人大附中三亞學校海綿城市設計要點分析

陳澤楠，王燦果

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

自2013年以來，中央開始注重海綿城市建設，在多個城市區域進行了海綿城市建設試點工作。現在各省市地區基本都已頒布各自的海綿城市建設導則，全面實施海綿城市建設方針。海南省三亞市公建項目應遵守當地海綿城市建設的政策法規，進行海綿城市設計和施工驗收。

1 工程概述

中國人民大學附屬中學三亞學校（以下簡稱“人大附中三亞學校”）規劃用地面積230742.93m2，總建筑面積為201540m2，其中一期建筑面積為153988m2。項目一期地上建筑包括教學樓（小學、初中、高中、中外合作辦學）、行政樓、教師培訓中心、宿舍樓、食堂、圖書館、體育館等，地下建筑為設備用房和停車庫等。場地原始地形起伏較大，存在大量低洼濕地，周邊高、中間低，高差約6m。二期為遠期發展預留。

2 項目前期條件

前期條件包括項目規劃條件、市政條件、開發前地形地貌地質條件、氣候條件等內容。以下簡單描述規劃條件及市政條件內容。

根據《三亞市海綿城市建設總體規劃2015—2020》，該項目符合市政規劃條件。該地塊在海棠灣林旺片區，屬于LJT-2區域，要求采用的年徑流總量控制率為75%，SS去除率為50%。根據海棠灣B1地塊控制性詳細規劃，待項目投入使用時，周邊有完善的市政污水管網和雨水管網，可以滿足該項目排水需求。

3 設計目標

依據《三亞市海綿城市建設總體規劃》有關要求，項目的主要設計目標如下：（1）年徑流總量控制率75%（對應設計降雨量42.5mm）。（2）3年一遇1h設計暴雨時，高峰徑流不大于開發前建設水平。（3）水質處理宜使用低影響設施生態方式，滿足雨水回收利用和排放要求，有特殊要求的按相關規定處理。年SS總量去除率不小于50%。（4）引導性指標為綠色屋頂率10%，下沉式綠地率70%，透水鋪裝率60%。

4 設計雨型

4.1 設計降雨量與年徑流總量控制率對應關系

通過對三亞市1985—2014年近30年的降雨數據分析，在去除≤2mm的降雨事件的降雨量后，計算出三亞市年徑流總量控制率對應的設計降雨量，對應關系如圖1所示。

圖1 三亞市年徑流總量控制率對應設計降雨量曲線

4.2 流量控制計算

雨水設計徑流總量計算公式：

式中：V為雨水設計徑流總量，m3；φ為雨量徑流系數；H為設計降雨量，mm；F為匯水面積，hm2。

4.3 典型重現期設計雨型

不同重現期短歷時雨型可根據芝加哥雨型與暴雨強度公式進行設計。

峰前：

峰后：

式中：ib為峰前降雨強度，mm/min；ia為峰后降雨強度，mm/min；r為雨峰系數；tb為峰前降雨歷時，min；ta為峰后降雨歷時；a、b、c為常數。

4.4 三亞地區設計重現期的設計雨型

根據三亞地區的暴雨強度公式，采用芝加哥雨型生成短歷時降雨過程線作為模型設計降雨資料，如圖2所示，降雨重現期選擇3年，降雨歷時選擇1h，雨峰系數選擇0.4，降雨時間間隔選擇1min。

圖2 芝加哥降雨過程曲線圖

式中：q為設計暴雨強度，L/（s·hm2）；P為降雨重現期，本項目選擇3年進行模擬；t為降雨歷時，本項目選擇1h。

5 總體方案設計

經計算，該項目雨量徑流系數φ=0.44；設計徑流控制量V=10×0.44×230742.93×42.5÷10000=4314.89m3。

建筑小區排水分區的劃分主要以雨水管網系統和地形坡度為基礎，根據該項目所在片區雨水管線布置情況、場地豎向高程、場地內部建設情況等進行排水分區劃分，不透水表面產生的雨水應結合場地豎向，優先引入綠地進行滯流和下滲，減少雨水徑流量與污染物。根據場地下墊面情況和豎向條件，將該項目劃分為186個匯水分區、2個排水分區。

6 方案比選

方案一：蓄水模塊+透水鋪裝+生態停車場+雨水花園+生態樹池+下凹式綠地。優點是海綿設施源頭分散式布置，就地消納自身及周邊雨水，經濟效益較好，整體造價相對較低，采取雨水資源化利用；但成型的規劃方案缺乏景觀水體。

方案二：蓄水模塊+透水鋪裝+生態停車場。優點是采取雨水回收系統，實現雨水資源化利用。未采用生態設施，僅通過地表水入滲不足以達到海綿城市的要求，且大量布置透水路面，限制了車行道的使用功能。由于要承受機動車、消防車等荷載，對透水鋪裝的工藝要求較高，投資較大。

方案三：蓄水模塊。采取雨水回收系統，實現雨水資源化利用；但使用蓄水模塊，前期投資大，后期維護成本及要求都較高。

綜合考慮經濟成本、景觀效果等，比次推薦方案一。

7 低影響設施布局說明

將項目中部分停車位設計為生態停車場，增加雨水滲透。既可以滿足停車功能，又可以發揮生態綠化的作用。在人行道、停車場、廣場等輕荷載及景觀效果要求不高的路面設計透水路面，有效促進雨水入滲，凈化雨水徑流，延緩徑流流速。項目微地形較多，在地勢較低的地方設置深度150mm的下凹式綠地和深度300mm的雨水花園，增加對雨水的調蓄量。在建筑周邊宅旁綠地上設置部分下凹式綠地，在場地中心景觀組團處設置雨水花園、生態樹池等復雜性生物滯留設施。

8 年徑流總量控制率計算

將每個排水分區產生的徑流容積，設為此排水分區設施的最小設計調蓄容積，可以計算出每個排水分區、不同類型低開發設施的最小面積。對透水鋪裝等僅以原位下滲為主、頂部無蓄水空間的滲透設施，其基層及墊層空隙雖有一定的蓄水空間，但其蓄水能力受面層或基層滲透性能的影響很大，因此透水鋪裝可通過參與綜合雨量徑流系數計算的方式確定其設施規模。對于雨水花園、下凹式綠地等頂部或結構內部有蓄水空間的滲透設施，設施的凈空調蓄容積計算公式：

式中：As為設施面積，m2；H為設施的凈空高度，m。下沉綠地取0.15，雨水花園設施取0.3～0.5；考慮地表之上具有植被的蓄水區域分數，取0.1，即凈空調蓄容積中植物體積占10%。結合景觀要求及每個匯水分區內調蓄容積需求建設低影響設施，各LID設施體量統計如表1所示。

表1 LID設施體量統計 單位：m2

9 溢流口（井）過流能力校核

溢流口（井）是生物滯留設施的重要組成部分，將雨洪通過溢流井轉輸到市政排水系統，確保生物滯留設施正常運行。溢流口（井）宜布置在進水區附近，以防止高速水流進入池體。溢流口（井）設計流量和校核流量的計算分別取重現期為3年和30年降雨，降雨歷時取10min。

根據溢流口參照圖集平篦式單篦雨水口，單個溢流口尺寸為750mm×450mm，排水能力為20L/s。

根據《室外排水設計規范》（GB 50014—2016）雨量設計計算公式得出溢流口流量：

式中：Q為溢流口流量，L/s；Ψ為綜合流量徑流系數；F為面積，hm2；q為暴雨設計強度，L/s·hm2；a為安全系數1.5～3.0，該項目取1.5。

該方案選用單個溢流口（750mm×450mm）排水能力為20L/s的單篦雨水口，溢流管管徑為DN200，足以滿足項目重現期30年一遇的溢流要求。

10 達標校核

此次運用EPA-SWMM對項目在開發建設期前、傳統開發建設（規劃設計）、低影響開發建設狀態下徑流變化規律進行了模擬，從而進一步分析、校核低影響設施的設置對于場地徑流控制與徑流峰值控制的影響，建模步驟及結果如下：

（1）排水區域概化。依據項目的室外排水管網圖以及匯水分區，并綜合考慮屋面、綠地、室外硬質路面等下墊面的徑流特征的不同，將研究區域概化為1585個子區域、274個節點、272個管段、17種土地利用類型與2個排放口。

（2）參數設置。①蒸發量參數。模型中蒸發量的設定方式包括恒定值（外部輸入蒸發量數值）、通過時間序列計算日蒸發量和外部輸入的降雨數據中的溫度計算蒸發量。文章選用外部直接輸入恒定值的方式，按區域的月平均蒸發數據設定。②子匯水區參數。每個子匯水區都需要輸入的參數如下：子匯水區面積、匯水寬度、不透水率、坡度、透水區域和不透水區域匯流的曼寧系數、透水地表和不透水地表的洼地蓄水量、無洼蓄不透水面積率以及透水地表的入滲模型。入滲模型采用Horton滲透模型，主要參數包括最大入滲量、最小入滲量、衰減常數和排干時間。其參數來源于項目的設計資料，其他參數借鑒SWMM用戶手冊。不滲透性N值參考曼寧n值—地表漫流，按照地表類型取值0.013；滲透性N值參考曼寧n值—地表漫流，按照地表類型取值0.15。不滲透性洼地蓄水1.27mm，滲透性洼地蓄水5mm。產流計算過程采用Horton入滲模型，土壤為回填土砂壤土，滲透系數取經驗值3.3～51mm/hr；其他參數：衰減系數取4/h，排干時間2d。③水力參數。區域內的雨水管渠采用雙壁波紋管，曼寧系數0.013。④LID參數。模型的低影響開發設施參數基于實際設計規格和手冊資料典型值而確定。設施的尺寸大小及各層的厚度按照實際設計規格取值，其余參數根據典型值而定。

（3）徑流特征變化分析。依據以上建立的模型，對該項目在不同降雨重現期與不同開發建設狀態下的徑流特征變化進行了分析計算，結果如下：通過計算可知，低影響設施的控制降雨量為滲入雨量、地表蓄水雨量以及蓄水雨量之和，即6.832+41.643+5.417（蓄水池調蓄量）=53.892mm，低影響設施的設置使得場地內3年一遇1h降雨條件下的徑流峰值流量相比原建設（低影響開發前）削減了70.89%，同時低影響開發后場地的徑流峰值流量值也低于場地開發建設前的狀態，因而低影響設施的設置有效降低了場地徑流量與徑流峰值流量，如圖3和表2～表4所示。

11 徑流污染控制

該項目計入年SS總量去除率的設施有透水鋪裝、生態停車位、雨水花園、綠色屋頂，其中透水鋪裝對SS的去除率為85%、生態停車位對SS的去除率為85%、雨水花園對SS的去除率為75%、綠色屋頂對SS的去除率為80%。具體計算公式：年SS總量去除率=AVERAGE（低影響開發設施對SS的平均去除率×排水分區年徑流總量控制率）。

排水分區的年徑流總量控制率依據每個排水分區的實際調蓄量，參照三亞市年徑流總量控制率曲線反算，計算得SS=53.23%。

12 結束語

圖3 開發前-常規開發-低影響開發工況系統出流流量曲線對比圖

表2 雨水控制平衡表

表3 出流流量對比分析

表4 模擬效果徑流峰值對比分析

《建筑給水排水設計標準》（GB 50015—2019）中明確小區排水要求遵循源頭減排的原則，對雨水徑流采取控制和利用措施，減少雨水管網和雨水口的設置。目前由于不同項目的海綿設計在設計指引、施工驗收、后期維護等方面存在差異，設計施工和最終運行效果可能存在較大差距。因此，現階段項目的雨水管網仍需預留出超出徑流控制的雨水量的排水量。