在大型地下建筑屋顶承重板上进行覆土、栽种和景不雅观建造,是城市地皮稀缺背景下提升空间利用率、增加人均绿地面积的有效路子,多项实验研究证明了绿色屋顶也是减少局部尺度地表径流、应对城市内涝不可或缺的有益考试测验。 如英国就把绿色屋顶作为可持续的城市发展培植中排水系统的主要组成,中国目前正在大力实行的海绵城市培植也把绿色屋顶率作为低影响开拓的核心掌握指标之一。
国外对付绿色屋中用于蓄截雨水、减缓雨水径流和应对洪涝磨难等方面的干系研究起步较早,绿色屋顶之于生态环境的效应研究肇端于德国,并逐步延伸至欧美及东亚等发达国家和地区。 研究关注点紧张集中在借助绿色屋顶的水文调节效应,通过一系列的监测试验和水文模型进行仿照,实现对绿色屋顶降雨产流、蓄截雨水、减少径流、延缓洪峰径流发生韶光等。 近年来,海内学者也争相对这一领域展开磋商,研究更加关注北京、成都、重庆、天津等大城市地区的绿色屋顶对减少径流和延缓洪峰的水文效应,并磋商个中诸如植被、基质等影响因子的浸染机制。
已有研究创造:只管国内外学者已对绿色屋顶的水文试验仿照及其干系效应磋商形成了较为丰富的成果,但受限于试验条件,多数研究紧张剖析少数面积较小、类型单一的实验性绿化屋面,而对大型地下建筑顶板上这种面积较大、分布较广、植被类型丰富的绿色屋顶干系磋商仍旧欠缺,针对其功能特性进行的绿色屋顶径流调控系统设计更少见宣布。 因此,笔者选择处于亚热带季风湿润景象区的南京点式案例,借助暴雨大水管理模型(SWMM)软件构建剖析模型,展开多特色时段内大型地下建筑绿色屋顶影响因子的多情境系统仿照,以此得到多成分影响的绿色屋顶径流调控的量化剖析,以期为同景象区的其他城市结合本地条件开展类似研究和实践供应参考。
题 目基于 SWMM 的大型地下建筑绿色屋顶低影响开拓运用研究
基金项目国家自然科学基金项目;江苏省文化科研课题
作 者刘志峰1 ,陈晨2
作者单位1.金陵科技学院建筑工程学院;2.河海大学土木与交通学院
关键词地下建筑;低影响开拓;绿色屋顶;绿色屋顶率;土体厚度;土壤孔隙率;暴雨大水管理模型(SWMM)
▶引文格式:
[1]刘志峰,陈 晨.基于SWMM的大型地下建筑绿色屋顶低影响开拓运用研究[J].南京林业大学学报(自然科学版),2018,42(06):165-173.
DOI:10.3969/ j.issn.1000-2006.201808025
LIU Z F,CHEN C.A study on the application of low impact development of green roof in large underground buildings based on SWMM[J].Journal of Nanjing Forestry University(Natural Sciences Edition),2018,42(06):165-173.
1.目 的探寻海绵城市培植中大型地下建筑绿色屋顶蓄截雨水和减缓暴雨径流的调控依据与低影响开拓运用思路。
2.方 法基于定性剖析与定量打算相结合的方法,梳理了大型地下建筑绿色屋顶径流调控系统的核心影响因子并给出开拓运用研究的思路,借助暴雨大水管理模型(SWMM)软件建模,通过点式案例量化剖析了不愿定因子的调控效应。
·2.1 低影响开拓运用的紧张影响因子与设计思路
根据上述诸影响因子之间的关系,提出大型地下建筑绿色屋顶的低影响开拓运用思路(图 1),个中,不愿定因子的浸染程度及其与可控因子之间的交互关系可通过数学建模,借助 SWMM 进行多次调度参数设计,展开对 3 个特色时段内不同降雨重现期的多情境仿照,探索性地得到多成分影响的绿色屋顶蓄截雨水功能调控的量化指征,可用于辅导降落暴雨径流的量化剖析和设计屋顶绿化的实践。
▲图 1 大型地下建筑绿色屋顶的低影响开拓运用思路
·2.2 大型地下建筑绿色屋顶布局层及覆土荷载
大型地下建筑绿色屋顶的布局层紧张包括过滤层,排水层,保护层,防水层,找平层,找坡层,保温层,隔离层等(图 2)。各布局层需根据利用材料所供应的参数,由利用面积与单位质量的乘积即可得出该层荷载。布局层常用材料及其体积质量(文中称为容重)如下:砂浆 2 000 kg / m3,细石混凝土 2 500 kg / m3,卵石≤ 1800 kg / m3,碎石≤ 2000 kg / m3,陶粒≤ 500 kg/ m3,排(蓄)水板< 1.5 kg / m3,聚酯无纺布过滤层≥ 0.2 kg/ m3,土工布或聚酯无纺布保护层≥ 0.3 kg/ m3。以排水层为例,可利用排(蓄)水板,或利用砾石,陶粒层作为排水层,按照排(蓄)水板和蓄水的总质量或者以砾石(陶粒)体积和容重的积进行打算。
▲图 2 顶板绿化布局层示意
·2.3 栽种荷载及其他不变荷载
不同类型植物的荷载打算常日是将除高大乔木以外的上部植被荷载等效成面荷载,并考虑高大乔木和灌木根系增加荷载(表 1)。大型地下建筑屋顶绿化除了各种栽莳植物,还包含一些景不雅观元素,如园路铺装,园林建筑,花池,水体等,这类景不雅观元素产生的荷载应按照实际荷载进行有针对性的打算。打算依据来源于“建筑构造荷载规范”(GB 5009-2012)中对荷载打算的详细规定,个中地下建筑顶板景不雅观绿化荷载基本组合效应的设计值S d可由公式(1)和公式(2)得出。据此打算得出大型地下建筑绿色屋顶景不雅观元素的参考荷载如表 2 所示。
▲表 1 植被荷载及根系增加荷载
▲表 2 建筑顶板绿化景不雅观元素荷载
3.结 果绿色屋顶率对径流调控具有决定浸染,应对短期,中短期和中长期暴雨强度设计的临界指标分别为 40%,50%和 60%。土体厚度对短期暴雨磨难设计的径流减少效应更显著,该数值的增加会在一定程度上减少径流,但1年一遇与多年一遇暴雨强度设计对应的拐点数值存在差异,分别为 300 mm 和 400 mm。土壤孔隙率对径流减少影响甚微,但在开拓运用中应把稳规则径流减少效应最低的土壤孔隙率(0.30)。
·3.1 供试案例的基本概况
通过模型打算可得南京市范例的降雨过程线(图 3),南京市 1 年一遇,2 年一遇,5 年一遇和 10 年一遇范例降雨的总量分别为47.80、59.82、75.75、87.73 mm,峰值降雨强度分别为 113.22、141.28、179.35、207,41mm / h,均匀降雨强度分别为23.74、29.71、37.62、43.57 mm / h。以此作为后续 SWMM 建模剖析中的模型参数与根本数据。
▲图 3 4 种不同重现期南京市范例降雨散点图
·3.2 SWMM 建模的参数设置
将园地 CAD 图件导入 SWMM 软件,经由数据处理将全体研究区域概化为 44 个子汇水区,55 个节点(编号 J1-J55),51 个管渠(编号 G1-G51),4 个排放口,得到相应的概化图(图 4)。研究案例中定义的低影响开拓方法为绿色屋顶及干系举动步伐(LID 举动步伐),采取子汇水区层面的支配办法,即覆盖LID举动步伐至全体汇水区来详细表达雨水径流路径。
SWMM 模型构建须要输入实际研究区域 LID 举动步伐的干系参数,个中,子汇水区面积等信息可由图直接读取或通过公式打算得到,降雨入渗过程采取 Horton 入渗模型,其他参数则基于研究区域的实际情形并结合 SWMM 手册推举及已有研究的先验参数进行设定,模型参数干系取值详见表 3。
▲图 4 研究区域概化图
▲表 3 SWMM 模型参数
·3.3 低影响开拓前不同降雨的情境仿照
不同重现期的降雨历时和地表径流的关系如图 5 所示。选用上述模型参数,对不同降雨重现期下的径流情形进行仿照,得到不同降雨强度下区域年夜水的仿照结果如表 4 所示。结果表明,在持续韶光为 2 h 的范例设计降雨仿照中,随着降雨强度的不断增大,仅需 1 h 研究区域的排水管道对雨水的排输过程就已经涌现了明显障碍。从溢流节点和过载管渠的数量看,在短期较为频繁的 1 年和 2 年一遇的暴雨情境下,当重现期为 1 a 时,该区域已经涌现 2 个溢流节点和 3 个过载管渠,当重现期为 2 a,过载管渠即增加至 3 个。从中短期较为罕见的暴雨重现情境看,过载管渠持续增加至 5 个,而到了中长期的10年期一遇暴雨情境下,研究区域内有 3 个节点涌现了溢流,6 个管渠涌现过载征象,增幅分别达到 50%和 20%,这种情形下内部洪涝的发生可能已至极高。上述变革趋势显示了在不采纳低影响开拓方法的情形下,研究区域遭受暴雨洪涝侵袭的可能性将随降雨强度的增加而连忙上升。紧张缘故原由可能在于该区域不透水面积过大,由于该区在采纳低影响开拓方法前,不透水系数高达 70%。因此,有必要在研究区域引入 LID 举动步伐来增大该区的透水面积,提高研究区域对雨水的蓄截能力,从而降落地表径流,减小洪峰流量,降落内部洪涝发生的风险。
▲图 5 未采纳 LID 方法前不同重现期的径流量曲线
▲表 4 低影响开拓前不同降雨情境下区域年夜水仿照
·3.4 低影响开拓运用后的绿色屋顶径流调控系统多情境仿照
参照“南京市城市绿化条例”(2012)的第十一款中的第(一)条和第(八)条对城市绿化率不得低于 30%的规定,在后续模型剖析中绿色屋顶率分别选用 40%、45%、50%、55%、60%、70% 和 80% 共计 7 种不同程度的屋顶绿化,以此与未采纳任何 LID 方法的普通硬质顶板在面临多种暴雨重现期情境下的径流情形进行仿照和比对,所得结果如表 5 所示。由表 5 可知,随着绿色屋顶率的增加,该区域的溢流节点数和超载管渠数都得到了一定程度的降落。但不同绿色屋顶率掌握指标所对应的径流减少效果还存在以下差异:在短期内较为普遍的1年和2年一遇暴雨的情境下,40% 的绿色屋顶率即可做到无溢流节点和过载管渠,解释在应对南京一样平常暴雨环境时,研究区域支配超过 40% 的绿色屋顶即可规避内部洪涝发生的风险。当涌现中短期间内较为罕见的暴雨重现时,绿色屋顶率达到40%的研究区域内虽无溢流节点涌现,但仍有 3 个过载管渠,而当这一指标提升至50%时,即可做到无溢流节点和过载管渠,因此,50% 的绿色屋顶率是研究区应对中短期暴雨洪涝风险的临界值。当考虑中长期 10 年一遇的暴雨环境时,研究区域对绿色屋顶率的哀求进一步提升,50% 是不涌现溢流节点的临界指标,而只有当绿色屋顶率达到并超过 60%时,域内才有可能规避暴雨洪涝发生的风险。因此,根据“城市防洪工程设计规范”(GB / T.50805-2012),60% 应该为绿色屋顶率的设计阈值。
▲表 5 各绿色屋顶率下不同降雨重现期调控效果比拟
结合采取 LID 方法后不同绿色屋顶率下的径流量和降雨历时的关系曲线(图 6A)可知:随着绿色屋顶率的增加,暴雨洪峰径流量明显降落,并且,针对不同暴雨重现期的低影响开拓运用设计中,p=10 a 的径流量曲线斜率最大,并呈现渐次降落趋势,表明越是能够应对中长期暴雨洪涝风险的绿色屋顶设计在蓄截雨水和减缓暴雨径流方面效果越是明显,这解释了通过对低影响开拓中绿色屋顶的适当调控能够较好地缓解区域排水问题和减轻雨水管渠的排水负荷。
由图 6B 可知,在绿色屋顶率和土壤孔隙率既定情形下,随着土体厚度的增加,暴雨洪峰径流量呈现降落趋势,但这种低落趋势并非与土体厚度存在线性关系,不同暴雨重现期对应的土体厚度带来的洪峰径流量低落到达拐点之后,径流量基本不再随土体厚度的增加而降落。详细是:对付短期较为常见的 1 年一遇的暴雨环境,当土体厚度为 300mm 时,土体厚度对洪峰径流量减少的效应达到极限,之后即便土体厚度增加,洪峰径流量不再发生变革;而对付重现期为 2、5 和 10 a 的降雨强度来说,洪峰径流量减少极限对应的土体厚度为 400 mm,之后洪峰径流量不再随土体厚度增加而发生变革。并且,在拐点涌现之前,从暴雨重现期的韶光特色看,p = 1 a对应的洪峰径流量曲线斜率最大,表明研究区域短期暴雨重现得到的洪峰径流量降落与土体厚度的关系更加敏感。
▲图 6 多情境下不同绿色屋顶率和不同土体厚度及土壤孔隙率的洪峰径流量曲线
4.结 论
栽莳植被、覆土属性和降雨强度是影响地下建筑绿色屋顶径流调控效果的紧张成分,在实际开拓运用中应妥善配置可控因子的安全设计及不愿定因子的率定参数,以此作为提升大型地下建筑绿色屋顶径流调控性能的有效性和低影响开拓运用实践的参考依据。
(感谢作者供应素材)
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