雨水调节和滞蓄设施的运行模式及规模设计

雨水调节和滞蓄设施的运行模式及规模设计秦祎，李俊奇，王亚婧（北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044）摘要：雨水调节和滞蓄是城市雨水管理体系中非常重要的两类技术，但目前对这两类技术的内涵及其概念有时存在误用、滥用的情况，针对这一问题，笔者对调节和滞蓄的内涵进行了梳理，以调节池和滞蓄池为例，分别对其不同控制目的和出水方式运行模式进行了分析，并给出了基于入流、出流过程线简化模型的设施规模设计方法，以供参考。关键字：调节；滞蓄；运行模式；规模中图分类号：TU992.1文献标志码：B文章编号：1009-7767（2014）03-0000-00TheOperationModeandSizingofStormwaterDetentionandRetentionFacilitiesQinYi，LiJunqi，WangYajing1雨水调节和滞蓄的概念剖析雨水调蓄设施按功能、原理可分为储存（Storage）设施、调节（Detention）设施和滞蓄（Retention）设施3类。顾名思义，雨水储存设施是指在降雨期间储存未经处理的雨水的设施，一般用于雨水收集利用系统。而雨水调节和滞蓄却往往被混为一谈，甚至被误用、滥用，使得现如今国内文献中对调节、滞蓄的阐述出现了一定程度的混乱，因此有必要对调节、滞蓄两个概念进行比较和梳理。国内对雨水调节的概念了解和应用得较多，但对滞蓄尚无系统的定义，关于滞蓄的概念多见于国外的雨水管理手册。为便于系统地了解这两类技术的内涵，选择具有代表性的定义进行对比分析。如美国北卡罗莱纳州将调节定义为在雨水径流排入受纳水体之前对雨水的减缓和收集[1]；密歇根州环境质量部将滞蓄定义为收集雨水并使其缓慢渗入土壤[2]。纽约州雨洪管理设计手册（2001年版）将雨洪调节描述为收集部分雨水径流暂时储存，随后完全排放（控制排放速率），一般两场降雨之间设施内不会有常水位；将滞蓄描述为收集部分雨水径流并长期储存，设施有明显的常水位[3]。该手册经修订后（2010年版）对调节、滞蓄重新进行了定义：调节是将雨水径流暂时性的储存在雨洪管理设施中，以达到控制峰值流量和使污染物重力沉降的目的；滞蓄是将降雨就地“保持”，不以径流的方式外排[4]。此外，许多学者也对调节、滞蓄进行了定义。HarlanKelly等[5]认为调节是对雨水径流的“延迟”，滞蓄则是对雨水径流体积的削减。JohnArgue[6]将调节定义为短时间储存雨水以削减峰值流量，然后将雨水以一定速率缓慢排入自然或人工建造的河道，使之进入水文循环，这个过程中地表径流量相对不变；滞蓄则定义为长时间储存雨水，且雨水不直接排入河道，而是通过过滤、渗透、蒸散等方式在设施内完成水文循环。BenUrbonas等[7]在1993年建立了雨水调节池和滞蓄池的简易模型（见图1），他们认为两者的主要区别是调节池底部有出水口，故雨水最终会被排空；而滞蓄池的出水口处设有阀门，只在对设施进行维护时才将雨水排空。车伍等[8]在此基础上从控制目标角度对调节、滞蓄设施进行了分类，认为雨水调节设施通常是对重现期较大暴雨事件的峰值流量进行调节、削减；雨水滞蓄设施主要是对径流雨水进行储存、蓄渗以达到削减径流排放量、控制水质、收集或补充地下水等综合利用雨水资源的目的，主要针对重现期较小的降雨事件，并改进了BenUrbonas等的简易模型，为滞蓄池加入了下渗和蒸发过程。a）调节池b）滞蓄池图1BenUrbonas等建立的雨水调节池与滞蓄池简易模型图从这些定义可以看出，不同年代人们对调节、滞蓄的认识不同，从不同角度分析也会有不同的阐述，最普遍的观点主要是从以下3个方面对调节、滞蓄设施进行辨析的。1）雨水径流在设施内的停留时间：一般认为调节设施是暂时性的储存雨水，滞蓄设施则是长期的储存雨水。2）对雨水径流的控制效能：一般调节设施以削减峰值流量为主要目的，滞蓄设施则兼具削减峰值流量、削减径流体积和改善水质等功能。3）对水文条件的影响：相较于调节设施，滞蓄设施增加了雨水的下渗和蒸发过程，定性的讲，滞蓄设施使雨水的水文循环更接近自然状态。在研究不同地区政策性文件中的定义及部分学者的观点的基础上，以阐明调节、滞蓄各自的特点为宗旨，笔者对调节、滞蓄的内涵总结如下：调节是指在降雨期间暂时储存一定量的雨水，以削减向下游排放的雨水峰值流量、延长排放时间，一般不减少排放的总量；滞蓄是指在降雨期间滞留和蓄存部分雨水以增加雨水的入渗、蒸散和收集回用。2我国在雨水调节和滞蓄认识及应用上存在的问题近年来我国建设了一批雨水调节池，从控制效果来看，偏重于削减峰值流量、防治内涝，对城市面源污染控制的贡献不大，更缺失了调节池的社会效益和生态效益。究其原因是对雨水调节和滞蓄缺乏足够的认识和重视。实际上，雨水调节和滞蓄设施在国外应用非常广泛，美国环保局（EPA）在1986年还将调节和滞蓄描述为“最有效和可靠的技术”。早在20世纪五六十年代美国就开始建设雨水调节和滞蓄设施，它们起初用于削减峰值流量，造价低、提供休闲场所等成为它们能快速推广的重要因素。70年代后，城市非点源污染控制得到越来越多的重视，促使了调节和滞蓄设施设计上的改进和完善，使它们具有了不同程度的水质改善功能（见图2）。经过几十年的发展，调节和滞蓄设施已经发展成具有削减峰值流量、改善径流水质、提供休闲场所等功能的多功能设施，并且经过可靠的设计它们还能具备很好的社会效益和生态效益。水量控制水量控制休闲场所水量控制休闲场所水质改善第一阶段第二阶段第三阶段单一功能多功能图2调节和滞蓄设施功能的发展历程目前我国许多城市仍存在不同程度的内涝问题，同时也面临着水资源短缺、水环境污染、生态环境破坏等问题，单一功能的雨水设施往往不能解决当前面临的全部问题，因此需要建立一套多功能的城市雨水系统。调节和滞蓄作为“最有效和可靠的技术”理应受到重视和推广。针对其存在的问题，我国应加强对调节、滞蓄的理论及工程应用研究，改进并完善现有调节设施的设计方法，使之朝多功能设施方向发展。3调节和滞蓄设施的运行模式及规模以调节池和滞蓄池两类典型设施为例，按照两类设施的目的及出水方式不同，可将其运行模式概括为以下几类[9]。3.1调节池1）以削减峰值流量为目的，出水采用单泵提升或多泵联合提升方式。此类调节池多用于下穿式立交桥等低洼区内涝防治。采用多泵联合提升，通过调节泵组的流量来提高峰值流量到来时调节池的外排流量，相比于单泵提升方式可减小设施容积（见图3），降低工程造价。但泵的增加同时也会带来设备费用的增加，故应综合考虑泵站和调节池的成本效益，结合水量平衡分析，优化调节池规模。流量历时入流过程线单泵外排流量调节池容积流量历时入流过程线多泵联合外排流量调节池容积ab流量历时入流过程线单泵外排流量调节池容积流量历时入流过程线多泵联合外排流量调节池容积aba）单泵提升b）多泵联合提升图3出水方式为泵提升的削峰调节池的规模计算简化模型2）以削减峰值流量为主要目的，池底部设有出水口。一般根据设计标准和控制目标等确定此类调节池出水口的结构，其出流过程线在特定降雨情形下是一定的，可联合水文过程线和降雨流量公式计算设施规模，简化模型如图4所示。流量历时入流过程线出水口外排流量调节池容积流量历时入流过程线出水口外排流量调节池容积溢流外排ab流量历时入流过程线出水口外排流量调节池容积流量历时入流过程线出水口外排流量调节池容积溢流外排aba）无溢流外排b）有溢流外排图4出水方式为底部出流的削峰调节池的规模计算简化模型3）近年来，为解决径流污染控制等问题，在传统调节池的基础上又增加了一些其他功能。如在调节池前面通过分流等手段对初期雨水进行弃流，实际上形成了“弃流—调节”综合池。此类综合池具有削减峰值流量和改善径流水质的功能，出水采用泵提升或底部出水口外排的方式，其运行模式简化模型如图5a）所示。调节池前设有截流设施，负责截流一定厚度降雨下产生的初期雨水径流，通过管道输送至污水处理厂。当降雨量超过预定截流量时，剩余的雨水径流进入调节池。此类调节池的规模设计与前两类调节池类似，但需扣除初期雨水截流量。污水处理厂进水初期截流调节池泵/底部出水口下游管网或河道流量历时入流过程线出水口外排流量调节池容积初期截流污水处理厂进水初期截流调节池泵/底部出水口下游管网或河道流量历时入流过程线出水口外排流量调节池容积初期截流a）运行模式b）规模计算图5初期截流调节综合池的运行模式及其规模计算简化模型3.2滞蓄池滞蓄池的运行模式简化模型如图6a）所示。与调节池不同的是，滞蓄池具有下渗功能，故在忽略水面蒸发、植物蒸腾的条件下其出流过程线为下渗速率曲线。滞蓄池一般具有常水位，图6b）中滞蓄池容积为常水位以上的储存容积。下渗溢流进水滞蓄池蒸发、蒸腾流量历时入流过程线滞蓄池下渗速率滞蓄池容积溢流外排ab下渗溢流进水滞蓄池蒸发、蒸腾流量历时入流过程线滞蓄池下渗速率滞蓄池容积溢流外排aba）运行模式b）规模计算图6滞蓄池的运行模式及其规模计算简化模型以上几种调节池、滞蓄池的规模设计都是基于质量守恒定律，通过计算入流和出流过程线的差值来实现的，计算的基本方程[7]为：0inout0()tVQQdt。（1）式中：V为所需容积；t为从蓄水开始计算的时间；0t为入流过程线与出流过程线下降段相交时的时间；inQ为入流流量；outQ为出流流量。当设有溢流口时，上式所得容积需扣除溢流量。4结语雨水调节和滞蓄是城市雨水管理体系中非常重要的两个不同的概念，针对目前对这两个概念误用、滥用的问题，笔者分别梳理了调节和滞蓄的内涵，以期阐明调节和滞蓄的不同之处。又以调节池和滞蓄池为例，按目的和出水方式对调节和滞蓄设施的运行模式进行分类，并给出了基于入流、出流过程线的设施规模计算方法的简化模型，为这两类设施规模的确定提供了一种实用便捷的方法。参考文献：[1]NorthCarolinaStateUniversity.LowImpactDevelopmentAGuidebookForNorthCarolina[S].NorthCarolinaCooperativeExtension,2009.[2]DaveFongers,JerryFulcher,LandandWaterManagementDivision.HydrologicImpactsDuetoDevelopment：TheNeedforAdequateRunoffDetentionandStreamProtection[S].MichiganDepartmentofEnvironmentalQuality,2002.[3]NewYorkStateDepartmentofEnvironmentalConservation.NewYorkStateStormwaterManagementDesignManual(Draft)[S].DivisionofWater,2001.[4]NewYorkStateDepartmentofEnvironmentalConservation.NewYorkStateStormwaterManagementDesignManual[S].CenterforWatershedProtection,2010.[5]HarlanG.Kelly,JackM.Bryck.UnderstandingtheUseofDetentionStorageinStormwaterManagement：ABritishColumbiaPerspective[J].CanadianWaterResourcesJournal,1987,12(1)：78-88.[6]JohnArgue.Stormdrainagedesigninsmallurbancatchments：ahandbookforAustralianpractice[M].AustralianRoadResearchBoard,1986.[7]BenUrbonas,PeterStahre.Stormwater：bestmanagementpracticesandde