武汉市某商业办公楼宇区域雨水蓄水池规模探讨

2018-05-02相凤奎王金海

净水技术 2018年4期

相凤奎，彭然，王金海

(1.中国葛洲坝集团股份有限公司，湖北武汉 430022；2.中南建筑设计院股份有限公司，湖北武汉 430071；3.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北武汉 430205；4.中国市政工程西北设计研究院有限公司，山东青岛 266071)

目前国家大力推进海绵城市建设，主要是对城市原有生态系统的保护、生态恢复和修复以及低影响开发[1]。武汉市所有新建、改建、扩建建设项目的规划和设计应包括海绵城市低影响开发建设的内容。建筑与小区应根据条件设置雨水调蓄设施，其中新建工程硬化屋面面积达2 000 m2及以上的项目，应配建雨水调蓄设施，每千平方米硬化屋面面积配建调蓄容积不小于30 m3的雨水调蓄设施[2]。

工程设计时，既要满足工程改建后的径流量不得超过原有径流量的要求，又要满足年径流总量控制率的要求。有雨水回用需求的工程要进行水量平衡分析。雨水蓄水池的设置，不仅在一定程度上提高了地块的雨水排放标准，还使雨水得到了资源化利用。蓄水池容积的确定是实际工程中经常面临的问题，由于降雨的时空变化不均匀，始终没有统一的结论。

1 研究现状

赵世明等[3]认为，雨水利用量应按重现期1～2年设计，收集回用设施供水管网的规模应达到3 d用水量不小于集水面日雨水径流量，雨水蓄水池容积不宜小于集水面日雨水径流量。杜长伟等[4]对北京建筑小区雨水调蓄设施进行了研究，认为公共建筑区收集回用的调蓄设施宜按每公顷235 m3设置。李俊奇等[5]从雨水利用的角度出发，通过降雨量估算法、降雨强度曲线计算法和统计降雨频率累计法对调蓄容积算法进行了分析，几种方法各有利弊。胡良明等[6]以降水资料为基础，通过分析雨水蓄水池容积与工程投资、节水效益三者之间的关系，提出了基于汇水面积推求雨水调蓄池容积的计算方法。魏武强[7]通过计算每场雨的可收集水量来确定雨水储水池的大小。潘志辉等[8]通过效益费用比、静态投资回收期等经济评价手段，分析并得出雨水蓄水池的经济容积。

2 武汉市降雨资料

对武汉1960年～2010年降雨量进行统计分析(降雨数据取自东湖水文站)，月均降雨量如图1所示。年平均降雨量为1 279.2 mm，月平均降雨量为106.6 mm，降雨时间分布不均匀，大多集中在4月～8月，降雨量峰值在夏季，这导致了雨水蓄水池容积确定的复杂性。

图1 武汉市月均降雨量Fig.1 Average Monthly Rainfall in Wuhan City

3 蓄水池容积计算

3.1 工程概述

武汉某商业综合体，总建筑面积约为37.8 万m2。由3栋超高层写字楼、一栋3层商务楼及4层地下室组成，其中T1办公楼50层，建筑高度约219 m；T2/T3办公楼35层，建筑高度约150 m。地块内各下垫面总面积如表1所示。本案例按照《绿色建筑评价标准》[9]进行设计，定位为绿色建筑二星，并将申请LEED 2009 for Core and Shell Development认证体系，目标为金级认证，设计雨水回收系统。

表1 下垫面面积Tab.1 Underlying Surface Area

根据《建筑给水排水设计规范》[10]规定，雨水汇水面积应按地面、屋面水平投影面积计算。高出屋面的毗邻侧墙，应附加其受雨面正投影的一半作为有效汇水面积，此因素只对计算雨水设计流量有影响。计算雨水设计径流总量时只需按水平投影面积计算，不附加竖向投影和侧墙面积[11]。在条件允许时，通常要设置两套雨水管网，一套为收集排放，一套为收集回用。本案例由于受场地的限制，只能设置一套雨水管网，收集区内的全部雨水均被收集。

径流系数取值[2]如表2所示，雨量径流系数及流量径流系数均可利用加权平均法计算综合径流系数，如式(1)。

表2 径流系数取值Tab.2 Runoff Coefficient

φ=∑ηiφi

(1)

其中：φ—综合径流系数；ηi—各下垫面汇水面积占总汇水面积的百分比，%；φi—各下垫面对应的径流系数。

3.2 降雨量估算法

根据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》[11]，雨水储存设施的有效储水容积不宜小于集水面重现期1～2年的日雨水设计径流总量扣除初期径流弃流量。地面弃流可采用3～5 mm径流厚度。雨水设计径流总量应按式(2)计算。

W=10φchyF

(2)

其中：W—雨水设计径流总量，m3；φc—雨量径流系数；hy—设计降雨厚度，mm，武汉市1年重现期的24h设计降雨厚度为95mm；F—汇水面积，hm2。

初期径流弃流量应按式(3)计算。

Wi=10×δ×F

(3)

其中：Wi—设计初期径流弃流量，m3；δ—初期径流厚度，mm，本案例取5mm。

V=W-Wi

(4)

其中：V—雨水蓄水池有效容积，m3。

由式(1)～式(4)计算得：开发后综合雨量径流系数φc=0.53；雨水设计径流总量W=2 609m3，初期径流弃流量Wi=258m3，雨水蓄水池有效容积V=2 351m3。

计算得到的容积很大，潘国庆等[12]建议各城市设计雨量重现期不宜超过0.3年(或一年一遇降雨量的1/2)，或设计雨量上限不超过50mm。本案例若按照一年一遇降雨量的1/2计算，即47.5mm，得雨水蓄水池有效容积V=1 046m3，计算值仍然较大。对于地下室范围以外地面较小的项目，该方法计算的容积很难实施。

3.3 回用水量计算法

武汉市的建筑与小区项目，新建工程的雨水资源化利用量应占其绿化浇洒、道路冲洗和其他生态用水量的40%以上[2]。回用雨水平均日用水量如表3所示。回用雨水平均日用水量为264.2 m3，则雨水蓄水池的容积为264.2×40%=105.7 m3。降雨在时空上分布不均匀，实际工程中需要乘以安全系数K以保证充分利用水资源，K可取3(由表6可知，武汉平均降雨间隔为365÷125=2.92 d)。雨水蓄水池有效容积为105.7×3=317 m3。

表3 回用雨水平均日用水量Tab.3 Average Daily Water Consumption of Reused Rainwater

3.4 水量平衡法

由于地下室面积较大，室外管线较多，受场地限制，只收集地块左侧区域的雨水，收集区下垫面面积如表4所示。

蓄水池为地下式，并做防渗处理，故不考虑蒸发量。当资料具备时，储存设施的有效容积也可根据逐日降雨量和逐日用水量经模拟计算确定。在工程实际中，逐日降雨量数据较难获得。根据武汉市逐月降雨资料分析蓄水池容积，月水量平衡计算表和年用水量计算表分别如表4和表5所示。表4和表5中用水定额应按《民用建筑节水设计标准》(GB 50555—2010)中定额取值，此处为方便计算，绿化、道路浇洒和车库冲洗的平均日用水量均取2 L/(m2·d)。

为便于计算分析，假设降雨在时空上均匀分布，每月按30 d计算。某月的多年平均降雨厚度为h，降雨天数为n，将该月划分为n个降雨周期，每个降雨周期的降雨厚度为h/n。该月收集雨水量为W，每个周期收集雨水量为W/n，该月回用水量为Q，每个降雨周期的回用雨水量为Q/n，每个周期的雨水蓄水池容积为V。通过比较W/n、Q/n和V的大小，来确定该月回用水量，有如下6种情况，如表6所示。

表4 月水量平衡计算表Tab.4 Balance Caculation of Monthly Water Consumption

表5 年用水量计算表Tab.5 Calculation of Annual Water Consumption

表6 蓄水池容积对应的回用雨水量Tab.6 Reused Rainwater Consumption Corresponding to Volume of Stormwater Tank

(1)当W/n>V>Q/n时，该降雨周期回用雨水量为Q/n，该月回用雨水量为Q。

(2)当W/n>Q/n>V时，该降雨周期回用雨水量为V，该月回用雨水量为30V/n。

(3)当V>W/n>Q/n时，该降雨周期回用雨水量为Q/n，该月回用雨水量为Q。

(4)当V>Q/n>W/n时，该降雨周期回用雨水量为W/n，该月回用雨水量为W。

(5)当Q/n>W/n>V时，该降雨周期回用雨水量为V，该月回用雨水量为30V/n。

(6)当Q/n>V>W/n时，该降雨周期回用雨水量为W/n，该月回用雨水量为W。

由表6可知，容积为180 m3时，全年可回用的雨水量达到最大值，继续增加蓄水池容积，可回用的雨水量不变。

3.5 年径流总量控制率计算法

武汉市汉口地区的年径流总量控制目标为70%，对应的设计降雨量为24.5 mm[2]。设计调蓄容积应按式(5)计算[1]。

V=10HφcF

(5)

其中：V—设计调蓄容积，m3；H—设计降雨量，mm；φc—综合雨量径流系数；F—汇水面积，hm2。

已计算开发后综合雨量径流系数φc=0.53，则V=670 m3。

透水铺装仅以原位下渗为主、顶部无蓄水空间，其基层及垫层空隙虽有一定的蓄水空间，但蓄水能力受面层或基层渗透性能的影响很大，因此透水铺装通过综合雨量径流系数计算的方式确定其规模，其结构内的空隙容积一般不再计入总调蓄容积[1]。设计调蓄容积通过设置下沉式绿地与蓄水池来实现。下沉式绿地调蓄深度按100 mm计，下沉式绿地调蓄水量如式(6)。

V绿=10-3hf

(6)

其中：V绿—下沉式绿地调蓄水量，m3；h—调蓄深度，mm；f—下沉式绿地面积，m2。

假设降雨前能及时排空蓄水池，为实现控制目标，下沉式绿地率(下沉式绿地率=下沉式绿地面积/绿地总面积)与蓄水池容积关系如图2所示。由图2可知，下沉式绿地率越大，蓄水池容积越小，二者成线性关系。当下沉式绿地率为37.7%时，不需要设置蓄水池即可实现年径流总量控制目标。实际工程中，需与景观专业配合，合理确定下沉式绿地率。

图2 下沉式绿地率与蓄水池容积关系Fig.2 Relationship between the Rate of Depressed Green and Volume of Stormwater Tank

3.6 开发前后雨水径流量比较法

《室外排水设计规范》[13]中有一条强制性条文：当地区整体改建时，对于相同的设计重现期，改建后的径流量不得超过原有径流量。小区的开发，应体现低影响开发的理念，在小区内进行源头控制。

本案例开发前为工业厂房，由于缺少详细的下垫面种类及面积资料，综合雨量径流系数φc按0.55计。本地块属于超大城市中心城区的重要地区，重现期取5年，5年重现期的24h降雨量为162mm，由式(2)得雨水设计径流总量W=4 600.7m3。开发后为商业综合体，假设降雨前能及时排空蓄水池，为满足开发后径流量不超过原有径流量，透水铺装率透水铺装率=(透水铺装人行道、停车场、广场面积)/(人行道、停车场、广场总面积)与蓄水池容积之间的关系，如图3所示。由图3可知，透水铺装率越大，蓄水池容积越小，二者成线性关系，但新建区透水铺装率不应小于50%[14]。

由上述几种计算方法可见，蓄水池有效容积为180～317m3。考虑到场地有限，将蓄水池有效容积确定为200m3，此时透水铺装率为70%。

图3 透水铺装率与蓄水池容积关系Fig.3 Relationship between the Rate of Pervious Pavement and Volume of Stormwater Tank

4 结论

结合回用水量计算法和水量平衡法，确定了蓄水池有效容积为200 m3。通过分析年径流总量控制率计算法及开发前后雨水径流量比较法，发现了下沉式绿地率、透水铺装率分别与蓄水池容积的线性关系。为满足开发后雨水径流量小于开发前的要求，此时透水铺装率约为70%。当下沉式绿地率为37.7%时，不需要设置蓄水池即可实现年径流总量控制目标。实际工程中，应该用这几种算法综合分析，合理确定蓄水池容积。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)[Z].2014.

[2]武汉市水务局，武汉市国土资源和规划局，武汉市城乡建设委员会，武汉市园林和林业局.武汉市海绵城市规划设计导则(试行)[Z].2015.

[3]赵世明,赵理,王耀堂,等.建筑与小区雨水利用工程规模的分析[J].中国给水排水,2007,23(24):84-87.

[4]杜长伟,吴俊奇,汪慧贞,等.北京市建筑小区雨水调蓄设施规模研究[J].给水排水,2014,40(10):89-92.

[5]李俊奇,孟光辉,车伍.城市雨水利用调蓄方式及调蓄容积实用算法的探讨[J].给水排水,2007,33(2):42-46.

[6]胡良明,李逸之,樊思熠.城市雨水蓄水池容积计算与研究[J].华北水利水电学院学报，2012,33(4):22-24.

[7]魏武强.汉口北地铁停车场屋面雨水回用设计[J].给水排水,2012,38(3):82-84.

[8]潘志辉,鲁梅,王莉芸.深圳市雨水蓄水池容积设计计算探讨[J].给水排水,2012,38(10)：43-46.

[9]绿色建筑评价标准:GB/T 50378—2014[S].

[10]建筑给水排水设计规范:GB 50015—2003[S].

[11]建筑与小区雨水利用工程技术规范:GB 50400—2006[S].

[12]潘国庆,车伍,李俊奇,等.城镇雨水收集利用储存池优化规模的探讨[J].给水排水,2008,34(12):42-47.