建筑小區平屋頂雨水伸頂立管改進設計技術

羅勇 張甘林 康威

摘要：隨著世界經濟的發展和城市化進程的加快、不透水面積的增加，城市化發展過程中面臨的雨水徑流污染、洪澇災害、水資源匱乏等水環境問題日趨嚴重。基于低影響開發思想的雨水源頭控制理念，開發了一種建筑平屋頂雨水立管設計方法：以雨水立管與平屋頂的交界處為內環，澆筑底邊為2h、高為h的等腰三角形混凝土，混凝土沿內環澆筑一周，并在其頂部配置一定孔徑的截污網。以占地面積為6.39hm²的中國西部某綠色建筑小區為研究案例，對該設計方法進行了模擬研究，分別分析了環形混凝土高度、建筑小區下墊面、重現期三者對洪峰削減率和小區末端雨水管管徑的影響。結果表明，綠色建筑小區雨水立管采用本設計技術后，可實現削減洪峰和降低小區末端雨水管管徑的效果。洪峰削減率隨著環形混凝土高度的增加而增大，當環形混凝土高度增加至5cm時，洪峰削減率達到最大值36.98%，小區末端雨水管管徑減小值達到最大，為400mm;洪峰削減率隨著屋面面積比例的增加而增大，當屋面面積比例占30%時，洪峰削減率和小區末端雨水管管徑減小值分別達到最大，為47.16%和400mm;洪峰削減率隨重現期的增大而減小，當重現期為0.5a時，洪峰削減率達到最大值36.43%，而小區末端雨水管管徑減小值為200mm。

關鍵詞：綠色建筑;雨水;低影響開發;雨水立管;平屋頂

1 引言

雨水作為一種寶貴的資源，在城市水循環體系和流域水環境系統中發揮著重要的作用。傳統的雨洪管理方式是通過管渠系統收集后就近排入水體。然而，這又進一步加劇了生態環境的惡化。近20年來，一些發達國家關于雨洪控制與利用已形成比較成熟的理論與技術體系，并在實際工程中有廣泛的應用。例如“低影響開發”、“最佳管理措施”、“可持續城市排水系統”、“水敏感性城市設計”、“可持續基礎設施”等[1-4]。低影響開發，是上世紀90年代由美國暴雨管理專家推出的一種雨水管理模式。其原理是通過分散的、小規模的源頭控制與設計技術，模擬自然水文條件原理，采用源頭控制理念實現雨水控制與利用的一種雨水管理方法[5]。與傳統的雨洪控制比較，低影響開發涉及的技術措施更加廣泛，具體的技術方法有保護性設計、滲透、徑流蓄存、過濾、生物滯留、低影響景觀等[6]。目前低影響開發技術已被美國及一些歐洲國家廣泛采用，效果顯著，而在中國尚處于起步探索階段，未形成完善的理論和技術體系，國內絕大多數城市對待雨水的態度是把它當成一種廢水而簡單地排放。隨著中國城市化進程的不斷加快以及人口密度較大、土地資源緊張、水資源短缺現象嚴重等基本國情，低影響開發技術在我國具有廣泛的應用前景。目前，中國有少部分城市將低影響開發理念融入項目的規劃設計方案中[7]。

“調蓄”是城市雨洪控制利用系統中十分重要且廣泛應用的一類措施，包括雨水調節和儲蓄兩項內容。雨水調節主要是對重現期較大的暴雨事件進行調節、滯留或削減，它是指在暴雨期間暫時儲存雨水，在峰流量過后或雨停后緩慢排放，以削減洪峰流量、降低下游排水設施或洪澇災害。

綠色屋頂的洪峰削減效率受諸多因素的影響，如：屋面的種類、屋面剖度、降雨強度、植被類型、季節等，且綠色屋頂僅對降雨強度較小的雨水削減效果較好，因此僅依靠綠色屋頂還未能實現屋面雨水的充分控制，還需結合其他設計方法以達到對屋面雨水的有效控制。本文從實際案例出發，模擬研究了環形混凝土高度、小區下墊面、重現期三者對洪峰削減率的影響，為該設計方法的工程化應用提供科學依據。

2材料與方法

2.1設計步驟概況

建筑平屋頂雨水立管低影響開發設計方法主要包括兩個步驟：第一步，以建筑雨水立管與平屋頂的交界處為內環，澆筑底邊為2h，高為h的等腰三角形混凝土，等腰三角形混凝土沿內環澆筑一周;第二步，在澆筑的環形等腰三角形混凝土頂部配置一定孔徑的截污網。該設計方法應用后，降雨初期屋面可蓄積一定體積雨水，實現小區時間上的洪峰錯流，對降低區域洪峰流量和市政雨水管管徑具有重要作用。

2.2設計方法

建筑小區雨水立管低影響開發設計技術應用前后，小區雨水設計流量-降雨歷時對比示意圖見圖2。洪峰削減率和小區末端雨水管管徑減小值的計算方法如下：

第1步：計算本設計方法應用前，小區雨水設計流量Q;

根據雨水設計流量計算公式：Q=ΨFq，式中F為小區匯水面積，q為設計暴雨強度，q=，Ψ為小區平均徑流系數。T=t₁，t₁為當地的地面集水時間，是恒定參數。

第2步：根據混凝土高度h計算屋面雨水滯留時間T。根據公式：h=Ψ××，式中A₁、c、b為當地暴雨強度公式的地方參數，是恒定參數，P為設計暴雨重現期，t為降雨歷時，Ψ為屋面徑流系數，取0.9。

第3步：計算t₁+T時刻內，除屋面雨水徑流外的小區其它匯水面積參與徑流時的雨水設計流量Q₁。計算方法同第一步，此時匯水面積不包括屋面面積。

第4步：計算t₁+T時刻后屋面雨水參與徑流時的雨水設計流量Q₂。計算方法同第一步，此時暴雨強度公式中的t為t₁+T，面積為小區總匯水面積F。

第5步：比較Q₁和Q₂大小，取Q=MAX{Q₁，Q₂}，進而計算出?Q=Q-Q，洪峰流量削減率=?Q/Q。

第6步：通過水力計算結合小區地形圖，由Q和Q可計算出相應的小區末端雨水管管徑DN和DN。進而求出雨水管管徑減小值?DN=DN-DN。

3結果與討論

3.1中國西部某綠色建筑小區概況

以中國西部某綠色建筑小區為案例，對本設計技術的實際應用進行了模擬研究。綠色建筑小區的總用地面積為63900m²，總建筑面積約100678m²，包括有兩棟26層的高層以及41棟多層住宅。其中建筑用地13419m²，占21%;公共綠化用地17253m²占27%;水景面積為7029m²，占11%;道路用地5751 m²，占9%;硬質路面20448m²，占32%。建筑小區下墊面面積及平均徑流系數如表1所示。

3.2 環形混凝土高度對洪峰削減率的影響研究

當重現期為2a，屋面面積比例為21%時，研究了環形混凝土高度對小區洪峰流量削減率的影響，其結果如表2所示。環形混凝土高度對小區末端雨水管管徑的影響結果見圖3。環形混凝土高度分別取1cm、2cm、5cm、10cm、15cm、20cm六個不同值。

由表2可知，隨著環形混凝土高度的增加，屋面雨水的滯留時間逐漸增加，Q₂逐漸減小。當環形混凝土高度為1cm時，屋面雨水的滯留時間為4.83min，Q₂=854.42L/S;當環形混凝土高度增加至2cm時，屋面雨水的滯留時間增加至10.81min，Q₂=722.29L/S;當環形混凝土高度為5cm時，屋面雨水的滯留時間為37.58min，Q₂=446.31L/S;當環形混凝土高度為10cm時，屋面雨水的滯留時間為123.62min，Q₂=222.65L/S;當環形混凝土高度為15cm時，屋面雨水的滯留時間為289.32min，Q₂=124.61L/S;當環形混凝土高度增加至20cm時，屋面雨水滯留時間增加到574.93min，Q₂=76.08L/S。當環形混凝土高度從1cm增加至5cm，洪峰削減率逐漸增加，從15.62%增加至36.98%，當環形混凝土高度增加至5cm后，洪峰削減率保持不變，為36.98%。

可見，在暴雨重現期和屋面面積比例一定的情況下，屋面雨水的滯留時間和洪峰削減率隨著環形混凝土高度的增加而增加，但當環形混凝土高度增加至某一值后，洪峰削減率保持不變;小區末端雨水管管徑隨著環形混凝土高度的增加而減小，當環形混凝土高度增加至一定值后，小區末端雨水管管徑保持不變。由于環形混凝土高度增加至一定值后，屋面雨水的滯留時間較長，使得Q₂逐漸減小，小于屋面雨水參與小區徑流前的雨水設計流量Q₁，而小區的雨水設計流量Q取較大值Q₁，在屋面面積比例和重現期一定的情況下，Q₁不變，因此洪峰削減率和小區末端雨水管管徑保持不變。

4 結論

⑴綠色建筑小區平屋頂雨水立管低影響開發設計方法主要由兩個步驟構成：第一步，以建筑雨水立管與平屋頂的交界處為內環，澆筑底邊為2h，高為h的等腰三角形混凝土，等腰三角形混凝土沿內環澆筑一周;第二步，在澆筑的環形等腰三角形混凝土頂部配置一定孔徑的截污網。

⑵以占地面積為6.39hm²的中國西部某綠色建筑小區為案例，對本設計方法的應用進行了模擬研究。結果顯示，環形混凝土高度、建筑小區下墊面、重現期三者對洪峰削減率和小區末端雨水管管徑均有一定的影響。

參考文獻

[1]王建龍，車伍，易紅星. 基于低影響開發的城市雨洪控制與利用方法[J]. 中國給水排 水，2009，25（14）：6-9.

[2]車伍，呂放放，李俊奇，李海燕，王建龍.發達國家典型雨洪管理體系及啟示[J].中國給水排水，2009，25（20）：12-17.

[3]車伍，李俊奇.城市雨水利用技術與管理[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[4]董蕾，車伍，李海燕，等.我國部分城市的雨水利用規劃現狀及存在問題[J].中國給水排水，2007，23（22）：1-5.

[5]ChrisKloss. Green infrastructure for urban stormwater?management[A]. Low Impact Dev elopment for Urban Ecosystem and Habitat Protection[C]. Washington：Low Impact Development Center，2008.

[6]Michael E. Dietz. Low Impact Development Practices：A Review of Current Research and Recommendations for Future Directions. Water Air Soil Pollut（2007）186：351–363.

[7]車伍，周曉兵，李俊奇. 濕地景觀設計與雨洪管理[J]. 景觀設計學，2009，1（3）：18- 19.

作者簡介：羅勇：男，1979年4月生，高級工程師，中機中聯工程有限公司。

（作者單位：1.中機中聯工程有限公司;2.重慶大學 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室）