海綿化改造小區調蓄池優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為例

陳前虎， 周 明， 鄒澄昊， 張瀘少， 王賢萍

(1.浙江工業大學 設計與建筑學院， 浙江 杭州 310023； 2.嘉興規劃設計研究院， 浙江 嘉興 314000)

在中國當前如火如荼的海綿城市建設中，因普遍注重綠色海綿設施，如綠色屋頂、雨水花園、植草溝、過濾帶、下凹式綠地、透水鋪裝等。往往忽視布置一些不具有生態功能的蓄水設施，結果時常導致“海綿城市看海”現象。尤其是在老舊城區，普遍存在排水系統老化、排水設計重現期過低、翻建難度大、成本高等問題，在大雨或暴雨發生時，僅設置綠色海綿設施根本無法解決積水內澇問題，更喪失了大量雨水資源利用的機會。調蓄池作為一種灰色調蓄設施，具有高適用性與優越經濟性，自20世紀70年代以來，成為西方發達國家的各種雨洪管理技術中最常用的措施之一，已得到了廣泛應用。作為中國城市內澇防治系統的重要組成部分[1]，調蓄池在《室外排水規范》和住建部《海綿城市建設技術指南》等技術規范中也已提及，但實際建設較少，相關研究也因此很少。建筑小區作為城市最重要的功能區域，占據城區近70%的面積，是城市排水系統的源頭減排單元[2]，也是實現海綿建設目標的主要載體。對于建筑小區尺度的雨水徑流控制來說，調蓄池側重于較大規模降雨的集中、宏觀調控，一般綠色海綿設施則側重于調控中小降雨事件[3]。因此，要使老舊城區真正實現高效的雨水管理，探究調蓄池與綠色海綿設施之間科學合理的關系，從而形成灰綠協調、綜合布局的體系十分必要。

調蓄池對雨水徑流的控制效果與其布設位置、數量和容積息息相關。就調蓄池布局與雨水徑流控制的影響來說，國內外學者已經做了大量研究：Oxley等[4]在單個蓄水池和蓄水池系統中，以暴雨管理模型(storm water management model, SWMM)為水力學模型，優化蓄水池的尺寸、位置和出口結構等設施；Travis等[5]在優化滯留池系統時，以等流時線選擇滯留池潛在位置；Hong等[6]提出了小型調蓄池容積估算的簡化方法，并制作相應模型用于設計調蓄池；李爾等[7]以昆明市主城區東南片區排水系統為例，通過連續時序降雨量法計算了相應調蓄池容積；俞玨瑾[8]采用調蓄時間法計算了雨水調蓄池的有效容積。這些研究從宏觀和微觀兩個視角對調蓄池布局的具體技術和容積問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，在建筑小區中觀尺度上，如何科學合理地布局調蓄池？相關研究較少；已有的建筑小區調蓄池布局方案大多偏向于集中化設計，這往往容易導致工程量過大等問題。本文擬在前人研究的基礎上，從中觀視角，探索建筑小區最優積水節點控制數量選擇和相應的調蓄池合理布局等問題的解決方案。

基于此，本文選取國家首批海綿城市建設試點——浙江省嘉興市內部的典型老舊小區為研究對象，利用SWMM軟件建立排水系統數學模型，根據不同重現期輸入降雨條件，并以研究區雨水徑流目標控制為導向，探索解決平原河網地區的老舊城區暴雨內澇頻發、排水能力低下、雨水資源浪費等問題，以期為中觀尺度上的海綿城市建設和舊城排水系統改造規劃設計提供理論與技術依據。

1 研究區概況

研究區位于嘉興市典型的密集老舊城區，地處南湖南側，東臨海鹽塘、南至中環南路、西至海鹽塘路、北到煙雨路，隸屬市重點水敏感性保護區。老舊小區煙波苑建成于2000年前后，建筑總面積為5.6 hm2，內部以多層建筑為主且無天然景觀水體。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，月季分配呈現梅雨型和臺風型的雙峰型降水特征。研究區地表土層從上至下依次為填土層、粉質黏土層、淤泥質粉質黏土層，滲透系數約為100 mm/d。煙波苑于2016年4月進行海綿化改造，現已竣工并通過考核驗收。研究區內道路、停車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%。結合嘉興市城市規劃設計院提供的《海綿城市建設工程運行管理技術研究》以及海綿建成區現場調研資料表明，研究區內部雖已經過海綿化改造，但缺乏調蓄池，在較大降雨發生時，積水內澇隱患仍存，對管網排水壓力緩解作用微弱，徑流控制效果不佳。

2 基礎數據獲取與研究方法

2.1 基礎模型構建

本文基礎數據主要包括研究區現狀地形高程、現狀施工圖資料和實測水量等。具體包括嘉興市煙波苑海綿化改造工程建設方案，海綿化改造工程排水、道路、景觀工程施工圖，嘉興市雨量站監測數據，嘉興市雜用水標準，浙江省用水定額以及現場實測調研等數據。參考SWMM 用戶手冊和相關文獻[9-11]確定模型初始參數，并根據研究區2017年6場實測降雨數據、研究區監測水量數據、嘉興市海綿城市建成區養護調研數據進行率定與驗證(見表1)。

表1 嘉興市煙波苑小區SWMM模型設計參數

SWMM模型的核心組成模塊采用國內外常用函數模型，其中，滲透模型選用Horton模型，最大、最小入滲率和衰減系數分別為40 mm/h，4 mm/h和4 h，透水和不透水地表曼寧系數分別為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模型，水力模型則采用動態波模型，蓄水模塊使用封閉式矩形式調蓄池并采用Functional曲線模擬調蓄過程，調蓄池具體構造參照國家建筑標準設計圖集《雨水綜合利用》。結合研究區實地調研數據選擇下凹綠地、雨水花園、透水鋪裝3種海綿設施，各類海綿設施的設計參數見表2。

表2 各類海綿設施有效厚度設計參數

根據管網走向，建筑物、綠地和街道的分布，采用人工方式劃分子匯水區，并考慮實際雨水匯流及低影響開發雨水處理流程，確立子匯水區排水方向：①屋面→透水路面→下凹綠地/雨水花園→溢流排水節點→雨水管網；②主干道→下凹綠地/雨水花園→溢流排水節點→雨水管網；將研究區域細分為197個子匯水區域，確保子匯水區匯水模式大致相同。根據煙波苑排水施工圖對研究區地下排水管網系統進行概化，保留主要雨水干道，最終確立53個排水節點、53條管渠和4個排放口(見圖1)。

圖1 煙波苑小區SWMM模型節點高程概化

2.2 設計降雨序列

模擬降雨序列采用芝加哥雨型和嘉興地區暴雨強度公式(公式1)進行合成。嘉興地區的降雨類型為前峰型，峰值r為0.4，降雨歷時為2 h。因海綿設施主要針對小規模降雨的控制，為考慮研究全面性，選取降雨重現期0.155 a(對應嘉興市海綿建設指南徑流總量控制率設計值)，0.5，1，2，3，4，5，10，15，20，30，50 a[12]，對研究區進行多降雨重現期情景模擬。

(1)

式中：q為暴雨強度(mm/min)；P為設計降雨重現期(a)；t為降雨歷時(min)。

2.3 確立雨水徑流控制目標

對于給定建筑小區的雨水徑流控制來說，實現雨水徑流體積上的控制才是基礎[13]。建筑小區的外排流量徑流系數、雨水徑流總量控制率及設計重現期3者間存在著對應關系，根據住房和城鄉建設部《建筑與小區雨水利用工程技術規范》規定：雨水利用系統的規模應滿足建設用地外排雨水設計流量不大于開發建設前的水平或規定的值，設計重現期不得小于1 a，宜按2 a確定，外排徑流系數一般取0.25～0.4。已有研究[14]表明，當區域內的雨水設施在2 a重現期下能控制區域的外排雨水流量徑流系數不大于0.4時，可達到區域年雨水徑流總量控制率大于80%，而控制住單場次降雨時外排徑流系數是研究區實現高效雨水管理的基礎。為此，本研究轉變傳統年徑流總量控制思路，采用單場設計降雨重現期2 a時外排徑流系數≤0.4作為研究區雨水徑流控制最低目標(有條件地區可適當增加要求)，利用SWMM模型探究合理的調蓄池布局，實現多降雨重現期情景下研究區雨水徑流的高效控制。

2.4 研究方法

首先，利用研究區SWMM模型輸入不同設計降雨條件，模擬得出積水節點的數量和位置，并構建降雨重現期與積水節點分布散點圖，利用函數擬合法計算出最優控制節點數目；接著，采用積水時間、積水深度、積水速度作為評價指標[15]，對積水節點評價并排序，得出調蓄池在研究區中的建設時序及模擬容積；最后，以國家標準規范和已有研究為依據，確立研究區控制設計降雨重現期及外排徑流系數控制目標，利用SWMM模型計算出最優調蓄池容積，結合研究區地形(如地面高差，管道坡度、匯水區類型)作相應調整，最終確立最優的調蓄池布局。綜合分析研究區在設置最優調蓄池方案后，對不同重現期下雨水徑流的控制效果，以《嘉興市生活雜用水標準》《建筑中水設計規范》《浙江省用水定額》等標準規范為主，確立小區雜用水總量并分析調蓄池雜用水供給率。

3 結果與分析

3.1 排水節點積水特征分析

在SWMM模型中輸入不同重現期的單場降雨序列，得出研究區內澇積水節點分布(見圖2)。

注：圖中黑色圓點表示排水節點，黑色圓圈表示積水節點。

研究表明，積水節點整體分布滿足隨降雨重現期的增大而增加的規律，其范圍呈現由分散至連續、由排水管網前端逐步延展至管網中部和末端的趨勢。根據中國氣象局降雨量等級劃分標準對研究區積水情況分段分析，具體表現為以下4個方面：①當降雨重現期小于0.155 a(中/小雨)時，研究區內部無積水節點；當中小規模降雨出現時，由于海綿設施的消納作用，僅有少量徑流匯入排水管網，研究區無內澇積水情況發生。②當降雨重現期在0.155～5 a時(大雨)時，研究區內部開始出現積水，且積水節點數量增加迅速，外排徑流系數超過0.4，并呈現逐年遞增的趨勢。此時，研究區開始出現內澇。換句話說，隨降雨量的增大，海綿設施的調節能力逐步飽和，大量徑流匯入排水管網，而原有管網系統因設計標準不足未能排出過量雨水，致使研究區積水量逐漸增加。③當降雨重現期為5～15 a(暴雨)時，研究區內部積水節點分布趨于穩定，外排徑流系數達到定值0.7，與此同時內澇程度逐漸加劇。在暴雨出現時，研究區出現大規模內澇的原因主要有兩方面：第一、研究區內部各排水節點自身屬性(高程、匯水區的類型、出入流管道的坡度和管徑等)不同，致使部分子匯水區達到持續積水的狀態，而另一部分子匯水區則始終處于未積水狀態；第二、隨子匯水區匯水量的增大，排水管網逐漸達到排水極限，過量雨水無法排出。④當降雨重現期大于15 a(大暴雨/特大暴雨)時，積水節點數量大致呈線性增長直至最大，徑流系數達到最大值，研究區內澇程度進一步加劇。在大暴雨出現時，超量的雨水使原未積水子匯水區的自身屬性優勢不再制約積水，與此同時，排水管網達到自身排水極限，致使研究區積水節點數量呈線性增長，外排徑流系數持續提高。

3.2 最佳控制節點擬合函數構建

通過降雨重現期與積水節點分布的特征分析可以發現，不同重現期情形下研究區積水節點數量分布出現特殊變化，并在一定重現區間穩定分布。為此，可通過構建擬合函數實現精確求解，以期在具體實踐中提高建筑小區的雨水控制能力。本文綜合考慮煙波苑積水節點變化規律，最終采用分段冪函數[16]擬合法構建擬合函數(見圖3)。

圖3 積水節點數量與降雨重現期關系

通過分段擬合函數計算求解，研究發現：①在0.155～5 a內，積水節點增長速度高，且增長率波動快，在5 a時積水節點數量增至27，在0.5 a時積水節點增長率達到最大值18/a，在此區間內，降雨等級在大雨以下，降雨概率大，且降雨量多變，是建筑小區實現高效雨水控制的基本雨型；②在5～15 a內，積水節點數量分布穩定在30之間，并在9 a時積水節點增長率達到零值，積水節點數量達到穩定值30，此時重現期達到一般城市防洪排澇標準，是建筑小區實現高效雨水控制的關鍵雨型；③在15～50 a內，積水節點增長率為定值，積水節點數量呈現線性增長，并于50 a達到最大值58，降雨等級達到大暴雨/特大暴雨級別，降雨重現期超過防洪排澇標準，在此區間建筑小區不應再以高效雨水控制為目的，而應該發揮控制節點的源頭排水作用和調蓄功能，以實現避免內澇的目標。

研究發現，在5～15 a內研究區積水節點的分布存在穩定周期，擬合函數Y在拐點(9 a，30)取得穩定值。對于研究區的雨水徑流控制和降雨調蓄利用來說，降雨大小決定積水節點數量分布，而積水節點數量決定調蓄池設置數量, 并且，調蓄池數量設置應當以研究區控制目標下積水節點不積水、外排徑流系數達標為原則。在實現研究區徑流控制目標的前提下，研究通過SWWM模型分析了不同控制積水節點數量方案所能達到的最大降雨徑流削減量(見圖4)，其中， 9 a重現期30個控制節點方案達到削減閾值。在5～15 a內，控制積水節點數量過少會導致研究區調蓄池徑流控制效果不足、雨水利用效率過低；數量過多又會造成調蓄池服務范圍重疊、成本增大，但研究區可實現的徑流削減總量卻基本不變。基于此，本文最終選擇30個控制積水節點作為調蓄池布局的理論數量方案。

圖4 煙波苑小區不同控制節點方案下的徑流削減量

3.3 調蓄池最優容積確立

不同位置、不同容積的調蓄池對研究區雨水徑流控制效果會有顯著影響。研究以子匯水區匯水方向為依據，最終確立下凹綠地和雨水花園等綠色海綿設施作為調蓄池布設位置；對于不同重現期下控制節點的積水情況來說，客觀描述各點之間的積水差異性成為調蓄池容積設定的關鍵，而引入調蓄池預設容積指數的目的是將各控制點的積水差異性量化，以確定研究區調蓄池建設優先時序及預設容積。調蓄池采用溢流管與排水節點連接，保障子匯水區雨水在經過海綿設施處理后進入，過量的雨水通過溢流口流向排水節點最終匯入管網。本研究以相同匯水模式來劃分子匯水區，目的是避免傳統權重設計存在的人為誤差，通過調蓄池預設容積3個評價指標(積水時間、積水深度、積水速率)的量化評價，得出相應分值。為研究計算方便，定義f為各積水節點評價指數，根據評價指標節點的量化，按照公式(2)計算得到調蓄池預設容積指數(見表3)。

表3 調蓄池預設容積指數

I=∑(fi/∑ci)

(2)

式中：Ii為調蓄池預設容積指數：fi和ci分別為積水節點的積水時間(h)、積水深度(mm)、積水速率(mm/h)的評價指標指數和相應分值。

由表3可知，研究區積水節點調蓄池建設時序為：J19>J23>J21>J2>J11>…>J38，通過排列調蓄池建設時序可以確立研究區調蓄池建設的優先級。通過分析調蓄池預設容積指數，可以對調蓄池的自身屬性進行定量化描述，直觀反映不同調蓄池之間規模的差異性，從而避免傳統調蓄池設置存在的經驗性、主觀性等問題，為SWMM模型蓄水模塊的體積輸入提供科學依據。根據調蓄池預設容積指數大小等比例設定輸入容積，在SWMM模型中，輸入設計重現期2 a所對應的降雨序列，通過不斷迭代調試，得出每個調蓄池的實際調蓄量(見表4)，按最大調蓄量確定最終設計容積。

表4 調蓄池最優容積 m3

研究表明，部分調蓄池模擬容積偏小，如調蓄池X9,X10調蓄量分別為2 m3和3 m3，調蓄量過少，為使研究區達到理論最優狀態，本文考慮30個調蓄池全布局，而在實踐中，不同地區可按當地條件對小型調蓄池予以取舍；另一部分調蓄池模擬容積較大，如調蓄池X13，X14，X15，X16，其調蓄容積均超過200 m3。

針對煙波苑的地形及子匯水分區自身屬性，采用分散式調蓄池理念，在積水節點相鄰匯水區中分散布置調蓄池；除此之外，調蓄容積在60～100 m3之間的調蓄池數量比例為29%；在20～60 m3之間的數量比例為55%；在20 m3以下數量占比16%；所有調蓄池建造容積均采用國家建筑標準《雨水綜合利用》要求設計。

3.4 雨水徑流控制效果分析

在不同降雨重現期下運行“LID+調蓄池”模型，研究區雨水徑流控制效果提升明顯(見圖5)。

圖5 煙波苑小區徑流控制效果變化

由圖5可知，研究區在原有海綿化改造基礎上增加調蓄池后，區內雨水徑流控制能力得到不同程度的提升，主要表現如下：

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

(2) 在0.5～4 a重現期下，“LID+調蓄池”控制效果最為明顯。如峰值徑流量削減率穩定在48%～55%之間；峰現時間延緩至1.2 h左右；外排徑流系數有所增加，但基本保持在目標值0.4以內。研究區內部過量雨水逐漸超過海綿設施的可控能力，進而匯入調蓄池中，只有超過調蓄范圍的雨水以匯入管網的形式外排，研究區管網系統匯水壓力得以緩解。

(3) 在5～9 a重現期下，“LID+調蓄池”控制效率開始下降，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%；峰現時間延緩至1.1 h；外排徑流系數穩定在0.45～0.5之間。在此期間，研究區由于降雨量的增大，致使調蓄池調蓄量逐漸達到飽和，而正因調蓄池在降雨前期調蓄作用，從而延緩子匯水區排水峰值壓力，研究區外排徑流系數得以穩定。

(4) 在10～50 a重現期下，“LID+調蓄池”控制效果明顯下降。如峰值徑流量削減率逐漸下降，直到穩定在35%左右；峰現時間與調蓄池設置前逐漸吻合；外排徑流系數逐步增至0.63。相對于設置調蓄池前外排系數0.76，峰值徑流量1 900 m3/h，調蓄池對研究區延緩內澇形成起到關鍵作用。由于研究區超量的雨水超越調蓄池調蓄極限，致使研究區內部出現積水并形成內澇，但正是調蓄池對研究區總降水量的削減和延緩外排徑流形成的作用，使排水管網能夠繼續高效運轉而僅有部分雨水積存，內澇情況得以緩解。

綜上，研究區在“LID+調蓄池”改造方案下，可以實現研究區多重現期雨水控制，具體如下：①單場降雨重現期2 a及以下重現期實現雨水徑流高效控制，即研究區外排系數≤0.3；②單場降雨2～4 a重現期實現雨水徑流目標控制，即研究區外排系數≤0.4；③單場降雨4～9 a及重現區間內雨水徑流控制雖未達目標值，但外排系數≤0.5，研究區無內澇風險的雨水控制目標；④對于超過9 a重現期的單場降雨，研究區僅采用“LID+調蓄池”改造方案無法實現雨水徑流的高效管理，但整體內澇情況得以緩解，須借助其他排水方法以期完全避免內澇。

3.5 調蓄池雜用水供給率分析

已有研究[17]及研究區海綿設施養護調研數據結果表明：在居住區中，經過海綿設施處理后進入調蓄池的雨水可作為生活雜用水使用。根據《嘉興市雜用水標準》、《浙江省用水定額》、《建筑中水設計規范》等標準規定：嘉興市區內綠化澆灌用水定額2 L/(m2·d)，道路澆灑用水定額2 L/(m2·d)，洗車用水標準300L/輛，沖廁用水為30 L/d。通過現場調研資料獲取研究區總人口和汽車持有量，本文最終估算出研究區雜用水總量為1 230 m3/d，在采用“LID+調蓄池”改造方案后，研究區可以實現有效的用水供給。

(1) 在0.155 a重現期下，調蓄池總蓄水量達到460 m3，供給率為37.4%；在0.5 a重現期下，調蓄池總蓄水量達到1310 m3，供給率達到106.5%；在1 a重現期下，調蓄池總蓄水量達到1 550 m3，供給率達到126%；當降雨重現期大于1a時，調蓄池總蓄水量達到最大值1 800 m3，供給率達到146.3%。

(2) 研究區實際模擬地塊面積約為5.6公頃，區內年均降雨量為69 216 m3，調蓄池調蓄總水量達39 608 m3，雨水年利用率達57.2%。

4 結 論

(1) 本文通過分析研究區不同設計降雨重現期與積水節點分布之間的關系發現：在5～15a重現區間，研究區的積水節點分布出現穩定期，在此期間積水節點數量穩定在30，此時調蓄池設置數量達到徑流目標控制的理論最優值。

(2) 本文通過分析研究區內積水節點的積水特征及調蓄池預設容積指數，利用SWMM模型，定量化探究出調蓄池的最優設置容積，提出對體積過大的調蓄池采用分散式組合的設計理念，而對于較小容積的調蓄池，不同地區可因地制宜按需設置。

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

對老舊建筑小區提高雨水徑流控制能力以及實現高效雨水管理而言，科學合理地設置調蓄池十分必要。與傳統研究相比，本文的探究具有以下特點：①以研究區積水節點分布為基礎，不同重現期單場次降雨為輸入條件，在建筑小區尺度下，探究雨水徑流的變化情況，為研究區徑流的精準控制提供選點依據，避免了傳統調蓄池選點粗陋的局限性；②相對傳統研究按經驗公式計算調蓄池蓄水容積來說，采用SWMM模型模擬更加方便快捷，同時兼具科學性；③在微觀尺度下，調蓄池的合理設置提高了建筑小區雨水徑流控制能力，與此同時也增加了可觀的雨水利用量，實現了水安全保障和水資源利用的“雙保險”。