透水砖铺装对雨水径流热污染控制效果实验

随着海绵城市的快速发展,透水砖铺装在实际工程中得到了广泛应用,但其对雨水径流热污染控制效果尚缺乏系统研究。采用人工模拟降雨方法,以不透水沥青路面为参考,研究了透水砖铺装系统对雨水径流温度的削减效果,具体包括透水砖铺装表面外排雨水径流温度、渗透出水温度以及各结构层的温度变化。实验结果表明:当重现期为5年一遇,透水砖铺装面层初始温度为35,42,47 ℃时,与不透水沥青相比,透水砖铺装面层外排径流温度可削减1.4~1.8 ℃,且面层初始温度越高,外排雨水径流温度越高,渗透出水温度也越高;透水砖铺装各结构层可削减渗透部分雨水径流的温度,渗透出水温度相对于径流温度降低3.5~5.2 ℃;降雨强度对透水砖面层外排雨水径流温度有显著影响,而对渗透出水温度影响较小。因此,透水砖铺装可有效削减雨水径流对城市水体的热污染。     

基于光纤传感技术的天然海绵体监测系统评估

对海绵设施的运行效能进行科学监测,可有效评估海绵城市建设的收益,并为海绵城市的建设提供数据反馈和指导性建议,但目前并无有效方法对天然海绵体运行效能进行监测评估。以湖北西部某大型高铁交通枢纽区海绵试点区为例,将光纤传感系统监测到的透水速率作为基础参数,探究其与含水率之间的函数关系,并建立蓄水量监测模型,完成了整个监测系统的构建。在实际降雨条件下,对该系统在径流监测及蓄水饱和预警方面的性能进行了评估,结果表明:光纤传感监测系统,在径流监测方面具有较高精度,预警产流时刻与实际产流时刻基本吻合。光纤传感监测系统展现出了很强的适应性和优异性能,可为海绵城市设施自动化运行提供技术支持。     

高地下水位地区透水停车场的水文控制效果

为确定高地下水位地区透水铺装对路面径流的水文控制效果,在上海市区建造了4个实验性透水铺装单元与1个不透水铺装对照,其中3个为设有防水衬底的不透型设施分别为透水混凝土铺装(设施Ⅰ)、水泥稳定碎石基层/缝隙透水砖面层(设施Ⅱ)、碎石基层/缝隙透水砖面层(设施Ⅲ),1个普通缝隙透水砖铺装(设施Ⅳ),以及1个不透水混凝土对照(设施0).历时1年监测了实际降雨条件下4种实验设施的表面径流、排水管出流流量及表面渗透速率,考察不同设施的径流总量削减率、峰值削减及峰现延迟能力.结果表明,缝隙透水砖面层的表面稳定渗透速率明显小于透水混凝土面层,使用1年后,2种面层表面稳定渗透速率均明显下降;4种设施的表面产流均无显著差异;3种不透型设施的就地消纳水量能力均较弱,年径流总量控制率分别为24.2%、28.5%、28.4%,排水管不发生出流的控制降雨量分别为5.2 mm、7.8 mm、7.8 mm;设施Ⅰ的峰值削减与峰现延迟效果弱于设施Ⅱ及设施Ⅲ,且3种设施的峰值削减率和峰现延迟时间与降雨强度呈现显著负相关性.     

海绵城市透水砖铺装雨水入渗模型及产流分析

透水砖铺装系统的入渗特征是海绵城市建设中产流控制的重要影响因素。以海绵城市试点庄河市为例,通过渗流试验,构建不同土基土壤土水特征曲线,建立适用于透水砖铺装系统各层的入渗模型,揭示系统雨水入渗规律,阐明结构层厚度和土基土壤特性对产流控制的影响。研究表明:土壤粒径对产流控制影响程度最大;特大暴雨时,粗砂土壤作为土基,相比细砂土壤和粉质黏土作为土基,可以延长产流时间,但随着雨强继续增大,产流时间延长作用逐渐减弱;以粉质黏土作为土基,基层与垫层厚度比约为3∶2,以砂质土壤作为土基时,基层与垫层厚度比约为4∶1时,透水砖铺装系统产流控制效果最好。     

渗透铺装控制城市非点源污染的研究进展

渗透铺装在部分发达国家已得到广泛应用。作为城市雨洪调控的技术之一,渗透铺装不仅可以削减雨水径流量,减缓径流速度,还可以有效地控制部分城市非点源污染,改善径流水质。根据国内外近年的研究情况,从渗透铺装对城市雨水径流水质的净化方面介绍了渗透铺装在控制城市非点源污染中的应用研究情况。研究结果表明:渗透铺装对雨水径流中的总悬浮固体、磷、重金属有较好的去除效果,而对氮的去除效果不稳定。最后,对渗透铺装的研究和应用方向进行了展望。     

基于多目标优化与综合评价的海绵城市规划设计

海绵城市源头减排设施已被广泛应用于城市雨水径流削减与污染控制,但仍缺乏一种综合评价方法来实现其科学规划设计.本研究构建了一种基于多目标优化与综合评价相耦合的海绵城市规划设计方法,以建设成本、雨水综合径流系数、污染物综合控制率为目标函数,以源头减排设施建设规模和海绵城市径流控制指标作为边界条件,建立基于快速分类的非支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化模型;然后结合层次分析法对优化解集进行综合指标评价,得出最优化设计方案.利用该方法以研究区A为案例,构建了一套建设成本最小化、水文水质效益最大化的设计方案,并通过海绵城市建设前后的暴雨洪水管理模型（SWMM）,评估最优化方案的降雨径流控制与径流污染控制效果.研究结果表明,海绵城市建设能大幅削减雨水径流量,年径流总量控制率达70.1%;雨水峰值流量削减率超过40%,同时延后径流峰值出现时间;有效降低雨水径流污染,研究区各类污染物综合削减率均超过30%.本文提出的多目标优化与综合评价方法,能够基于特定的目标与需求,针对性提出适合区域发展的海绵建设方案,为海绵城市规划设计提供技术支持.     

基于SUSTAIN模拟技术的低影响开发雨水设施规划应用研究

模拟技术是城市低影响开发雨水设施规划设计和研究的重要方法,采用城市暴雨处理及分析集成模型系统(SUSTAIN)对某市A地块的低影响开发雨水设施规划进行研究,分析了低影响开发雨水设施在不同降雨重现期条件下的峰值径流量、径流总量及径流系数的削减效果。结果表明,按照一定比例设置的绿色屋顶、透水铺装、下凹绿地、雨水花园、干草沟等低影响开发雨水设施可以通过下渗和滞蓄作用削减降雨峰值径流量和径流总量,降低了地面径流系数,其中1~5年一遇降雨的径流量和峰值流量基本达到100%削减,10~100年一遇的降雨则有不同程度削减,可显著减少下游渠道和市政管网的外排水量,缓解城市排水系统和河道泄洪的负荷,为城市低影响开发雨水设施的有效利用提供参考。     

北京城区绿地土壤渗透性能及其对降雨产流的影响分析

土壤渗透性是影响雨水入渗的关键因素之一,是分析土壤蓄积雨水能力的重要前提条件。针对目前城市绿地土壤渗透性能实测数据缺失、评估方法单一、指标选取较少的现状,采取实测法获取北京不同城市功能区的绿地土壤渗透速率、孔隙比、含水率等数据,并采用相关性、因子分析和多元线性回归分析法,分析影响城市建筑小区土壤渗透性的主要因素,探索建立精度更高、数据需求量更少、计算时间更短的土壤渗透模型。运用该模型得到北京市城市绿地雨水入渗能力水平,建立土壤-降雨产流之间的联系,得到以实测数据为基础,更贴近实际产流过程的径流系数。结果表明:试验样地内3种功能区土壤渗透性能排序为:居住区 > 文教区 > 商业区,实测入渗曲线均符合霍顿渗透模型;土壤内部因素中孔隙比、初始含水率和初始入渗速率三者相互关系紧密,外部因素中植被覆盖度与人为干扰情况呈强负相关,考虑到内外部因素共同作用,初始入渗速率可与初始含水率和植被覆盖度建立初步线性关系式（R2>0.9）;入渗量对雨量径流系数的影响随着降雨量和不透水区域面积比例的增大而减小,入渗量占年径流总量控制率对应的降雨量的比值为37.6%~58.2%,并与降雨量呈负相关。研究结果可为海绵城市建模和下垫面优化设计提供理论参考。     

基于SWMM模型的南宁市海绵城市建设优化模拟

为推进南宁市从"工程治水"向"系统治水"的海绵城市建设改造,借助SWMM雨水管理模型和Arc GIS地理信息系统,将研究区划分为若干个150 m×150 m的子汇水面积作为模拟单元,构建南宁市区地表径流及非点源污染精细化雨水径流模型。2009年、2015年南宁市雨水年径流总量分别为1. 86亿,3. 37亿m3,增长率为44. 81%,径流中心和高径流区在空间上均向市区东北方向偏移。利用构建的南宁市精细化雨水径流模型,借助SWMM中的低影响开发(LID)模块,结合不同改造目标对南宁某高强度海绵城市模式示范区进行情景改造模拟。结果表明:最大径流量/悬浮颗粒物(SS)去除模式(情景1)下,径流量削减率为21. 04%,SS削减率为66. 37%。成本最优模式(情景2)下,径流量的削减率为13. 74%,SS削减率为46. 71%。引入单位投资回报作为改造效益评估指标时,情景2下,单位成本径流量和SS削减率分别增加了0. 17%和0. 89%,说明情景2比情景1更贴合实际工程评估。因此,将单位成本投资作为工程效益评估指标能更客观真实地指导海绵城市建设规划。     

城市地面停车场透水铺装使用分析——以南京市为例

南京市在城市化的进程中,各项城市建设使得原先的土壤表面日益被不透水铺装所覆盖,从而引发了一系列环境问题.其中,最受关注的是由于地表径流系数增大而导致的雨水径流量的增加.解决这一问题的关键是在城市建设中因地制宜的选用透水铺装,以控制城市不透水地表的蔓延.现代城市的重要交通设施之一--地面停车场,由于使用的特殊性,是一个可以采用透水铺装的典型区域.根据分析,对南京市地面停车场采用透水铺装能够有效减轻雨水径流量和污染物的排放量,在一定程度上起到优化城市环境的作用.因此,应将地面停车场作为南京市推广透水地表的一个开端,并逐渐带动城市其它区域透水铺装的使用.     

海绵城市建设的水质水量控制效果实证研究:以鹤壁试点区为例

首批国家海绵城市试点建设已经完成,有关海绵城市规划与模型模拟的研究也层出不穷,但是对于海绵建设区开展持续监测并进行深入分析的研究较为缺乏,而对于海绵城市实际建设区的水质水量研究是规划建设理论与实践效果差别的唯一检测器,是优化未来海绵城市规划和建设的关键。以河南省鹤壁市国家海绵城市建设试点区为研究对象,开展试点区地表水体与雨水管网的水质水量多年持续监测研究,分析海绵城市建设对地表水主要水质指标和雨水年径流总量控制率的实践作用效果。采用人工监测与设备在线监测相结合的方式,于2015-08—2018-09在海绵城市试点区地表水体10个采样点进行了16次人工采样,共计获得109个地表水样并测定了常规水质。利用试点区内20个雨水管道出口处的流量在线监测设备获得2018-01—12的分钟级流量数据。结果表明:研究区域内波动较大的水质指标为NH₃-N、TN和DO,波动较小的为pH。与海绵城市建设前相比,研究区域的地表水系水质得到改善,试点区该年度的雨水径流总量控制率达到85.7%,满足规划建设要求指标70%。但当实际场次降雨量低于设计雨量23 mm时,仍有雨水外排。不同地块的径流控制率差异明显。以上结果丰富了海绵城市建设的实践研究,可为优化海绵城市的规划与设计建设提供参考。     

自然失水条件下土壤的入渗特性研究

下凹绿地、雨水花园等生物滞留设施可参与雨水和地表径流的自然下渗与调节,是海绵城市建设的重要组成部分,雨水入渗对削减雨水外排具有重要作用。目前对土壤渗流的设计主要基于达西定律,但对非饱和土壤来说,达西定律并不广泛适用。对不同初始含水率土壤进行变水头渗透试验,得出其变水头渗透速度与时间的关系,并与达西定律计算结果进行对比,变水头渗透速度与时间的关系式可为海绵城市中土壤入渗的设计计算提供参考。     

透水砖铺装面层抗冻性能实验

透水铺装是雨水源头减排的重要技术之一,其在寒冷地区冻胀损坏是亟待解决的突出问题。透水砖是广泛采用的透水铺装材料,通过冻融循环实验,对透水砖铺装面层不同孔隙率、水饱和度及不同透水基层厚度条件下的面层抗冻性进行研究,结果表明:面层孔隙率与其抗冻性能呈负相关,孔隙率越高,面层抗冻性能越差。面层水饱和度与其抗冻性能呈负相关,水饱和度越高,抗冻性能越差;面层水饱和度90%是产生冻胀损坏的临界值,当面层水饱和度<90%时,其抗冻性能受损较小;当面层水饱和度>90%时,其抗冻性能明显变差。透水基层厚度对透水砖铺装面层抗冻性的影响较小。3个主要因素对透水砖铺装面层抗冻性能影响程度顺序为:面层水饱和度 > 面层孔隙率 > 透水基层厚度。     

海绵城市透水砖铺装系统雨水入渗及重金属污染物迁移模拟

海绵城市透水砖铺装系统（PBPS）入渗特征是产流控制及径流污染物去除的重要影响因素之一。通过渗流实验,构建系统土壤层土水特征曲线,建立降雨入渗及径流重金属污染物迁移数学模型,以阐明找平层土壤粒径、基层与垫层厚度比对产流时间及径流重金属污染物去除的影响。研究表明:综合考虑延迟产流与径流重金属去除能力,中砂作为找平层介质最佳;依据结构层出水重金属污染物浓度,基层与垫层厚度比为15∶4时,PBPS对径流中重金属污染物吸附效率最高、去除效果较好。     

Reducing non-point source pollution with enhancing infiltration

The rainfall system was set up on a slope land, which was used with some materials to enhance soil infiltration. The results showed that it was effective to enhance the infiltration of rainwater in soil and reduce the pollutants of surface runoff. After the soil meliorated by the lignin polymer and zeolite, runoff was delayed about 10 min and reduced by 44.40%--50.00%, synchronously, the pollutant loads, such as total suspended solids （TSS）, chemical oxygen demand by ditromate （CODCr）, total nitroger （TN） and total phosphorus （TP）, were reduced on averages by 44.58%, 37.80%, 51.62% and 44.11%, respectively. It is an available technique to control the pollution of non-point source from sources.     

天津生态城水系统构建与海绵建设技术研究及实践

围绕天津生态城高标准水系统建设目标,分析不同发展阶段的水环境问题与技术需求,全方位开展水系统及海绵城市规划、建设与管理技术研究,创新形成了统筹所有涉水设施的生态城市新型水系统规划模式、耦合大水系构建与全过程灰绿蓝结合的海绵城市规划策略,研发了非常规水多源多功能净化处理技术、景观水体水质保持与生态修复技术、盐碱区域生物滞留设施雨水径流污染控制技术、盐碱影响下的雨水调蓄与利用技术、基于盐渍土改良和耐盐植物群落构建的景观生态改善技术,建立了融合水动力-水质耦合模型、多水源补水优化调度模型和内涝模型的天津生态城水系统智能化管理平台。该技术成果在天津生态城水系统和海绵城市规划、建设与管理中得到应用,实现非常规水利用率超50%、水体水质达GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类,年径流总量控制率>80%,径流污染削减率>65%(以SS计),年雨水资源化利用总量达30余万m3,优化了水资源结构并提高了水资源利用效率,全面改善了天津生态城水环境质量,提升了涉水设施动态联动联控的协同管理水平,为同类型地区水系统和海绵城市高标准建设提供了参考和借鉴。     

基于在线监测+模型的海绵城市建设径流水量控制效果研究

以青岛市海绵城市典型项目区为研究区,通过收集、整理和概化汇水区资料,构建了研究区降雨径流模型——SWMM模型。利用2018年雨季的降雨-径流实时监测数据,进行了模型关键参数的率定和模型验证,研究了海绵城市建设在削减径流量、增加入渗与滞蓄雨量方面的定量效果。结果显示:海绵改造后,不同降雨强度下形成径流的雨量占总雨量的平均比例由56%下降至29%;下渗雨水的平均比例由40%增加至60%,滞蓄深度由0.63 mm增加至5 mm。海绵改造前后研究区场降雨径流总量控制率变化显著,当以1~10年一遇的短历时（120 min）设计降雨作为模型边界条件进行模拟时,海绵化改造后场次降雨径流总量控制率提高了26%~34%,认为研究区基本达到了海绵城市关于水量控制的建设要求。