基于系統思維的海綿城市設計方法探索與實踐

趙士文，林俊雄，祁 鋒，孔 赟，江 心

(1.南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇南京 210029；2.南京水利科學研究院, 江蘇南京 210029；3.江蘇省城市規劃設計研究院，江蘇南京 210036；4.南京市水務工程建設管理中心，江蘇南京 210036)

多年來，我國城鎮化水平快速提升，城市生態系統格局、質量和規模發生了深刻變化，城市硬化比例顯著增加[1]。“十三五”期間，海綿城市建設在全國許多城市陸續展開，30個國家試點城市共完成海綿城市建設項目4 979個，其中住宅小區項目2 576個；另外，在13省90個省級海綿試點城市累計建成各類海綿城市建設項目3.3萬余個，總投資達1.06萬億元。目前，改變傳統大開大建模式，建設“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市，緩解內澇現象，改善人居環境，已深入人心，得到老百姓的好評[2-6]。

然而，面對需要多專業、多領域、多部門共同參與的“海綿城市”新理念，如何融入傳統設計，各地仍處摸索爬坡的階段。當前，眾多海綿城市設計方案中，常見專業不齊、經驗不夠、目標不明、系統思維不足等問題；缺乏問題、需求和建設條件分析，造成方案未能“一區一策”的生搬硬套；豎向及徑流組織設計不細，致使海綿設施功能發揮困難；海綿技術措施選擇未能因地制宜，導致落地性差，與施工脫節；雨水徑流模型驗證不足，難以科學量化海綿目標的可達性。

為解決海綿城市設計過程中如何進行系統設計思維構建的問題，本文以江蘇省某住宅小區為例，從海綿分區劃分、技術選擇、設施布局、豎向及徑流組織設計，系統闡述了方案設計的全流程，并借助雨水徑流模型進行目標可達性驗證，以期為全國住宅小區類海綿城市建設方案設計提供借鑒和參考。

1 案例概況

本案例位于蘇南平原水網地區，有較為獨特的圩區排水特征，對象為新建住宅小區，總用地面積為4.72萬m2，綠地率約35%(圖1)。本案例中，力求通過海綿城市建設，實現雨水徑流量、徑流污染的源頭削減和雨水的資源化利用。

圖1 項目位置圖Fig.1 Location of the Project

2 目標原則及技術路線

2.1 設計目標

依據當地相關規劃及政策文件，綜合考慮本地塊用地性質、建設階段及建設條件，確定海綿城市建設目標：年徑流總量控制率為80%，面源污染削減率為65%(以SS計)。

2.2 設計原則

(1)因地制宜、統籌協調原則。差異化設定分區目標，地塊一盤棋統籌協調，達到地塊總體目標。

(2)集中與分散相結合原則。設置集中型或分散型海綿處理設施，系統構建社區海綿網絡。

(3)先綠色后灰色、先地上后地下原則。優選地上綠色滲透、滯蓄、凈化型海綿技術措施。

(4)因需制宜進行雨水資源化原則。因需確定雨水調蓄池規模，回用于道路清洗或綠化澆灑。

2.3 技術思路

(1)確定項目設計指標。根據相關文件，結合地塊性質、建設階段和條件綜合確定設計指標。

(2)項目總體方案設計。依據目標、雨水回用需求，協調建筑景觀方案，進行項目總體方案設計。

(3)海綿匯水分區劃分。綜合考慮場地豎向、建筑分水線、景觀方案、管線布置等，劃分排水分區。

(4)分區海綿技術優選。依據目標及設計原則，靈活進行各分區的海綿技術措施選擇。

(5)設施規模計算及布局。容積法計算設施規模，動態調整分區內規模及布局，至達成項目總目標。

(6)設計方案目標校核。通過SWMM雨洪模型進行模型構建，實現系統方案目標校核和動態反饋。

(7)徑流組織及雨水系統完善。以雨水重力流順坡排水為原則，細化細部豎向和徑流組織設計。

本項目海綿方案技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線圖Fig.2 Diagram of Technical Route

3 建設條件分析

3.1 降雨條件分析

本案例所處地區年平均降雨量為1 133.3 mm，降雨呈明顯季節性特征，6月—8月汛期，暴雨頻發。

3.2 下墊面分析

本案例范圍內綠地面積約1.65 萬m2，屋面面積約0.76 萬m2，硬質鋪裝面積約1.19 萬m2，現狀綜合徑流系數約為0.54。

3.3 豎向分析

本案例地勢平坦，豎向變化小，排水條件好。應對各分區進行詳細的徑流組織和豎向設計，以滿足海綿措施的功能發揮。

3.4 土壤滲透能力

地質勘查報告顯示，土壤滲透系數僅為8.64～1.73 mm/d，整體滲透性較差，場地地下水埋深約為1.0～1.5 m，雨水下滲空間不足，可通過土壤級配優化或增加多孔墊層以增強海綿設施的滲透性能。

3.5 地下空間分析

本住宅小區地下車庫頂板覆土1.2 m，應結合豎向、地庫覆土深度優化設施布局，因地制宜地設計海綿設施結構層厚度。

4 海綿方案設計

4.1 總體方案設計

依據案例海綿目標、雨水回用需求，協調建筑和景觀方案，因地制宜地劃分為分散式源頭處理區、集中式回用處理區、分散-集中式回用處理區和雨水直排處理區這四大雨水處理分區，如圖3所示。

圖3 總體方案分區圖Fig.3 Diagram of Overall Zoning Plan

小區內設置雙排水系統：其一，收集分散式源頭處理區溢流排水和雨水直排處理區，通過市政管網最終入河；其二，收集集中式回用處理區和分散-集中式回用處理區部分雨水轉輸至蓄水池，經凈化處理后，回用于綠地澆灑和車庫沖洗。

4.1.1 分散式源頭處理區

分散式源頭處理區中，屋面、路面、鋪裝、綠地的雨水徑流經植草溝或蓋板溝轉輸，進入生物滯留設施，過量雨水溢流經室外雨水管道、市政管道后，就近入河道，如圖4所示。

圖4 分散式源頭處理區技術路線Fig.4 Schematic Diagram of Distributed Source Processing Zone

4.1.2 集中式回用處理區

集中式回用處理區中，屋面、路面、鋪裝、綠地雨水經植草溝或蓋板溝等雨水收集系統收集后，排入雨水調蓄池凈化處理，供道路沖洗、車庫沖洗和綠化澆灑，如圖5所示。

圖5 集中式回用處理區技術路線Fig.5 Schematic Diagram of Centralized Reuse Processing Zone

4.1.3 分散-集中式回用處理區

分散-集中式回用處理區中，各部雨水優先流入生物滯留設施凈化處理，后轉輸入蓄水池存儲，用于小區道路沖洗、車庫沖洗和綠化澆灑，如圖6所示。

圖6 分散-集中式回用處理區技術路線Fig.6 Schematic Diagram of Decentralized-Centralized Reuse Processing Zone

4.1.4 雨水直排處理區

雨水直排處理區中，考慮分區的下墊面及雨水徑流特征，選擇將部分徑流系數較低(如綠地)、綠地空間不足、雨水處理困難區域，直排市政管道。

4.2 匯水分區劃分

綜合考慮建筑屋面分水線及落雨管位置、建筑及景觀方案、場地豎向、管線分布等因素，以每個子匯水分區對應一個海綿設施進行徑流處理為原則，共劃分排水分區82個。

4.3 海綿技術優選

常見海綿技術主要包括滲透、儲存、調節、轉輸、凈化等類型。本方案以生物滯留池為例，設施通過設置滯留池、過濾層、過渡層、排水層，通過植物、土壤和微生物系統，實現徑流總量、峰值和污染的綜合削減。結構層如圖7所示。

圖7 生物滯留池斷面示意圖Fig.7 Sectional Sketch of Biological Retention Pond

4.4 海綿設施規模計算及布局

4.4.1 海綿設施規模計算

(1)生物滯留池

各分區設計調蓄容積，采用《海綿城市建設技術指南(試行)》(以下簡稱《指南》)中的容積法進行計算，如式(1)。

V=10×H×ψ×F

(1)

其中：V——設計調蓄容積，m3；

H——設計降雨量，mm；

Ψ——綜合雨量徑流系數；

F——匯水面積，104m2。

根據《指南》滲透功能設施規模計算公式及優選的結構層設計，如式(2)和式(3)。生物滯留池單位面積控制容積為0.39 m3。具體各海綿分區生物滯留池設計規模如表1所示。

表1 各匯水分區海綿設施設計規模一覽Tab.1 List of Design Scales of Sponge Facilities in Each Catchment Area

Vs=V-Wp

(2)

Wp=K×J×As×ts

(3)

其中：Vs——滲透設施的有效調蓄容積，m3；

V——滲透設施進水量，m3；

Wp——滲透量，m3；

K——土壤滲透系數，100 mm/h；

J——水力坡降，一般可取J=1；

As——有效滲透面積，m2；

ts——滲透時間，h，取2 h。

(2)雨水蓄水池

以雨水回用需求為導向，進行蓄水池規模的設計，住宅小區主要存在道路沖洗、綠地澆灑和地庫用水量等方面需求。

依據《室外給水設計規范》，本住宅小區道路沖洗用水量按道路面積以2.0 L/(m2·d)計算；綠化澆灑用水量按綠地面積以1.5 L/(m2·d)計算；地下車庫沖洗水量按車庫面積以1.0 L/(m2·d)計算?？紤]3 d用水量，計算得雨水調蓄池規模為292.8 m3，取300 m3。

4.4.2 海綿設施布局

根據各分區海綿設施計算規模，結合雨水徑流組織對設施進行合理布局。具體各分區海綿設施平面布局如圖8所示。

圖8 海綿設施平面布局Fig.8 Layout of Sponge Facility

4.5 豎向設計及徑流組織

根據海綿匯水分區劃分及設施布局，以雨水重力流排水為原則，綜合考慮住宅小區場地豎向及橫縱坡、景觀方案設計和室外排水管線布置等，按海綿匯水分區進行細部的豎向及徑流組織設計，如圖9所示。

圖9 海綿分區、豎向設計及徑流組織Fig.9 Zoning of Catchment Area, Vertical Design and Runoff Organization

5 系統方案模型校核

5.1 海綿匯水分區概化

PCSWMM是一個用于動態降水-徑流模擬的雨洪模型，可用于模擬城市水量和水質模擬。本研究根據以下原則進行海綿匯水區的概化，住宅小區共概化為82個匯水分區，如圖10所示。

圖10 模型概化示意圖Fig.10 Schematic Diagram of Model Generalization

(1)匯水分區上的降雨是均勻分布的，降雨強度相同。

(2)匯水區依據本住宅小區總平面及豎向進行劃分，并就近排入海綿設施進行控制。

(3)下墊面透水地面不產生徑流，有洼蓄量的不透水地面首先滿足地表的洼蓄量后產生徑流，無洼蓄量的不透水地面在暴雨初始即產生徑流。

5.2 水文、水力參數設置

模型校核中，選用當地2017年—2019年日降雨和日蒸發數據作為模型降雨和蒸發序列。地表產匯流模塊中的水文、水力參數，如面積、不透水率、坡度、寬度具有顯著的空間特征[7]，可根據各分區下墊面情況進行取值。其他水文、水力參數結合分區特征及地勘選取，如表2所示。

表2 匯水分區模型設計參數Tab.2 Design Parameters of Catchment Zoning Model

5.3 模型校核

建立住宅小區徑流模型后，通過分析小區傳統開發和海綿城市建設降雨進出流量變化，校核海綿設計方案的科學性、可行性。采用近年降雨數據進行模型校核，本住宅小區總降雨體積為187 120 m3，應用海綿建設方案后小區出流量降至36 123 m3，較海綿城市建設前明顯降低，如圖11所示。由圖11可知，本海綿小區的年徑流總量控制率達到80.7%，達到地塊80%的年徑流總量控制率目標。

圖11 地塊海綿城市建設前后場地排出口徑流量變化Fig.11 Variation of Runoff at Site before and after Construction of Sponge City

參考《指南》中各低影響開發(LID)設施污染物去除率研究推薦值，取生物滯留池和雨水蓄水池綜合污染物去除率(以SS計)分別為80%和85%，帶入SWMM水力模型各匯水分區LID海綿設施單元，綜合模擬評估本海綿小區面源污染削減率(以SS計)為66.2%，達到地塊65%的目標。

6 結論

論文以江蘇某住宅小區海綿化建設方案為例，從海綿分區劃分、技術選擇、設施布局、豎向設計及徑流組織出發，系統闡述了海綿城市方案設計全流程的思路與方法，形成以下結論：①目標與問題導向相結合，科學合理的設計原則和設計思路是海綿方案可落地性的保障；②結合目標、雨水回用需求，協調建筑和景觀方案，進行海綿分區劃分，是方案合理性的關鍵；③因地制宜地進行海綿設施布局、豎向設計和徑流組織是落實海綿目標的重要內容；④借助PCSWMM雨水徑流模型進行目標可達性驗證，可以增強方案設計的可行性?？茖W合理的海綿方案設計思路和方法是海綿城市效能發揮的重要保障。本文對此進行了探索，希望可以為住宅小區類海綿方案設計提供借鑒和參考。