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LID设计计算合集

发布于：2022-10-12 13:31:12 来自：给排水工程/市政给排水 [复制转发]

一国外雨水花园较常用的设计方法主要有三种：

①基于达西定律的渗滤法②蓄水层有效容积法③基于汇水面积的比例估算法。

1基于达西定律的渗滤法

达西定律

达西定律表征渗流能量损失与渗流流速之间关系，其表达式如式（1）所示：

（1.1）

式中v——断面平均流速，m/s

K——砂质土壤的渗透系数，m/s

J——下渗起止断面间的水力坡度

h_w——沿下渗方向的水头损失，m

l——下渗起止断面间的距离，m

雨水花园面积计算

当蓄水层蓄满水时，流速如式（2）所示：

（1.2）

当蓄水层未蓄水时，流速如式（3）所示：

（1.3）

式中v₁，v₂——断面流速，m/s;

h——蓄水层设计平均水深，一般为最大水深h_m的1/2(即h=h_m/2)，m;

d_f——雨水花园的深度，一般包括种植土层和填料层，m。

设计时，常取其平均值，如式（1.4）所示

（1.4）

渗滤的基本规律有：

（1.5）

（1.6）

式中 A_f——雨水花园的表面积，m²

V——雨水花园的雨水汇流总量，m³

t_f——蓄水层中的水被消纳所需的时间，s

A_d——汇流面积，m²

H——设计降雨量(按设计要求决定)， m

φ——径流系数

将式（1.4）、式（1.6）代入式（1.5）中得：

（1.7）

此方法主要依据雨水花园自身的渗透能力和达西定律而设计，忽略了雨水花园构造空隙储水量的潜力和植物对蓄水层的影响。在新西兰等地，降雨量常按当地两年重现期日降雨量的1/3，约25 mm计算。填料采用砂质壤土，渗透系数不小于0.3 m/d，蓄水层一般为100~250 mm，蓄水层中的水被消纳的时间一般为1~2 d。

2蓄水层有效容积法

这是一种在水量平衡的基础上，利用雨水花园蓄水层的有效容积消纳径流雨水的设计方法。根据植被被淹没的状态又分为两种情况。

（1）部分植被的高度小于最大蓄水高度，则植被在蓄水层中所占体积如式（1.8）所示：

（1.8）

式中V_v——植被在蓄水部分所占的体积，m³

n——植被的数量

A₁——茎干的平均横截面积，m²

h_v——淹没在水中的植被平均高度，m

令植物面积占有率fv为：

（1.9）

式中fv——植物横截面积占蓄水层表面积的百分比。

将式（1.9）代入式（1.8）中得：

（1.10）

则实际可蓄水的体积如式(11)所示：

（1.11）

式中V_w——实际可蓄水的体积，m³

h_m——最大蓄水高度，m。

根据水量平衡，进入雨水花园的径流量（V=A_dHφ）等于实际蓄水体积，即V=V_W，则有：

（1.12）

（2）植被高度均超出蓄水高度，则有hv=hm，式（1.11）可化为：

（1.13）

则雨水花园面积为：

（1.14）

此法主要利用雨水花园蓄水层的有效容积滞留雨水，考虑了植物对蓄水层储水量的影响，但未考虑雨水花园的渗透能力和空隙储水能力。实际应用中大多采用第二种情况进行计算，主要是用于处理初期雨水，处理的雨水径流量一般按12 mm的降雨量设计。

3基于汇水面积的比例估算法

除以上两种方法外，有时还采用简单的估算方法，即根据雨水花园服务的汇水面积乘以相应的比例系数计算求得，如式(1.15)所示：

（1.15）

式中β——修正系数。

当汇流面积均为不透水面积时，计算出的雨水花园的面积一般为汇水面积的5%~10%。此法计算简单，但需通过多年的工程经验积累才能建立这样的公式，且精度不高，对降雨特征变化较大和不同标准要求的适应性较差。

另：当降雨在时间上分布不均，设计要求精度不是很高的情况下，可采取基于汇水面积的比例估算法，主要步骤如下：

确定汇水面积：

确定径流量：

确定24小时渗雨水深度：

确定雨水花园面积：

可以看出，以上三种方法都有各自的特点，也都有一定的局限性。在使用时要分析雨水花园的结构特点、功能侧重、设计标准和所在地的土质特性等因素选择使用。基于达西定律的渗滤法适用于砂质土壤的雨水花园；蓄水层有效容积法适用于雨水花园中粘土较多、场地不受限制的区域；而比例估算法主要用于粗略计算和有丰富经验时采用。

我国多数城市区域雨水径流污染严重，在选择雨水花园的建造模式时，要兼顾削减径流量和污染物总量，可优先采用渗滤速度较大（K值不小于10-5m/s）、净化效果较好的人工材料。同时，雨水花园根据其目的不同，又可分为带出水管和不带出水管两种情况，所在地的土质渗透能力和有无防渗也是其重要的影响因素。因此，笔者认为雨水花园的计算应对花园渗滤能力、蓄水层植物影响、空隙储水能力等因素加以考虑，进而提出以下包括渗滤和滞留在内的完全水量平衡法。

二完全水量平衡法

1 水量平衡分析基本原理

假定雨水花园服务的汇流范围内的径流雨水首先汇入雨水花园(当一般雨水花园面积占全部汇流面积的比例较小，即直接降落到雨水花园本身的雨水量较少时，可忽略不计)，当水量超过雨水花园集蓄和渗透能力时，开始溢流出该计算区域，此时，在一定时段内任一区域各水文要素之间均存在着水量平衡关系，如式（2.1）所示：

（2.1）

式中V——计算时段内进入雨水花园的雨水径流量，m³

U₁——计算时段开始时雨水花园的蓄水量，m³

S——计算时段内雨水花园的雨水下渗量，m³

Z——计算时段内雨水花园的雨水蒸发量，m³

G——计算时段内雨水花园种植填料层空隙的储水量，m³

U₂——计算时段结束时雨水花园的蓄水量，m³

Q₁——计算时段内雨水花园的雨水溢流外排量，m³

通常，计算时段可以取独立降雨事件的历时，此时，由于蒸发量较小，Z可以忽略。而且在设计雨水花园时，一定设计标准对应的溢流外排雨水量可假设为0。如果计算时段开始与终了时雨水花园内蓄水量之差以Vw表示，即Vw=U₂-U₁(实际计算时可视时段开始时雨水花园无蓄水，即U₁=0)。即：Vw=U₂，如式(17)所示。图2为雨水花园计算模型示意。

（2.2）

2 径流雨水量

径流雨水量可采用式（1.6）计算，其中H可根据当地的降雨特性和设定的削减雨水的目标来确定，雨水花园主要针对较频繁暴雨事件，设计降雨量一般不超过0.03 m。

3 雨水花园下渗量

计算时段雨水花园的下渗量，如式（2.3）所示：

（2.3）

式中T——计算时间，min，常按一场雨120 min计。

根据雨水花园构造及土壤条件不同，式(2.3)中的K取值各异，主要分为以下三种情况：

（1）当雨水花园底层设有防渗膜或填料外土壤的渗透系数K₂<<种植土渗透系数K₁(一般人工填料的渗透系数大于种植土的渗透系数)时，K₂起限制主导作用，此时下渗量较小可忽略不计，即S=0。

（2）当雨水花园底部有排水穿孔管或K₂>>K₁时，取K=K₁。

（3）当K₂ ₁时，取K=K₂。

4 蓄水量

当雨水花园中的径流量大于同时间的土壤渗透量时，必然在雨水花园形成蓄水。假定雨水花园中的植被高度均超出上部蓄水高度，则实际蓄水量如式（2.4）所示：

（2.4）

5 空隙储水量

（2.5）

式中n——种植土和填料层的平均空隙率，一般取0.3左右。

6 雨水花园面积的计算

结合上述公式可得雨水花园的面积如式（2.6）所示：

（2.6）

当S=0，亦即K=0时，式（2.7）可化为：

（2.7）

此方法主要针对一场雨的雨量来设计，其目的不仅是用来处理初期雨水，而是要在净化雨水的基础上削峰减量，最终实现无溢流外排现象。如果将处理后的水加以收集利用，也应采用此法进行计算。当然要注意：雨水花园主要是消纳较频繁事件的雨水径流，而非极端事件，所以一般根据当地降雨特性和雨水花园的削减目标选用一个合适的降雨量。

雨水花园是一种经济适用的生态滞留渗滤设施，主要用来处理小面积汇流的较频繁事件径流雨水，起到削减峰流量、减少径流和污染排放总量、保护下游建筑物和水体等作用，还具有易与景观结合的特点，可在住宅小区、停车场、公路周边和公园等场合广泛应用。

目前国外常用的三种方法都存在一定的局限性，如基于达西定律的渗滤法主要依据雨水花园自身的渗透能力和达西定律而设计，忽略了雨水花园构造空隙储水量的潜力和植物对蓄水层的影响；适用于砂质土壤的雨水花园。基于达西定律的渗滤法蓄水层有效容积法主要利用雨水花园蓄水层的有效容积滞留雨水，考虑了植物对蓄水层储水量的影响，但未考虑雨水花园的渗透能力和空隙储水能力；适用于雨水花园中粘土较多、场地不受限制的区域。比例估算法则由于精度差而主要用于粗略计算和有丰富经验时采用。在使用时要分析雨水花园的结构特点、功能侧重、设计标准和所在地的土质特性等因素选择使用。

我国多数城市区域径流水质较差，在设计和建造雨水花园时应优先采用具有净化功能的人工填料作为雨水花园渗滤层，以达到兼顾滞留与净化两种功能的目的，建议采用完全水量平衡法进行设计。

三设计降雨量及径流水质

1 降雨量

降雨量赢根据当地气象资料，选取至少近10年降雨量资料确定。对于西安地区，其暴雨强度可按下式计算：

（3.1）

从公式推出，下（2）中予以解释，其中A、b、n为一定重现期下暴雨强度公式中的参数, r为综合雨峰位置系数，是根据每场降雨不同历时峰值时刻与整个历时的比值而加权平均确定的, r 位于0~1之间。

式中 q——降雨强度，L/(s·hm²)；

P——重现期，a；

t——降雨历时，min

降雨量可按下式计算得到：

（3.2）

式中 H——单场降雨量，mm/m²；

对于一般城市道路雨水设计重现期宜采用2a~5a，特别重要道路、短期积水严重道路可结合当地历年降雨量酌情增加。

表3.1 西安不同降雨强度下的1小时降雨量

重现期P	降雨历时	暴雨强度q	暴雨强度i	1h降雨量H
(a)	t(min)	L/(s·hm²)	(mm/min)	(mm)
2	60	66.338	0.398	23.882
3	60	76.418	0.459	27.511
5	60	89.118	0.535	32.083
10	60	106.351	0.638	38.286
20	60	123.584	0.742	44.490

（1）对于西安地区可采用芝加哥雨型进行设计，其具体降雨量分布如下式：

当0≤t≤t_a时：（3.3）

当t_b≤t≤T时：（3.4）

式中：

A、b、n——暴雨雨强计算公式中地方参数，A=16.715（1+1.1658lgP），b=16.813，n=0.9302；

r——雨峰系数，降雨开始至暴雨洪峰形成的时间与总降雨历时的比例，一般在0.3~0.5之间，常取0.5；

i_a——峰前雨强，mm/min；

i_b——峰后雨强，mm/min；

t_a——峰前降雨历时，min；

t_b——峰后降雨历时，min；

t ——总降雨历时min。

表3.2 西安不同降雨强度下的1小时降时程分布 mm

重现期/a	2	3	5	10	20
步长/min	2	3	5	10	20
5	0.689	0.793	0.925	1.104	1.283
10	0.909	1.047	1.221	1.458	1.694
15	1.274	1.468	1.712	2.043	2.374
20	1.951	2.248	2.621	3.128	3.635
25	3.460	3.985	4.648	5.546	6.445
30	8.177	9.420	10.986	13.110	15.234
35	3.460	3.985	4.648	5.546	6.445
40	1.951	2.248	2.621	3.128	3.635
45	1.274	1.468	1.712	2.043	2.374
50	0.909	1.047	1.221	1.458	1.694
55	0.689	0.793	0.925	1.104	1.283
60	0.544	0.627	0.731	0.872	1.014
降雨量	25.287	29.129	33.970	40.539	47.108

说明：表3.1与表3.2数据略有出入，系不同公式计算误差引起，两只皆可用于流量计算。

（2）CHIM

芝加哥法雨型与复合雨型相当，均为一定重现期下不同历时最大雨强复合而成。雨型的确定同样基于特定重现期下的IDF关系曲线.芝加哥法雨型确定包括综合雨峰位置系数确定及芝加哥降雨过程线模型确定，具体流程如下：

a.将各降雨历时的逐年最大降雨过程样本，以5min为间隔进行分段，统计降雨过程的雨峰位置系数r_i=t_i/T_i （其中r_i为雨峰位置系数，t_i为降雨峰值时刻， T_i为降雨历时。)

b.先将历时相同的逐年最大降雨样本的雨峰位置系数进行算术平均，再将各历时的雨峰位置系数按照各历时的长度进行加权平均，求出综合雨峰位置系数r。

c.根据综合雨峰位置系数r，设计暴雨重现期（P）、设计降雨历时（t），代入根据暴雨强度公式导出的芝加哥法雨型公式，计算出雨峰前后瞬时降雨强度及各个时段内的平均降雨强度，最终确定出对应一定重现期及降雨历时的芝加哥法雨型。

芝加哥法雨型以统计的暴雨强度公式为基础设计典型降雨过程。通过引入雨峰位置系数 r来描述暴雨峰值发生的时刻，将降雨历时时间序列分为峰前和峰后两个部分。

令峰前的瞬时强度为i（t_b），相应的历时为t_b，峰后的瞬时强度为i（t_a）, 相应历时为ta。取一定重现期下暴雨强度公式为，雨峰前后瞬时降雨强度可由下式计算：

（3.5）

（3.6）

在求出综合雨峰位置系数 r 之后, 可利用公式(2)、(3)计算芝加哥合成暴雨过程线各时段(以5min计)的累积降雨量及各时段的平均降雨量, 进而得到每个时段内的平均降雨强度, 最终确定出对应一定重现期及降雨历时的芝加哥法雨型。

国内外大量统计资料表明，暴雨过程的雨峰位置多半在降雨总历时的前三分之一左右暴雨强度过程的形态，是先小、继大，最后又小的过程。上海市城市建设设计研究总院和同济大学在2006年对上海市短历时雨型曾做过研究，采用1985~2004年共20年连续降雨资料，统计得到120min设计雨型雨峰位置系数为0.399。

表3.3 国内外雨峰位置系数r统计结果

地区	r	地区	r
芝加哥地区	0.375	北京	0.355
前苏联远东地区	0.35	上海	0.399
前苏联乌克兰地区	0.20	合肥	0.414
日本九州地区	0.50	锦州、长春、牡丹江	0.3~0.4
我国各大分区	0.3~0.4	武汉、开封	0.3~0.4