陳澤楠，王燦果

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

自2013年以來，中央開始注重海綿城市建設，在多個城市區(qū)域進行了海綿城市建設試點工作。現(xiàn)在各省市地區(qū)基本都已頒布各自的海綿城市建設導則，全面實施海綿城市建設方針。海南省三亞市公建項目應遵守當?shù)睾＞d城市建設的政策法規(guī)，進行海綿城市設計和施工驗收。

1 工程概述

中國人民大學附屬中學三亞學校（以下簡稱“人大附中三亞學?！保┮?guī)劃用地面積230742.93m2，總建筑面積為201540m2，其中一期建筑面積為153988m2。項目一期地上建筑包括教學樓（小學、初中、高中、中外合作辦學）、行政樓、教師培訓中心、宿舍樓、食堂、圖書館、體育館等，地下建筑為設備用房和停車庫等。場地原始地形起伏較大，存在大量低洼濕地，周邊高、中間低，高差約6m。二期為遠期發(fā)展預留。

2 項目前期條件

前期條件包括項目規(guī)劃條件、市政條件、開發(fā)前地形地貌地質(zhì)條件、氣候條件等內(nèi)容。以下簡單描述規(guī)劃條件及市政條件內(nèi)容。

根據(jù)《三亞市海綿城市建設總體規(guī)劃2015—2020》，該項目符合市政規(guī)劃條件。該地塊在海棠灣林旺片區(qū)，屬于LJT-2區(qū)域，要求采用的年徑流總量控制率為75%，SS去除率為50%。根據(jù)海棠灣B1地塊控制性詳細規(guī)劃，待項目投入使用時，周邊有完善的市政污水管網(wǎng)和雨水管網(wǎng)，可以滿足該項目排水需求。

3 設計目標

依據(jù)《三亞市海綿城市建設總體規(guī)劃》有關(guān)要求，項目的主要設計目標如下：（1）年徑流總量控制率75%（對應設計降雨量42.5mm）。（2）3年一遇1h設計暴雨時，高峰徑流不大于開發(fā)前建設水平。（3）水質(zhì)處理宜使用低影響設施生態(tài)方式，滿足雨水回收利用和排放要求，有特殊要求的按相關(guān)規(guī)定處理。年SS總量去除率不小于50%。（4）引導性指標為綠色屋頂率10%，下沉式綠地率70%，透水鋪裝率60%。

4 設計雨型

4.1 設計降雨量與年徑流總量控制率對應關(guān)系

通過對三亞市1985—2014年近30年的降雨數(shù)據(jù)分析，在去除≤2mm的降雨事件的降雨量后，計算出三亞市年徑流總量控制率對應的設計降雨量，對應關(guān)系如圖1所示。

圖1 三亞市年徑流總量控制率對應設計降雨量曲線

4.2 流量控制計算

雨水設計徑流總量計算公式：

式中：V為雨水設計徑流總量，m3；φ為雨量徑流系數(shù)；H為設計降雨量，mm；F為匯水面積，hm2。

4.3 典型重現(xiàn)期設計雨型

不同重現(xiàn)期短歷時雨型可根據(jù)芝加哥雨型與暴雨強度公式進行設計。

峰前：

峰后：

式中：ib為峰前降雨強度，mm/min；ia為峰后降雨強度，mm/min；r為雨峰系數(shù)；tb為峰前降雨歷時，min；ta為峰后降雨歷時；a、b、c為常數(shù)。

4.4 三亞地區(qū)設計重現(xiàn)期的設計雨型

根據(jù)三亞地區(qū)的暴雨強度公式，采用芝加哥雨型生成短歷時降雨過程線作為模型設計降雨資料，如圖2所示，降雨重現(xiàn)期選擇3年，降雨歷時選擇1h，雨峰系數(shù)選擇0.4，降雨時間間隔選擇1min。

圖2 芝加哥降雨過程曲線圖

式中：q為設計暴雨強度，L/（s·hm2）；P為降雨重現(xiàn)期，本項目選擇3年進行模擬；t為降雨歷時，本項目選擇1h。

5 總體方案設計

經(jīng)計算，該項目雨量徑流系數(shù)φ=0.44；設計徑流控制量V=10×0.44×230742.93×42.5÷10000=4314.89m3。

建筑小區(qū)排水分區(qū)的劃分主要以雨水管網(wǎng)系統(tǒng)和地形坡度為基礎，根據(jù)該項目所在片區(qū)雨水管線布置情況、場地豎向高程、場地內(nèi)部建設情況等進行排水分區(qū)劃分，不透水表面產(chǎn)生的雨水應結(jié)合場地豎向，優(yōu)先引入綠地進行滯流和下滲，減少雨水徑流量與污染物。根據(jù)場地下墊面情況和豎向條件，將該項目劃分為186個匯水分區(qū)、2個排水分區(qū)。

6 方案比選

方案一：蓄水模塊+透水鋪裝+生態(tài)停車場+雨水花園+生態(tài)樹池+下凹式綠地。優(yōu)點是海綿設施源頭分散式布置，就地消納自身及周邊雨水，經(jīng)濟效益較好，整體造價相對較低，采取雨水資源化利用；但成型的規(guī)劃方案缺乏景觀水體。

方案二：蓄水模塊+透水鋪裝+生態(tài)停車場。優(yōu)點是采取雨水回收系統(tǒng)，實現(xiàn)雨水資源化利用。未采用生態(tài)設施，僅通過地表水入滲不足以達到海綿城市的要求，且大量布置透水路面，限制了車行道的使用功能。由于要承受機動車、消防車等荷載，對透水鋪裝的工藝要求較高，投資較大。

方案三：蓄水模塊。采取雨水回收系統(tǒng)，實現(xiàn)雨水資源化利用；但使用蓄水模塊，前期投資大，后期維護成本及要求都較高。

綜合考慮經(jīng)濟成本、景觀效果等，比次推薦方案一。

7 低影響設施布局說明

將項目中部分停車位設計為生態(tài)停車場，增加雨水滲透。既可以滿足停車功能，又可以發(fā)揮生態(tài)綠化的作用。在人行道、停車場、廣場等輕荷載及景觀效果要求不高的路面設計透水路面，有效促進雨水入滲，凈化雨水徑流，延緩徑流流速。項目微地形較多，在地勢較低的地方設置深度150mm的下凹式綠地和深度300mm的雨水花園，增加對雨水的調(diào)蓄量。在建筑周邊宅旁綠地上設置部分下凹式綠地，在場地中心景觀組團處設置雨水花園、生態(tài)樹池等復雜性生物滯留設施。

8 年徑流總量控制率計算

將每個排水分區(qū)產(chǎn)生的徑流容積，設為此排水分區(qū)設施的最小設計調(diào)蓄容積，可以計算出每個排水分區(qū)、不同類型低開發(fā)設施的最小面積。對透水鋪裝等僅以原位下滲為主、頂部無蓄水空間的滲透設施，其基層及墊層空隙雖有一定的蓄水空間，但其蓄水能力受面層或基層滲透性能的影響很大，因此透水鋪裝可通過參與綜合雨量徑流系數(shù)計算的方式確定其設施規(guī)模。對于雨水花園、下凹式綠地等頂部或結(jié)構(gòu)內(nèi)部有蓄水空間的滲透設施，設施的凈空調(diào)蓄容積計算公式：

式中：As為設施面積，m2；H為設施的凈空高度，m。下沉綠地取0.15，雨水花園設施取0.3～0.5；考慮地表之上具有植被的蓄水區(qū)域分數(shù)，取0.1，即凈空調(diào)蓄容積中植物體積占10%。結(jié)合景觀要求及每個匯水分區(qū)內(nèi)調(diào)蓄容積需求建設低影響設施，各LID設施體量統(tǒng)計如表1所示。

表1 LID設施體量統(tǒng)計 單位：m2

9 溢流口（井）過流能力校核

溢流口（井）是生物滯留設施的重要組成部分，將雨洪通過溢流井轉(zhuǎn)輸?shù)绞姓潘到y(tǒng)，確保生物滯留設施正常運行。溢流口（井）宜布置在進水區(qū)附近，以防止高速水流進入池體。溢流口（井）設計流量和校核流量的計算分別取重現(xiàn)期為3年和30年降雨，降雨歷時取10min。

根據(jù)溢流口參照圖集平篦式單篦雨水口，單個溢流口尺寸為750mm×450mm，排水能力為20L/s。

根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》（GB 50014—2016）雨量設計計算公式得出溢流口流量：

式中：Q為溢流口流量，L/s；Ψ為綜合流量徑流系數(shù)；F為面積，hm2；q為暴雨設計強度，L/s·hm2；a為安全系數(shù)1.5～3.0，該項目取1.5。

該方案選用單個溢流口（750mm×450mm）排水能力為20L/s的單篦雨水口，溢流管管徑為DN200，足以滿足項目重現(xiàn)期30年一遇的溢流要求。

10 達標校核

此次運用EPA-SWMM對項目在開發(fā)建設期前、傳統(tǒng)開發(fā)建設（規(guī)劃設計）、低影響開發(fā)建設狀態(tài)下徑流變化規(guī)律進行了模擬，從而進一步分析、校核低影響設施的設置對于場地徑流控制與徑流峰值控制的影響，建模步驟及結(jié)果如下：

（1）排水區(qū)域概化。依據(jù)項目的室外排水管網(wǎng)圖以及匯水分區(qū)，并綜合考慮屋面、綠地、室外硬質(zhì)路面等下墊面的徑流特征的不同，將研究區(qū)域概化為1585個子區(qū)域、274個節(jié)點、272個管段、17種土地利用類型與2個排放口。

（2）參數(shù)設置。①蒸發(fā)量參數(shù)。模型中蒸發(fā)量的設定方式包括恒定值（外部輸入蒸發(fā)量數(shù)值）、通過時間序列計算日蒸發(fā)量和外部輸入的降雨數(shù)據(jù)中的溫度計算蒸發(fā)量。文章選用外部直接輸入恒定值的方式，按區(qū)域的月平均蒸發(fā)數(shù)據(jù)設定。②子匯水區(qū)參數(shù)。每個子匯水區(qū)都需要輸入的參數(shù)如下：子匯水區(qū)面積、匯水寬度、不透水率、坡度、透水區(qū)域和不透水區(qū)域匯流的曼寧系數(shù)、透水地表和不透水地表的洼地蓄水量、無洼蓄不透水面積率以及透水地表的入滲模型。入滲模型采用Horton滲透模型，主要參數(shù)包括最大入滲量、最小入滲量、衰減常數(shù)和排干時間。其參數(shù)來源于項目的設計資料，其他參數(shù)借鑒SWMM用戶手冊。不滲透性N值參考曼寧n值—地表漫流，按照地表類型取值0.013；滲透性N值參考曼寧n值—地表漫流，按照地表類型取值0.15。不滲透性洼地蓄水1.27mm，滲透性洼地蓄水5mm。產(chǎn)流計算過程采用Horton入滲模型，土壤為回填土砂壤土，滲透系數(shù)取經(jīng)驗值3.3～51mm/hr；其他參數(shù)：衰減系數(shù)取4/h，排干時間2d。③水力參數(shù)。區(qū)域內(nèi)的雨水管渠采用雙壁波紋管，曼寧系數(shù)0.013。④LID參數(shù)。模型的低影響開發(fā)設施參數(shù)基于實際設計規(guī)格和手冊資料典型值而確定。設施的尺寸大小及各層的厚度按照實際設計規(guī)格取值，其余參數(shù)根據(jù)典型值而定。

（3）徑流特征變化分析。依據(jù)以上建立的模型，對該項目在不同降雨重現(xiàn)期與不同開發(fā)建設狀態(tài)下的徑流特征變化進行了分析計算，結(jié)果如下：通過計算可知，低影響設施的控制降雨量為滲入雨量、地表蓄水雨量以及蓄水雨量之和，即6.832+41.643+5.417（蓄水池調(diào)蓄量）=53.892mm，低影響設施的設置使得場地內(nèi)3年一遇1h降雨條件下的徑流峰值流量相比原建設（低影響開發(fā)前）削減了70.89%，同時低影響開發(fā)后場地的徑流峰值流量值也低于場地開發(fā)建設前的狀態(tài)，因而低影響設施的設置有效降低了場地徑流量與徑流峰值流量，如圖3和表2～表4所示。

11 徑流污染控制

該項目計入年SS總量去除率的設施有透水鋪裝、生態(tài)停車位、雨水花園、綠色屋頂，其中透水鋪裝對SS的去除率為85%、生態(tài)停車位對SS的去除率為85%、雨水花園對SS的去除率為75%、綠色屋頂對SS的去除率為80%。具體計算公式：年SS總量去除率=AVERAGE（低影響開發(fā)設施對SS的平均去除率×排水分區(qū)年徑流總量控制率）。

排水分區(qū)的年徑流總量控制率依據(jù)每個排水分區(qū)的實際調(diào)蓄量，參照三亞市年徑流總量控制率曲線反算，計算得SS=53.23%。

12 結(jié)束語

圖3 開發(fā)前-常規(guī)開發(fā)-低影響開發(fā)工況系統(tǒng)出流流量曲線對比圖

表2 雨水控制平衡表

表3 出流流量對比分析

表4 模擬效果徑流峰值對比分析

《建筑給水排水設計標準》（GB 50015—2019）中明確小區(qū)排水要求遵循源頭減排的原則，對雨水徑流采取控制和利用措施，減少雨水管網(wǎng)和雨水口的設置。目前由于不同項目的海綿設計在設計指引、施工驗收、后期維護等方面存在差異，設計施工和最終運行效果可能存在較大差距。因此，現(xiàn)階段項目的雨水管網(wǎng)仍需預留出超出徑流控制的雨水量的排水量。