基于概率方程法对LID措施的优化应用研究

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在我国快速城市化的大背景下,城市雨洪内涝问题日益突出,为解决城市发展与内涝灾害之间的矛盾,我国开展了以LID低影响开发技术为主要内容的海绵城市建设。布置LID措施对改善城市整体水环境有多种积极作用,其中对降雨径流量的控制削减作用尤为重要。本文围绕LID措施的主要蓄水结构参数与年均径流削减率之间的关系展开研究,以南京市浦口区某地块为研究区,通过对当地多年降雨数据的统计分析,运用概率方程法对绿色屋顶、透水铺装和下凹式绿地三种主流LID措施的产流过程进行分析计算,得到了基于降雨特征统计的“蓄水结构厚度-径流削减率”关系式,并通过SWMM模型验证了计算结果的合理性。将LID结构参数与削减率的关系式与全生命周期成本分析相结合,得到了上述三种LID措施的蓄水结构优化参数,最后以研究区为案例,对LID参数优化的应用效果进行了对比研究。具体研究内容如下:(1)分析了研究区的自然条件和防洪排涝概况,归纳整理了各类资料,提出了评价LID措施对径流控制效果的评价指标,为径流控制研究和建模提供数据支持和评价依据。对SWMM模型的运行原理和LID措施的结构特点进行了梳理。综合运用CAD、鸿业管立得、Arc GIS、Storm Desk等软件,构建了研究区的SWMM模型。运用Morris敏感性分析法对影响径流总量的参数进行了敏感性分析,指导模型参数率定,并通过Nash效率系数法、总径流量平衡误差系数和峰值流量相对误差系数三个指标检验了SWMM模型参数率定的准确性。(2)通过对研究区所在的浦口区2010至2020共11年的连续降雨资料的统计分析,筛选得到了若干个独立降雨事件,以及每个降雨事件的总降雨量、降雨历时和降雨事件间隔时间三个降雨特征参数,通过进一步筛选处理得到了概率方程法计算所需的降雨特征值数据,将特征值的概率密度函数与指数型概率密度函数拟合,得到了三组特征拟合函数。选择绿色屋顶、透水铺装和下凹式绿地三种LID措施作为径流削减计算的研究对象,对其各自的产流过程进行分析,再联立计算概率方程和径流平衡方程,从而得到了绿色屋顶、透水铺装和下凹式绿地的径流削减量,以及在多年连续降雨条件下的径流削减率计算公式,从而绘制出三种LID措施在不同蓄水结构厚度下的多年平均径流削减率曲线,通过与SWMM模拟结果的对比验证概率方程法计算结果的合理性。(3)结合全生命周期成本分析法(LCC)与效益—成本比法,对径流削减效果进行成本效益分析,得到三种LID措施的“蓄水结构厚度—径流削减率”效费比曲线。结果表明,在研究区气象条件下,绿色屋顶基质层厚度取115mm时,年均径流削减率为31.5%;透水铺装排水管下蓄水层厚度取60mm时,年均径流削减率为83.1%;下凹式绿地蓄水层深度取125mm时,年均径流削减率为71.1%,采用上述蓄水结构厚度时,LID措施的径流削减效费比最优。(4)根据南京市的降雨数据设计了五种不同重现期的短历时降雨,在此条件下,基于SWMM模型对研究区现状雨水管网的排水能力和超载溢流情况进行了分析。针对现状管网存在的问题,以不透水面积比为指标,将研究区480个子汇水面积划分为高开发地块、中开发地块低、开发地块和绿化地块四种类型等级,并针对性制定不同的布设类型与比例方案,使用最佳效费比结构参数作为优化参数设置LID措施布置方案,与传统LID改造方案项对比,在五种降雨条件下,分析LID措施对研究区的径流削减情况以及管网溢流超载情况的缓解效果。使用参数优化方案布置的LID措施,相较于未设置LID措施时,径流削减率分别为59.1%、52.0%、45.0%、40.8和37.3%,相比采用传统方案的计算结果中,径流削减率分别提高了9.3%、8.1%、7.3%、6.9%和6.5%。证明了概率方程法对LID的径流削减应用效果具有较好的优化作用,对缓解五年重现期以下的暴雨有较好的效果,在对重现期为十年、二十年的暴雨条件下,也有较好的径流削率和溢流削减效果。
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