淺談“海綿城市”在項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉彩虹

江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院蘇州分院 江蘇蘇州 215128

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設(shè)應(yīng)統(tǒng)籌低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)、城市雨水管渠系統(tǒng)及超標(biāo)雨水徑流排放系統(tǒng)[1]：通過低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)對雨水進(jìn)行滲透、儲存、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)輸與截污凈化，有效控制徑流總量、徑流峰值和徑流污染，并與城市雨水管渠系統(tǒng)共同組織徑流雨水的收集、轉(zhuǎn)輸與排放，超標(biāo)雨水則可通過雨水管渠排入自然水體或雨水調(diào)蓄池中。

“海綿城市”理念應(yīng)用在項(xiàng)目上主要是以年徑流總量控制率和年SS總量去除率為項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過設(shè)計(jì)低影響開發(fā)設(shè)施（如透水鋪裝、植草溝、生物滯留池、下凹式綠地等），并與地塊內(nèi)雨水管網(wǎng)有效鏈接起來，以慢排緩釋和源頭減排的方式有效控制地塊內(nèi)徑流雨水外排量。

下面以昆山周市高中為例，整體介紹“海綿城市”理念在項(xiàng)目中的應(yīng)用體現(xiàn)。并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)踐，對海綿專項(xiàng)設(shè)計(jì)中存在的幾點(diǎn)問題進(jìn)行探討。

研究區(qū)概況：

昆山地處長江三角洲，位于江蘇省東南部。昆山屬北亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，雨量充沛。多年平均降雨量1133.3毫米，昆山降雨呈明顯季節(jié)特征，且目前頻現(xiàn)極端氣候。統(tǒng)計(jì)全年暴雨日數(shù)（日降水量≥50毫米）平均為2.9天，以6～8月出現(xiàn)次數(shù)最多。極易產(chǎn)生雨洪災(zāi)害。加之建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)覆蓋不足且設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)明顯偏低，已無法滿足排澇要求，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)攀升。

周市高中位于昆山市周市鎮(zhèn)，占地面積約78909.42平方米，預(yù)計(jì)建筑面積約7.6萬平方米，其中地下7354平方米，地上62646平方米。規(guī)劃設(shè)置為16軌48班普通高級中學(xué)，可分為教學(xué)區(qū)、運(yùn)動區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)、休閑綠化區(qū)等。學(xué)?？偲矫鎴D如下圖1所示：

圖1 學(xué)?？偲矫鎴D

控制目標(biāo)：

根據(jù)《昆山市海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，本項(xiàng)目需要控制的指標(biāo)為：年徑流總量控制率≥85%(34mm/d)、年SS總量去除率≥70%。

海綿設(shè)施布局：

1 匯水區(qū)劃分

項(xiàng)目豎向是劃分海綿匯水分區(qū)的首要因素，利用勘探院提供的CAD地形圖，核實(shí)標(biāo)高后選取地塊內(nèi)所有局部高點(diǎn)并標(biāo)注出來；建筑屋面脊線也是海綿分區(qū)的分水嶺，查看建筑物屋面形式及落水管位置，將屋脊線或屋面分水線標(biāo)注出來；再結(jié)合道路的縱橫坡及起到阻水作用的小區(qū)圍墻、路沿石、可阻水的擋墻、截水溝、車輛減速帶等設(shè)施的位置，并與之前標(biāo)注的點(diǎn)和線連接形成封閉的匯水分區(qū)線。根據(jù)分區(qū)依據(jù)，將周市高中分為36個(gè)匯水區(qū)，如下圖2所示。

圖2 匯水分區(qū)圖

2 各匯水分區(qū)設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積計(jì)算

根據(jù)地塊的規(guī)劃設(shè)計(jì)，同時(shí)配合景觀效果，項(xiàng)目初步采用生態(tài)滯留池和下凹綠地作為海綿調(diào)蓄設(shè)施，屋面及道路徑流雨水部分通過透水鋪裝或綠地下滲到地下補(bǔ)給地下水，另一部分則通過干式植草溝或地表徑流排到生態(tài)滯留池，溢流雨水則通過溢流口溢流至地塊雨水管網(wǎng)中，整個(gè)系統(tǒng)流程如下：

根據(jù)《昆山市海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》5.3條，采用容積法計(jì)算各匯水分區(qū)的設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，計(jì)算公式如下：

V=10H·Ψ·F

式中：

V—設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積或需蓄水容積（立方米）；

H—設(shè)計(jì)降雨量（毫米）；

Ψ—年均或場均綜合雨量徑流系數(shù)；

F—匯水面積（公頃）。

其中綜合雨量徑流系數(shù)Ψ需根據(jù)下墊面組成及面積分布采用加權(quán)平均法計(jì)算，即：

式中：

Ψ—地塊綜合雨量徑流系數(shù)

F—匯水面積（平方米）

Fi—匯水面積上各類下墊面面積（平方米）

Ψi—各類下墊面的雨量徑流系數(shù)

3 初步確定低影響開發(fā)設(shè)施規(guī)模

根據(jù)匯水分區(qū)，結(jié)合項(xiàng)目周邊用地性質(zhì)、水域面積率、綠地率等條件，綜合確定低影響開發(fā)設(shè)施的類型、規(guī)模與布局，初步選取適宜當(dāng)?shù)貤l件的低影響開發(fā)技術(shù)和設(shè)施，主要包括透水鋪裝、生態(tài)滯留池、下凹式綠地、生態(tài)樹池、轉(zhuǎn)輸植草溝等，其中生態(tài)滯留池和下凹綠地作為調(diào)蓄池主要起著控制地塊內(nèi)徑流總量的作用。根據(jù)各匯水分區(qū)計(jì)算所得的設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，初步計(jì)算出各分區(qū)低影響開發(fā)設(shè)施的規(guī)模[2]。

a.生態(tài)滯留池的計(jì)算

生態(tài)滯留池使用體積法計(jì)算單位面積調(diào)蓄容積。由于生態(tài)滯留池屬于滲透功能的設(shè)施，根據(jù)《昆山市海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》第5.3條，滲透功能設(shè)施規(guī)模計(jì)算公式為：

Vs=V單-Wp

式中Vs——滲透設(shè)施的有效調(diào)蓄容積，包括設(shè)施頂部和結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄水空間的容積，m3；

V單——滲透設(shè)施進(jìn)水量，m3；

Wp——滲透量，m3。

即V單=Vs+Wp

其中，Vs=滯留層體積+滲透層結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙體積

Wp=KJAsTs

式中：K——土壤（滲透層）滲透系數(shù)，100mm/h；

J——水力坡降，一般可取J=1；

As——有效滲透面積，1m2；

Ts——滲透時(shí)間，h，指降雨過程中設(shè)施的滲透歷時(shí)，一般可取2h。

根據(jù)以上生態(tài)滯留池調(diào)蓄容積計(jì)算，可得出單位面積生物滯留池調(diào)蓄容積V單，最后根據(jù)公式S分區(qū)=V分區(qū)/V單，可計(jì)算出各海綿分區(qū)生物滯留池規(guī)模。

b.下凹綠地的計(jì)算

下凹式綠地屬于可調(diào)蓄的設(shè)施，不考慮綠地的下滲，設(shè)施規(guī)模計(jì)算公式：

V單=h

式中V單——單位面積下凹綠地的有效調(diào)蓄容積，m3；

h——下凹綠地的可調(diào)蓄深度，m ；

然后根據(jù)公式S分區(qū)=V分區(qū)/V單，可計(jì)算出各海綿分區(qū)下凹綠地的規(guī)模。

4 初步確定個(gè)匯水分區(qū)海綿設(shè)施布局

根據(jù)地塊內(nèi)各分區(qū)下墊面的平面布局，結(jié)合景觀設(shè)計(jì)合理布置海綿設(shè)施，使其盡可能達(dá)到海綿設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)模。海綿平面布局如圖3所示：

圖3 海綿布局圖

a. 實(shí)際綜合年徑流總量控制率的計(jì)算

根據(jù)各分區(qū)下墊面布局及海綿設(shè)施實(shí)際規(guī)模，采用容積法計(jì)算出各分區(qū)綜合雨量徑流系數(shù)和實(shí)際降雨量，對照統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算出的年徑流總量控制率與設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系，確定各分區(qū)低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的實(shí)際年徑流總量控制率。

地塊實(shí)際綜合年徑流總量控制率則可按下式計(jì)算：

式中：

Φ總—地塊實(shí)際綜合年徑流總量控制率

Φ分—匯水分區(qū)實(shí)際年徑流總量控制率

Ψ分—匯水分區(qū)雨量徑流系數(shù)

F分—匯水分區(qū)匯流面積

b.實(shí)際綜合SS去除率的計(jì)算

根據(jù)各分區(qū)海綿設(shè)施的規(guī)模及平面徑流組織情況，計(jì)算出各海綿設(shè)施的匯水面積。各分區(qū)海綿設(shè)施平均SS去除率可按下式計(jì)算：

式中：

γ平均—匯水分區(qū)海綿設(shè)施平均SS去除率

γ設(shè)施—海綿設(shè)施徑流污染去除率

F匯—分區(qū)內(nèi)海綿設(shè)施匯水面積

各匯水分區(qū)實(shí)際SS去除率則為各分區(qū)海綿設(shè)施平均SS去除率γ平均與各分區(qū)實(shí)際年徑流總量控制率Φ分的乘積，即：

式中：

γ分—各分區(qū)實(shí)際SS去除率

γ平均—匯水分區(qū)海綿設(shè)施平均SS去除率

Φ分—匯水分區(qū)實(shí)際年徑流總量控制率

各分區(qū)實(shí)際SS去除率經(jīng)各分區(qū)匯水面積與各分區(qū)綜合雨量徑流系數(shù)的乘積加權(quán)平均，即為地塊實(shí)際綜合SS去除率，即：

式中：

γ總—地塊實(shí)際綜合SS去除率

γ分—各分區(qū)實(shí)際SS去除率

F分—分區(qū)匯水面積

Ψ分—各分區(qū)綜合雨量徑流系數(shù)

以下是該項(xiàng)目各匯水分區(qū)海綿各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果：

表1 海綿計(jì)算表

從上表可以看出地塊實(shí)際綜合年徑流總量控制率為≥85%，實(shí)際綜合SS去除率為≥70%，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。此處需要指出的是，如果實(shí)際綜合年徑流總量控制率或?qū)嶋H綜合SS去除率沒有達(dá)標(biāo)，則需重新調(diào)整各匯水分區(qū)海綿設(shè)施布局，反復(fù)計(jì)算，直至控制指標(biāo)滿足要求。

“海綿城市”在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中存在的問題：

以上就是“海綿城市”在項(xiàng)目中的具體設(shè)計(jì)過程，目前 “海綿城市”理念雖然已廣泛應(yīng)用于項(xiàng)目中，但在實(shí)際應(yīng)用中，也存在許多細(xì)節(jié)問題。在這里，筆者結(jié)合以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出以下幾點(diǎn)問題：

a.由于處于“海綿城市”開發(fā)應(yīng)用早期，沒有一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，低影響開發(fā)雨水設(shè)施地方圖集不全。筆者接觸較多的主要是蘇州和昆山的項(xiàng)目，就昆山項(xiàng)目而言，地方圖集相當(dāng)匱乏，導(dǎo)致設(shè)施詳圖不夠精準(zhǔn)[3]。

b.當(dāng)項(xiàng)目地塊內(nèi)設(shè)有雨水回收池時(shí)，雨水回收池是否兼做海綿調(diào)蓄設(shè)施使用？筆者參考過好幾個(gè)已建成的海綿城市項(xiàng)目，都設(shè)有雨水回收池，并只用于雨水回收。但以上述周市高中項(xiàng)目為例，我們分析整個(gè)地塊的徑流雨水流程情況，一部分徑流雨水通過透水鋪裝或綠地下滲到地下補(bǔ)給地下水，另一部分則通過地表徑流或植草溝或明溝轉(zhuǎn)輸至生態(tài)滯留池中，溢流雨水則通過溢流口溢流至地塊雨水管網(wǎng)中，并最終進(jìn)入雨水回收池?？上攵?，雨水回收池對地塊內(nèi)部分徑流雨水也具有調(diào)蓄作用，因此海面積算時(shí)，有必要將雨水回收池作為調(diào)蓄池來計(jì)算。

c.上述講到雨水回收池可作為調(diào)蓄池來計(jì)算，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，回收池一般設(shè)在地塊內(nèi)雨水管網(wǎng)末端，而在海綿計(jì)算中由于各匯水分區(qū)的溢流雨水最終都會流進(jìn)回收池中，也就是說回收池對有溢流雨水的分區(qū)都具有調(diào)蓄作用，那怎樣將雨水回收池中的調(diào)蓄容積分別計(jì)算到各個(gè)分區(qū)中去呢？筆者認(rèn)為可以按如下方法計(jì)算：當(dāng)根據(jù)景觀布局確定了各分區(qū)海綿設(shè)施規(guī)模時(shí)，分別計(jì)算各分區(qū)實(shí)際海綿設(shè)施調(diào)蓄容積，當(dāng)實(shí)際調(diào)蓄容積沒有達(dá)到設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積時(shí)（即有溢流雨水排出），則將兩者之差作為該分區(qū)雨水回收池的實(shí)際調(diào)蓄容積。

d.各分區(qū)海綿設(shè)施需要設(shè)計(jì)溢流口，以往設(shè)計(jì)中，在溢流口計(jì)算時(shí)采用的匯水面積都是按整個(gè)分區(qū)的匯水面積計(jì)算，并將計(jì)算所得的溢流口個(gè)數(shù)平均分配到分區(qū)中各海綿設(shè)施中。筆者認(rèn)為這樣并不合理，溢流口計(jì)算可分為以下兩種情況：（1）當(dāng)匯水分區(qū)中只有一個(gè)海綿調(diào)蓄設(shè)施時(shí)，溢流口計(jì)算中采用的匯水面積可按整個(gè)分區(qū)匯水面積計(jì)算；（2）當(dāng)匯水分區(qū)中有兩個(gè)以上海綿調(diào)蓄設(shè)施時(shí)，筆者認(rèn)為在溢流口計(jì)算時(shí)，其匯水面積則應(yīng)按各海綿設(shè)施對應(yīng)的匯水面積計(jì)算，這樣，各海綿設(shè)施的溢流口個(gè)數(shù)更為精確。

5 結(jié)語

“海綿城市”理念應(yīng)用于城市建設(shè)可有效緩解城市內(nèi)澇、削減城市徑流污染負(fù)荷、節(jié)約水資源、保護(hù)和改善城市生態(tài)環(huán)境。雖然“海綿城市”在項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用中存在諸多細(xì)節(jié)問題，但隨著海綿設(shè)計(jì)的不斷完善以及城市建設(shè)的不斷發(fā)展，建設(shè)具有自然積存、自然滲透、自然凈化功能的海綿城市已成為一種趨勢。