因此其应用的广泛性受到很大的限制。解以扬【27 】等以城市地表 与明渠河道的水流运动为主要研究对象，提出了城市暴雨内涝数学模型，经验证 在天津、南京和南昌都有良好的适用性。徐振辞【2 8 】等对不同下垫面条件的降雨 入渗径流关系进行研究，引用分布式水文模型，对4 种下垫面条件的降雨径流关 系进行摸拟，取得了较好的模拟效果，提出了科学化生态化城市建设的建议。 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 城市雨水利用是融合多学科的复杂系统，是当前研究的前沿课题，本文以天 津市某生态小城镇为研究对象，拟在以下几个方面进行研究工作： ( 1 ) 通过对地面产汇流、管内汇流过程的描述，模拟一场降雨事件中雨水 管网排出口的水量的变化规律。 ( 2 ) 针对一场降雨，通过对污染物地表积累、雨水冲刷、在地面和管道的 迁移传输等物理过程的描述，来动态模拟一次降雨事件中雨水管网排出口污染物 浓度的变化规律，并对水质进行评价。 ( 3 ) 以景观河作为受纳水体，将管网中的雨水排入到河流中，研究雨水对 景观水体的影响及污染物浓度的变化规律，分析雨水资源化利用到景观水体的可 行性。 9 第一章绪论 1 4 2 技术路线 图1 2 技术路线 1 0 第二章研究对象简介 2 1 生态小城镇概况 2 1 1 地理概况 第二章研究对象简介 天津市某生态小城镇( 以下简称h m 镇) 选址位于天津市两条发展主轴线 交汇处，是天津市战略发展的一个重点地区，距天津市中心区1 3 k m 。东部为集 旅游、商业、居住于一体的东丽湖风景区、南部有规划的天津市空港物流加工区、 泰达开发区扩展区，用地东南部为滨海国际机场。京津塘高速公路为国道主干线， 红线宽1 0 0 m 。向西至北京市，向东可至塘沽区、开发区、保税区、天津港。双 向4 车道，路基宽2 6 m 。与h m 镇最近的出入口为机场出入口位于规划新镇的 西侧约2 k m 处。规划的津芦高速公路、津汉公路、杨北公路环绕用地。良好的 外部就业条件，便利的交通条件，有利于h m 镇区的建设开发。 h m 镇规划总用地2 8 3 3 h m ，可用地2 7 3 4 h m ，其他用地9 9 h m 。共分为安 置居住区、可出让地区、全区配套公建区三部分，用地情况如表2 1 所示。 表2 1h m 镇规划用地平衡表 安置居住区1 9 6 8 h m ，其中现状住宅用地3 0 2 h m ，规划住宅用地7 3 1 h m ， 配套公建用地1 6 3 h m ，道路用地3 7 7 h m ，公共绿地( 包括水面) 3 6 2 h m ，备用 地3 3 h r n 。可出让地区总用地4 0 9 h m 。全区配套公建用地8 6 5 h m 。 第二章研究对象简介 安置居住区总建筑面积1 4 02 万m 2 ，其中现状住宅建筑面积2 96 万m 2 ，规 划住宅建筑面积1 0 37 万m 2 ，配套公建建筑面积55 万m 2 市政设施建筑面寤 1 4 万m 2 安置居住区容积率为07 1 居住区建筑密度为1 4o ，绿地率达到 5 09 。 安置居住区规划总户数为1 3 7 9 6 户，居住人口为4 4 1 4 7 人。住宅建筑厦积毛 密度为06 8 万皿2 f a n ，平均层数为5 1 层，户均建筑面积为1 0 08 m 2 ，臼照系数 均达到16 。 全匹配套公建区内安排了学校、文化活动中心、搏物馆、行政中心4 个配套 公建为h m 镇提供配套服务，以保证能够形成配套设施完整齐全的示范小城 镇。 2 1 2 空间结构 安置区的空问结构为“一纵一横两个绿轴，4 个社区，8 个邻里，3 0 个邻里”， 如图2 - 1 所示。 图2 - 1h m 镇总平面陶 第二章研究对象简介 一个纵轴：也就是住区中心轴，这是为安置区居民量身定做的综合性服务区。 包括住区休闲商业街，九年一贯制中小学，农民培训学校，配套商务区，以及市 民公园和市民广场。它为安置区的居民提供教育、培训、就业、消费、休闲、活 动等服务，使华明新家园拥有完整的生活配套设施，使还迁的村民切实、方便的 享受城市生活。同时配套商务区还将利用地铁站的地利优势，沿津汉公路开发商 务办公建筑，靠近安置居住区一侧开发商业办公、步行商业街、s o h o 酒店等， 为空港物流区提供配套服务。规划连接并改造了现状两条主要沟渠，并与景观河 相通，水系循环流动又丰富了亲水空间，同时也将轴线上的各个功能有机串连起 来。 一个横轴：这是带有地域感的休闲绿带，规划保留了现状田埂及树木，并加 宽到2 5 m ，其上安排休憩及活动设施，为居民提供休闲散步、健身活动的场所。 两个社区共享绿轴：也可以叫做共享绿洲，规划连接了每个社区的中心绿地 形成共生共享的绿轴，并在其上设置社区中心( 社区服务管理、便利店、医务室、 老人活动室等) 、托幼等配套公建，让每个社区居民就近且便利的享受基本生活 服务。 4 个社区：以一横一纵两轴为边界，以社区中心为核心，以2 5 0 0 3 0 0 0 户为 基本管理尺度，将安置居住区划分为4 个社区。这样每个社区都有完善的社区中 心，且可以均衡的享有中心轴。 8 个街坊：以四个邻里形成的“田”字格为一个街坊，每个街坊有街坊中心， 将四角的街坊中心扩大为社区中心。 3 0 个邻里：以公交线路为边界，以3 0 0 - - 4 0 0 户为基本管理单元，以 1 5 0 m x l 5 0 m 为基本街廓尺度，将4 个社区又划分为3 0 个邻里。每个邻里都有一 块中心绿地，为居民提供交流、休憩的场所。邻里内部为全步行环境，机动车停 在外部路边停车带和半地下停车场，每个邻里都有两个步行出入口和两个应急机 动车出入口，以确保居民出行的安全与方便。 2 1 3 景观系统 ( 1 ) 开放空间系统 开放空间分为四级： 城市开放空间排污河两侧绿带 住区开放空间住区中心轴，市民公园，市民广场 社区开放空间社区共享轴，田埂公园 邻里开放空间街坊核心绿地 丰富连续、方便可及的开放空间系统可以促进居民交流，提供休憩娱乐，孕 1 3 第二章研究对象简介 育自然生态，提升基地品质。 ( 2 ) 水系统 改造景观河和主要灌溉沟渠，开挖商务公园运河，串联成整体循环的水系统， 塑造丰富的水岸表情。 ( 3 ) 绿系统 柳林公园保留现状田埂柳树 桃花堤保留河岸桃树 林荫道路栽植国槐 林荫停车栽植桧柏作为停车分隔 景观公园保留部分现状树木，并栽植部分观赏树木 ( 4 ) 住区中心轴景观 住区休闲商业街绿带，结合水环境，营造优雅舒适的都市休闲漫步空间结合 中心开放式学园，配套体育活动场地供市民休闲活动的市民公园，设计安置区中 心生态绿林，是市民驻足、散步、晨练、遛鸟等活动的理想之地精致的s o h o 商 务内街公园，设有高品质休闲游乐设施和临街家具可供市民集会的市民广场，同 时也是本区与空港物流区景观环境融合的重要接点，设计上着重植栽的序列感和 空问的开放性 ( 5 ) 社区中心公园景观 作为社区级共享绿洲，设计了相应的绿地、绿化、植栽及活动场地和游玩休 憩场所，注重空间组合与合理实用性。 2 1 4 排水模式 h m 镇的排水模式采用雨污分流制，污水直接排入市政污水管网，雨水经地 表径流进入雨水管道，就近排入景观河。本文对设计单位提供的综合管网图进行 分析，对研究区域雨水排水系统进行了适当的概化，在此基础上模拟地下雨水管 道系统。 2 2 景观河概况 本文研究的景观河位于h m 镇的东侧，紧邻h m 镇。河宽2 0 m ，河深3 m ， 两岸修筑河堤，铺设人行道