楊華展

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 概述

我國存在水資源相對短缺且分布非常不均勻的問題，全國約有2/3的城市缺水，其中有很大一部分屬于嚴(yán)重缺水。為解決水資源相對不足和城市澇害的問題，相關(guān)專家提出了建設(shè)海綿城市的概念，此舉既能有效利用雨水資源，也能加大城市防汛能力、保護(hù)城市生態(tài)的同時(shí)促進(jìn)城市合理發(fā)展?！昂＞d城市”指的是將城鎮(zhèn)建設(shè)成如同一塊海綿，擁有良好的“彈性”以應(yīng)對越來越多變的城鎮(zhèn)環(huán)境與洪澇災(zāi)患，其基本核心是水系統(tǒng)[1]，包括在城市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化下，降雨與徑流、雨水污染與雨水利用之間復(fù)雜的非線性關(guān)系。目前主要是通過城市規(guī)劃層面進(jìn)行引導(dǎo)的同時(shí)加強(qiáng)后期的建設(shè)和管理，充分發(fā)揮小區(qū)屋面、路面以及綠化和水體等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的收納和調(diào)蓄，以有效降低小區(qū)雨水徑流，達(dá)到積蓄、滲透、凈化的城市合理成長方式[2]。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，對不同的設(shè)施進(jìn)行科學(xué)的組合，采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等海綿措施，將住宅小區(qū)建設(shè)帶來的對城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的影響降至最低?！昂＞d城市”理念是一種環(huán)保生態(tài)的建設(shè)理念，是對自然和諧理念的深入貫徹，能夠支持城市的建設(shè)與生態(tài)的保護(hù)相協(xié)調(diào)[3]。

本文選取浙江省杭州市某一住宅小區(qū)作為研究分析對象，通過對雨量綜合徑流系數(shù)、海綿城市指標(biāo)和雨水調(diào)蓄容積布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用SWMM匯流模型模擬的方法，分析城鎮(zhèn)住宅小區(qū)建設(shè)過程中對原地塊徑流過程的影響，模擬研究透水路面、雨水花園、雨水滲透井、滲透管渠及其組合模式對雨水徑流削減的作用，以期為新建小區(qū)海綿城市設(shè)計(jì)提供新的思路和方法。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目基本情況

選取杭州市某一設(shè)計(jì)過程的住宅小區(qū)作為研究對象，其總占地面積約為6.92 hm2，各下墊面的面積匯總?cè)绫?所示。

表1 各下墊面的面積匯總表

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)及取值

根據(jù)初步設(shè)計(jì)批復(fù)的要求：年徑流總量控制率不小于75%，綜合流量徑流系數(shù)不大于0.6。

根據(jù)浙江省氣象中心1981年—2015年日雨量統(tǒng)計(jì)資料，將多年日降雨量值按大小分類(忽略2 mm以下降雨)，依照年徑流總量控制率統(tǒng)計(jì)確定杭州市的設(shè)計(jì)降雨量，見表2。

表2 杭州市年徑流總量控制率對應(yīng)日降雨量表

查得杭州市年徑流總量控制率75%所對應(yīng)的日降雨量為21.3 mm。

各下墊面的雨量徑流系數(shù)規(guī)范值及計(jì)算取值詳見表3。

表3 各下墊面雨量徑流系數(shù)表

3 海綿城市優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 雨量綜合徑流系數(shù)優(yōu)化

采用加權(quán)平均法對小區(qū)紅線范圍內(nèi)各場地下墊面的徑流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到綜合雨量徑流系數(shù)為0.58。從雨量徑流系數(shù)的計(jì)算結(jié)果看，原地塊雨量徑流系數(shù)剛好能滿足初步設(shè)計(jì)批復(fù)的“不大于0.60”的要求，但數(shù)值比較接近，容錯(cuò)能力比較弱。經(jīng)與相關(guān)專業(yè)人員協(xié)調(diào)優(yōu)化后，考慮對“花崗巖”鋪地進(jìn)行結(jié)構(gòu)性改造，既能滿足景觀效果，又能滿足路面雨水下滲的要求。所謂的“改性構(gòu)造鋪裝”，就是鋪裝的表面依然采用不透水的花崗巖的做法，通過設(shè)在鋪裝邊上的集水溝收集花崗巖路面的雨水。集水溝內(nèi)設(shè)置滲管，收集到的路面雨水可以通過滲管下滲至基層，從而達(dá)到“透水鋪裝”的功能。通過該結(jié)構(gòu)性改造后，鋪裝路面既能滿足原路面的“剛性”需求，又符合海綿城市設(shè)計(jì)的“柔性”要求。

花崗石路面經(jīng)過結(jié)構(gòu)性改造后，各下墊面的面積匯總見表4。

表4 各下墊面的面積匯總表(花崗巖路面經(jīng)結(jié)構(gòu)性改造后)

經(jīng)結(jié)構(gòu)性改造后綜合徑流系數(shù)減小為0.55，有效的控制并降低了綜合徑流系數(shù)，為后續(xù)的海綿城市設(shè)計(jì)減輕了一定的壓力。

3.2 海綿城市指標(biāo)優(yōu)化

從表4可以看出，整個(gè)開發(fā)地塊除了建筑物、綠化和景觀水體外，就只剩路面及鋪裝。整個(gè)地塊的路面和鋪裝共有19 039 m2，其中3 654 m2為透水鋪裝，8 188 m2為車行道和消防車道，其他路面為7 197 m2。

本小區(qū)所有的道路路面加起來只有19 039 m2，就算全部做成透水鋪裝也只能剛好滿足初步設(shè)計(jì)批復(fù)要求的19 000 m2透水鋪裝。何況這19 039 m2面積包括了8 188 m2的消防車道及機(jī)動車道面積。根據(jù)消防相關(guān)要求，消防登高操作場地應(yīng)采用硬質(zhì)鋪裝面層，同時(shí)出于日常維護(hù)及路面結(jié)構(gòu)安全性考慮，消防車道及機(jī)動車道不建議采用透水鋪裝的做法。在余下的10 851 m2的鋪裝/非機(jī)動車道路面積內(nèi)，將所有的園間路都做成改性構(gòu)造鋪裝，最大程度地“軟化”鋪裝路面。

根據(jù)浙江省《民用建筑雨水控制與利用設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(下文簡稱《雨水控制與利用導(dǎo)則》)第6.1.2條：新建城區(qū)硬化地面中可滲透地面面積所占比例不應(yīng)低于40%[4]。因此所需要的“可滲透地面面積”為7 615.6 m2。另外整體優(yōu)化后綠化面積增加了8 964 m2，這部分可以補(bǔ)充到“可滲透地面面積”里面，因此最終“可滲透地面面積”為12 618 m2，遠(yuǎn)大于所需要的7 615.6 m2，滿足相關(guān)規(guī)范要求。增加的綠地相當(dāng)于“軟化”了下墊面(與透水鋪裝相對比)。對于整個(gè)地塊的雨量徑流系數(shù)來說，增加的綠地可以適度降低綜合雨量徑流系數(shù)，符合海綿城市“滲、滯、蓄、凈、用、排”的原則。

3.3 雨水調(diào)蓄容積優(yōu)化布置

根據(jù)浙江省《雨水控制與利用導(dǎo)則》第4.2.4條：規(guī)劃用地面積2萬m2以上的新建建筑工程項(xiàng)目，應(yīng)按每萬平方米建設(shè)用地不小于100 m3的標(biāo)準(zhǔn)，配套建設(shè)雨水調(diào)蓄設(shè)施。經(jīng)計(jì)算，本工程總共應(yīng)設(shè)置至少810 m3雨水調(diào)蓄容積。

但由于本小區(qū)條件受限，室內(nèi)地下車庫和室外場地都沒有足夠場地來設(shè)置有效容積810 m3的雨水調(diào)蓄池，參考相關(guān)文獻(xiàn)及類似工程經(jīng)驗(yàn)后擬采用在地下室頂板上部設(shè)置黏土陶粒的辦法來滿足儲水容積的要求，其做法參見圖1。

黏土陶粒在國外普遍應(yīng)用于建筑屋頂找坡、高檔住宅的樓面、保溫隔熱層等，日本還將陶粒做成蓄水型排水系統(tǒng)應(yīng)用于地下室頂板的綠化位置[5]。由于陶粒一方面具備適度的機(jī)械強(qiáng)度，另一方面透氣和持肥能力較好，其基質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于大自然中的泥土，因此其替代建筑小區(qū)地下室頂板上方的種植土是合適的。同時(shí)陶粒堆積在一起形成許多空隙，構(gòu)成很好的海綿城市蓄水層。

本小區(qū)地下室面積約為62 611 m2，扣除建筑物落地面積、水景、檢查井(單個(gè)檢查井面積按1 m2計(jì)，共約800個(gè))面積等，可以用來設(shè)置陶粒的面積約為41 400 m2。此案中陶粒層厚度設(shè)置為0.1 m，孔隙率按照30%考慮，則地下室頂板上蓄水層的理論可蓄容積為1 242 m3，考慮0.85的折減系數(shù)，理論可蓄容積為1 055.7 m3，可以滿足整個(gè)地塊所需的810 m3雨水調(diào)蓄容積。

4 模型計(jì)算

4.1 水力模型的建立

由于小區(qū)建筑平面布置具有很大相似性，由多個(gè)單元并列復(fù)制而成，為此，截取兩棟建筑及其相應(yīng)的LID設(shè)施組成海綿城市評估單元，如圖2所示，若評估單元內(nèi)降雨徑流能達(dá)到控制要求，則小區(qū)整體的徑流控制即能滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)截取的小區(qū)評估單元，運(yùn)用InfoWorks ICM建立水力模型，水力模型平面圖如圖3所示。

截取的小區(qū)評估單元中，所采用的海綿城市源頭控制設(shè)施主要有滲透井、滲透管渠、底層陶粒蓄排水層等。根據(jù)海綿城市的主要技術(shù)措施，建立的設(shè)施模型如圖4所示。

4.2 計(jì)算方法及參數(shù)的確定

小區(qū)雨水系統(tǒng)水力模型中包含的計(jì)算模型主要有產(chǎn)流模型、匯流模型、管道水力計(jì)算模型和SUDS(LID)模塊，根據(jù)產(chǎn)匯流模型的特點(diǎn)，在InfoWorks ICM軟件中選擇如表5所示的產(chǎn)匯流計(jì)算模型組成小區(qū)雨水海綿設(shè)施效果評價(jià)的水力模型。

表5 選用產(chǎn)匯流模型主要參數(shù)

由于水力模型中，匯流模塊選用的是SWMM匯流模型，依據(jù)模型的要求以及小區(qū)內(nèi)用地性質(zhì)，將流域的匯流表面設(shè)置成3種，即不透水的平整表面(屋面)、不透水的坑洼表面(小區(qū)園路花崗巖鋪砌)和透水的坑洼表面(草地)。根據(jù)小區(qū)景觀設(shè)計(jì)圖，將評估單元內(nèi)三種用地性質(zhì)的匯水表面進(jìn)行建模，并設(shè)置模型參數(shù)如表6所示。

表6 模型匯流表面劃分及其參數(shù)設(shè)置

由于未能對參數(shù)進(jìn)行實(shí)地校核，模型中參數(shù)均參考文獻(xiàn)中前人研究的成果。對于路面和屋面，由于主要由不透水表面形成，采用固定徑流系數(shù)法，參數(shù)和方法均較為成熟。但作為滲透為主的海綿設(shè)施，綠地滲透系數(shù)的確定至關(guān)重要。本項(xiàng)目采用Horton下滲公式f=fc+(f0-fc)e-kt，下滲公式的參數(shù)根據(jù)衛(wèi)熹等撰寫的《上海市綠地土壤滲透性調(diào)查與改良》[6]中采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

4.3 海綿設(shè)施和參數(shù)設(shè)置

1)雨水滲透井。雨水滲透井是通過滲透井側(cè)面和底面滲透入土壤的(見圖5)，由于沒有實(shí)測數(shù)據(jù)，同時(shí)也考慮到滲透井周邊的滲透介質(zhì)處理，因此，入滲損失系數(shù)取1 800 mm/hr。為了增加滲透速率，通過在滲透井周邊增加促滲管等設(shè)施，等效于滲透井滲透基底面積的增加，因此，為簡化模型計(jì)算，模型中將促滲管用等效基底面積增加代替。

2)滲透管渠。此案中，另一個(gè)海綿措施主要采用的是滲透管渠(見圖6)。

滲透管和滲透渠通過周邊和底部向土體滲水，從而削減降雨徑流。考慮到滲透管渠周邊即為土壤，滲透性能較低，且底部由于易發(fā)生沉積堵塞，因此，基底滲流率取50 mm/hr，變坡滲流率取60 mm/hr。

4.4 模型結(jié)果

根據(jù)杭州市的海綿城市建設(shè)要求，年徑流總量控制率要達(dá)到75%，據(jù)此測算，本案中降雨徑流控制量日值是21.3 mm。

根據(jù)住建部《海綿城市建設(shè)指南》的規(guī)定，推薦年徑流總量控制率的計(jì)算采用降雨深度控制的日值方法計(jì)算，也即在降雨日內(nèi)每日控制21.3 mm降雨。為兼顧城市排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)(一般采用幾年一遇，降雨強(qiáng)度為32 mm/hr～45 mm/hr不等)同時(shí)提高評估難度，本案在模型計(jì)算中人為設(shè)計(jì)1 h降雨的均勻雨型作為評估降雨，考察現(xiàn)有海綿設(shè)施能否控制設(shè)計(jì)降雨量，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在無海綿設(shè)施的情況下，一場設(shè)計(jì)降雨中，單元出口管道峰值流量為0.009 1 m3/s，一場降雨中外排徑流總量為27.12 m3，在沒有海綿措施的前提下，單元等效徑流系數(shù)為0.58，較為符合實(shí)際的地塊平均徑流系數(shù)。

當(dāng)現(xiàn)有海綿設(shè)施添加后，同樣降雨下，評估單元雨水管道排放峰值流量僅為0.000 49 m3/s，外排徑流總量為0.9 m3，基本可以忽略，故現(xiàn)有海綿設(shè)施可以滿足每日控制21.3 mm降雨的要求，符合設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，為了評估在非均勻大雨作用下，現(xiàn)有海綿設(shè)施的性能，本案選擇了1 a一遇、3 h、降雨量56.5 mm和2 a一遇、3 h、降雨量69.7 mm兩場大雨，并采用芝加哥設(shè)計(jì)雨型進(jìn)行評估，考察在大雨作用下，海綿設(shè)施的主要性能。圖8是海綿設(shè)施在1 a一遇降雨作用下的徑流過程線，其出流結(jié)果如表7所示。

表7 1 a一遇計(jì)算結(jié)果

由圖8,表7可知，在1 a一遇降雨作用下，海綿設(shè)施存在的小區(qū)與非海綿設(shè)施的小區(qū)(傳統(tǒng)建設(shè)模式)下，峰值徑流削減了48.9%，外排徑流總量削減74.3%(不考慮車庫頂層的蓄排水層的排放)，在一次降雨中，評估單元的海綿措施所截留、滯蓄的水量相當(dāng)于控制了一場41.9 mm的降雨，取得了很好的生態(tài)效果。

圖9是海綿設(shè)施在2 a一遇降雨作用下的徑流過程線，其出流結(jié)果如表8所示。

表8 2 a一遇計(jì)算結(jié)果

由圖9，表8可知，在2 a一遇降雨作用下，海綿設(shè)施存在的小區(qū)與非海綿設(shè)施的小區(qū)(傳統(tǒng)建設(shè)模式)下，峰值徑流削減有所下降，削減率為30.2%，外排徑流總量同樣得到了下降，削減率下降至65.7%(不考慮車庫頂層的蓄排水層的排放)，這主要是因?yàn)闈B濾設(shè)施的滲透速率有限，雖然大雨作用下，排水系統(tǒng)水位抬升會導(dǎo)致滲濾的加快，但該影響較小，滲濾所截留的雨水水量增加較為有限，所以，在降雨增大時(shí)，徑流總量和峰值流量削減率均有不同程度降低。但由于截留總量仍有所提升，在一次降雨中，評估單元的海綿措施所截留、滯蓄的水量相當(dāng)于控制了一場45.8 mm的降雨，比1 a一遇略有升高。兩場大雨的計(jì)算表明，現(xiàn)有海綿措施能起到預(yù)期設(shè)定的雨水徑流削減要求，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)論

1)經(jīng)結(jié)構(gòu)性改造后綜合徑流系數(shù)由0.58減小為0.55，有效的控制并降低了綜合徑流系數(shù)。

2)出于結(jié)構(gòu)安全性考慮，機(jī)動車道(含消防車道)不做任何透水做法處理。對于所有的人行園路，采用結(jié)構(gòu)性改造,最大程度地“軟化”鋪裝路面[7]。

3)通過在地下室頂板上設(shè)置100 mm厚陶粒蓄水層，可以滿足75%年徑流總量控制率對應(yīng)的雨水控制要求。

4)通過建立模型，證明現(xiàn)有海綿措施能起到預(yù)期設(shè)定的雨水徑流削減要求，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。