基于SWC模擬的高寒地區(qū)鐵路站房廣場綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計研究

趙艷，李偉佳，嚴(yán)建偉，張興艷，3

（1.天津大學(xué) 仁愛學(xué)院，天津 301636；2.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司，成都 610031）

一、研究背景

隨著世界范圍內(nèi)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，如何保護(hù)所在區(qū)域的流域生態(tài)品質(zhì)不受破壞，城市雨水對人類和生態(tài)環(huán)境帶來了前所未有的挑戰(zhàn)?？傮w來說，在過去幾十年水循環(huán)已發(fā)生了重大變化，傳統(tǒng)的雨洪管理體系已不能滿足日益嚴(yán)峻的水污染、城市內(nèi)澇以及生態(tài)品質(zhì)下降的復(fù)合型雨水問題。綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施（Green Storm water Infrastructure，簡稱GSI）是指充分利用場地自然條件，通過人工模擬自然的系列技術(shù)措施，控制徑流污染，改善場地水文循環(huán)特征，綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施已被證明是一種創(chuàng)新的水資源管理方法，可以解決城市環(huán)境面臨的多重挑戰(zhàn)。西藏，是世界海拔最高的地區(qū)，生態(tài)環(huán)境敏感、脆弱，隨著氣候變化與城鎮(zhèn)進(jìn)程的開發(fā)，西藏地區(qū)水資源短缺、污染等問題日益凸顯。在高寒地區(qū)的鐵路站房綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施研究鮮有，隨著川藏鐵路的修建，依據(jù)高寒地區(qū)特有的自然條件，采用綠色生態(tài)的節(jié)水途徑并遵循綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施理念具有重要的理論價值與現(xiàn)實意義。本文以此為研究對象，結(jié)合高寒地區(qū)的節(jié)水要求、城市水環(huán)境專項規(guī)劃、綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)以及項目可利用水資源狀況，提出適宜高寒地區(qū)鐵路站房廣場的綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計舉措。

二、區(qū)域概況與模擬依據(jù)

（一）研究區(qū)域特征

林芝站位于林芝市東南13公里的延雷村，屬于八一區(qū)布九鄉(xiāng)，車站范圍內(nèi)地形較平緩，車站設(shè)在沖洪積成因的階地上，地形起伏，地表高程2940～2950米，表面的相對高度差約為10米，表面為荒地，植被零星分布。林芝站建筑面積15000平方米，最高聚集人數(shù)2500人，總占地面積24公頃，為中型站房（圖1）。高寒地區(qū)具有高海拔、低氣溫、晝夜溫差大、降雨量低而蒸發(fā)量高以及太陽輻射強(qiáng)的特點，因而高寒地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱敏感，凍融作用明顯。林芝地下水位較高，土壤含水量大，隨著降雨量增大，低溫較低，土壤凍結(jié)明顯，最大凍土深度小于10厘米。因此在高寒地區(qū)的鐵路站房廣場建設(shè)中要因地制宜地考慮綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計，需要著重關(guān)注透水鋪裝設(shè)施的防凍融處理，以及土地沙化與植被退還的生態(tài)問題。

（二）模擬與設(shè)計依據(jù)

圖1 林芝鳥瞰

圖2 下沉式綠地

圖3 復(fù)雜型生物過濾池

高寒地區(qū)鐵路站房廣場的年徑流總量模擬，依據(jù)GB/T50378-2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中的雨水控制目標(biāo)參考項，高寒地區(qū)鐵路站房廣場需進(jìn)行雨水專項規(guī)劃設(shè)計，合理規(guī)劃地表和屋頂雨水徑流，控制現(xiàn)場雨水總排放量，鐵路站房廣場的年徑流總量控制率應(yīng)達(dá)到55%～70%的標(biāo)準(zhǔn)。綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計以《海綿城市建設(shè)政策與技術(shù)指南》中的技術(shù)措施為設(shè)計依據(jù)。在規(guī)劃設(shè)計階段，將該地區(qū)的地形特征與雨水徑流控制和利用的合理設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)林芝地區(qū)的土壤滲透性強(qiáng)的條件，采取有效的雨水滲透措施。

三、SWC模擬分析

USEPA SWC（National Stormwater Calculator）是美國國家環(huán)保局（USEPA）2014年發(fā)布的建立在強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫下的簡化模型。SWC可以輸入場地水文數(shù)據(jù)，如土壤類型、飽和導(dǎo)水率、坡度、降雨量、蒸發(fā)量、下墊面類型比例以及LID設(shè)施參數(shù)，以模擬研究區(qū)域的年徑流總量控制率。通過對林芝站設(shè)計現(xiàn)狀與增加綠色基礎(chǔ)設(shè)施的不同情景進(jìn)行模擬，可分析林芝站是否滿足綠建標(biāo)準(zhǔn)中的年徑流量控制率應(yīng)達(dá)到55%～70%的要求。

（一）模擬參數(shù)

SWC的土壤類型由土壤水文組（HSG）來劃分，將土壤分為A砂土/壤制砂土/壤土、B壤土/粉壤土、C砂粘壤土和D粘壤土/粉粘壤土/砂粘土/粉粘土/粘土四個類型，分別對應(yīng)不同的飽和導(dǎo)水率。土壤的滲透性與其含水量、構(gòu)成、密度等因素相關(guān)，數(shù)據(jù)顯示，林芝地區(qū)代表性土壤的滲透系數(shù)0.93×10-3～7.82×10-6cm/s。土壤類型為暗黃棕壤土、暗棕壤土和黃壤亞類土，土壤層普遍較薄，尼洋河和雅魯藏布江干支流河道的山前階地的土壤最大土壤厚度僅為50cm，林芝站所在地區(qū)的土壤滲透系數(shù)取5.79×10-4cm/s，屬于水文土壤組A類。林芝降雨量的分布極不均勻，變化大，年降雨量688mm左右，主要集中在4月到10月。最大月降雨量集中在7月，約為133.9mm，是最小降雨月12月（1.4mm）的95倍，占全年降水量19.5%。林芝地區(qū)年均蒸發(fā)量為1794.1mm。根據(jù)林芝站初步設(shè)計方案，劃定本項目研究區(qū)域，綠地率7%，建筑密度15%，根據(jù)研究區(qū)域各下墊面參數(shù)計算出林芝站的復(fù)合徑流系數(shù)為0.8。

（二）情景模擬分析

SWC內(nèi)嵌雨水管理模型SWMM5的計算引擎，它能在長時間的歷史降雨期間，根據(jù)不同的土地開發(fā)與控制方案，模擬場地產(chǎn)生的雨水徑流量。模擬選擇與西藏林芝地區(qū)水文參數(shù)相近的城市數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬研究，經(jīng)分析選擇位于美國南達(dá)科他州的利德（LEAD）作為對照城市，進(jìn)行年徑流總量的模擬。（表1）

BASELINE基準(zhǔn)情景：場地未采用綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施（LID）時的情景模擬，SWC內(nèi)嵌的SWMM將道路、屋頂、停車場、步行路等歸為不透水區(qū)域，將森林、草甸、草地與沙漠劃定為透水區(qū)。根據(jù)林芝站的設(shè)計現(xiàn)狀，模擬區(qū)透水比例為7%，不透水為93%，模擬顯示，該地區(qū)年徑流總量控制率為25%。情景2：根據(jù)林芝站初步設(shè)計現(xiàn)狀，提出將不透水區(qū)域中的停車場、人行道、附屬部分用地、站前廣場的部分場地下墊面改為滲透鋪裝設(shè)施，占整個模擬區(qū)域不透水面積的12%。通過情景2的模擬，年徑流總量控制率為34%，僅比基準(zhǔn)情景提高了9%，而年徑流總量控制率尚未達(dá)到要求。情景3：在情景2的基礎(chǔ)上，將模擬區(qū)域的綠地全部改為下沉式綠地，整個模擬區(qū)域不透水面積的7%，滲透鋪裝12%不變，年徑流總量控制率為50%，與情景2相比，年徑流總量控制率增加16%。情景4：根據(jù)情景1-3的模擬表明，林芝站在綠地率7%的情況下，將場地增加滲透鋪裝與下沉式綠地的基礎(chǔ)上，仍然無法滿足年徑流控制率的要求。因此，將場地不透水區(qū)增加3%的生態(tài)樹池設(shè)施，同時12%的滲透鋪裝保持不變，再次應(yīng)用SWC進(jìn)行模擬分析，情景4的年徑流總量控制在57%，基本達(dá)到綠建標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 SWC情景模擬分析

研究結(jié)論表明，林芝鐵路站在未進(jìn)行綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施之前，尚未達(dá)到年徑流總量控制率在55%～70%的標(biāo)準(zhǔn)要求，在現(xiàn)有的綠化率7%基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)行雨水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計來達(dá)到相應(yīng)綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)情景4，將不透水區(qū)域中的停車場、人行道、附屬部分用地、站前廣場部分場地下墊面改為滲透鋪裝設(shè)施，同時將綠地改為下沉式綠地，增加生態(tài)樹池，年徑流控制率可提高為57%，基本能夠滿足綠建標(biāo)準(zhǔn)要求。

四、雨水基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計措施

根據(jù)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集（海綿城市建設(shè)系列）15J012-1、15MR105中的措施建議，并結(jié)合高寒地區(qū)的氣候與環(huán)境特性，高寒地區(qū)鐵路站房廣場的綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計措施宜采用滲透鋪裝、下沉式綠地、生物過濾池、植草溝與生態(tài)樹池等小型、分散式雨水基礎(chǔ)設(shè)施來消減雨水徑流，創(chuàng)造優(yōu)美的景觀環(huán)境。

（一）滲透鋪裝

高寒地區(qū)鐵路站房廣場的重要道路應(yīng)設(shè)置內(nèi)部排水系統(tǒng)，在人行路、廣場中承載力要求不高的人行活動空間可采用透水磚路面，停車場路面可采用高承載植草磚，道路兩側(cè)應(yīng)有植草溝或生態(tài)邊溝進(jìn)行雨水傳輸與下滲。滲透鋪裝需要注意提高承載力與減少凍融破壞的問題，可應(yīng)用耐磨、抗壓與抗凍融的滲透鋪裝，來解決高寒地區(qū)的凍融問題。滲透鋪裝需要定期對其表面和周邊區(qū)域進(jìn)行維護(hù)，以防止沖刷產(chǎn)生的沉淀物沉積在滲透表面。針對高寒地區(qū)氣候特點，人行道推薦方形結(jié)構(gòu)縫隙透水鋪裝，其抗凍性、耐磨性與抗壓性好，造價低。有地下空間的區(qū)域應(yīng)用透水鋪裝需增加排（蓄）水層和地下室頂板保護(hù)層。林芝地區(qū)地下水位較高，基層材料可考慮300厚級配碎、礫石墊層，以防止凍漲問題。

（二）下沉式綠地

下沉式綠地是淺層洼地，充滿草或其他自然植被，其主要功能為捕獲相鄰區(qū)域的雨水徑流并使其滲透到土壤中。高寒地區(qū)鐵路站房廣場環(huán)境，土壤滲透性好、地下水位偏高，應(yīng)盡量采用下沉式綠地，下沉式綠地面積應(yīng)至少大于等于場地綠地面積的50%，下凹深度h1為100～200mm，蓄水池h2為200～300mm，同時地下水位應(yīng)與下沉式綠地保持H＞1m距離，與建筑周邊保持A＞3m的距離，如果未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)增設(shè)施防滲層措施。下沉式綠地需要設(shè)置雨水溢流口，溢流口應(yīng)高于綠地50～100mm，雨水徑流應(yīng)分散式排入下沉式綠地中（圖2）。同時，下沉式綠地可結(jié)合微地形，營造多樣化的生態(tài)景觀環(huán)境。根據(jù)林芝地區(qū)植被種類與特點，下沉式綠地的植被應(yīng)選擇高寒地區(qū)抗寒、耐淹與耐污的品種。

（三）生物過濾池

高寒地區(qū)鐵路站房廣場綠地、停車場及站場道路系統(tǒng)中增設(shè)生物滯留池設(shè)施，可有效地促進(jìn)雨水徑流下滲、過濾與凈化。不僅可以提供額外的生態(tài)系統(tǒng)效益，如創(chuàng)造野生動物生境、改善空氣質(zhì)量及環(huán)境溫度，還能改善景觀環(huán)境。如圖3，根據(jù)高寒地區(qū)特點，可采用復(fù)雜型生物過濾池設(shè)施，每個功能組件都可以達(dá)到對污染物的去除和雨水徑流的下滲及衰減作用。這種生物處理過程利用植物和微生物捕獲、降解和消除雨水徑流、土壤以及空氣中的污染物。需注意停車場生物過濾池的寬度宜大于2米。生物過濾池的總面積應(yīng)為集水區(qū)面積的5%～10%。

（四）植草溝

植草溝是有地表種植的淺層溝渠，可銜接其他雨水基礎(chǔ)設(shè)施、雨水管渠與超標(biāo)雨水排放設(shè)施，具有雨水下滲、收集、傳輸、排放與凈化的功能。高寒地區(qū)鐵路站房室外空間可在道路、廣場、停車場等的周邊設(shè)置植草溝，具有建設(shè)與維護(hù)費用低的特點。根據(jù)林芝站降雨特征與站房現(xiàn)狀條件，可選擇干式植草溝來有效傳輸、凈化與排放雨水。如圖4，干式植草溝頂部寬度B可取1.0～2.0m，深度H可取150～1350mm，長度適宜大于30m，邊坡（垂直∶水平）≤1∶3，滯水層h150～300mm，種植土層h2100～250mm，排水層h5200～300mm，植草溝的綠植高度應(yīng)在100～200mm以內(nèi)。

（五）生態(tài)樹池

圖4 干式植草溝

圖5 凈化型生態(tài)樹池

生態(tài)樹池屬于生物滯留池的類型，與其作用原理相似，在滿足行道樹功能基礎(chǔ)上，可起到雨水下滲、滯留與凈化的作用。高寒地區(qū)鐵路站房廣場樹陣與行道樹可采用凈化型生態(tài)樹池（圖5），增強(qiáng)其調(diào)蓄與凈化功能。凈化型生態(tài)樹池的礫石蓄水層可取200～300mm，能夠?qū)τ晁鸬綔糇饔?；土壤層與填料層一般取1500mm；砂層可以有效防止植物根系堵塞；覆蓋層可采用格柵網(wǎng)或卵石、植被等材料，保護(hù)地表土壤。

五、結(jié)論

當(dāng)前在高寒地區(qū)鐵路站房廣場建設(shè)中結(jié)合海綿城市理念，進(jìn)行綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，具有理論價值與現(xiàn)實意義。根據(jù)GB/T50378-2019綠建標(biāo)準(zhǔn)與海綿城市建設(shè)指南中的要求，結(jié)合高寒地區(qū)高海拔、寒冷地區(qū)的氣候特性，高寒地區(qū)鐵路站房廣場在進(jìn)行雨水專項規(guī)劃設(shè)計時，需合理規(guī)劃地表與屋頂雨水徑流，滿足55%～70%的年徑流總量控制率，采取適宜的綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施。以林芝站為例，應(yīng)用SWC雨水模擬軟件對鐵路站房廣場雨水管理現(xiàn)狀進(jìn)行模擬分析，提出滿足年徑流總量控制率的措施方案；同時提出高寒地區(qū)鐵路站房廣場的綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計措施宜采用滲透鋪裝、下沉式綠地、生物過濾池、植草溝與生態(tài)樹池等小型、分散式雨水基礎(chǔ)設(shè)施來消減雨水徑流。未來依據(jù)高寒地區(qū)特有的自然條件，在高寒地區(qū)鐵路工程建設(shè)中，應(yīng)科學(xué)考慮海綿城市的建設(shè)理念，可從宏觀視角構(gòu)建高寒地區(qū)鐵路工程生態(tài)安全格局、中觀視角落實綠色建筑節(jié)水要求與海綿城市的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、微觀層面強(qiáng)調(diào)綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施的精細(xì)化設(shè)計。同時，采用綠色生態(tài)的節(jié)水途徑及雨水處理方法還需要做深入研究。