广州市雨水调蓄池计算方法的应用研究(论文资料).pdf

器 环 境 保 护 工 程 en vi r on m en t a l pr ot e c t i o n en gi n e er i n g 广州市雨水调蓄池计算方法的应用研究 李志鹏 ， 梅胜 ( 广东1 二 业大学 土木与交通_ 程学院 ， 广东 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要： 城市雨水利用 中， 由于不 同地区不同城市 的具体情况相差较大 ， 故雨水调 蓄池 的计算方法也 不尽相 同。 通过对 国 外雨水调蓄池计算 的对 比研究 ， 并结合广州市具体情况 ， 找到适合广州市雨水调蓄池 的计算方法 ， 据此提 出合适 的解 决 方案 ， 具有现实意义 。 关键 词： 雨水 ； 调蓄池 ； 计算方法 中 图分 类 号 ： t u 9 9 2 2 4 文 献标 志 码 ： b 文章 编 号 ： 1 0 0 9 7 7 6 7( 2 01 0) 0 6 0 1 0 4 0 4 ap pl i e d re s e a r c h o f ca l c ul a t i o n m e t ho d o f ra i n wa t e r st o r a g e ta n k f o r gu a n g z h o u l i z h i p e n g ， me i s h e n g 随着城 市化进 程 的加快 ， 雨水径 流 量也不 断加 大 所以修建雨水调蓄池控制雨水 径流和合流污水溢流 污染 已在 国内外许 多大 城 市 中广 泛 应用 。 在城 市雨 水 利用 中， 常根据排水系统的汇水面积和该排水区域 的 用 地 性 质 ， 设 置 一 定 容 积 的调 蓄池 ， 即 ： 在 溢 流前 ， 将 合 流 制污 水 和分 流制 初 期雨 水排 至 调 蓄池 待 洪 峰 消 退 之后再 排入截 流管 从 而减 少溢流 次数 及溢 流水量 降低下游雨水干管 、 泵站的设计容量 ， 进而降低工程 造价。然而 ， 雨水调蓄容积的计算依其 目的、 方式、 有 无渗流 、 溢流做法等条件的差异而不尽相同l l l 。因此本 文将对广州市雨水调蓄池的计算方法进行研究 ， 同时 找出适合广州雨水调蓄池的设计方案。 1 广 州市 降雨 特征 及雨 水调 蓄利 用现 状 1 1降雨 特征 广州市濒 临南海 ， 属亚热带季风气候 ， 且雨量充 沛， 根据香港天文 台 1 9 6 1 1 9 9 0年资料统计 ， 实测最 大年降雨量为 2 2 0 0 m m， 最小年 降雨量为 1 3 0 0 i t i m， 多年 平 均 降 雨量 为 1 6 8 2 m m。降 雨 量 年 内分 布 不 均 匀 ， 降雨通常集 中在汛期 ( 4 9月 ) ， 最大月和最小月 降雨量相差悬殊_ 2 1 ， 多年平均当地径流深 1 0 5 5 m lq 3_ ， 汛 期径流量 占年总量的 8 08 5 ， 最大径流量多出现 在 5 、 6月份。广州市多年平均降雨统计数据见表 1 _ 3 j 。 表 1 1 9 6 1 1 9 9 0年广 州月 平均 降雨 情况 统计 表 注 ： 日平均降雨量不少于 1 ln l l l 。 随着 城 市人 口和建 筑密 度 不 断加 大 ， 洪 涝 灾 害发 生时造成的生命和财产损失也随之增加 。 近几年 ， 特大 暴 雨多 次袭 击广 州 ， 对 广 州市 雨水 排 放 系统 提 出 了严 峻的挑战。内涝 、 水浸问题如何解决 ， 已成为广州市政 建设的当务之急。 1 04啼荭技术n r 2 0 1 0 n o 6 ( n o v )v o 1 2 8 1 2雨水 调蓄 利 用现状 广州市区 目前 的四大调 蓄人工湖流花湖 、 荔 湾湖、 麓湖与东 山湖分别担负着市区不 同区域蓄洪工 作。近 1 0年来 ， 由于城市面积的不断扩大 ， 水域面积 急剧减 少 ， 已从 2 0世纪 5 0年代 建成初 期 的 1 2 8 h m 缩 减至 9 4 h m z 。现有调蓄水体面积不足， 已不能适应城市 排水 、 排涝要求。广州市作为降雨量大 、 降雨集 中的典 型城 市 ， 长期 面临着 内涝 的 困扰 。 “ 水 浸 街 ” 问题 已网扰 广州市多年 ， 虽然投入 了大量的资金 ， 但一直未能取 得较好的效果 。而雨水调蓄作为能较好解决水浸问题 的方法之一 ， 已在 国内外大量实例中得到证明。 2国外 调蓄 池计 算 方法 及其 适 用性 2 1 日本调 蓄池 计算 方 法 1 ) 将 目标值设定好 ， 再通过模拟试验 ， 研 究截流 量对 调蓄 池容积 的影 响 ， 然 后评 估 实际 应用 效果 ， 进 而 确定合理的调蓄池容量。 2 ) 在分流制 中， 当污水 的 b o d约 为 2 1 m g l时 ， 为达到设定的 目标值 ， 要求全年 b o d负荷削减率约为 9 1 雨天 时约 为 6 6。 3 ) 通 过 增加 截 流 量 可 以大 幅削 减 排 放 负 荷量 但 仅仅 采 取 增 加 截 流 量 的 对 策 与 目标 设 定 值 效 果 相 同 的负荷削减效果还存在相当的困难 。 4 ) 通过模拟试验和对实际应用效果的评估 。 要达到 与分流制排水系统同等的污染物负荷控制 目标 。 一般要 求 采 取 截流 雨 水 量 1 m m h + ( 2 4 ) n 3 m调 蓄 量 对 策 4 1 ： 一 般地 雨水溢流次数在调蓄规模为 3 5 5 mm h时减半 ， 同时 ， 当调蓄规模为 1 5 3 5 mm h时 ， 投资效益最佳。 2 2德 国调蓄 池 计算 方法 对于合流制排水系统溢流雨水 ， 德 国要求分流制 环 境 保 护 工 程 器 en vi r onm e nt al pr ot ec t i on en gi n eedn g 排水系统排入水体的污染物负荷不小 于合流制排水系 统排入水体的污染物负荷。调蓄池计算参数设定为 ： 1 ) 平均年降水量为 8 0 0mm( 当8 0 0m m时 ， 应增 加调蓄池体积) ： 2 ) 晴 天 污 水 c o d e r 质 量 浓 度 6 0 0 m g l( 当 6 0 0 m g l时 ， 应增加调蓄池体积 ) ； 3 ) 雨水 c o d e r 质量 浓度 1 0 7 m g l ： 4 ) 雨 天 污水 厂排 放 c od c r 质量 浓度 7 0 mg l； 5 ) 简化计 算 公式 为 ： v=1 54 0 。 ( 1 ) 式 中： 为调蓄池容积 ， m ； a为固化面积 ， h m ； v 。 为每 公 顷汇水 面 积需 要 的调 蓄量 ， m 3 h m 。 2 3 美 国调 蓄池 计 算方 法 美 国常 采 用计 算 机 模 型确 定 调 蓄 池 容 积 ， 在 对调 蓄池 计 算 前应 对 下 水 道 系统 进 行详 细 的特 征鉴 定 ， 同 时确定设计标准 ， 如 c s o削减百分 比以及溢流到水体 的频率 。调蓄池的尺寸应根据降雨强度 、 持续期和频 率 、 暴雨重现期( 例如 1 0年或 1 5年 ) 以及雨量 的年代 纪录等来确定。 2 4国 外调蓄 池 计算 方 法的 适用 性 分析 日本 、 德 国和 美 国的调 蓄 池 计算 方 法 对 于 广州 均 有可借鉴之处 ， 但又不完全适用 。通过 比较发现 日本 和德 国 调 蓄池 的计 算 方 法 较美 国而 言 更 易操 作 ， 具体 见 表 2 表 2 国外调 蓄 池设计 方 法 适用 性分 析表 _ l 日本 蠹 毒 | _ l 落国 1 ) 与广 州气象 条件类 似 ， 城 市人 口密 度 相 当 ： 2 ) 分流制排水 系统 出流水质好 1 ) 人 口密度低 ， 单 位面积污水量 较小( 污水 量小于 2万 m 3 ， ( d - k m 2 ) ) ； 2 ) 晴天管道 内水位较低 ； 3 ) 降雨量较小 ( 德 国年降雨量 8 0 0 mm) 美 国计 算方法是 基于计 算机模 型的 计 算 ， 需要 大量基 础数据 ， 对于 广州而 言 ， 目前 阶段实用性不强 3广 州市 雨水 调蓄 池 的计 算 由于用 地 性 质及 建 设 时 间 的不 同 ， 广 州 不 同 区域 的人 口密度 大 不相 同 。 一 些 t业 区及 新 建小 区 的人 口 密度低 ， 大概在 2 0 0 2 5 0人 h m ， 而越秀区等老城 区 的人 口密度 高 ， 部 分地 区甚 至超 过 4 0 0人 h m 。 排水 系 统旱流污水量 的大小 与地 区人 口密度 的大小紧密 相 连 。故 可将 广 州 市 划分 为 高 密 度 区 、 中密 度 区 和低 密度 区 。 设 定人 口密 度 分别 为 5 0 0人 h m z ， 4 0 0人 h m z 2 5 0人 h m2 。 广州 市 系统 规划 污水 量 ： q=1 1 u q 1 o k。 ( 2 ) 式 中 ： u为污 水 量 与给 水量 之 比 ， 取 0 8 ； q 为 人 均综 合 用水 量标 准 ， 取 5 6 0 i d( 人 d ) ； a 0 为 系统 面积 ， h m ； 为 供水 日变化 系数 ， 取 1 2 。 由式 2可知 ： 高 密度 区 o1 = 2 0 5 3 3 a 0 m 3 d ； 中密度区 q 2 =1 6 4 2 7 a 0 m 3 d ； 低 密度 区 o 3 =1 0 2 6 7 a o m3 d 。 根 据雨 水量 的计 算公 式 q= q a。 ， 则 相 当 于 q 的 降雨 强 度为 ： g = q 2 4 a o 。 ( 3 ) 式中 ： q为相 当于污水量 q的降雨强度 ， m m h ； a为晴 2 0 1 0 年第6 期( i i 一 ) 第2 8 拳啼荭 投 一 e r 1 05 器 环 境 保 护 工 程 en v i r onmen t al pr ot e c t i o n ef gi ne ef i n g 天时平均旱流污水量； 为径流系数 ， 取平均值 0 7 5 。 截流倍数与降雨强度两者相互对应 ， 不同截流倍 数 的雨水截流量等同于其对应降雨强度下 的降雨量 。 溢流量作为大于该降雨强度的降雨量 ， 由式 ( 3 ) 可知 不 同地 区不 同截 流倍 数 下 的溢 流和 截 流雨 量 其 结果 见 图 1 图 1 不同地 区截流倍数与截 流量 占降雨量比例 的关系 在图 1中 曲线的拟合方程为 ： y = 0 2 1 4 i n( ) + 0 0 4 2 ； ( 4 ) y =0 2 1 4 1 n( ) +0 1 5 1 ； ( 5 ) l ， = 0 2 1 4 1 n( ) + 0 2 2 7 。 ( 6 ) 式 中 ： i n ( ) 为截流 倍数 的对数 函数 。 为提高系统截流倍数 ， 可增设调蓄池。当系统 的 调蓄量为 h ， 即单位面积调蓄量为 1 0 h ( m 3 h m ) 时 ， 则 调蓄池增加后系统的截流倍数为： n l = ( n + 1 ) q污 +i o a h i 3 6 0 0 一 q污 q污 ( 7 ) 式 中 ： n 为调 蓄 池运 行 期 时 截流 倍 数 ； n为 截 流倍 数 ； q污 为 旱 流 污水 量 ， i n s ； a 为 同化 面积 ， a= a o lf r ， h m ； h为调蓄量 ， 初雨调蓄建议按 3 5 mm h考虑。 简化式 ( 7 ) 可得 = n +1 0 a h 3 6 0 q l污 ， 由此 可知 ： 高密度 区 l l = n +i o ah 3 6 0 q污 = n + 0 8 7 h； 中密度 区 n 1 2 = n +1 0 ah 3 6 0 q = f t 十 1 0 9 h； 低密度 凡 13 = n + 1 o ah 3 6 0 q = 凡 + 1 7 5 h 。 则调蓄量 、 系统截流倍数与削减的排江量的比例 之 间 的关 系如 图 2 4 ( 注 ： 虚 线 为 t ：0 5 h ， 实 线 为 t = 1 h) 。 图 2 调蓄量 、 系统截流倍数 与截流百分比的关 系( 高密度 区) 1 0 6辛荭 发求一 r 2 0 1 0 n o 6 (n o v )v o 12 8 网 3 调 蓄量 、 系统截流倍数与截流百分 比的关系 ( 中密度区) 0 7 嚣 0 6 商0 5 璺o 4 疑 02 0 1 一 e ： ： ： ： 一 w - 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 调蓄量 m m 图 4调蓄量 、 系统截流倍数与截流百分 比的关系( 低密度区) 由图 2 4可见 ， 系统 的截流倍数越大 ， 增设 调蓄 池 对 削减排江 量 的影 响越 小 。 设计中， 可根据系统截流倍数、 人 口密度及排江量 的削减 目标值 ， 从图中获得所需 的调蓄量 h与相应 的 调蓄 时间 t 。 污染负荷 的削减 比例与排江量 的削减 比例不成 线性关 系。对广州市排水系统出流负荷研究结果表 明 ， 构 成 出 流负 荷 的主 要 来 源 是 管 道 沉 积 ， 而 开 泵 台 数越多 ， 对管道冲刷力越大 ， 出流负荷越高【 5 i 。由此可 知 ， 当调 蓄 池 容 积 确 定 时 ， 如 果 调 蓄 时 间越 长 ， 开 泵 台数越少 ， 对污染负荷 的截流能力 、 调蓄池 的效率则 越 低 。 以削减排江量 比例 5 0为设计原则 ， 则广州市调 蓄池容积可 由 v = i o a h计算。 以某合流制地区为例 ， 该 区域 面 积 为 1 0 0 h m ， 人 口密 度 3 5 0人 h m ， 径 流 系 数 0 7 5 ， 系统截流倍数 1 5 ， 拟通过建造调蓄池将排江量 削减 5 0， 则 由 图 3可 知 ， 调蓄 量 h = 3 m i 1 ， 则所 需 调 蓄池的体积为 2 2 5 01 t i 。 按照 日本的计算方式 则系统截流量为 0 6 8 ram h x 1 5 = 1 0 2 m h ( 大于 1 1 t l n l ) ， 调蓄量 为 3 5 mm。 当 单 位调 蓄量 为 3 0 5 0 m 3 h m ， 则 调 蓄池容 积 为 1 4 0 0 2 8 0 0 m ， 从 图 3可知 此 时削 减 的排 江 量 为 4 5 6 4， 基本接近 日本雨天 b o d削减率 6 5的设定值 。 由图 1 可知 。 = 1 5 m 3 h m ， 按照德国计算公式 ( 1 ) 估算调蓄池容积， 则为 1 6 8 7 m 。故调蓄量为 2 2 5 mm， ( 下转第 1 1 0页) 加 m 0 、 墨筮删陉世 卿薅柩 - l _u环 境 保 护 工 程 en vi r onmen 虢 pr ot ec t i on eng i n ee r i ng 表 9回收材 料 降能效 应t o e f u 5 公 路 生命 周 期的环 境 负荷 按照公路生命周期的不 同阶段 ， 根据其各 自能源 消耗排放系数可 以计算 环境负荷。由于各种能源的 氧化率不同， 其污染物种类和污染对象也存在差异。 为 了定 量 研究 环 境 负荷 ， 本 文采 用 国 际气候 变 迁 专 家委 员会 ( i p c c) 提供 的数据 ， 详见表 1 0 。 表 1 0各 种环 境排 放形式 汽 油 液 压 油 煤 油 柴 油 重 油 电 0 9 9 0 0 0 0 0 8 3 5 4 9 0 9 9 0 0 o 0 0 8 7 5 6 0 0 99 0 000 0 8 7 5 63 0 9 9 0 0 0 0 0 9 2 5 - 8 l 0 9 9 0 0 o o 0 9 7 &0 7 0 9 9 8 0 0 0 0 0 9 6 。 2 6 l 9 9 1 7 9 2 2 0 3 2 8 0 8 2 0 4 2 8 1 2 21 o 5 8 3 7 2 2 ,0 0 8 7 5 2 2 6 8 9 0 2 公路整 个生命 周期 中的能耗为每功 能单位 1 3 3 8 3 5 t o e， 见表 l 1 。 其 中 ， 约 7 6 2 8 2 t o e为建 材加 t 阶段消 耗 ， 约 占 5 6 9 。据此 可知 ， 公 路建 设 中最大 部分 的能 耗来 自材料加t过程 。根据能源排放系数计算出各种 排放 物 的排 放 量 ， 以氮 化 物 ( n o ) 、 二 氧 化 硫 ( s o ) 和 二氧化碳 ( c o 2 ) 为序依次为 ： 4 9 t 、 1 7 7 t 和 6 7 9 7 t 。此 外 ， 维护和修补阶段能耗 占 3 9 9； 施工阶段 能耗 占 1 9； 拆除阶段能耗 占 1 3。 表 1 1 公 路生命 周 期的环 境 负荷 诅 茕 l _ 0 c o 。一 | | 磐 j 誊 誊 鬟 囊 羹量 j c | 6结 论 在 以公路运输为主的东南亚 、 中亚等同家 ， 公路建 设生命周期中的能源消耗占整个能耗的比例很大 ， 其对 环境产生的重要影响正被人们逐渐地认识。 本文用生命 周期评估法 ， 对整个公路建设生命周期进行了能源消耗 和各 自相应的环境负荷定量分析。 为了便于通用评估 ， 本文 采 用 了一 些假 设 并 引用 了公 认 的转 换 表 格 ， 但 主 要 基 础 数 据 源 白笔 者 2 0 0 0 -2 0 0 3年 在 某 国执 行 过 的 某公路项目， 并结合了所在地的社会和自然条件。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4 1 6 作者 简 介 ： 张文清( 1 9 6 1 一 ) ， 男， 北京市人 ， 高级 r程师 ， 硕士 ， 常年从事 国内外公路 、 市政工程 。 灌 溉与给排水工程 ， 环境工程 岩土 工程 勘察设计与施工 。 ( 上接 第 1 0 6页) 与 图 1 获取 的 调蓄量 相 当 。 4结论 通过 对 广 州雨水 调 蓄池 计 算 的研 究 ， 建 议 广 州市 雨水 调蓄采 用 以下两 种方 案 。 1 ) 线形 调 蓄池 。结合沿 河涌 截污管 设立 串联 式 的 通过池 ， 参数按 3 5 5 mm( 即 3 5 5 0 m3 h m ) 计算截 流雨水量。该方案应结合河涌景观、 堤岸 、 出口设施及 截污工程等因素统一考虑 ， 应具有减少雨水溢流量、 削 减高峰流量 、 兼