建筑與小區(qū)海綿城市設(shè)計研究

王家良, 龔克娜, 楊艷梅, 邱 壯, 付韻潮

(四川省建筑設(shè)計研究院, 四川成都 610093)

建筑與小區(qū)海綿城市設(shè)計包括低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)設(shè)計，以及場地、建筑、小區(qū)道路、小區(qū)綠地、低影響開發(fā)設(shè)施等相關(guān)配套設(shè)計[1]。在建筑與小區(qū)海綿城市設(shè)計中，如何快速地制定因地制宜、經(jīng)濟(jì)高效、基于源頭減排的低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)方案，是需要研究的課題。

在建筑方案設(shè)計階段，建筑、景觀、給排水和道路等專業(yè)應(yīng)協(xié)同設(shè)計，統(tǒng)籌考慮建設(shè)用地的地形地貌、原始水文特征、生態(tài)敏感性和市政條件等內(nèi)容，最大限度地保護(hù)建設(shè)用地及周邊的原有生態(tài)系統(tǒng)，盡量維持建設(shè)用地開發(fā)前的自然水文特征，落實海綿城市規(guī)劃建設(shè)指標(biāo)，因地制宜地制定海綿城市低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)方案[2]。本文以崇州市某新建住宅小區(qū)為例，基于源頭減排措施，借助模型軟件系統(tǒng)地分析了建設(shè)用地下墊面的地形特點和原始自然水文特征，結(jié)合建筑方案和景觀方案，劃分匯水分區(qū)，確定雨水徑流路徑，快速地制定了因地制宜的低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)方案，達(dá)到了盡量維持建設(shè)用地開發(fā)前自然水文特征的目的。另一方面，為合理控制低影響開發(fā)設(shè)施(以下稱LID設(shè)施)的規(guī)模，提高LID設(shè)施的經(jīng)濟(jì)性和適宜性，進(jìn)行了手工計算法和模型軟件模擬分析法對比性研究，并對LID設(shè)施精細(xì)化設(shè)計方法和實施效果進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，使低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的。

1 工程概況

1.1 項目介紹

崇州市某新建住宅小區(qū)項目(以下稱崇州項目)位于崇州市崇陽鎮(zhèn)，緊鄰永康東路與江源南路交匯處東南側(cè)，距崇州市3 km，區(qū)域成熟，地塊位置優(yōu)越。項目由13棟一類高層住宅、7棟多層商業(yè)及1層地下車庫組成。小區(qū)規(guī)劃建設(shè)凈用地面積68 553 m2，其中建筑基底總面積15 202 m2，綠地面積25 039 m2，道路鋪裝面積27 141 m2，水景面積1 170 m2；項目總?cè)莘e率3.0，綠地率30.2 %，項目定位為海綿型中高端住宅小區(qū)，建筑方案見圖1。

圖1 項目建筑方案效果

1.2 地質(zhì)、氣象和市政資料

崇州市屬于成都郊區(qū)的衛(wèi)星城市，地處四川盆地向川西高原過渡的半山半壩地區(qū)，建設(shè)場地地貌單元屬成都岷江水系一級階地，地勢平坦，工程地質(zhì)優(yōu)良，海綿城市建設(shè)條件良好。場地覆蓋層主要為雜填土、粉質(zhì)粘土、粉土及細(xì)砂，土層平均滲透系數(shù)約為3.1×10-4m/s。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水豐水期、枯水期年變化幅度為1.50～2.50 m，適合雨水下滲。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，崇州市屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，多年年平均降水量947 mm。豐水期為6～9月，其降水量占全年降水量74 %，枯水期1～3月，其余為平水期，適合雨水收集回用。

建設(shè)用地周邊給水、雨水、污水等市政配套設(shè)施比較完善，但建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，項目建成后宜盡量維持開發(fā)前的水文特征和雨水徑流路徑。

1.3 海綿城市規(guī)劃建設(shè)指標(biāo)

崇州項目位于崇州市崇陽新城海綿城市建設(shè)管控分區(qū)內(nèi)，用地性質(zhì)為一類居住用地，屬新建項目。按上位規(guī)劃的要求，項目建成后年徑流總量控制率應(yīng)達(dá)到85 %，對應(yīng)的設(shè)計降雨量為41.8 mm，雨水資源化利用率應(yīng)達(dá)到5 %。

2 海綿城市低影響開發(fā)設(shè)計流程和設(shè)計方法

2.1 建筑與小區(qū)低影響開發(fā)設(shè)計流程

參照DBJ 51/T084-2017《四川省低影響開發(fā)雨水控制與利用工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(下稱四川省地方標(biāo)準(zhǔn))，建筑與小區(qū)低影響開發(fā)設(shè)計流程可按圖2[1]進(jìn)行。對于新建住宅小區(qū)，應(yīng)首先對現(xiàn)狀下墊面和建筑方案進(jìn)行解析；再結(jié)合建設(shè)條件對上位規(guī)劃指標(biāo)進(jìn)行分解，并進(jìn)行LID設(shè)施選擇、LID設(shè)施計算、LID設(shè)施組合與布置；最后進(jìn)行指標(biāo)復(fù)核和效果評估。對于建筑與小區(qū)項目，需要進(jìn)行多次迭代計算，方能形成因地制宜、經(jīng)濟(jì)高效的海綿城市建設(shè)方案，設(shè)計過程比較繁瑣。

2.2 建筑與小區(qū)低影響開發(fā)設(shè)計方法

崇州項目強(qiáng)化了對下墊面原始水文特征的研究和運用，增加了手工計算法與軟件模擬分析對比性研究，取得了較好的效果。海綿城市設(shè)計中，按圖2設(shè)計流程，經(jīng)技術(shù)比選后制定了圖3所示的技術(shù)路線。具體設(shè)計方法包括：(1)在下墊面地形地貌、原始水文特征、生態(tài)敏感性、匯水分區(qū)劃分和雨水徑流組織等方面，借助了軟件模擬分析，并加以梳理和運用，快速地制定了因地制宜的低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)方案；(2)在LID設(shè)施規(guī)模計算和經(jīng)濟(jì)性比較方面，采用了手工計算與軟件模擬對比分析的方法，合理控制LID設(shè)施規(guī)模， 使LID設(shè)施和組合系統(tǒng)達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的。

圖2 建筑與小區(qū)低影響開發(fā)設(shè)計流程

圖3 建筑與小區(qū)海綿城市設(shè)計技術(shù)路線

3 下墊面水文特征分析

3.1 下墊面條件初步評估

崇州項目開發(fā)前現(xiàn)場踏勘情況，見圖4。其下墊面類型主要為建筑屋面、硬質(zhì)鋪裝、綠化和水體等，雨量徑流系數(shù)[3]參照GB 50400-2016《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》(下稱國家標(biāo)準(zhǔn))取值，經(jīng)加權(quán)平均計算，開發(fā)前綜合徑流系數(shù)為0.56，見表1。

圖4 崇州市目建設(shè)用地現(xiàn)狀

表1 下墊面雨量徑流系數(shù)分析

由圖4和表1初步判斷：(1)崇州項目建設(shè)用地地勢平坦，需外排的地面雨水徑流可就近匯入周邊市政道路雨水系統(tǒng)；(2)建設(shè)用地周邊無較大湖泊、河流、濕地等水生態(tài)敏感區(qū)；(3)盡量維持建設(shè)用地開發(fā)前水文特征后，由場地周邊引起的內(nèi)澇風(fēng)險不高。

3.2 下墊面水文特征分析

盡量維持場地開發(fā)前后的水文特征是海綿城市低影響開發(fā)設(shè)計的核心。崇州項目下墊面原始水文特征分析流程為：(1)研究建設(shè)場地的地形地貌和原始地表漫流水文特征；(2)梳理和提煉出原始地表徑流的主要出路和市政雨水管網(wǎng)接納方向；(3)結(jié)合建筑方案、景觀方案和地形地貌，合理劃分匯水分區(qū)；(4)參照原始徑流出路，進(jìn)行豎向設(shè)計，合理組織項目的雨水徑流路徑；(5)按上位規(guī)劃要求，分解落實海綿城市建設(shè)指標(biāo)；(6)進(jìn)行LID設(shè)施選擇、計算、組合和布置；(5)低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)效果評估。

售電量=有效電量系數(shù)×（1－廠用電率）×（1－輸變電損失率）×發(fā)電量=0.95×（1－0.2%）×（1－2%）=0.93×發(fā)電量

崇州項目采用ArcGis軟件對下墊面地形地貌和自然水文特征進(jìn)行分析，見圖5。由分析結(jié)果可知：(1)下墊面分析結(jié)果和圖4所示現(xiàn)狀基本吻合，場地平均高程524.890 m，最大高差4.22 m；(2)由于地勢平坦，下墊面徑流路徑分散，需對原始自然雨水徑流路徑進(jìn)行梳理和提煉，盡量減少新建項目對建設(shè)用地周邊的自然水文特征和市政雨水管渠流量分配的影響。

圖5 下墊面地形地貌和自然水文特征分析

3.3 下墊面水文特征的梳理和運用

按前述下墊面水文特征分析流程，崇州項目根據(jù)場地的豎向條件和自然水文特征，結(jié)合建筑方案和景觀方案劃分，共分為13個雨水匯水分區(qū)。場地內(nèi)雨水管渠盡量按原始雨水徑流方向布置，并對接上位規(guī)劃建設(shè)指標(biāo)，進(jìn)行指標(biāo)分解、LID設(shè)施計算、LID設(shè)施組合與布置。崇州項目原始徑流路徑梳理和匯水分區(qū)見圖6，LID設(shè)施布局和徑流路徑組織見圖7。

圖6 建設(shè)用地原始徑流路徑梳理和匯水分區(qū)劃分

圖7 建設(shè)用地LID設(shè)施布置和徑流路徑組織方案

3.4 效果評估分析

崇州項目海綿城市建設(shè)的年徑流總量控制率指標(biāo)校核，見表2。

表2 年徑流總量控制率指標(biāo)校核

若按兩年一遇重現(xiàn)期的設(shè)計降雨量，對崇州項目開發(fā)前后的場地出流量和徑流量進(jìn)行研究，模擬分析成果見表3。通過模擬分析可知：(1)由于開發(fā)后下墊面硬化面積有所增加，場地自然水文特征已發(fā)生變化；(2)開發(fā)后徑流峰值和徑流系數(shù)分別達(dá)到開發(fā)前的3.6倍和3.3倍，徑流峰值時間提前出現(xiàn)。崇州項目未設(shè)置LID設(shè)施時，其2年一遇場地出流量過程見圖8。

表3 建設(shè)場地徑流模擬分析成果

圖8 設(shè)置LID設(shè)施前場地2年一遇場地出流量過程線

基于對下墊面原始水文特征的分析，落實上位規(guī)劃建設(shè)指標(biāo)，布置LID設(shè)施后，崇州項目2年一遇場地出流量過程見圖9?？梢姡ㄔO(shè)場地的徑流峰值已小于開發(fā)前的狀態(tài)，徑流峰值出現(xiàn)的時間明顯滯后，有效緩解了場地內(nèi)澇風(fēng)險。由此可見，充分解析和運用開發(fā)前建設(shè)用地的自然水文特征，可快速制定因地制宜、經(jīng)濟(jì)高效低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)設(shè)計方案。

圖9 設(shè)置LID設(shè)施后場地2年一遇場地出流量過程線

3.5 相關(guān)問題探討

3.5.1 下墊面原始水文特征分析的必要性

對于新建建筑與小區(qū)，參照四川省地方標(biāo)準(zhǔn)[1]要求，當(dāng)建設(shè)用地總面積大于或等于5 ha時，應(yīng)制定海綿城市建設(shè)整體設(shè)計專項方案；并按圖2設(shè)計流程，對現(xiàn)狀下墊面原始水文特征和建筑方案進(jìn)行解析，為海綿城市各專業(yè)協(xié)同設(shè)計提供依據(jù)。對于建設(shè)用地面積較小的項目，可不制定專項方案，但需按圖2設(shè)計流程，對地形地貌和建筑方案進(jìn)行解析。

對于老舊小區(qū)改造項目，下墊面原始水文特征分析應(yīng)以問題為導(dǎo)向，將地面漫流二維模型和既有雨水管渠一維水力模型進(jìn)行耦合分析，識別內(nèi)澇風(fēng)險和管網(wǎng)現(xiàn)狀。

3.5.2 數(shù)字模型軟件的選擇和應(yīng)用條件

崇州項目采用了ArcGis軟件，進(jìn)行地形地貌、水文特征和生態(tài)敏感性等分析。對于雨水排水系統(tǒng)，采用的數(shù)學(xué)模型一般有降雨模型、產(chǎn)流模型、匯流模型、管網(wǎng)水動力模型等一系列模型組成，涵蓋了排水系統(tǒng)的多個環(huán)節(jié)。建設(shè)用地尺度較大時，還應(yīng)考慮同一降雨事件中降雨強(qiáng)度在不同時間和空間的分布情況[4]。模擬分析時，常用軟件包括SWMM、Infoworks系列、Mike系列等國外軟件和國內(nèi)模型分析軟件，應(yīng)按軟件的功能和適用范圍進(jìn)行選擇，并注意基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和參數(shù)的率定等方面。

比如，建筑與小區(qū)海綿城市方案設(shè)計階段，下墊面自然水文特征分析和易淹區(qū)風(fēng)險識別，可采用二維地表漫流水文模擬軟件，從宏觀上分析出可能的積水區(qū)域，再進(jìn)行精細(xì)化研究。對于大型老舊小區(qū)的海綿城市提升設(shè)計，則應(yīng)進(jìn)行采用一維、二維耦合模型，將一維管道徑流與二維地面漫流耦合嵌套，模擬內(nèi)澇積水情形的動態(tài)演進(jìn)，包括積水范圍、積水深度和匯流路徑，用于內(nèi)澇風(fēng)險評估和管道現(xiàn)狀的調(diào)查。

3.5.3 LID設(shè)施的其他影響因素

本文著重討論建設(shè)用地下墊面地形地貌和水文特征與低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的關(guān)系。LID設(shè)施選擇和精細(xì)化設(shè)計還應(yīng)與設(shè)施類型、建設(shè)條件、地質(zhì)資料、降雨特征等因素有關(guān)，需要統(tǒng)籌考慮。

4 LID設(shè)施規(guī)模精細(xì)化設(shè)計

4.1 計算方法

建筑與小區(qū)海綿城市設(shè)計中，LID設(shè)施規(guī)模計算主要有兩種方法：容積法手工計算(下稱手算法)和數(shù)學(xué)模型軟件模擬分析法(下稱模型法)。以崇州項目為例，其年徑流總量控制率目標(biāo)為85 %，采用的低影響措施主要包括：雨水花園、下沉式綠地、透水鋪裝和雨水調(diào)蓄等，詳見表2。該項目項共劃分為13個匯水分區(qū)，在LID設(shè)施規(guī)模計算過程中分別采用了手算法和模型法，模型法采用了某水力模型軟件，并與手算法結(jié)果進(jìn)行了對比性分析。

手算法基于單場降雨的計算，模型法基于典型年全年降雨動態(tài)分析計算，兩者計算結(jié)果必然會存在差異。為了對比兩種方法的差異，崇州項目模型法分析的LID參數(shù)與手算法保持一致。

4.2 LID設(shè)施規(guī)模設(shè)計計算

崇州項目設(shè)有雨水回用系統(tǒng)，用途包括道路澆灑、綠化灌溉等，日用水量為72.9 m3/d。以S8匯水分區(qū)為例，采用手算法計算時，場地雨水通過管網(wǎng)直接進(jìn)入雨水調(diào)蓄池，該分區(qū)滿足74 %的年徑流總量控制率，需要70 m3調(diào)蓄池容積；若按國家標(biāo)準(zhǔn)[3]，用水時間按2.5 d計算蓄容積，則需要182.3 m3。采用模型法模擬時，基于下雨天不用水、不下雨天用水的條件下，要達(dá)到同樣的控制率，實際調(diào)蓄池容積需要160 m3?？梢姡捎檬炙惴ǖ玫降腖ID設(shè)施規(guī)模，可能偏小，也可能偏大。崇州項目雨水調(diào)蓄池全年水位動態(tài)變化過程，見圖10。

圖10 雨水調(diào)蓄池全年水位動態(tài)變化過程

兩種方法計算過程分析：(1)手算法是基于調(diào)蓄池容積能否接納單場降雨的目標(biāo)雨水量，而從全年來看，每日的用水量和降雨量都處于動態(tài)變化，可能出現(xiàn)蓄水池水還未用完，又來一次降雨，調(diào)蓄池此時的剩余容積并未達(dá)到設(shè)計控制雨水的能力；(2)模型法是基于全年降雨過程數(shù)據(jù)的動態(tài)分析，全面考慮了諸如蒸發(fā)量、設(shè)施孔隙率以及不同降雨強(qiáng)度下徑流系數(shù)的動態(tài)變化等因素，更能動態(tài)、精細(xì)化分析出調(diào)蓄池所需容積，是一種更精細(xì)化設(shè)計方法。

4.3 計算結(jié)果分析

從崇州項目整體來看，通過模型法得到的LID設(shè)施規(guī)模遠(yuǎn)小于手算法得到的規(guī)模，經(jīng)濟(jì)性更佳；而手算法考慮因素比較單一，計算結(jié)果可能偏大也可能偏小，有條件地區(qū)應(yīng)鼓勵采用。當(dāng)然，模型法對于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較高，還應(yīng)考慮使用條件和參數(shù)率定等問題。

兩種方法結(jié)果對比：相同條件下，下沉式綠地模型法得到的面積比手算法減少約45 %，雨水花園面積減少約50 %；不考慮其他因素，也可認(rèn)為下沉式綠地經(jīng)濟(jì)性提高了45 %，雨水花園經(jīng)濟(jì)性提高了50 %。下沉式綠地手算法與模型法計算結(jié)果對比分析，見圖11。雨水花園手算法與模型法計算結(jié)果對比分析，見圖12。

圖11 下沉式綠地手算法與模型發(fā)計算結(jié)果對比分析

圖12 雨水花園手算法與模型法計算結(jié)果對比分析

5 結(jié)論

(1)建筑與小區(qū)海綿城市設(shè)計，需從盡量維持場地開發(fā)前后的建設(shè)場地水文特征的理念出發(fā)，在建筑方案階段加強(qiáng)對下墊面的地形地貌和原始自然水文特征研究，并加以梳理和運用，可快速地制定因地制宜、經(jīng)濟(jì)高效的低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)方案。

(2)下墊面的地形地貌和原始自然水文特征研究的分析，LID設(shè)施規(guī)模的精細(xì)化設(shè)計，均需要模型軟件支撐，進(jìn)行定量分析；但同時應(yīng)考慮模型軟件的適宜性、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和設(shè)計參數(shù)的率定等問題。

(3)對于老舊小區(qū)改造項目、有高內(nèi)澇風(fēng)險項目，應(yīng)根據(jù)需求進(jìn)行二維模型，或者一維和二維耦合模型耦合進(jìn)行分析，為建筑方案、景觀方案、海綿城市協(xié)同設(shè)計，提供科學(xué)依據(jù)。