海綿化改造小區(qū)調(diào)蓄池優(yōu)化布局及其雨水徑流控制效果
——以浙江省嘉興市煙波苑小區(qū)為例

陳前虎， 周 明， 鄒澄昊， 張瀘少， 王賢萍

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 設(shè)計(jì)與建筑學(xué)院， 浙江 杭州 310023； 2.嘉興規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 浙江 嘉興 314000)

在中國(guó)當(dāng)前如火如荼的海綿城市建設(shè)中，因普遍注重綠色海綿設(shè)施，如綠色屋頂、雨水花園、植草溝、過(guò)濾帶、下凹式綠地、透水鋪裝等。往往忽視布置一些不具有生態(tài)功能的蓄水設(shè)施，結(jié)果時(shí)常導(dǎo)致“海綿城市看?！爆F(xiàn)象。尤其是在老舊城區(qū)，普遍存在排水系統(tǒng)老化、排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期過(guò)低、翻建難度大、成本高等問(wèn)題，在大雨或暴雨發(fā)生時(shí)，僅設(shè)置綠色海綿設(shè)施根本無(wú)法解決積水內(nèi)澇問(wèn)題，更喪失了大量雨水資源利用的機(jī)會(huì)。調(diào)蓄池作為一種灰色調(diào)蓄設(shè)施，具有高適用性與優(yōu)越經(jīng)濟(jì)性，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，成為西方發(fā)達(dá)國(guó)家的各種雨洪管理技術(shù)中最常用的措施之一，已得到了廣泛應(yīng)用。作為中國(guó)城市內(nèi)澇防治系統(tǒng)的重要組成部分[1]，調(diào)蓄池在《室外排水規(guī)范》和住建部《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》等技術(shù)規(guī)范中也已提及，但實(shí)際建設(shè)較少，相關(guān)研究也因此很少。建筑小區(qū)作為城市最重要的功能區(qū)域，占據(jù)城區(qū)近70%的面積，是城市排水系統(tǒng)的源頭減排單元[2]，也是實(shí)現(xiàn)海綿建設(shè)目標(biāo)的主要載體。對(duì)于建筑小區(qū)尺度的雨水徑流控制來(lái)說(shuō)，調(diào)蓄池側(cè)重于較大規(guī)模降雨的集中、宏觀調(diào)控，一般綠色海綿設(shè)施則側(cè)重于調(diào)控中小降雨事件[3]。因此，要使老舊城區(qū)真正實(shí)現(xiàn)高效的雨水管理，探究調(diào)蓄池與綠色海綿設(shè)施之間科學(xué)合理的關(guān)系，從而形成灰綠協(xié)調(diào)、綜合布局的體系十分必要。

調(diào)蓄池對(duì)雨水徑流的控制效果與其布設(shè)位置、數(shù)量和容積息息相關(guān)。就調(diào)蓄池布局與雨水徑流控制的影響來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究：Oxley等[4]在單個(gè)蓄水池和蓄水池系統(tǒng)中，以暴雨管理模型(storm water management model, SWMM)為水力學(xué)模型，優(yōu)化蓄水池的尺寸、位置和出口結(jié)構(gòu)等設(shè)施；Travis等[5]在優(yōu)化滯留池系統(tǒng)時(shí)，以等流時(shí)線選擇滯留池潛在位置；Hong等[6]提出了小型調(diào)蓄池容積估算的簡(jiǎn)化方法，并制作相應(yīng)模型用于設(shè)計(jì)調(diào)蓄池；李爾等[7]以昆明市主城區(qū)東南片區(qū)排水系統(tǒng)為例，通過(guò)連續(xù)時(shí)序降雨量法計(jì)算了相應(yīng)調(diào)蓄池容積；俞玨瑾[8]采用調(diào)蓄時(shí)間法計(jì)算了雨水調(diào)蓄池的有效容積。這些研究從宏觀和微觀兩個(gè)視角對(duì)調(diào)蓄池布局的具體技術(shù)和容積問(wèn)題提出了多種不同的解決方案，為本文提供了研究啟示。然而，在建筑小區(qū)中觀尺度上，如何科學(xué)合理地布局調(diào)蓄池？相關(guān)研究較少；已有的建筑小區(qū)調(diào)蓄池布局方案大多偏向于集中化設(shè)計(jì)，這往往容易導(dǎo)致工程量過(guò)大等問(wèn)題。本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上，從中觀視角，探索建筑小區(qū)最優(yōu)積水節(jié)點(diǎn)控制數(shù)量選擇和相應(yīng)的調(diào)蓄池合理布局等問(wèn)題的解決方案。

基于此，本文選取國(guó)家首批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)——浙江省嘉興市內(nèi)部的典型老舊小區(qū)為研究對(duì)象，利用SWMM軟件建立排水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)不同重現(xiàn)期輸入降雨條件，并以研究區(qū)雨水徑流目標(biāo)控制為導(dǎo)向，探索解決平原河網(wǎng)地區(qū)的老舊城區(qū)暴雨內(nèi)澇頻發(fā)、排水能力低下、雨水資源浪費(fèi)等問(wèn)題，以期為中觀尺度上的海綿城市建設(shè)和舊城排水系統(tǒng)改造規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論與技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于嘉興市典型的密集老舊城區(qū)，地處南湖南側(cè)，東臨海鹽塘、南至中環(huán)南路、西至海鹽塘路、北到煙雨路，隸屬市重點(diǎn)水敏感性保護(hù)區(qū)。老舊小區(qū)煙波苑建成于2000年前后，建筑總面積為5.6 hm2，內(nèi)部以多層建筑為主且無(wú)天然景觀水體。煙波苑多年平均降水量1 199.2 mm，降雨大部分集中在3—9月，月季分配呈現(xiàn)梅雨型和臺(tái)風(fēng)型的雙峰型降水特征。研究區(qū)地表土層從上至下依次為填土層、粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，滲透系數(shù)約為100 mm/d。煙波苑于2016年4月進(jìn)行海綿化改造，現(xiàn)已竣工并通過(guò)考核驗(yàn)收。研究區(qū)內(nèi)道路、停車(chē)位等硬鋪總面積占比28.6%，其中透水路面比重為81%；屋頂面積占比28%；綠化面積占比43.4%，其中下凹綠地和雨水花園比重分別為11%和4%。結(jié)合嘉興市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院提供的《海綿城市建設(shè)工程運(yùn)行管理技術(shù)研究》以及海綿建成區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料表明，研究區(qū)內(nèi)部雖已經(jīng)過(guò)海綿化改造，但缺乏調(diào)蓄池，在較大降雨發(fā)生時(shí)，積水內(nèi)澇隱患仍存，對(duì)管網(wǎng)排水壓力緩解作用微弱，徑流控制效果不佳。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取與研究方法

2.1 基礎(chǔ)模型構(gòu)建

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)現(xiàn)狀地形高程、現(xiàn)狀施工圖資料和實(shí)測(cè)水量等。具體包括嘉興市煙波苑海綿化改造工程建設(shè)方案，海綿化改造工程排水、道路、景觀工程施工圖，嘉興市雨量站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，嘉興市雜用水標(biāo)準(zhǔn)，浙江省用水定額以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)調(diào)研等數(shù)據(jù)。參考SWMM 用戶手冊(cè)和相關(guān)文獻(xiàn)[9-11]確定模型初始參數(shù)，并根據(jù)研究區(qū)2017年6場(chǎng)實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)、研究區(qū)監(jiān)測(cè)水量數(shù)據(jù)、嘉興市海綿城市建成區(qū)養(yǎng)護(hù)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行率定與驗(yàn)證(見(jiàn)表1)。

表1 嘉興市煙波苑小區(qū)SWMM模型設(shè)計(jì)參數(shù)

SWMM模型的核心組成模塊采用國(guó)內(nèi)外常用函數(shù)模型，其中，滲透模型選用Horton模型，最大、最小入滲率和衰減系數(shù)分別為40 mm/h，4 mm/h和4 h，透水和不透水地表曼寧系數(shù)分別為0.6和0.021，洼蓄量分別為4 mm和2.5 mm。匯流模型采用非線性水庫(kù)模型，水力模型則采用動(dòng)態(tài)波模型，蓄水模塊使用封閉式矩形式調(diào)蓄池并采用Functional曲線模擬調(diào)蓄過(guò)程，調(diào)蓄池具體構(gòu)造參照國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《雨水綜合利用》。結(jié)合研究區(qū)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)選擇下凹綠地、雨水花園、透水鋪裝3種海綿設(shè)施，各類(lèi)海綿設(shè)施的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各類(lèi)海綿設(shè)施有效厚度設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)管網(wǎng)走向，建筑物、綠地和街道的分布，采用人工方式劃分子匯水區(qū)，并考慮實(shí)際雨水匯流及低影響開(kāi)發(fā)雨水處理流程，確立子匯水區(qū)排水方向：①屋面→透水路面→下凹綠地/雨水花園→溢流排水節(jié)點(diǎn)→雨水管網(wǎng)；②主干道→下凹綠地/雨水花園→溢流排水節(jié)點(diǎn)→雨水管網(wǎng)；將研究區(qū)域細(xì)分為197個(gè)子匯水區(qū)域，確保子匯水區(qū)匯水模式大致相同。根據(jù)煙波苑排水施工圖對(duì)研究區(qū)地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行概化，保留主要雨水干道，最終確立53個(gè)排水節(jié)點(diǎn)、53條管渠和4個(gè)排放口(見(jiàn)圖1)。

圖1 煙波苑小區(qū)SWMM模型節(jié)點(diǎn)高程概化

2.2 設(shè)計(jì)降雨序列

模擬降雨序列采用芝加哥雨型和嘉興地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式(公式1)進(jìn)行合成。嘉興地區(qū)的降雨類(lèi)型為前峰型，峰值r為0.4，降雨歷時(shí)為2 h。因海綿設(shè)施主要針對(duì)小規(guī)模降雨的控制，為考慮研究全面性，選取降雨重現(xiàn)期0.155 a(對(duì)應(yīng)嘉興市海綿建設(shè)指南徑流總量控制率設(shè)計(jì)值)，0.5，1，2，3，4，5，10，15，20，30，50 a[12]，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行多降雨重現(xiàn)期情景模擬。

(1)

式中：q為暴雨強(qiáng)度(mm/min)；P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期(a)；t為降雨歷時(shí)(min)。

2.3 確立雨水徑流控制目標(biāo)

對(duì)于給定建筑小區(qū)的雨水徑流控制來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)雨水徑流體積上的控制才是基礎(chǔ)[13]。建筑小區(qū)的外排流量徑流系數(shù)、雨水徑流總量控制率及設(shè)計(jì)重現(xiàn)期3者間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：雨水利用系統(tǒng)的規(guī)模應(yīng)滿足建設(shè)用地外排雨水設(shè)計(jì)流量不大于開(kāi)發(fā)建設(shè)前的水平或規(guī)定的值，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期不得小于1 a，宜按2 a確定，外排徑流系數(shù)一般取0.25～0.4。已有研究[14]表明，當(dāng)區(qū)域內(nèi)的雨水設(shè)施在2 a重現(xiàn)期下能控制區(qū)域的外排雨水流量徑流系數(shù)不大于0.4時(shí)，可達(dá)到區(qū)域年雨水徑流總量控制率大于80%，而控制住單場(chǎng)次降雨時(shí)外排徑流系數(shù)是研究區(qū)實(shí)現(xiàn)高效雨水管理的基礎(chǔ)。為此，本研究轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)年徑流總量控制思路，采用單場(chǎng)設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期2 a時(shí)外排徑流系數(shù)≤0.4作為研究區(qū)雨水徑流控制最低目標(biāo)(有條件地區(qū)可適當(dāng)增加要求)，利用SWMM模型探究合理的調(diào)蓄池布局，實(shí)現(xiàn)多降雨重現(xiàn)期情景下研究區(qū)雨水徑流的高效控制。

2.4 研究方法

首先，利用研究區(qū)SWMM模型輸入不同設(shè)計(jì)降雨條件，模擬得出積水節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和位置，并構(gòu)建降雨重現(xiàn)期與積水節(jié)點(diǎn)分布散點(diǎn)圖，利用函數(shù)擬合法計(jì)算出最優(yōu)控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目；接著，采用積水時(shí)間、積水深度、積水速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]，對(duì)積水節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)并排序，得出調(diào)蓄池在研究區(qū)中的建設(shè)時(shí)序及模擬容積；最后，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和已有研究為依據(jù)，確立研究區(qū)控制設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期及外排徑流系數(shù)控制目標(biāo)，利用SWMM模型計(jì)算出最優(yōu)調(diào)蓄池容積，結(jié)合研究區(qū)地形(如地面高差，管道坡度、匯水區(qū)類(lèi)型)作相應(yīng)調(diào)整，最終確立最優(yōu)的調(diào)蓄池布局。綜合分析研究區(qū)在設(shè)置最優(yōu)調(diào)蓄池方案后，對(duì)不同重現(xiàn)期下雨水徑流的控制效果，以《嘉興市生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)》《建筑中水設(shè)計(jì)規(guī)范》《浙江省用水定額》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為主，確立小區(qū)雜用水總量并分析調(diào)蓄池雜用水供給率。

3 結(jié)果與分析

3.1 排水節(jié)點(diǎn)積水特征分析

在SWMM模型中輸入不同重現(xiàn)期的單場(chǎng)降雨序列，得出研究區(qū)內(nèi)澇積水節(jié)點(diǎn)分布(見(jiàn)圖2)。

注：圖中黑色圓點(diǎn)表示排水節(jié)點(diǎn)，黑色圓圈表示積水節(jié)點(diǎn)。

研究表明，積水節(jié)點(diǎn)整體分布滿足隨降雨重現(xiàn)期的增大而增加的規(guī)律，其范圍呈現(xiàn)由分散至連續(xù)、由排水管網(wǎng)前端逐步延展至管網(wǎng)中部和末端的趨勢(shì)。根據(jù)中國(guó)氣象局降雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)積水情況分段分析，具體表現(xiàn)為以下4個(gè)方面：①當(dāng)降雨重現(xiàn)期小于0.155 a(中/小雨)時(shí)，研究區(qū)內(nèi)部無(wú)積水節(jié)點(diǎn)；當(dāng)中小規(guī)模降雨出現(xiàn)時(shí)，由于海綿設(shè)施的消納作用，僅有少量徑流匯入排水管網(wǎng)，研究區(qū)無(wú)內(nèi)澇積水情況發(fā)生。②當(dāng)降雨重現(xiàn)期在0.155～5 a時(shí)(大雨)時(shí)，研究區(qū)內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)積水，且積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加迅速，外排徑流系數(shù)超過(guò)0.4，并呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。此時(shí)，研究區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)內(nèi)澇。換句話說(shuō)，隨降雨量的增大，海綿設(shè)施的調(diào)節(jié)能力逐步飽和，大量徑流匯入排水管網(wǎng)，而原有管網(wǎng)系統(tǒng)因設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不足未能排出過(guò)量雨水，致使研究區(qū)積水量逐漸增加。③當(dāng)降雨重現(xiàn)期為5～15 a(暴雨)時(shí)，研究區(qū)內(nèi)部積水節(jié)點(diǎn)分布趨于穩(wěn)定，外排徑流系數(shù)達(dá)到定值0.7，與此同時(shí)內(nèi)澇程度逐漸加劇。在暴雨出現(xiàn)時(shí)，研究區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模內(nèi)澇的原因主要有兩方面：第一、研究區(qū)內(nèi)部各排水節(jié)點(diǎn)自身屬性(高程、匯水區(qū)的類(lèi)型、出入流管道的坡度和管徑等)不同，致使部分子匯水區(qū)達(dá)到持續(xù)積水的狀態(tài)，而另一部分子匯水區(qū)則始終處于未積水狀態(tài)；第二、隨子匯水區(qū)匯水量的增大，排水管網(wǎng)逐漸達(dá)到排水極限，過(guò)量雨水無(wú)法排出。④當(dāng)降雨重現(xiàn)期大于15 a(大暴雨/特大暴雨)時(shí)，積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量大致呈線性增長(zhǎng)直至最大，徑流系數(shù)達(dá)到最大值，研究區(qū)內(nèi)澇程度進(jìn)一步加劇。在大暴雨出現(xiàn)時(shí)，超量的雨水使原未積水子匯水區(qū)的自身屬性優(yōu)勢(shì)不再制約積水，與此同時(shí)，排水管網(wǎng)達(dá)到自身排水極限，致使研究區(qū)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量呈線性增長(zhǎng)，外排徑流系數(shù)持續(xù)提高。

3.2 最佳控制節(jié)點(diǎn)擬合函數(shù)構(gòu)建

通過(guò)降雨重現(xiàn)期與積水節(jié)點(diǎn)分布的特征分析可以發(fā)現(xiàn)，不同重現(xiàn)期情形下研究區(qū)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量分布出現(xiàn)特殊變化，并在一定重現(xiàn)區(qū)間穩(wěn)定分布。為此，可通過(guò)構(gòu)建擬合函數(shù)實(shí)現(xiàn)精確求解，以期在具體實(shí)踐中提高建筑小區(qū)的雨水控制能力。本文綜合考慮煙波苑積水節(jié)點(diǎn)變化規(guī)律，最終采用分段冪函數(shù)[16]擬合法構(gòu)建擬合函數(shù)(見(jiàn)圖3)。

圖3 積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量與降雨重現(xiàn)期關(guān)系

通過(guò)分段擬合函數(shù)計(jì)算求解，研究發(fā)現(xiàn)：①在0.155～5 a內(nèi)，積水節(jié)點(diǎn)增長(zhǎng)速度高，且增長(zhǎng)率波動(dòng)快，在5 a時(shí)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量增至27，在0.5 a時(shí)積水節(jié)點(diǎn)增長(zhǎng)率達(dá)到最大值18/a，在此區(qū)間內(nèi)，降雨等級(jí)在大雨以下，降雨概率大，且降雨量多變，是建筑小區(qū)實(shí)現(xiàn)高效雨水控制的基本雨型；②在5～15 a內(nèi)，積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量分布穩(wěn)定在30之間，并在9 a時(shí)積水節(jié)點(diǎn)增長(zhǎng)率達(dá)到零值，積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到穩(wěn)定值30，此時(shí)重現(xiàn)期達(dá)到一般城市防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，是建筑小區(qū)實(shí)現(xiàn)高效雨水控制的關(guān)鍵雨型；③在15～50 a內(nèi)，積水節(jié)點(diǎn)增長(zhǎng)率為定值，積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，并于50 a達(dá)到最大值58，降雨等級(jí)達(dá)到大暴雨/特大暴雨級(jí)別，降雨重現(xiàn)期超過(guò)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，在此區(qū)間建筑小區(qū)不應(yīng)再以高效雨水控制為目的，而應(yīng)該發(fā)揮控制節(jié)點(diǎn)的源頭排水作用和調(diào)蓄功能，以實(shí)現(xiàn)避免內(nèi)澇的目標(biāo)。

研究發(fā)現(xiàn)，在5～15 a內(nèi)研究區(qū)積水節(jié)點(diǎn)的分布存在穩(wěn)定周期，擬合函數(shù)Y在拐點(diǎn)(9 a，30)取得穩(wěn)定值。對(duì)于研究區(qū)的雨水徑流控制和降雨調(diào)蓄利用來(lái)說(shuō)，降雨大小決定積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量分布，而積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量決定調(diào)蓄池設(shè)置數(shù)量, 并且，調(diào)蓄池?cái)?shù)量設(shè)置應(yīng)當(dāng)以研究區(qū)控制目標(biāo)下積水節(jié)點(diǎn)不積水、外排徑流系數(shù)達(dá)標(biāo)為原則。在實(shí)現(xiàn)研究區(qū)徑流控制目標(biāo)的前提下，研究通過(guò)SWWM模型分析了不同控制積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量方案所能達(dá)到的最大降雨徑流削減量(見(jiàn)圖4)，其中， 9 a重現(xiàn)期30個(gè)控制節(jié)點(diǎn)方案達(dá)到削減閾值。在5～15 a內(nèi)，控制積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)少會(huì)導(dǎo)致研究區(qū)調(diào)蓄池徑流控制效果不足、雨水利用效率過(guò)低；數(shù)量過(guò)多又會(huì)造成調(diào)蓄池服務(wù)范圍重疊、成本增大，但研究區(qū)可實(shí)現(xiàn)的徑流削減總量卻基本不變?；诖耍疚淖罱K選擇30個(gè)控制積水節(jié)點(diǎn)作為調(diào)蓄池布局的理論數(shù)量方案。

圖4 煙波苑小區(qū)不同控制節(jié)點(diǎn)方案下的徑流削減量

3.3 調(diào)蓄池最優(yōu)容積確立

不同位置、不同容積的調(diào)蓄池對(duì)研究區(qū)雨水徑流控制效果會(huì)有顯著影響。研究以子匯水區(qū)匯水方向?yàn)橐罁?jù)，最終確立下凹綠地和雨水花園等綠色海綿設(shè)施作為調(diào)蓄池布設(shè)位置；對(duì)于不同重現(xiàn)期下控制節(jié)點(diǎn)的積水情況來(lái)說(shuō)，客觀描述各點(diǎn)之間的積水差異性成為調(diào)蓄池容積設(shè)定的關(guān)鍵，而引入調(diào)蓄池預(yù)設(shè)容積指數(shù)的目的是將各控制點(diǎn)的積水差異性量化，以確定研究區(qū)調(diào)蓄池建設(shè)優(yōu)先時(shí)序及預(yù)設(shè)容積。調(diào)蓄池采用溢流管與排水節(jié)點(diǎn)連接，保障子匯水區(qū)雨水在經(jīng)過(guò)海綿設(shè)施處理后進(jìn)入，過(guò)量的雨水通過(guò)溢流口流向排水節(jié)點(diǎn)最終匯入管網(wǎng)。本研究以相同匯水模式來(lái)劃分子匯水區(qū)，目的是避免傳統(tǒng)權(quán)重設(shè)計(jì)存在的人為誤差，通過(guò)調(diào)蓄池預(yù)設(shè)容積3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(積水時(shí)間、積水深度、積水速率)的量化評(píng)價(jià)，得出相應(yīng)分值。為研究計(jì)算方便，定義f為各積水節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)節(jié)點(diǎn)的量化，按照公式(2)計(jì)算得到調(diào)蓄池預(yù)設(shè)容積指數(shù)(見(jiàn)表3)。

表3 調(diào)蓄池預(yù)設(shè)容積指數(shù)

I=∑(fi/∑ci)

(2)

式中：Ii為調(diào)蓄池預(yù)設(shè)容積指數(shù)：fi和ci分別為積水節(jié)點(diǎn)的積水時(shí)間(h)、積水深度(mm)、積水速率(mm/h)的評(píng)價(jià)指標(biāo)指數(shù)和相應(yīng)分值。

由表3可知，研究區(qū)積水節(jié)點(diǎn)調(diào)蓄池建設(shè)時(shí)序?yàn)椋篔19>J23>J21>J2>J11>…>J38，通過(guò)排列調(diào)蓄池建設(shè)時(shí)序可以確立研究區(qū)調(diào)蓄池建設(shè)的優(yōu)先級(jí)。通過(guò)分析調(diào)蓄池預(yù)設(shè)容積指數(shù)，可以對(duì)調(diào)蓄池的自身屬性進(jìn)行定量化描述，直觀反映不同調(diào)蓄池之間規(guī)模的差異性，從而避免傳統(tǒng)調(diào)蓄池設(shè)置存在的經(jīng)驗(yàn)性、主觀性等問(wèn)題，為SWMM模型蓄水模塊的體積輸入提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)調(diào)蓄池預(yù)設(shè)容積指數(shù)大小等比例設(shè)定輸入容積，在SWMM模型中，輸入設(shè)計(jì)重現(xiàn)期2 a所對(duì)應(yīng)的降雨序列，通過(guò)不斷迭代調(diào)試，得出每個(gè)調(diào)蓄池的實(shí)際調(diào)蓄量(見(jiàn)表4)，按最大調(diào)蓄量確定最終設(shè)計(jì)容積。

表4 調(diào)蓄池最優(yōu)容積 m3

研究表明，部分調(diào)蓄池模擬容積偏小，如調(diào)蓄池X9,X10調(diào)蓄量分別為2 m3和3 m3，調(diào)蓄量過(guò)少，為使研究區(qū)達(dá)到理論最優(yōu)狀態(tài)，本文考慮30個(gè)調(diào)蓄池全布局，而在實(shí)踐中，不同地區(qū)可按當(dāng)?shù)貤l件對(duì)小型調(diào)蓄池予以取舍；另一部分調(diào)蓄池模擬容積較大，如調(diào)蓄池X13，X14，X15，X16，其調(diào)蓄容積均超過(guò)200 m3。

針對(duì)煙波苑的地形及子匯水分區(qū)自身屬性，采用分散式調(diào)蓄池理念，在積水節(jié)點(diǎn)相鄰匯水區(qū)中分散布置調(diào)蓄池；除此之外，調(diào)蓄容積在60～100 m3之間的調(diào)蓄池?cái)?shù)量比例為29%；在20～60 m3之間的數(shù)量比例為55%；在20 m3以下數(shù)量占比16%；所有調(diào)蓄池建造容積均采用國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)《雨水綜合利用》要求設(shè)計(jì)。

3.4 雨水徑流控制效果分析

在不同降雨重現(xiàn)期下運(yùn)行“LID+調(diào)蓄池”模型，研究區(qū)雨水徑流控制效果提升明顯(見(jiàn)圖5)。

圖5 煙波苑小區(qū)徑流控制效果變化

由圖5可知，研究區(qū)在原有海綿化改造基礎(chǔ)上增加調(diào)蓄池后，區(qū)內(nèi)雨水徑流控制能力得到不同程度的提升，主要表現(xiàn)如下：

(1) 在0.155～0.5 a重現(xiàn)期下，“LID+調(diào)蓄池”控制效率最高。如在0.155 a時(shí)，峰值徑流量從118.61 m3/h降至50.30 m3/h，削減率達(dá)到57.59%；峰現(xiàn)時(shí)間從1 h延緩至1.1 h；外排徑流系數(shù)從0.21降至0.06，削減率達(dá)到71.15%。由于調(diào)蓄池的布設(shè)，研究區(qū)的雨水控制能力得到明顯提升。

(2) 在0.5～4 a重現(xiàn)期下，“LID+調(diào)蓄池”控制效果最為明顯。如峰值徑流量削減率穩(wěn)定在48%～55%之間；峰現(xiàn)時(shí)間延緩至1.2 h左右；外排徑流系數(shù)有所增加，但基本保持在目標(biāo)值0.4以內(nèi)。研究區(qū)內(nèi)部過(guò)量雨水逐漸超過(guò)海綿設(shè)施的可控能力，進(jìn)而匯入調(diào)蓄池中，只有超過(guò)調(diào)蓄范圍的雨水以匯入管網(wǎng)的形式外排，研究區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)匯水壓力得以緩解。

(3) 在5～9 a重現(xiàn)期下，“LID+調(diào)蓄池”控制效率開(kāi)始下降，但控制效果依然明顯。如峰值徑流量削減率逐漸從48%降至40%；峰現(xiàn)時(shí)間延緩至1.1 h；外排徑流系數(shù)穩(wěn)定在0.45～0.5之間。在此期間，研究區(qū)由于降雨量的增大，致使調(diào)蓄池調(diào)蓄量逐漸達(dá)到飽和，而正因調(diào)蓄池在降雨前期調(diào)蓄作用，從而延緩子匯水區(qū)排水峰值壓力，研究區(qū)外排徑流系數(shù)得以穩(wěn)定。

(4) 在10～50 a重現(xiàn)期下，“LID+調(diào)蓄池”控制效果明顯下降。如峰值徑流量削減率逐漸下降，直到穩(wěn)定在35%左右；峰現(xiàn)時(shí)間與調(diào)蓄池設(shè)置前逐漸吻合；外排徑流系數(shù)逐步增至0.63。相對(duì)于設(shè)置調(diào)蓄池前外排系數(shù)0.76，峰值徑流量1 900 m3/h，調(diào)蓄池對(duì)研究區(qū)延緩內(nèi)澇形成起到關(guān)鍵作用。由于研究區(qū)超量的雨水超越調(diào)蓄池調(diào)蓄極限，致使研究區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)積水并形成內(nèi)澇，但正是調(diào)蓄池對(duì)研究區(qū)總降水量的削減和延緩?fù)馀艔搅餍纬傻淖饔?，使排水管網(wǎng)能夠繼續(xù)高效運(yùn)轉(zhuǎn)而僅有部分雨水積存，內(nèi)澇情況得以緩解。

綜上，研究區(qū)在“LID+調(diào)蓄池”改造方案下，可以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)多重現(xiàn)期雨水控制，具體如下：①單場(chǎng)降雨重現(xiàn)期2 a及以下重現(xiàn)期實(shí)現(xiàn)雨水徑流高效控制，即研究區(qū)外排系數(shù)≤0.3；②單場(chǎng)降雨2～4 a重現(xiàn)期實(shí)現(xiàn)雨水徑流目標(biāo)控制，即研究區(qū)外排系數(shù)≤0.4；③單場(chǎng)降雨4～9 a及重現(xiàn)區(qū)間內(nèi)雨水徑流控制雖未達(dá)目標(biāo)值，但外排系數(shù)≤0.5，研究區(qū)無(wú)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的雨水控制目標(biāo)；④對(duì)于超過(guò)9 a重現(xiàn)期的單場(chǎng)降雨，研究區(qū)僅采用“LID+調(diào)蓄池”改造方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)雨水徑流的高效管理，但整體內(nèi)澇情況得以緩解，須借助其他排水方法以期完全避免內(nèi)澇。

3.5 調(diào)蓄池雜用水供給率分析

已有研究[17]及研究區(qū)海綿設(shè)施養(yǎng)護(hù)調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)果表明：在居住區(qū)中，經(jīng)過(guò)海綿設(shè)施處理后進(jìn)入調(diào)蓄池的雨水可作為生活雜用水使用。根據(jù)《嘉興市雜用水標(biāo)準(zhǔn)》、《浙江省用水定額》、《建筑中水設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：嘉興市區(qū)內(nèi)綠化澆灌用水定額2 L/(m2·d)，道路澆灑用水定額2 L/(m2·d)，洗車(chē)用水標(biāo)準(zhǔn)300L/輛，沖廁用水為30 L/d。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料獲取研究區(qū)總?cè)丝诤推?chē)持有量，本文最終估算出研究區(qū)雜用水總量為1 230 m3/d，在采用“LID+調(diào)蓄池”改造方案后，研究區(qū)可以實(shí)現(xiàn)有效的用水供給。

(1) 在0.155 a重現(xiàn)期下，調(diào)蓄池總蓄水量達(dá)到460 m3，供給率為37.4%；在0.5 a重現(xiàn)期下，調(diào)蓄池總蓄水量達(dá)到1310 m3，供給率達(dá)到106.5%；在1 a重現(xiàn)期下，調(diào)蓄池總蓄水量達(dá)到1 550 m3，供給率達(dá)到126%；當(dāng)降雨重現(xiàn)期大于1a時(shí)，調(diào)蓄池總蓄水量達(dá)到最大值1 800 m3，供給率達(dá)到146.3%。

(2) 研究區(qū)實(shí)際模擬地塊面積約為5.6公頃，區(qū)內(nèi)年均降雨量為69 216 m3，調(diào)蓄池調(diào)蓄總水量達(dá)39 608 m3，雨水年利用率達(dá)57.2%。

4 結(jié) 論

(1) 本文通過(guò)分析研究區(qū)不同設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期與積水節(jié)點(diǎn)分布之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：在5～15a重現(xiàn)區(qū)間，研究區(qū)的積水節(jié)點(diǎn)分布出現(xiàn)穩(wěn)定期，在此期間積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量穩(wěn)定在30，此時(shí)調(diào)蓄池設(shè)置數(shù)量達(dá)到徑流目標(biāo)控制的理論最優(yōu)值。

(2) 本文通過(guò)分析研究區(qū)內(nèi)積水節(jié)點(diǎn)的積水特征及調(diào)蓄池預(yù)設(shè)容積指數(shù)，利用SWMM模型，定量化探究出調(diào)蓄池的最優(yōu)設(shè)置容積，提出對(duì)體積過(guò)大的調(diào)蓄池采用分散式組合的設(shè)計(jì)理念，而對(duì)于較小容積的調(diào)蓄池，不同地區(qū)可因地制宜按需設(shè)置。

(3) 基于調(diào)蓄池雨水徑流控制分析得出：調(diào)蓄池對(duì)研究區(qū)的雨水控制具有明顯的提升作用。①在0.155 a時(shí)，徑流峰值削減率達(dá)到最大值57.59%；②在0.5 a時(shí)，峰現(xiàn)時(shí)間延緩量達(dá)到最大值0.5 h；③在2 a時(shí)，外排徑流系數(shù)削減量達(dá)到最大值0.25；④在5 a時(shí)，徑流峰值削減量達(dá)到最大值689.12 m3/h；⑤超過(guò)0.5 a時(shí)，雜用水供給率超過(guò)100%，調(diào)蓄水量滿足居民日常生活用水需求。

對(duì)老舊建筑小區(qū)提高雨水徑流控制能力以及實(shí)現(xiàn)高效雨水管理而言，科學(xué)合理地設(shè)置調(diào)蓄池十分必要。與傳統(tǒng)研究相比，本文的探究具有以下特點(diǎn)：①以研究區(qū)積水節(jié)點(diǎn)分布為基礎(chǔ)，不同重現(xiàn)期單場(chǎng)次降雨為輸入條件，在建筑小區(qū)尺度下，探究雨水徑流的變化情況，為研究區(qū)徑流的精準(zhǔn)控制提供選點(diǎn)依據(jù)，避免了傳統(tǒng)調(diào)蓄池選點(diǎn)粗陋的局限性；②相對(duì)傳統(tǒng)研究按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)蓄池蓄水容積來(lái)說(shuō)，采用SWMM模型模擬更加方便快捷，同時(shí)兼具科學(xué)性；③在微觀尺度下，調(diào)蓄池的合理設(shè)置提高了建筑小區(qū)雨水徑流控制能力，與此同時(shí)也增加了可觀的雨水利用量，實(shí)現(xiàn)了水安全保障和水資源利用的“雙保險(xiǎn)”。