海綿城市理念下的老舊建筑小區(qū)改造效果評(píng)估研究

董 慶 王常才 陳小龍

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 合肥 230051）

0.引言

根據(jù)習(xí)近平總書記關(guān)于“加強(qiáng)海綿城市建設(shè)”的講話精神，以及《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2015〕75號(hào)）等國家法規(guī)政策要求，大力推進(jìn)“海綿城市”建設(shè)。近年來，部分一、二線城市在經(jīng)受短時(shí)強(qiáng)降雨或持續(xù)較強(qiáng)降雨過程中，多次出現(xiàn)大面積積水與內(nèi)澇現(xiàn)象，某一線城市在春季的兩天內(nèi)全市平均降雨量達(dá)到137 毫米，部分區(qū)域最大累計(jì)降雨量甚至達(dá)到326 毫米，持續(xù)的強(qiáng)降雨造成城市下穿橋、市政低洼區(qū)等多個(gè)區(qū)域大面積積水與內(nèi)澇進(jìn)一步誘發(fā)城市交通擁堵，影響了市民的正常生產(chǎn)、生活，導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，甚至人員傷亡。當(dāng)今城市所面臨的積水與內(nèi)澇現(xiàn)象，不僅僅是與全球氣候變化有關(guān)，也與多年來城市的擴(kuò)張，地表大面積硬化，忽視自然水文狀態(tài)，城市防排水設(shè)計(jì)理念、管理水平與設(shè)施落后等因素有密切的關(guān)系。在城市現(xiàn)有的條件下，通過海綿城市建設(shè)，避免或緩解內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生，保證城市在雨季的正常社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，當(dāng)前海綿城市試點(diǎn)建設(shè)工作正在穩(wěn)步推進(jìn)中。通過低影響開發(fā)建設(shè)和改造理念，為城市徑流和污染控制探索一條新的解決途徑[1-2]。

海綿城市建設(shè)，重點(diǎn)是通過低影響開發(fā)理念，實(shí)現(xiàn)雨水源頭控制。海綿城市基本的雨水控制單元是城市地塊，對(duì)于地塊徑流控制工程，宜優(yōu)先進(jìn)行新建地塊和道路的設(shè)施規(guī)劃建設(shè)。對(duì)于存在大量現(xiàn)狀建成項(xiàng)目的老城區(qū)而言，由于種種客觀原因限制而無法順利進(jìn)行改造，需結(jié)合實(shí)施難度和排水區(qū)域統(tǒng)一安排。優(yōu)先對(duì)老城區(qū)范圍內(nèi)的公園、廣場和現(xiàn)狀綠地進(jìn)行改造；其次，對(duì)政府大院、醫(yī)院、學(xué)校等公共單位的庭院、屋頂、綠地進(jìn)行改造；再次，對(duì)能夠進(jìn)行改建的住宅小區(qū)和城市道路進(jìn)行改造。住宅小區(qū)是最小的改造地塊和控制單元，其建設(shè)和改造效果對(duì)老城區(qū)海綿城市改造，提升老城區(qū)雨水控制和利用能力，消除暴雨積水具有示范意義。

1.改造方案

現(xiàn)以某城區(qū)已建成小區(qū)為例，依據(jù)其現(xiàn)狀探討利用海綿改造方法及成效。該小區(qū)面積約12.5ha，其中建筑物面積4.2ha，綠地面積3.5 ha，道路面積4ha，廣場面積0.8ha，地表高程范圍為44.5-47.5m。近年來，該小區(qū)幾乎年年被淹，局部低洼地帶積水深度超過0.5m，給小區(qū)居民造成較大經(jīng)濟(jì)損失，急需海綿改造。

小區(qū)實(shí)施的改造措施主要有：安裝雨水桶收集屋面雨水、改造現(xiàn)有綠地為下凹綠地、改造休閑廣場為雨水花園、管道清淤等?？紤]到小區(qū)建成年代較早，人口車輛密集，為不影響居民正常生活，不對(duì)道路進(jìn)行破壞性改造。擬小區(qū)改造4 個(gè)措施。（1）雨水桶，104 個(gè)雨水桶總調(diào)蓄52m3；（2）下凹綠地，下凹綠地平均深度250mm，共改造下凹綠地1ha，調(diào)蓄容積 2500m3；（3）雨水花園，雨水花園蓄水深度0.8m，暴雨前可排干，面積0.3ha，調(diào)蓄容積 2400m3；（4）管道清淤與改造，對(duì)老舊管道進(jìn)行清淤，跟換破裂、坍塌等問題管道。改造后，該小區(qū)總調(diào)蓄容積達(dá)4952m3，在不考慮外來水量的情況下，控制降雨量達(dá)到39.6mm，則此區(qū)域年徑流總量控制率為百分之八十八，已經(jīng)超過了城市海綿試點(diǎn)建設(shè)年徑流總量控制率百分之七十五的目標(biāo)值。

2.模型構(gòu)建

傳統(tǒng)的排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)理念采用的是推理公式法，其核心是建立在恒定均勻流的基礎(chǔ)上，這與現(xiàn)實(shí)排水情況有很大的差別，而且推理公式主要考慮洪峰流量問題，對(duì)排水系統(tǒng)的超載水量、地面積水過程以及區(qū)域管網(wǎng)配合影響缺乏分析，并且，隨著工程技術(shù)的發(fā)展，管渠直徑不斷放加大，排管設(shè)備功率在逐步增加，這就使得排水系統(tǒng)的負(fù)荷在逐步遞增[3]。種種現(xiàn)象表明，傳統(tǒng)的推理公式法對(duì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)人員科學(xué)、合理的制定排水系統(tǒng)方案已經(jīng)缺乏指導(dǎo)意義，這就迫切的需要找到更加符合實(shí)際的排水系統(tǒng)分析模型。美國SWMM（storm water management model） 模型在一維城市排水管網(wǎng)建模應(yīng)用中有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，在城市暴雨管理中得到了廣泛的應(yīng)用。但該模型主要關(guān)注一維過程，缺乏從二維角度模擬分析地面的淹沒過程和通過管道的回水過程。

DigitalWater Simulation 主要針對(duì)排水管網(wǎng)一維、二維動(dòng)態(tài)耦合模擬計(jì)算，其特點(diǎn)是支持自動(dòng)生成多類型降雨過程線，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)多情景建模方案對(duì)比，對(duì)城市排水防澇規(guī)劃編制起到指導(dǎo)作用。DS 模型在GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)排水設(shè)施和模擬結(jié)果進(jìn)行全方位、多維度、多角度、多視圖的可視化分析和展示，彌補(bǔ)了SWMM 在地圖顯示和結(jié)果表達(dá)方面的不足，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地表積水過程的模擬計(jì)算。

收集整理排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，其中管線100 條，檢查井101 個(gè)；收集整理地表土地利用數(shù)據(jù)，主要土地利用類型為建筑物、道路及公園綠地；劃分匯水分區(qū)，將研究區(qū)劃分為96 個(gè)子匯水區(qū)；利用DigitalWater 構(gòu)建一維地表匯流與管網(wǎng)輸送水力模型。匯水區(qū)面積、管線長度、不透水比例等通過GIS 技術(shù)獲取，模型中下滲、洼蓄、地表糙率等參數(shù)參考SWMM 手冊(cè)和相關(guān)文獻(xiàn)確定，LID 設(shè)施參數(shù)按設(shè)計(jì)參數(shù)取值，在此不再贅述[4-7]。根據(jù)地形數(shù)據(jù)（DEM），結(jié)合建筑物、綠地、道路等土地利用數(shù)據(jù)構(gòu)建二維地表模型，網(wǎng)格大小為3m×3m，構(gòu)建一維管網(wǎng)與地表二維耦合模型。

住建部《城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃編制大綱》（建城[2013]98號(hào)）新修訂《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50014-2006（2014年版）[8]中關(guān)于城市內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)的要求，確定該區(qū)域內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。使用暴雨強(qiáng)度公式生成設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為20年，降雨歷時(shí)2 小時(shí)，總降雨量為84mm 的降雨過程曲線，作為模型計(jì)算輸入的降雨條件，二十年一遇2小時(shí)降雨量從0min 至120min，每隔20 分鐘采集一次降雨強(qiáng)度分別為 0mm/h、50mm/h、300mm/h、70mm/h、50mm/h、20mm/h、0mm/h?；谏鲜瞿Ｐ洼斎霔l件，進(jìn)行改造前現(xiàn)狀模擬和改造后效果模擬。

3.模擬評(píng)估

改造前模擬結(jié)果顯示，由于降雨強(qiáng)度大、管道淤積、缺乏調(diào)蓄、管網(wǎng)排水能力不足等原因，小區(qū)排水管網(wǎng)出現(xiàn)多處溢流，造成大范圍內(nèi)澇。在20年一遇降雨條件下，最大內(nèi)澇水量為2702.6m3，內(nèi)澇水深＞0.15m的范圍為 4788m2，內(nèi)澇水深＞0.3m 的范圍為 2079m2，內(nèi)澇水深＞0.5m 的范圍為549m2，最大淹沒深度為0.7m，淹沒范圍和深度與實(shí)際歷史記錄較為相符。當(dāng)積水深度大于0.3m 時(shí)就會(huì)影響車輛行駛，影響居民正常生活，需要重點(diǎn)關(guān)注。

在相同降雨條件下，海綿設(shè)計(jì)改造后，基本能消除小區(qū)內(nèi)澇。改造后小區(qū)最大內(nèi)澇水量為278.3m3，淹沒水深不超過0.15m，最大淹沒深度僅為0.11m，不形成內(nèi)澇，對(duì)居民正常生活和財(cái)產(chǎn)安全不構(gòu)成威脅，基本無風(fēng)險(xiǎn)。改造前后模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)詳見表1。

表1 模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Results of the projects

由表1 可知：小區(qū)海綿改造后，相對(duì)于改造前內(nèi)澇水量消減了89.7%，＞0.15m 的淹沒范圍減少了100%，最大淹沒水深0.1m 左右。改造方案起到了很好的雨水控制作用，基本消除了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。

4.總結(jié)

經(jīng)過合理的海綿設(shè)計(jì)改造后，妥善的改變了建筑小區(qū)原有的大范圍內(nèi)澇現(xiàn)象。海綿設(shè)計(jì)改造可以通過合理布置雨水桶來收集屋面雨水；利用小區(qū)綠地下沉式設(shè)計(jì)，有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的調(diào)蓄、下滲、凈化；建筑小區(qū)公共廣場等區(qū)域結(jié)合景觀噴泉水池等設(shè)施，綜合處理集中雨水的調(diào)蓄、凈化和利用。人行道采用透水鋪裝，道路綠化帶建設(shè)為生物滯留帶，可有效消納和凈化路面雨水。具體措施需結(jié)合改造環(huán)境和條件優(yōu)化選擇，多種低影響開發(fā)措施的有效組合，對(duì)建筑小區(qū)進(jìn)行海綿城市改造，能有效控制降雨徑流，消除內(nèi)澇積水風(fēng)險(xiǎn)?？傊?，建立在小區(qū)公共區(qū)域的雨水綜合處置設(shè)施即有利于減少和消除城市建筑小區(qū)積水、內(nèi)澇現(xiàn)象的發(fā)生，也使得過量的雨水不至于直接排除到城市下水道，有效的減輕城市雨水管網(wǎng)的高峰壓力，保護(hù)城市環(huán)境，緩解交通擁堵現(xiàn)象。