生態基底較好小區海綿化改造工程的高標準設計

黃 開，趙 賽，包蘇俊，丁兆勇，李 犁，史海菲

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

2015年發布的《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見》確定了海綿城市建設總體工作目標， 即“到2020年城市建成區20%以上的面積達到目標要求；到2030年城市建成區80%以上的面積達到目標要求”。隨后，在全國30個城市展開了海綿城市建設試點工作，截至2019年底，海綿城市建設試點工作結束，30個城市均通過了國家專家組驗收，積累了大量的可復制可推廣的經驗[1]。同時也發現，已建城區海綿城市改造建設過程中，面臨絕大部分建成區人口密度偏高、建筑密度大、地表硬化率高、綠化面積極其有限、綜合徑流系數大的問題，土地已基本開發，可改造空間小，環境生態本底較差[1]，綜合排水標準較低，重現期一般只能達到0.5～2年一遇，部分地塊還存在客水入侵、內澇嚴重等現象[2-3]，且對道路、廣場、停車場和公園的封堵以及改造后的雨水設施改變了原景觀的形態和風貌，遭到居民的投訴和反對[3]。因此，區塊內雨水控制設施的選擇、布局、設計受到很大的限制，很難實現系統性方案落地[4]，要達到“小雨不積水，大雨不內澇”[5]的設計目標有一定難度。

實踐表明：工程實際與設計目標存在較大偏差，將排水分區細化到微分區或子分區復核計算年徑流總量的結果會更準確[2,6]；同一排水區域中，不同地塊因建設條件不同，各地塊設置的LID體量不同，其年徑流總量控制率和污染物削減率存在不均衡情況[7]。為了填補建設條件受限地塊，達到整個區塊的目標，以問題為導向，形成“一點一策”[4]，在有條件建設或生態基底較好的地塊提高海綿城市、排水防澇和景觀綠化建設指標。以青島市海綿城市建設試點重點示范項目海信南嶺風情西區海綿化改造工程為例，研究生態基底相對較好小區的高標準海綿化改造設計，并進行分析和總結。

1 現狀分析

青島市屬于資源型與水質型雙重缺水城市，年降水量年平均為 775.6 mm，春、夏、秋、冬四季雨量分別占全年降水量的 14%、57%、22%、7%，且多為短歷時強降雨。海信南嶺風情西區位于青島市文昌路以西、重慶中路以東、石溝安置房項目以北，建成于2004年，項目面積約為2.4×104m2， 9個樓座，共計240戶居民。小區地形與豎向如圖1所示，地質為地下素填土厚0.20～9.90 m，呈現強透水性，下層粉性黏土約1.10～4.90 m，呈現弱透水性，勘探深度范圍內未發現穩定分布的地下水。

1.1 排水現狀與客水入侵

小區采用雨污分流制，經排查未發現錯接、混接現象，整個排水管網相對完善，雨水管線經評估可達到2年一遇，排水能力比一般老舊小區標準高。排水管網主要包含雨水干管和廣場上的排水溝等，雨水管敷設于車行道和人行道下。小區內雨水排放結合客水，分成3個排水分區及3條排水路徑，排水管線如圖1所示。但是，小區西側DN1200主管道與地勢為逆坡關系，實測管道坡度約為0.2%，地面坡度較大，不利于雨水收集；小區南側拐角處是整個小區的最低點，無自然地勢排水出口，路面雨水口設置偏少，雨水收集能力不足；加之，附近路面略高于附近建筑一樓車庫地坪，受東側1.75×104m2廠區客水入侵，曾出現低點附近一樓車庫大面積受淹的現象，存在較嚴重的水安全隱患。

圖1 現狀豎向和排水系統圖Fig.1 Diagram of Existing Vertical and Drainage System

1.2 現狀下墊面

該小區總占地面積為24 475.1 m2，其中建筑占地面積為5 200 m2，綠地面積為10 740 m2，道路及地坪鋪裝為8 535.1 m2，現狀地表綜合徑流系數為0.559；小區綠化面積占比達43.88%，比一般老舊小區占比高，小區年徑流控制率及SS去除率比一般老舊小區要高，小區生態基底良好。但是，瀝青道路、水泥路面、荷蘭磚與塊石等不透水鋪裝存在局部破損情況；綠地四周界石高于地面，地面雨水無法入滲或排入綠地。現狀下墊面徑流系數計算如表1所示。

表1 現狀下墊面徑流系數計算Tab.1 Calculation of Runoff Coefficient of Existing Underlying Surface

1.3 景觀綠化

小區內部中心景觀帶綠化較好，綠化覆蓋率及密度高，大部分綠地高程與道路齊平。植被種類豐富，骨干樹種以本地鄉土樹種為主，主要有雪松、國槐、五角楓等大喬木和開花亞喬木，搭配部分常綠灌木、色葉類、觀花類植被，色彩豐富、層次鮮明。小區生態基底良好，景觀綠化檔次較高。但是，少數道路轉角處被行人踐踏，導致植被長勢不佳或土壤裸露，小區活動場所地面及健身器材破損較嚴重。

2 海綿城市設計

2.1 設計目標與理念

(1)設計目標：根據青島市海綿城市專項規劃指標，改造后徑流系數達到0.5以下，年徑流總量控制率需達到76%以上，對應設計降雨量在28.5 mm以上，目標面源污染削減率在57%以上，透水鋪裝率在40%以上。根據該小區生態基底較好的特點，設計擬提高海綿指標：綜合徑流系數為0.47，年徑流總量控制率為82.4%，對應設計降雨量為35.8 mm，面源污染削減率為63.1%，透水鋪裝率為47%，同時提高景觀綠化品質，解決因客水入侵造成的水安全問題，提高居民的獲得感。

(2)設計理念：強化針對現狀特點與問題的系統設計，保留利用現有喬木和灌木，維持完善原有生態，減少對現狀的破壞。

2.2 總體方案

(1)LID設施選擇與排水技術路線

根據地形、氣象和地質特點，結合小區現狀問題，LID設施選擇除一般常規設施外，在“滲、滯、排”的技術措施上進行強化，主要選用生態停車位、透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園、植草溝，改造東南側道路豎向和排水暗渠以及暗渠導流出路。排水路線分為小區雨水排放和外圍客水排放。小區超標雨水和外圍客水經排水暗溝(管)導流排放到小區西側水系。排水技術路線如圖2所示。

圖2 排水技術路線Fig.2 Technology Roadmap of Drainage Catchment

(2)排水分區、地表徑流與LID平面布局

結合小區現狀地形及現有雨水管網，根據區域內下墊面組成、豎向標高等，整個小區延續現狀劃分為3個排水分區。小區設置下凹綠地、雨水花園、植草溝等LID設施，同時設置雨落管斷接、線性截水溝、LID間的連通管以及假性封堵雨水口等截流引流設施，降低最低點路面、增設外排行泄通道和加密雨水口等設施。排水分區、地表徑流及LID設施平面布局如圖3所示。

圖3 地表徑流、排水分區和LID設施總平面布局Fig.3 Layout of Surface Runoff, Catchment Zoning and LID Facilities

2.3 海綿指標計算

2.3.1 年徑流總量控制率和污染物SS削減率計算

LID蓄水量、年徑流總量控制率采用分區容積法計算。其中，生態停車位包含在透水鋪裝中，植草溝包含在下沉綠地中。改造后，綜合徑流系數為0.47，透水鋪裝率為47.95%；總蓄水量為412.3 m3，能夠承擔的降雨量為35.8 mm，年徑流總量控制率為82.4%；污染物SS削減率計算，下凹式綠地為70%[8]、雨水花園為80%[9]，經加權計算，污染物SS削減率為63.1%，大于目標57%，如表2所示。

表2 年徑流總量控制率和污染物SS削減率計算Tab.2 Calculation of Annual Runoff Control Rate and Reduction Rate of Pollutant SS

2.3.2 微分區復核年徑流總量控制率

為了避免出現低效率甚至無效率的LID單體，對分區中的LID單體進行微分區劃分，并對微分區做蓄水容量與實際蓄水量校核計算。蓄水容量采用容積法計算，分區及微分區LID實際蓄水量計算采取式[2](1)。

(1)

其中：Q實際——微分區在達到既定年徑流總量控制率對應降雨量時，LID的實際蓄水量，m3；

H——達到既定年徑流總量控制率對應降雨量，mm；

ψi——微分區LID的徑流系數；

Fi——微分區LID的面積，m2；

ψj——微分區轉輸地表徑流進LID的下墊面的徑流系數；

Fj——微分區轉輸地表徑流進LID的下墊面的的面積，m2。

按照設置的26個LID，大部分排水面積劃入26個微分區，如圖4所示。每個微分區包括LID自身面積和所服務的轉輸面積，轉輸面積中包括原狀綠地、建筑屋面、改造后的透水鋪裝以及未改造的不透水鋪裝；未劃入微分區的部分為無法匯入面積，也包括以上4類下墊面等。

圖4 排水微分區及相關設施平面布局Fig.4 Layout of Drainage Micro-Partitioning and Associated Facilities

由蓄水容量與實際蓄水量復核計算可知：①各微分區實際最大蓄水量與設計蓄水能力相互之間不匹配，各微分區之間受現狀條件影響，徑流量控制率不平衡，在各微分區之間設置植草溝或排水暗管等設施，地表徑流在相鄰微分區轉輸消納，避免偽海綿或效率低下的LID單體；②整個小區降雨量為35.8 mm，實際蓄水量為316.2 m3，與設計蓄水能力412.3 m3相差96.1 m3，實際年徑流總量控制率達不到82.4%。

2.3.3 實際年徑流總量控制率和污染物SS削減率標準評估

按照排水分區容積法計算，設計承擔與實際降雨量達到35.8 mm，對應年徑流總量控制率為82.4%，LID設施設計蓄水能力與實際蓄水能力均達到412.3 m3；按照微分區復核，實際設計承擔的降雨量為35.8 mm時，LID設施實際蓄水量為316.2 m3，無法匯入面積徑流量為96.1 m3，對應實際年徑流總量控制率為75.14%，LID部分庫容閑置；當降雨量為46.7 mm時，LID設施實際蓄水量達到設計蓄水能力412.3 m3，對應年徑流總量控制率為87.20%時，但實際年徑流總量控制率為82.40%，污染物SS削減率為63.10%，實際達到設計的高標準。實際年徑流總量控制率和污染物SS削減率標準評估如表3所示。

表3 實際年徑流總量控制率和污染物SS削減率標準評估Tab.3 Standard Evaluation of Actual Annual Runoff Control Rate and Reduction Rate of Pollutant SS

2.3.4 SWMM模型校核

由于青島市缺少本地雨型，根據青島市暴雨強度公式，參考芝加哥雨型，推求青島市不同重現期1年、3年一遇的2 h降雨過程線。為模擬相對不利的狀況，選取峰值在前的情形，即r取0.4。因不具備率定與驗證條件，按照模型經驗值，結合項目實際情況，設定模型參數。目前，國內一般采用Horton作為滲透模型，管網匯流模型采用動力波法計算。其中，滲透模型的最大入滲率為76 mm/h，最小入滲率為3.3 mm/h，入滲衰減系數為4 h-1。模擬歷時3 h，模擬時間步長為30 s。不透水面積根據實際情況取24%～71%；匯流寬度根據實際水流路徑計算取24.9～60 m；流域坡度根據地塊坡向取 0.2%～6.3%。

通過SWMM模型校核，以1年、3年一遇進行評估模擬。結果表明，模擬3年一遇降雨重現期內，通過LID設施下滲和蓄存的雨水量之和>35.8 mm，滿足高標準設計要求。改造前后，年徑流總量控制率如表4所示。

表4 改造前后年徑流總量控制和污染物SS削減評估Tab.4 Assessment of Annual Runoff Control Rate and Reduction Rate of Pollutant SS before and after Reconstruction

2.4 排水計算及淹沒點改造

保留現狀雨水管道，進行過水能力復核，地面集水時間t1取5 min，管內流行時間t2取4～6 min。根據青島市暴雨強度公式，通過復核計算管道過水能力，由海綿改造前2年一遇可提高至5年一遇。客水匯水面積約2.08×104m2，按50年一遇標準計算，根據青島市暴雨強度公式：t=5 min，ψ=0.8，計算流量為1.88 m3/s，考慮一定的富余量，設置蓋板溝B×H=1 000 mm×1 500 mm，暗渠為1 200 mm×1 800 mm。

基于淹沒點的道路路面高于車庫地坪和無自然地面排放口的現狀，采取改造措施：(1)降低道路標高，讓道路低于附近一樓車庫的地坪；(2)將原來B×H=1 100 mm×1 100 mm的排水暗渠改成B×H=1 000 mm×1 500 mm蓋板溝，并加密附近雨水口；(3)在最低點打通與小區外排洪溝之間的通道，暗渠尺寸為1 200 mm×1 800 mm。內澇點道路改造及渠道橫斷面如圖5所示。

圖5 內澇點道路改造及排水渠道橫斷面Fig.5 Road Reconstruction at Waterlogging Point and Cross Section of Drainage Channel

2.5 景觀綠化

基于現狀良好生態基底的較高標準綠化，保留利用現狀喬木和大灌木，并進行高標準提升改造，同時解決更換健身活動場地的橡膠地墊等部分民生問題。

(1)現狀喬木保留保護，繞喬木根系周圍設置直徑約1 m的圓形土堆，頂面與原地形相平，保證根系不外露，底面直徑約2 m與下凹綠地完成面相平，以卵石和杉木樁裝飾護腳，形成緩坡，對根系進行保護。

(2)雨水花園中散置火山巖小礫石，表層植物之間散鋪粒徑為20～30 mm、厚度為10～15 cm，減緩水流流速，減少沖刷，同時有效吸收有害污染物，減少蒸發，增加土壤的含水量，保證草本植物生長。

(3)選用泰山石，結合喬木、灌木、宿根花卉及觀賞草等種植，置于節點或開闊綠地中，利用植物體量和形態上的變化，搭配形成景石組團景觀，提升綠化層次和意境美感。

(4)關于植物配植，充分考慮植物的耐旱、耐濕、耐陰、耐污染、耐踩踏能力，選配的植物根系發達、凈化能力強，同時考慮景觀的科學性、生態性和觀賞性。下凹式綠地主要結合現狀喬木，采用喬、灌、草相結合的多層群落結構，上層喬木為樸樹、黃山欒等，下層搭配栽植鳶尾、黃菖蒲等耐水濕花卉，外圍以常綠灌木進行圍合，整體綠化層次分明，視線通透，既保證冬季景觀常綠，又防止居民踐踏綠地。雨水花園主要考慮結構層做法，植物選擇旱傘草、美人蕉、鳶尾等草本植物，株型、葉型、花色相互搭配、多彩斑斕。植草溝選用早熟禾、黑麥草、高羊茅等北方冷季型常綠草坪。

3 結果及分析

3.1 徑流控制效果

關于源頭項目徑流控制效果評價，根據監測數據一般有4種分析評價方法。選取典型場次降雨外排判斷法[11]進行初步評價，計算評價如式(2)。

Q

(2)

其中：Q——項目外排口檢測場次降雨累計外排量，m3；

H——場次累計降雨量，mm；

F——小區匯水面積，m2。

項目從建成運行開始，在小區雨水管網出口進行流量檢測，選取2019年6月6日、8月2日、2020年6月13日和7月12日4場典型降雨場次，其累計降雨量與設定目標年徑流總量控制率82.4%對應的降雨量35.8 mm接近。可以看出，所選4場典型降雨場次的檢測外排量小于理論產流量的1%，達到設計目標。監測計算評價如表5所示。

表5 典型降雨場次檢測計算評價Tab.5 Calculation and Evaluation of Typical Rainfall Events

3.2 其他指標評價

通過2個雨季的運行，取得了較好的效果，提高雨水排放至5年一遇，可滿足50年一遇客水入侵不淹沒的要求，解決局部因客水入侵而造成的水安全隱患。

4 結論

分析并研究該項目現狀、設計及運行效果，已建城區不同小區或地塊之間存在生態基底和建設條件差異較大的問題，需因地制宜、科學施策，通過在生態基底相對較好的小區提高海綿化改造建設指標標準，平衡生態基底相對較差的小區或地塊較低的海綿城市指標，使整個區域的海綿城市建設指標達到建設要求。

(1)針對生態基底相對較好的已建小區或地塊，內部可以設置符合該小區現狀特點的透水鋪裝、下凹式綠地及雨水花園等LID設施，強化相對應的“滲、滯、蓄、凈、用、排”功能，通過削峰和延時調節方式，進行高標準海綿化改造設計，使地表綜合徑流系數≤0.47，年徑流總量控制率≥82.4%，污染物SS削減率≥63.1%，排水管網由0.5～2年一遇提高到≥5年一遇，最終使小區的水生態、水環境指標以及水安全等方面達到相對較高的標準。

(2)對于客水入侵而受淹的小區，可以通過降低客水入侵淹沒點的道路標高、改擴建排水暗渠、加密雨水口、外部引流或打通小區與外排洪溝之間的通道等措施，將防洪標準提高到≥50年一遇的高標準，保障小區水安全。

(3)已建小區或地塊海綿城市指標計算在分區容積法計算和SWMM模型復核的基礎上，采取精細化劃分微分區的方法，用微分區容積法復核計算，能夠有效分析出各微分區實際最大蓄水量與設計蓄水能力之間的差異、各微分區之間因現狀條件造成的徑流量控制率不平衡、設計理想目標與實際達到標準之間的偏差及其原因等，采取在各微分區之間設置植草溝或排水暗管等連通設施的有效措施，使地表徑流在相鄰微分區轉輸消納，避免出現偽海綿或效率低下的LID單體等問題，充分發揮已設置的LID效率，實際達到高標準建設的目標。

(4)在景觀改造設計方面，有針對性地保留利用小區現有的喬木和大的灌木等植物，并進行高標準景觀提升，注重豐富LID耐旱、耐濕、耐陰、耐污染、耐踩踏的植物配置，同時解決如健身活動場地等民生問題，提高居民獲得感。