建筑与小区海绵城市设计研究

2019-07-20王家良龚克娜杨艳梅付韵潮

四川建筑 2019年6期

王家良, 龚克娜, 杨艳梅, 邱壮, 付韵潮

(四川省建筑设计研究院, 四川成都 610093)

建筑与小区海绵城市设计包括低影响开发雨水系统设计，以及场地、建筑、小区道路、小区绿地、低影响开发设施等相关配套设计[1]。在建筑与小区海绵城市设计中，如何快速地制定因地制宜、经济高效、基于源头减排的低影响开发雨水系统方案，是需要研究的课题。

在建筑方案设计阶段，建筑、景观、给排水和道路等专业应协同设计，统筹考虑建设用地的地形地貌、原始水文特征、生态敏感性和市政条件等内容，最大限度地保护建设用地及周边的原有生态系统，尽量维持建设用地开发前的自然水文特征，落实海绵城市规划建设指标，因地制宜地制定海绵城市低影响开发雨水系统方案[2]。本文以崇州市某新建住宅小区为例，基于源头减排措施，借助模型软件系统地分析了建设用地下垫面的地形特点和原始自然水文特征，结合建筑方案和景观方案，划分汇水分区，确定雨水径流路径，快速地制定了因地制宜的低影响开发雨水系统方案，达到了尽量维持建设用地开发前自然水文特征的目的。另一方面，为合理控制低影响开发设施(以下称LID设施)的规模，提高LID设施的经济性和适宜性，进行了手工计算法和模型软件模拟分析法对比性研究，并对LID设施精细化设计方法和实施效果进行了经济性分析，使低影响开发雨水系统达到经济高效的目的。

1 工程概况

1.1 项目介绍

崇州市某新建住宅小区项目(以下称崇州项目)位于崇州市崇阳镇，紧邻永康东路与江源南路交汇处东南侧，距崇州市3 km，区域成熟，地块位置优越。项目由13栋一类高层住宅、7栋多层商业及1层地下车库组成。小区规划建设净用地面积68 553 m2，其中建筑基底总面积15 202 m2，绿地面积25 039 m2，道路铺装面积27 141 m2，水景面积1 170 m2；项目总容积率3.0，绿地率30.2 %，项目定位为海绵型中高端住宅小区，建筑方案见图1。

图1 项目建筑方案效果

1.2 地质、气象和市政资料

崇州市属于成都郊区的卫星城市，地处四川盆地向川西高原过渡的半山半坝地区，建设场地地貌单元属成都岷江水系一级阶地，地势平坦，工程地质优良，海绵城市建设条件良好。场地覆盖层主要为杂填土、粉质粘土、粉土及细砂，土层平均渗透系数约为3.1×10-4m/s。根据区域水文地质资料，地下水丰水期、枯水期年变化幅度为1.50～2.50 m，适合雨水下渗。

根据当地气象资料，崇州市属亚热带湿润气候区，气候温和，雨量充沛，多年年平均降水量947 mm。丰水期为6～9月，其降水量占全年降水量74 %，枯水期1～3月，其余为平水期，适合雨水收集回用。

建设用地周边给水、雨水、污水等市政配套设施比较完善，但建设标准较低，项目建成后宜尽量维持开发前的水文特征和雨水径流路径。

1.3 海绵城市规划建设指标

崇州项目位于崇州市崇阳新城海绵城市建设管控分区内，用地性质为一类居住用地，属新建项目。按上位规划的要求，项目建成后年径流总量控制率应达到85 %，对应的设计降雨量为41.8 mm，雨水资源化利用率应达到5 %。

2 海绵城市低影响开发设计流程和设计方法

2.1 建筑与小区低影响开发设计流程

参照DBJ 51/T084-2017《四川省低影响开发雨水控制与利用工程设计标准》(下称四川省地方标准)，建筑与小区低影响开发设计流程可按图2[1]进行。对于新建住宅小区，应首先对现状下垫面和建筑方案进行解析；再结合建设条件对上位规划指标进行分解，并进行LID设施选择、LID设施计算、LID设施组合与布置；最后进行指标复核和效果评估。对于建筑与小区项目，需要进行多次迭代计算，方能形成因地制宜、经济高效的海绵城市建设方案，设计过程比较繁琐。

2.2 建筑与小区低影响开发设计方法

崇州项目强化了对下垫面原始水文特征的研究和运用，增加了手工计算法与软件模拟分析对比性研究，取得了较好的效果。海绵城市设计中，按图2设计流程，经技术比选后制定了图3所示的技术路线。具体设计方法包括：(1)在下垫面地形地貌、原始水文特征、生态敏感性、汇水分区划分和雨水径流组织等方面，借助了软件模拟分析，并加以梳理和运用，快速地制定了因地制宜的低影响开发雨水系统方案；(2)在LID设施规模计算和经济性比较方面，采用了手工计算与软件模拟对比分析的方法，合理控制LID设施规模，使LID设施和组合系统达到经济高效的目的。

图2 建筑与小区低影响开发设计流程

图3 建筑与小区海绵城市设计技术路线

3 下垫面水文特征分析

3.1 下垫面条件初步评估

崇州项目开发前现场踏勘情况，见图4。其下垫面类型主要为建筑屋面、硬质铺装、绿化和水体等，雨量径流系数[3]参照GB 50400-2016《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》(下称国家标准)取值，经加权平均计算，开发前综合径流系数为0.56，见表1。

图4 崇州市目建设用地现状

表1 下垫面雨量径流系数分析

由图4和表1初步判断：(1)崇州项目建设用地地势平坦，需外排的地面雨水径流可就近汇入周边市政道路雨水系统；(2)建设用地周边无较大湖泊、河流、湿地等水生态敏感区；(3)尽量维持建设用地开发前水文特征后，由场地周边引起的内涝风险不高。

3.2 下垫面水文特征分析

尽量维持场地开发前后的水文特征是海绵城市低影响开发设计的核心。崇州项目下垫面原始水文特征分析流程为：(1)研究建设场地的地形地貌和原始地表漫流水文特征；(2)梳理和提炼出原始地表径流的主要出路和市政雨水管网接纳方向；(3)结合建筑方案、景观方案和地形地貌，合理划分汇水分区；(4)参照原始径流出路，进行竖向设计，合理组织项目的雨水径流路径；(5)按上位规划要求，分解落实海绵城市建设指标；(6)进行LID设施选择、计算、组合和布置；(5)低影响开发雨水系统效果评估。

售电量=有效电量系数×（1－厂用电率）×（1－输变电损失率）×发电量=0.95×（1－0.2%）×（1－2%）=0.93×发电量

崇州项目采用ArcGis软件对下垫面地形地貌和自然水文特征进行分析，见图5。由分析结果可知：(1)下垫面分析结果和图4所示现状基本吻合，场地平均高程524.890 m，最大高差4.22 m；(2)由于地势平坦，下垫面径流路径分散，需对原始自然雨水径流路径进行梳理和提炼，尽量减少新建项目对建设用地周边的自然水文特征和市政雨水管渠流量分配的影响。

图5 下垫面地形地貌和自然水文特征分析

3.3 下垫面水文特征的梳理和运用

按前述下垫面水文特征分析流程，崇州项目根据场地的竖向条件和自然水文特征，结合建筑方案和景观方案划分，共分为13个雨水汇水分区。场地内雨水管渠尽量按原始雨水径流方向布置，并对接上位规划建设指标，进行指标分解、LID设施计算、LID设施组合与布置。崇州项目原始径流路径梳理和汇水分区见图6，LID设施布局和径流路径组织见图7。

图6 建设用地原始径流路径梳理和汇水分区划分

图7 建设用地LID设施布置和径流路径组织方案

3.4 效果评估分析

崇州项目海绵城市建设的年径流总量控制率指标校核，见表2。

表2 年径流总量控制率指标校核

若按两年一遇重现期的设计降雨量，对崇州项目开发前后的场地出流量和径流量进行研究，模拟分析成果见表3。通过模拟分析可知：(1)由于开发后下垫面硬化面积有所增加，场地自然水文特征已发生变化；(2)开发后径流峰值和径流系数分别达到开发前的3.6倍和3.3倍，径流峰值时间提前出现。崇州项目未设置LID设施时，其2年一遇场地出流量过程见图8。

表3 建设场地径流模拟分析成果

图8 设置LID设施前场地2年一遇场地出流量过程线

基于对下垫面原始水文特征的分析，落实上位规划建设指标，布置LID设施后，崇州项目2年一遇场地出流量过程见图9。可见，建设场地的径流峰值已小于开发前的状态，径流峰值出现的时间明显滞后，有效缓解了场地内涝风险。由此可见，充分解析和运用开发前建设用地的自然水文特征，可快速制定因地制宜、经济高效低影响开发雨水系统设计方案。

图9 设置LID设施后场地2年一遇场地出流量过程线

3.5 相关问题探讨

3.5.1 下垫面原始水文特征分析的必要性

对于新建建筑与小区，参照四川省地方标准[1]要求，当建设用地总面积大于或等于5 ha时，应制定海绵城市建设整体设计专项方案；并按图2设计流程，对现状下垫面原始水文特征和建筑方案进行解析，为海绵城市各专业协同设计提供依据。对于建设用地面积较小的项目，可不制定专项方案，但需按图2设计流程，对地形地貌和建筑方案进行解析。

对于老旧小区改造项目，下垫面原始水文特征分析应以问题为导向，将地面漫流二维模型和既有雨水管渠一维水力模型进行耦合分析，识别内涝风险和管网现状。

3.5.2 数字模型软件的选择和应用条件

崇州项目采用了ArcGis软件，进行地形地貌、水文特征和生态敏感性等分析。对于雨水排水系统，采用的数学模型一般有降雨模型、产流模型、汇流模型、管网水动力模型等一系列模型组成，涵盖了排水系统的多个环节。建设用地尺度较大时，还应考虑同一降雨事件中降雨强度在不同时间和空间的分布情况[4]。模拟分析时，常用软件包括SWMM、Infoworks系列、Mike系列等国外软件和国内模型分析软件，应按软件的功能和适用范围进行选择，并注意基础数据的准确和参数的率定等方面。

比如，建筑与小区海绵城市方案设计阶段，下垫面自然水文特征分析和易淹区风险识别，可采用二维地表漫流水文模拟软件，从宏观上分析出可能的积水区域，再进行精细化研究。对于大型老旧小区的海绵城市提升设计，则应进行采用一维、二维耦合模型，将一维管道径流与二维地面漫流耦合嵌套，模拟内涝积水情形的动态演进，包括积水范围、积水深度和汇流路径，用于内涝风险评估和管道现状的调查。

3.5.3 LID设施的其他影响因素

本文着重讨论建设用地下垫面地形地貌和水文特征与低影响开发雨水系统的关系。LID设施选择和精细化设计还应与设施类型、建设条件、地质资料、降雨特征等因素有关，需要统筹考虑。

4 LID设施规模精细化设计

4.1 计算方法

建筑与小区海绵城市设计中，LID设施规模计算主要有两种方法：容积法手工计算(下称手算法)和数学模型软件模拟分析法(下称模型法)。以崇州项目为例，其年径流总量控制率目标为85 %，采用的低影响措施主要包括：雨水花园、下沉式绿地、透水铺装和雨水调蓄等，详见表2。该项目项共划分为13个汇水分区，在LID设施规模计算过程中分别采用了手算法和模型法，模型法采用了某水力模型软件，并与手算法结果进行了对比性分析。

手算法基于单场降雨的计算，模型法基于典型年全年降雨动态分析计算，两者计算结果必然会存在差异。为了对比两种方法的差异，崇州项目模型法分析的LID参数与手算法保持一致。

4.2 LID设施规模设计计算

崇州项目设有雨水回用系统，用途包括道路浇洒、绿化灌溉等，日用水量为72.9 m3/d。以S8汇水分区为例，采用手算法计算时，场地雨水通过管网直接进入雨水调蓄池，该分区满足74 %的年径流总量控制率，需要70 m3调蓄池容积；若按国家标准[3]，用水时间按2.5 d计算蓄容积，则需要182.3 m3。采用模型法模拟时，基于下雨天不用水、不下雨天用水的条件下，要达到同样的控制率，实际调蓄池容积需要160 m3。可见，采用手算法得到的LID设施规模，可能偏小，也可能偏大。崇州项目雨水调蓄池全年水位动态变化过程，见图10。

图10 雨水调蓄池全年水位动态变化过程

两种方法计算过程分析：(1)手算法是基于调蓄池容积能否接纳单场降雨的目标雨水量，而从全年来看，每日的用水量和降雨量都处于动态变化，可能出现蓄水池水还未用完，又来一次降雨，调蓄池此时的剩余容积并未达到设计控制雨水的能力；(2)模型法是基于全年降雨过程数据的动态分析，全面考虑了诸如蒸发量、设施孔隙率以及不同降雨强度下径流系数的动态变化等因素，更能动态、精细化分析出调蓄池所需容积，是一种更精细化设计方法。