基于低影響開發(fā)理念的雨水控制設(shè)計(jì)計(jì)算

葛凌文

(上海寶鋼建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 201900)

近幾十年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程也加速推進(jìn)。高速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致雨水匯流時(shí)間縮短、峰值流量增大，內(nèi)澇災(zāi)害頻現(xiàn)；部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的地下水位降低，水資源緊缺；地表徑流污染嚴(yán)重，面源控制艱難，水環(huán)境惡化。為了改善水資源環(huán)境，國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知》(國(guó)辦發(fā)【2013】23號(hào))，明確提出用“10年左右的時(shí)間，建成較為完善的城市防澇工程體系”。《昆山市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》也指出，到2030年，建成區(qū)80%以上面積達(dá)到海綿城市的建設(shè)目標(biāo)。大力推進(jìn)“海綿城市”建設(shè)是目前解決水資源短缺、修復(fù)生態(tài)環(huán)境的重要舉措，尤其是在新建項(xiàng)目中大力實(shí)施形而有效的人工干預(yù)措施。在響應(yīng)國(guó)家號(hào)召的同時(shí)，更應(yīng)當(dāng)樹立節(jié)約水資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境觀念，使城市建設(shè)和自然環(huán)境和諧融洽。

1 工程概況

昆山市地處江蘇省東南部，屬北亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬冷夏熱，光照充足，雨水充沛，雨熱同期，無(wú)霜期長(zhǎng)。年平均氣溫為16.1 ℃，降雨量為1 133.3 mm，平均降水日數(shù)為124 d，日照時(shí)數(shù)為1 974.8 h，日照百分率為45%，相對(duì)濕度為79%。

某電影文化綜合體項(xiàng)目位于昆山市，項(xiàng)目總占地面積為42 683 m2，總建筑面積為106 402.8 m2。由四棟地面一類高層建筑、兩棟多層商業(yè)建筑及地下車庫(kù)、人防工程組成，部分建筑由室外連廊連為整體。主要建筑功能為商業(yè)、辦公、辦公配套及地下車庫(kù)。地塊北面有一條綠地新開河，內(nèi)河控制水位為1.267 m；東面緊靠市政馬路，道路兩側(cè)各有一根DN800的雨水管，并在紅線外預(yù)留一個(gè)DN600接口，井蓋高程為3.13 m，管底高程為0.83 m。

隨著昆山市建成區(qū)人口急劇增長(zhǎng)、氣候變化、水體污染、極端天氣等原因，水資源環(huán)境問(wèn)題也制約了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加之本項(xiàng)目作為影視博覽配套的地標(biāo)性建筑，建成后會(huì)大量吸引游客前往。整個(gè)項(xiàng)目地塊的綠地率僅20.31%，遠(yuǎn)低于《江蘇省綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DGJ 32/J173—2014)第5.4.9條要求的30%。《昆山市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》要求年徑流總量控制率為55%，年SS總量去除率為52%～68%。為了打造符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略且舒適宜居的環(huán)境，本項(xiàng)目道路、廣場(chǎng)采用透水鋪裝地面，并采用屋頂綠化、下凹式綠地作為雨水調(diào)蓄控制措施，結(jié)合生態(tài)雨水收集回收利用一體化裝置回收雨水，作為中水水源。最終使該項(xiàng)目達(dá)到綠色建筑設(shè)計(jì)二星標(biāo)準(zhǔn)。圖1為項(xiàng)目總平面圖。

2 雨水控制技術(shù)在本項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 透水地面鋪裝

隨著“海綿城市”理念的出現(xiàn)，且硬化路面使得城市內(nèi)澇和熱島效應(yīng)加劇，加之產(chǎn)品的不斷研發(fā)改進(jìn)和材料更迭，越來(lái)越多的透水路面開始大量應(yīng)用到城市建設(shè)中去。

透水鋪裝從結(jié)構(gòu)上可大致分為面層、找平層、基層、墊層和土基層。對(duì)于不同交通荷載形式，可根據(jù)結(jié)構(gòu)層本身的透水性狀和滲透情況選擇不同透水程度的路面形式。透水路面的面層材料一般為透水瀝青混凝土、透水水泥混凝土、各種形式的透水面磚；基層的形式一般為各種碎石基層、多孔水泥穩(wěn)定碎石基層等透水材料基層，墊層多采用砂墊層。找平層主要起到過(guò)渡面層和基層頂面的作用，既能填平基層頂面孔隙，又能過(guò)濾下滲雨水的雜質(zhì)[1]。土基層是整個(gè)鋪裝結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵層，作為最底層，它的下滲能力直接影響整個(gè)透水鋪裝的下滲效果。透水鋪裝的優(yōu)點(diǎn)顯著，除了排水性和抗滑性良好，還具有一定的降噪性和降溫性。

本項(xiàng)目根據(jù)道路荷載要求的不同，消防道路、一般行車道的面層采用透水混凝土而基層采用半透水鋪裝結(jié)構(gòu)；人行步道或活動(dòng)場(chǎng)地采用全透水鋪裝，面層的主要材料采用花崗巖來(lái)提升項(xiàng)目的整體品質(zhì)。地面機(jī)動(dòng)車位采用植草磚面層；非機(jī)動(dòng)車位采用彩色連鎖磚鋪裝；廣場(chǎng)采用卵石、碎石鋪裝，屋頂綠化則采用再生透水木屑作為基層鋪裝。

2.2 屋頂綠化

城市屋頂綠化作為一種特殊的人工綠地，已成為現(xiàn)代城市綠化體系的重要組成部分。在屋頂種植綠化提高了綠化容積率、節(jié)省了用地面積，且與屋面雨水直接排入雨水管網(wǎng)相比既灌溉了綠化，又減輕了短時(shí)間內(nèi)雨水管網(wǎng)的排水壓力。本項(xiàng)目在3-3 A、B兩棟樓的屋頂種植綠化。兩棟樓的屋面匯水面積分別為2 100 m2和2 050 m2，為了不過(guò)多增加屋面的荷載，按20%種植綠化，共計(jì)增加綠化面積830 m2。屋頂綠化的形式主要采用花園式，結(jié)合景觀設(shè)計(jì)，種植抗風(fēng)力強(qiáng)的花灌木、小喬木、球根花卉和多年生花卉。屋頂和種植土之間需要敷設(shè)專用排水板，雨水通過(guò)管道收集后排入埋地雨水管網(wǎng)。

2.3 下凹式綠地

圖2 微生態(tài)雨水處理一體機(jī)工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Integrated Micro-Ecological Rainwater Treatment Equipment

下凹式綠地，顧名思義是一種比周圍路面低的公共綠地，亦稱低勢(shì)綠地。不同于傳統(tǒng)綠地或花壇，它具有能補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)徑流和滯洪以及削減徑流污染物的作用。充分利用下凹空間來(lái)蓄集下滲雨水、削減洪峰流量、減輕地表徑流污染，可有效增加雨水下滲時(shí)間，是一種綠地雨水調(diào)蓄技術(shù)。綠地本身就是市政或小區(qū)建設(shè)不可或缺的重要環(huán)節(jié)，其價(jià)格低廉的特點(diǎn)使其從眾多雨水調(diào)蓄技術(shù)手段中脫穎而出[2]。

下凹式綠地的深度通常不大于150 mm，高差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致積水比過(guò)深。根據(jù)圖1，本項(xiàng)目為滿鋪型地下室，頂板占總面積的78.7%，地上綠化的覆土深度具有較大局限性。故本項(xiàng)目挑選了3-3號(hào)樓商業(yè)南側(cè)兩塊綠地，面積共計(jì)1 451 m2，下凹綠地設(shè)計(jì)深度為100 mm，以綠地中心為制高點(diǎn)向四周放坡，邊緣與道路齊平。設(shè)置的形式靈活且多樣化，以遵從景觀設(shè)計(jì)為主。綠地中的雨水口能就近接入室外雨水管網(wǎng)，以確保低洼積水可在短時(shí)間內(nèi)溢流排走。設(shè)計(jì)中除了考慮溢流外，綠地積水也可以通過(guò)滲透排水來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4 微生態(tài)雨水處理回用一體機(jī)

除了使用上述3種雨水控制技術(shù)，項(xiàng)目中還需收集部分雨水來(lái)作為澆灑綠地、沖洗地坪的中水水源。考慮到用地的限制和回收處理的效果、成本，選用微生態(tài)雨水處理一體機(jī)作為本項(xiàng)目的雨水回收處理設(shè)施。微生態(tài)濾床技術(shù)是原水在流經(jīng)該系統(tǒng)時(shí)，各種污染物在微生物轉(zhuǎn)化、細(xì)菌分解、氧化、還原、吸收、揮發(fā)、蒸騰和沉淀等多重作用下發(fā)生分離或降解[3]。整個(gè)過(guò)程綜合了好氧、兼氧、厭氧三種反應(yīng)。除了對(duì)BOD5、COD、SS有良好的去除效果，對(duì)氮、磷和不溶性有機(jī)物也有一定的去除率。

如圖2所示，微生態(tài)濾床的形狀、位置可配合景觀設(shè)計(jì)，根據(jù)項(xiàng)目情況酌情定制，可做成濾床、蓄水池、清水池、水泵一體化埋地設(shè)備。表面種植多年生水生植物，也會(huì)配置部分耐寒景觀植物。微生態(tài)濾床處理主要是依靠微生物，并不是靠植物吸收，因此，冬季植物收割后不會(huì)影響處理效果。該系統(tǒng)的處理量為20 t/d，雨水蓄水池的有效容積為280 m3，清水池有效容積為23 m3。處理后的水質(zhì)可達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18920—2002)回用水標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)備設(shè)置在地塊的東側(cè)靠近市政雨水管網(wǎng)的接口，初期溢流的雨水可就近排入市政管網(wǎng)。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 匯水面積的劃分

本項(xiàng)目的排水體制為雨、污分流，雨水干管沿主干道自西向東排水，主要分布在南北兩側(cè)綠化帶內(nèi)。市政雨水管網(wǎng)位于地塊東側(cè)市政道路上，接口為DN600；另外，雨水可排入地塊外的景觀河道內(nèi)，內(nèi)河控制水位為1.267 m，初步計(jì)算排出口管底標(biāo)高為2.24 m。擬將場(chǎng)地規(guī)劃為兩個(gè)匯水面積，設(shè)計(jì)兩路雨水分別排入河道和市政管網(wǎng)。匯水面積劃分如圖3所示。

圖3 匯水面積劃分Fig.3 Division of Catchment Area

3.2 室外場(chǎng)地雨水排水計(jì)算

根據(jù)昆山市暴雨強(qiáng)度公式(出自蘇府[2011]250 號(hào)文)計(jì)算，如式(1)。

(1)

其中：P——重現(xiàn)期，3 a；

t——集流時(shí)間，10 min；

q——暴雨強(qiáng)度，3.40 L/(s·100 m2)。

排入河道的總匯水面積F總=21 334 m2。其中，F(xiàn)屋面=8 994 m2，F(xiàn)瀝青道路=3 420 m2，F(xiàn)綠化=4 920 m2，F(xiàn)廣場(chǎng)=4 000 m2，故場(chǎng)地綜合徑流系數(shù)φ=0.671。

雨水設(shè)計(jì)流量Q河道=0.627×213.34×3.40=487 L/s。

排入市政管網(wǎng)的總匯水面積F總=21 390 m2。其中，F(xiàn)屋面=7 070 m2，F(xiàn)瀝青道路=4 300 m2，F(xiàn)綠化=2 920 m2，F(xiàn)屋頂綠化=830 m2，F(xiàn)廣場(chǎng)=6 270 m2，故場(chǎng)地綜合徑流系數(shù)φ=0.598。

雨水設(shè)計(jì)流量Q市政=0.598×213.90×3.40=435 L/s。

取流速為1.2 m/s，分兩路排出雨水，d=0.523 m。

校核：選擇HDPE管，n=0.009、I=0.002、管徑為DN600的HDPE排出管2根，每路可排出雨水460 L/s，共可排出920 L/s，水流速度為1.695 m/s。

3.3 雨水調(diào)蓄及回用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)《江蘇省綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DGJ32/J 173—2014)第9.4.6條“年徑流總量控制率不宜低于55%”。本項(xiàng)目的綠地率僅20.31%，遠(yuǎn)低于第5.4.9條要求的30%。故本項(xiàng)目廣場(chǎng)地面采用透水鋪裝地面、屋頂綠化、下凹式綠地、生態(tài)雨水收集回收利用裝置，以確保能達(dá)到年徑流總量控制率的要求，即設(shè)計(jì)控制雨量為11.5 mm。雨水收集處理的水量為20 t/d，回用水水質(zhì)常年達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2002)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，回用于綠化澆灑。

建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)設(shè)計(jì)降雨控制量V1=11.5×42 683/1 000=491 m3。

實(shí)際場(chǎng)地綜合徑流系數(shù)φ=0.598。

入滲實(shí)現(xiàn)的降雨控制量V2=491×(1-0.598)=198 m3。

需通過(guò)其他措施實(shí)現(xiàn)的降雨控制量V3=491-198=293 m3。

排入市政雨水的匯水面積中綠地面積為2 920 m2，其中1 438 m2可形成下凹式綠地，綠地標(biāo)高低于周邊地面標(biāo)高10 cm，下凹式綠地可受納容積V4=1438×0.1=143 m3。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)(2014年版)第4.14.4 A條公式，分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制時(shí)雨水調(diào)蓄容積的計(jì)算如式(2)。

V5=1 000DFΨβ=1 000×11.5×2.139

×0.598 ×1.1=27 100 m3

(2)

其中：D——調(diào)蓄量，mm，按降雨量計(jì)，可取4～8 mm；

β——安全系數(shù)，可取1.1～1.5；

F——匯水面積，km2;

Ψ——徑流系數(shù)。

計(jì)算得，設(shè)計(jì)降雨量為1 000×(V2+V4+V5)/F=14.3 mm>11.5 mm，達(dá)到55%的年徑流總量控制率，可滿足設(shè)計(jì)要求。

4 效益分析

該項(xiàng)目通過(guò)運(yùn)用透水路面鋪裝、屋頂綠化、下凹綠地和微生態(tài)雨水處理回用一體機(jī)等技術(shù)從環(huán)境效益上緩解了內(nèi)河水位和城市雨水管網(wǎng)的壓力，降低了局部熱島效應(yīng)，改善了居住環(huán)境。從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)說(shuō)，回收利用后的雨水作為綠化、道路澆灑不僅節(jié)約了水資源還省下了自來(lái)水費(fèi)。每年的回用水用量為7 887 t，按自來(lái)水費(fèi)3.1元/t計(jì)費(fèi)，每年可節(jié)省約2.5萬(wàn)元。從社會(huì)效益上來(lái)分析，項(xiàng)目通過(guò)打造低影響開發(fā)的典范，全面提升了本地塊的硬件設(shè)施和社會(huì)影響力，為促進(jìn)海綿城市的大力發(fā)展充分發(fā)揮了宣傳教育和示范推廣的效應(yīng)。

5 結(jié)論

發(fā)展海綿城市，推行低影響開發(fā)的城市建設(shè)模式已經(jīng)刻不容緩。針對(duì)項(xiàng)目本身進(jìn)行精準(zhǔn)分析，因地制宜，采用各種高效的雨水控制利用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)年徑流總流控制率確實(shí)是行之有效的方法。在工程設(shè)計(jì)中，不僅僅是循規(guī)蹈矩地遵循國(guó)家頒布的法令、法規(guī)，更需要從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的角度出發(fā)，結(jié)合項(xiàng)目自身的條件去打造一個(gè)舒適、宜居的城市環(huán)境。當(dāng)然，在日后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)中也要做到持之以恒，才能真正呼應(yīng)低影響開發(fā)的核心思想。