海绵城市下凹式绿地水文性能及溶质运移研究
这是一篇关于海绵城市,雨洪管理,水文水质,下凹式绿地,新型组合结构的论文, 主要内容为贵阳市贵安新区在2017年根据国务院提出的海绵城市建设意见实施了海绵城市示范区,并建设了一系列优化雨洪管理的LID(低影响开发)设施。随着工业化和城镇化的快速发展,城市面临严重洪涝积水、水生态快速恶化、水环境加剧污染等一系列问题。常规性的LID设施无法满足城市的雨洪管理需求,需要创新性地建设一些高性能和强适应的LID设施。因此,本文以贵安新区月亮湖湿地公园建设项目为工程背景,基于西南区域自然坡度较陡,地表汇水集中,低渗透土壤等水文地质难题,通过采用理论分析、数值模拟、现场检测和室内试验相结合的方式,设计具有地域性和创新性的下凹式绿地,以解决湿地公园雨水径流大,径流污染严重等问题。研究的主要内容有:(1)综合分析研究区域下垫面设施径流汇水规律和污染物运移特征,基于下垫面设施的水文调控理论和溶质运移机理,提出新型下凹式绿地组合结构的径流调控试验和模型计算指标。(2)基于研究区域暴雨强度公式,设计试验降雨径流量。通过考察研究区域红黏土地质情况,分析红黏土渗透特征及材料性质。基于贵安新区海绵城市监测系统平台,选取当地具有代表性浓度的污染物进行设计参考。(3)提出“溢流口+砾石排水层”组合的新型下凹式绿地结构,并开展设计暴雨条件下新型结构的蓄排水性能模型试验。运用地表径流消减率、溢流口截流率、雨水保持率、峰值延迟率、污染物去除率等调控指标,探讨新型结构的水文性能及污染物去除能力。(4)基于二维Richards和van Genuchten-Mualem水流控制方程,通过Hydrus-2D程序探究不同雨强条件下各设计参数(溢流口高度、砾石排水层深度、红黏土厚度、人工填料层厚度、汇流面积比)对下凹式绿地水文响应的影响。利用极差(R)和权重对各设计参数进行归一化分析,确定影响新型组合结构最显著的设计参数,基于这些参数以此给降雨集中且雨水径流量大(坡地)的低渗透土壤地区提供实际的设计参数支持和参考。。(5)利用HYDRUS-2D非平衡(动力)吸附模型,采用二维对流-弥散方程模拟污染物的运移情况。基于室内试验的有限条件,研究不同水力负荷、不同基质填料对新型下凹式绿地污染物去除效果的影响。确定下凹式绿地污染物去除效果的最佳配置。
基于灰绿协同措施的城市水循环系统案例研究
这是一篇关于灰绿协同,循环系统,海绵城市,山地城市,SWMM的论文, 主要内容为为了响应生态文明建设,贯彻人与自然和谐共生的基本方略,我国生活污水处理厂的出水水质标准日益严格,水厂的出水水质要求从一级B提升至一级A,甚至部分地区提出出水水质要达到地表III类水。这样严格的要求,虽然充分体现尊重、保护自然的理念,却忽视了自然生态系统的服务功能和高标准下的产生的经济问题。近年来城市内涝频发,全国海绵城市建设如火如荼,然而当前却缺少同时考虑这两种问题的研究。本研究提出充分利用生态系统,以灰绿结合为手段,改变对灰色系统的过度依赖,将水环境污染问题与雨洪管理问题统筹考虑,以山地城市湖北省十堰市为研究平台,进行灰绿协同措施应对暴雨和水质的效果研究,并从经济的角度论证灰绿协同方案的可行性。以暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)为主,以地理信息系统(Geographic Information System,GIS)为辅,构建了十堰市的现状SWMM模型,并解析了山地城市径流规律:山地的河道两岸通常是地势相对平缓地区,建筑密集,地表不透水性高,且地势低,容易形成径流。管道溢流情况:山地的坡度大,管道的设计坡度大,流速快,相对平原地区,不易发生溢流。水质变化规律:季风性气候使雨水分配不均,且山地蓄水难,水质随季节性波动大,雨季水质较好,旱季时污水占河水比例高,水质受排污标准的影响较大。为了将灰绿协同措施融入现有的SWMM模型,选取了四种常见的措施(生态河、污水回用、低影响开发设施和污水处理厂排放标准)展开研究。模拟了四种措施在晴天和降雨条件下,对监测断面水质的影响和对地表径流、河水洪峰、污染物峰值的影响。结果表明四种措施发挥作用的途径不同,效果与流域相关。最后为了证实灰绿协同方案的经济优越性,利用十堰市的建设资料,统计归纳四种灰绿协同措施的建设和运行成本,以监测断面水质为约束,比较不同建设方案的成本。结果表明,以流域为划分依据,运用灰绿协同的方案,与现状相比,在二十年的运行时间内,可以节约17亿资金,并足以用于建设低影响开发设施控制雨水径流。本研究采用的灰绿协同方案建设城市水循环系统,可以推广到海绵城市的建设评估系统,也可以为从业人员在建模初期提供方法指引,研究结果可以为灰绿协同建设海绵城市可行性提供理论依据和模型支持。
适用于海绵城市的虹吸雨水断接消能设施CFD模拟及优化设计
这是一篇关于海绵城市,虹吸雨水系统,雨水断接,雨水消能,CFD的论文, 主要内容为随着城市化进程的加快,对建筑的容量及造型提出新的要求,公共建筑领域尤其是其建筑屋面的设计及建设存在着向“大面积、大跨度”或者是“异型、柔性”等非常规方向发展的趋势,因此屋面虹吸雨水排水技术在近20年来得到了广泛的应用。但目前虹吸系统的设计存在两方面的问题:首先是排水安全性不足,现有虹吸排水更多强调排水管道部分的设计,忽略了虹吸排水系统中的高峰值流量对出水井的冲击问题,导致出水井内间歇泉事件频繁发生,不仅阻碍了屋面雨水的排放,而且造成重大安全问题;其次,随着“海绵城市”在我国的全面推进,要求更多雨水能够在原位下渗、滞留、蓄存及净化,对建筑雨水排放提出了更高的需求,使得屋面雨水由原有的接入室外管网的模式改为雨水立管断接后排入地表生态类海绵设施的模式。但对于虹吸雨水排水系统而言,若直接采用雨水立管断接,其大流量及高流速会对断接下游的海绵设施造成严重冲刷,破坏海绵设施的结构及生态。针对在海绵城市建设背景下,如何构建更安全的断接消能设施进而实现虹吸雨水的安全断接排放这一关键技术问题,构建了三维计算流体力学CFD模型,对虹吸排水消能设施的流场进行解析,提出适用于海绵城市的虹吸排水消能结构设计。主要研究内容如下:①构建了消能设施三维计算流体力学模型。进行了适用于消能设施结构特征的网格划分,构建了适用于断接消能设施设计的三维流体力学模型,界定了与实际运行工况一致的水气掺混两相流的流速、流量、压力、水气比等边界条件。②解析了排水安全及海绵城市建设对于虹吸雨水排放的限制性条件并进行了量化。由于雨水需排放至地表,应为半地下式或地上式;由于地表空间尺寸有限,容量应尽量减小;其出流流速控制条件考虑海绵设施入流条件,建议上限制为1.5 m/s;考虑间歇大流量或超设计工况的下的井内壅水问题,设置流量快速排放结构,以防止间歇泉事件发生。③开展了预实验,对未设消能设施下雨水自由出流对下游设施的冲刷效应及消能设施的主体结构模式进行了预判。结果表明:未设消能设施的虹吸雨水排放系统对下游的冲刷距离大于3 m,且其冲刷流速在3 m之后下降不明显,相对管内流速仅有小幅度下降,说明自由出流下冲刷效应显著;通过横、纵两种入流方式预实验,发现纵向入流模式在流速增大后其消能效果下降且出流流态较差,而横向入流模式在流速增大后消能效果上升且出流流态稳定。④对虹吸消能设施进行了初步设计,并通过CFD数值实验对其结构形式及参数进行了优化,最终建立了消能效果较为理想的结构设计,消能率达50%以上。基于预实验结果及限制性条件,完成了以井内水循环腔室为主要结构的多出口消能设施的初步设计。基于初步设计,强化改造外腔室进水构件,改善出口出流条件;与无内循环腔室设施相比,流速削减能力提高约50%。基于改造设计,对出口位置、出口大小、井体高度、通气口启/闭及尺寸等多参数进行了优化,确定了两种消能效果较好的结构设计。⑤对较优方案的工程适用性进行了验证。在常规设计流量下,基于仿真模拟数据对两种优化方案的出口流量及出流流速进行经验公式推导,并对经验公式的预测结果进行准确性校核。在极端超设计流量下,对20 m水头的入口压力进行10 s出流模拟,结果表明,本设施在该情况中能有效削减入流能量,其消能率达90%以上,且能实现极端条件的流量快速排放,避免井内间歇泉的产生。本文得出的三维流体力学模型构建方法、边界条件界定方法、断接消能设施设计结构参数及断接消能设施出水流速与流量计算方法等,可为建筑屋面虹吸雨水安全断接排放设施的设计提供技术支撑和方向指引。
适用于海绵城市的虹吸雨水断接消能设施CFD模拟及优化设计
这是一篇关于海绵城市,虹吸雨水系统,雨水断接,雨水消能,CFD的论文, 主要内容为随着城市化进程的加快,对建筑的容量及造型提出新的要求,公共建筑领域尤其是其建筑屋面的设计及建设存在着向“大面积、大跨度”或者是“异型、柔性”等非常规方向发展的趋势,因此屋面虹吸雨水排水技术在近20年来得到了广泛的应用。但目前虹吸系统的设计存在两方面的问题:首先是排水安全性不足,现有虹吸排水更多强调排水管道部分的设计,忽略了虹吸排水系统中的高峰值流量对出水井的冲击问题,导致出水井内间歇泉事件频繁发生,不仅阻碍了屋面雨水的排放,而且造成重大安全问题;其次,随着“海绵城市”在我国的全面推进,要求更多雨水能够在原位下渗、滞留、蓄存及净化,对建筑雨水排放提出了更高的需求,使得屋面雨水由原有的接入室外管网的模式改为雨水立管断接后排入地表生态类海绵设施的模式。但对于虹吸雨水排水系统而言,若直接采用雨水立管断接,其大流量及高流速会对断接下游的海绵设施造成严重冲刷,破坏海绵设施的结构及生态。针对在海绵城市建设背景下,如何构建更安全的断接消能设施进而实现虹吸雨水的安全断接排放这一关键技术问题,构建了三维计算流体力学CFD模型,对虹吸排水消能设施的流场进行解析,提出适用于海绵城市的虹吸排水消能结构设计。主要研究内容如下:①构建了消能设施三维计算流体力学模型。进行了适用于消能设施结构特征的网格划分,构建了适用于断接消能设施设计的三维流体力学模型,界定了与实际运行工况一致的水气掺混两相流的流速、流量、压力、水气比等边界条件。②解析了排水安全及海绵城市建设对于虹吸雨水排放的限制性条件并进行了量化。由于雨水需排放至地表,应为半地下式或地上式;由于地表空间尺寸有限,容量应尽量减小;其出流流速控制条件考虑海绵设施入流条件,建议上限制为1.5 m/s;考虑间歇大流量或超设计工况的下的井内壅水问题,设置流量快速排放结构,以防止间歇泉事件发生。③开展了预实验,对未设消能设施下雨水自由出流对下游设施的冲刷效应及消能设施的主体结构模式进行了预判。结果表明:未设消能设施的虹吸雨水排放系统对下游的冲刷距离大于3 m,且其冲刷流速在3 m之后下降不明显,相对管内流速仅有小幅度下降,说明自由出流下冲刷效应显著;通过横、纵两种入流方式预实验,发现纵向入流模式在流速增大后其消能效果下降且出流流态较差,而横向入流模式在流速增大后消能效果上升且出流流态稳定。④对虹吸消能设施进行了初步设计,并通过CFD数值实验对其结构形式及参数进行了优化,最终建立了消能效果较为理想的结构设计,消能率达50%以上。基于预实验结果及限制性条件,完成了以井内水循环腔室为主要结构的多出口消能设施的初步设计。基于初步设计,强化改造外腔室进水构件,改善出口出流条件;与无内循环腔室设施相比,流速削减能力提高约50%。基于改造设计,对出口位置、出口大小、井体高度、通气口启/闭及尺寸等多参数进行了优化,确定了两种消能效果较好的结构设计。⑤对较优方案的工程适用性进行了验证。在常规设计流量下,基于仿真模拟数据对两种优化方案的出口流量及出流流速进行经验公式推导,并对经验公式的预测结果进行准确性校核。在极端超设计流量下,对20 m水头的入口压力进行10 s出流模拟,结果表明,本设施在该情况中能有效削减入流能量,其消能率达90%以上,且能实现极端条件的流量快速排放,避免井内间歇泉的产生。本文得出的三维流体力学模型构建方法、边界条件界定方法、断接消能设施设计结构参数及断接消能设施出水流速与流量计算方法等,可为建筑屋面虹吸雨水安全断接排放设施的设计提供技术支撑和方向指引。
基于灰绿协同措施的城市水循环系统案例研究
这是一篇关于灰绿协同,循环系统,海绵城市,山地城市,SWMM的论文, 主要内容为为了响应生态文明建设,贯彻人与自然和谐共生的基本方略,我国生活污水处理厂的出水水质标准日益严格,水厂的出水水质要求从一级B提升至一级A,甚至部分地区提出出水水质要达到地表III类水。这样严格的要求,虽然充分体现尊重、保护自然的理念,却忽视了自然生态系统的服务功能和高标准下的产生的经济问题。近年来城市内涝频发,全国海绵城市建设如火如荼,然而当前却缺少同时考虑这两种问题的研究。本研究提出充分利用生态系统,以灰绿结合为手段,改变对灰色系统的过度依赖,将水环境污染问题与雨洪管理问题统筹考虑,以山地城市湖北省十堰市为研究平台,进行灰绿协同措施应对暴雨和水质的效果研究,并从经济的角度论证灰绿协同方案的可行性。以暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)为主,以地理信息系统(Geographic Information System,GIS)为辅,构建了十堰市的现状SWMM模型,并解析了山地城市径流规律:山地的河道两岸通常是地势相对平缓地区,建筑密集,地表不透水性高,且地势低,容易形成径流。管道溢流情况:山地的坡度大,管道的设计坡度大,流速快,相对平原地区,不易发生溢流。水质变化规律:季风性气候使雨水分配不均,且山地蓄水难,水质随季节性波动大,雨季水质较好,旱季时污水占河水比例高,水质受排污标准的影响较大。为了将灰绿协同措施融入现有的SWMM模型,选取了四种常见的措施(生态河、污水回用、低影响开发设施和污水处理厂排放标准)展开研究。模拟了四种措施在晴天和降雨条件下,对监测断面水质的影响和对地表径流、河水洪峰、污染物峰值的影响。结果表明四种措施发挥作用的途径不同,效果与流域相关。最后为了证实灰绿协同方案的经济优越性,利用十堰市的建设资料,统计归纳四种灰绿协同措施的建设和运行成本,以监测断面水质为约束,比较不同建设方案的成本。结果表明,以流域为划分依据,运用灰绿协同的方案,与现状相比,在二十年的运行时间内,可以节约17亿资金,并足以用于建设低影响开发设施控制雨水径流。本研究采用的灰绿协同方案建设城市水循环系统,可以推广到海绵城市的建设评估系统,也可以为从业人员在建模初期提供方法指引,研究结果可以为灰绿协同建设海绵城市可行性提供理论依据和模型支持。
地下空间建设对低影响开发设施效益的影响模拟分析及策略研究——以昆山市海创大厦为例
这是一篇关于海绵城市,地下空间,低影响开发设施,模拟分析,优化策略的论文, 主要内容为为有效缓解严重城市内涝问题,海绵城市理念应时而生,国家及相关部门颁布的建设标准文件和技术指南奠定了其发展重要性,推进并实施了系列规划设计项目。然而,如今海绵城市实践中常常忽略了以集约立体化发展为目标的地下空间建设利用对其的影响,且少有研究对其影响关系展开验证分析。因此,本研究从海绵城市实践效益研究入手,结合相关文献资料,运用比较研究法、综合归纳法及模拟实验法等系列科学研究方法,在两者共同发展的情况下,验证并探讨地下空间建设对低影响开发设施效益具体影响关系、主要作用机理以及保证多效协同提升的优化策略,探寻兼顾生态环境效益提升与城市集约化发展间的平衡状态,以期为海绵城市与地下空间相关领域研究及规划设计提供理论参考和实践借鉴。本文以提出问题、方法构建、实例验证、策略提出的思维脉络展开如下研究:首先,阐析研究背景,梳理并总结国内外海绵城市建设、低影响开发设施效益评估及地下空间建设的相关研究,挖掘出当前海绵城市研究中缺乏以地下空间的视角开展思考探讨,以此界定研究对象范围,提出主要问题及目的意义。其次,结合既往海绵城市与地下空间领域的前人研究,探寻并选取了地下空间对低影响开发设施效益影响的作用机理及四种影响因素,并基于相关理论分析,运用德尔菲法对常规效益要素完成筛选设定。此后,比较探讨适宜本研究的效益测算方法及量化方式和模拟模型及原理,并设计不同情景的模拟实验方案及确定比较思路,以此完成地下空间建设对低影响开发设施效益影响关系的分析方法构建,为之后开展的实证研究奠定基础。再者,将建立的分析方法引入昆山市海创大厦的实践设计项目中,基于对基址降雨水文、地形地貌及布局结构等方面现实情况的分析,完成对场地区域的概化、SWMM模型的构建及模拟情景的设计。并运行模型,模拟研究区域内的降雨排水情况,开展不同降雨重现期(P=1a、P=2a、P=5a、P=10a、P=20a)的系列模拟实验。验证并发现了:地下空间大规模开发建设对低影响开发设施效益为负面影响,均随地下空间规模占比的增加而呈现下降趋势;下垫面类型的改变会影响低影响开发设施效益发生不同程度的变化,具体表现为草地与透水铺装的材质要远好于硬质铺装的结果;提升地下空间覆土层坡度会对低影响开发设施效益带来负面抑制作用,均随地下空间覆土层坡度的提升呈现下降的趋势;地下空间覆土厚度与低影响开发设施效益具有正相关关系,均随地下空间覆土厚度增加呈现提升趋势。但地下空间开发建设限制了顶板层的覆土厚度,抑制了LID设施达到更佳效果。此外,各情景均表现出当降雨重现期提升,雨水径流控制、污染物削减两者的整体变化程度随之减小,雨水资源利用层面相应加大的现象。最后,基于实验结论,综合梳理并归纳出案例的现实矛盾问题,并具有针对性的从空间布局、功能设计两方面提出空间优化策略,以及从LID设施改善与信息监测管理的层面提供效益提升措施,以期保证海绵城市与地下空间协同发展建设的同时,两者效益兼顾提升,缓解矛盾。
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