淺談“海綿城市”在項目中的設計應用

劉彩虹

江蘇省建筑設計研究院蘇州分院 江蘇蘇州 215128

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設應統籌低影響開發雨水系統、城市雨水管渠系統及超標雨水徑流排放系統[1]：通過低影響開發雨水系統對雨水進行滲透、儲存、調節、轉輸與截污凈化，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共同組織徑流雨水的收集、轉輸與排放，超標雨水則可通過雨水管渠排入自然水體或雨水調蓄池中。

“海綿城市”理念應用在項目上主要是以年徑流總量控制率和年SS總量去除率為項目設計目標，通過設計低影響開發設施（如透水鋪裝、植草溝、生物滯留池、下凹式綠地等），并與地塊內雨水管網有效鏈接起來，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”理念在項目中的應用體現。并根據項目實踐，對海綿專項設計中存在的幾點問題進行探討。

研究區概況：

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氣候區，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特征，且目前頻現極端氣候。統計全年暴雨日數（日降水量≥50毫米）平均為2.9天，以6～8月出現次數最多。極易產生雨洪災害。加之建成區面積不斷擴大，現狀雨水管網覆蓋不足且設計標準明顯偏低，已無法滿足排澇要求，內澇風險持續攀升。

周市高中位于昆山市周市鎮，占地面積約78909.42平方米，預計建筑面積約7.6萬平方米，其中地下7354平方米，地上62646平方米。規劃設置為16軌48班普通高級中學，可分為教學區、運動區、辦公區、生活區、休閑綠化區等。學?？偲矫鎴D如下圖1所示：

圖1 學校總平面圖

控制目標：

根據《昆山市海綿城市規劃設計導則》，本項目需要控制的指標為：年徑流總量控制率≥85%(34mm/d)、年SS總量去除率≥70%。

海綿設施布局：

1 匯水區劃分

項目豎向是劃分海綿匯水分區的首要因素，利用勘探院提供的CAD地形圖，核實標高后選取地塊內所有局部高點并標注出來；建筑屋面脊線也是海綿分區的分水嶺，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注出來；再結合道路的縱橫坡及起到阻水作用的小區圍墻、路沿石、可阻水的擋墻、截水溝、車輛減速帶等設施的位置，并與之前標注的點和線連接形成封閉的匯水分區線。根據分區依據，將周市高中分為36個匯水區，如下圖2所示。

圖2 匯水分區圖

2 各匯水分區設計調蓄容積計算

根據地塊的規劃設計，同時配合景觀效果，項目初步采用生態滯留池和下凹綠地作為海綿調蓄設施，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滯留池，溢流雨水則通過溢流口溢流至地塊雨水管網中，整個系統流程如下：

根據《昆山市海綿城市規劃設計導則》5.3條，采用容積法計算各匯水分區的設計調蓄容積，計算公式如下：

V=10H·Ψ·F

式中：

V—設計調蓄容積或需蓄水容積（立方米）；

H—設計降雨量（毫米）；

Ψ—年均或場均綜合雨量徑流系數；

F—匯水面積（公頃）。

其中綜合雨量徑流系數Ψ需根據下墊面組成及面積分布采用加權平均法計算，即：

式中：

Ψ—地塊綜合雨量徑流系數

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

3 初步確定低影響開發設施規模

根據匯水分區，結合項目周邊用地性質、水域面積率、綠地率等條件，綜合確定低影響開發設施的類型、規模與布局，初步選取適宜當地條件的低影響開發技術和設施，主要包括透水鋪裝、生態滯留池、下凹式綠地、生態樹池、轉輸植草溝等，其中生態滯留池和下凹綠地作為調蓄池主要起著控制地塊內徑流總量的作用。根據各匯水分區計算所得的設計調蓄容積，初步計算出各分區低影響開發設施的規模[2]。

a.生態滯留池的計算

生態滯留池使用體積法計算單位面積調蓄容積。由于生態滯留池屬于滲透功能的設施，根據《昆山市海綿城市規劃設計導則》第5.3條，滲透功能設施規模計算公式為：

Vs=V單-Wp

式中Vs——滲透設施的有效調蓄容積，包括設施頂部和結構內部蓄水空間的容積，m3；

V單——滲透設施進水量，m3；

Wp——滲透量，m3。

即V單=Vs+Wp

其中，Vs=滯留層體積+滲透層結構內部空隙體積

Wp=KJAsTs

式中：K——土壤（滲透層）滲透系數，100mm/h；

J——水力坡降，一般可取J=1；

As——有效滲透面積，1m2；

Ts——滲透時間，h，指降雨過程中設施的滲透歷時，一般可取2h。

根據以上生態滯留池調蓄容積計算，可得出單位面積生物滯留池調蓄容積V單，最后根據公式S分區=V分區/V單，可計算出各海綿分區生物滯留池規模。

b.下凹綠地的計算

下凹式綠地屬于可調蓄的設施，不考慮綠地的下滲，設施規模計算公式：

V單=h

式中V單——單位面積下凹綠地的有效調蓄容積，m3；

h——下凹綠地的可調蓄深度，m ；

然后根據公式S分區=V分區/V單，可計算出各海綿分區下凹綠地的規模。

4 初步確定個匯水分區海綿設施布局

根據地塊內各分區下墊面的平面布局，結合景觀設計合理布置海綿設施，使其盡可能達到海綿設施設計規模。海綿平面布局如圖3所示：

圖3 海綿布局圖

a. 實際綜合年徑流總量控制率的計算

根據各分區下墊面布局及海綿設施實際規模，采用容積法計算出各分區綜合雨量徑流系數和實際降雨量，對照統計分析法計算出的年徑流總量控制率與設計降雨量的關系，確定各分區低影響開發雨水系統的實際年徑流總量控制率。

地塊實際綜合年徑流總量控制率則可按下式計算：

式中：

Φ總—地塊實際綜合年徑流總量控制率

Φ分—匯水分區實際年徑流總量控制率

Ψ分—匯水分區雨量徑流系數

F分—匯水分區匯流面積

b.實際綜合SS去除率的計算

根據各分區海綿設施的規模及平面徑流組織情況，計算出各海綿設施的匯水面積。各分區海綿設施平均SS去除率可按下式計算：

式中：

γ平均—匯水分區海綿設施平均SS去除率

γ設施—海綿設施徑流污染去除率

F匯—分區內海綿設施匯水面積

各匯水分區實際SS去除率則為各分區海綿設施平均SS去除率γ平均與各分區實際年徑流總量控制率Φ分的乘積，即：

式中：

γ分—各分區實際SS去除率

γ平均—匯水分區海綿設施平均SS去除率

Φ分—匯水分區實際年徑流總量控制率

各分區實際SS去除率經各分區匯水面積與各分區綜合雨量徑流系數的乘積加權平均，即為地塊實際綜合SS去除率，即：

式中：

γ總—地塊實際綜合SS去除率

γ分—各分區實際SS去除率

F分—分區匯水面積

Ψ分—各分區綜合雨量徑流系數

以下是該項目各匯水分區海綿各項指標計算結果：

表1 海綿計算表

從上表可以看出地塊實際綜合年徑流總量控制率為≥85%，實際綜合SS去除率為≥70%，達到設計目標。此處需要指出的是，如果實際綜合年徑流總量控制率或實際綜合SS去除率沒有達標，則需重新調整各匯水分區海綿設施布局，反復計算，直至控制指標滿足要求。

“海綿城市”在項目設計中存在的問題：

以上就是“海綿城市”在項目中的具體設計過程，目前 “海綿城市”理念雖然已廣泛應用于項目中，但在實際應用中，也存在許多細節問題。在這里，筆者結合以往項目經驗，總結出以下幾點問題：

a.由于處于“海綿城市”開發應用早期，沒有一個統一的設計標準，低影響開發雨水設施地方圖集不全。筆者接觸較多的主要是蘇州和昆山的項目，就昆山項目而言，地方圖集相當匱乏，導致設施詳圖不夠精準[3]。

b.當項目地塊內設有雨水回收池時，雨水回收池是否兼做海綿調蓄設施使用？筆者參考過好幾個已建成的海綿城市項目，都設有雨水回收池，并只用于雨水回收。但以上述周市高中項目為例，我們分析整個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給地下水，另一部分則通過地表徑流或植草溝或明溝轉輸至生態滯留池中，溢流雨水則通過溢流口溢流至地塊雨水管網中，并最終進入雨水回收池?？上攵?，雨水回收池對地塊內部分徑流雨水也具有調蓄作用，因此海面積算時，有必要將雨水回收池作為調蓄池來計算。

c.上述講到雨水回收池可作為調蓄池來計算，但在實際設計中，回收池一般設在地塊內雨水管網末端，而在海綿計算中由于各匯水分區的溢流雨水最終都會流進回收池中，也就是說回收池對有溢流雨水的分區都具有調蓄作用，那怎樣將雨水回收池中的調蓄容積分別計算到各個分區中去呢？筆者認為可以按如下方法計算：當根據景觀布局確定了各分區海綿設施規模時，分別計算各分區實際海綿設施調蓄容積，當實際調蓄容積沒有達到設計調蓄容積時（即有溢流雨水排出），則將兩者之差作為該分區雨水回收池的實際調蓄容積。

d.各分區海綿設施需要設計溢流口，以往設計中，在溢流口計算時采用的匯水面積都是按整個分區的匯水面積計算，并將計算所得的溢流口個數平均分配到分區中各海綿設施中。筆者認為這樣并不合理，溢流口計算可分為以下兩種情況：（1）當匯水分區中只有一個海綿調蓄設施時，溢流口計算中采用的匯水面積可按整個分區匯水面積計算；（2）當匯水分區中有兩個以上海綿調蓄設施時，筆者認為在溢流口計算時，其匯水面積則應按各海綿設施對應的匯水面積計算，這樣，各海綿設施的溢流口個數更為精確。

5 結語

“海綿城市”理念應用于城市建設可有效緩解城市內澇、削減城市徑流污染負荷、節約水資源、保護和改善城市生態環境。雖然“海綿城市”在項目設計應用中存在諸多細節問題，但隨著海綿設計的不斷完善以及城市建設的不斷發展，建設具有自然積存、自然滲透、自然凈化功能的海綿城市已成為一種趨勢。