基于低影响开发理念的城市建成区雨水系统改造

丁 琨，张 媛，项 远，孙志鹏，陈龙飞

（1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

雨水系统作为城市建设重要枢纽，时刻影响城市发展。近年来，城市迅速发展，城市雨水系统问题也日益凸显，主要表现在城市内涝严重；雨水重现期低，排水分区不合理[1]；雨水管道连接不规范；雨水利用率低且污染严重等方面。基于这些问题背景下，以低影响开发理念为基础的雨水系统建设概念被提出。目前已有较多学者对其展开研究，例如水源等提出依附海绵城市为理论基础对城市建成区进行改造[2]；关天胜提出海绵城市理念下对高密度城区污水进行提质增效策略[3]；刘楠楠等基于海绵城市理念对初期雨水资源化展开研究[4]。现以安徽省合肥市某小区为例，以低影响开发理念为基础，提出雨水系统问题解决方案，为城市小区进行相关改造提供借鉴。

1 海绵城市概念及低影响开发理念

1.1 海绵城市

海绵城市指城市具备海绵的功能，在应对自然灾害问题和适应环境变化等方面具有良好的弹性，主要体现在“渗、滞、蓄、净、用、排”六个方面，即充分发挥城市的渗水、滞水、蓄水、净水功能[5]，实现雨水在城市的动态循环。

1.2 低影响开发

低影响开发强调进行人工开发时，降低对自然水生态的影响，达到水资源保护和利用的目的。相比较传统的雨水排出模式，其更加注重对源头的控制和利用[6]，是实现“生态城市”的有效手段[7]，通过采取合理措施控制径流，改善水质，达到修复城市环境的目的[8]，在选择低影响开发措施时需要以雨洪控制效果、综合成本、环境效益、社会效益等评价体系为依据综合考虑[9]。

2 小区雨水系统的低影响开发改造

2.1 小区概况

改造小区位于安徽省合肥市，该市四季变化交替明显，全年气候温和[10]，降雨量和径流量随季节变化较大[11]，为小区雨水系统改造提供良好气候条件。该小区总规划面积为55 897.3 m2；总建筑面积为135 800 m2；总建设面积为74 780 m2；建筑密度为24.30%，其内部面积分布情况如表1。

表1 合肥某小区各部分面积分布情况表

2.2 改造前小区雨水系统问题

小区原排水体制为分流制排水系统，由于建设年限较为久远，雨水系统设计理念相对落后，实际运行时内涝频繁，雨水资源浪费严重，雨水污染明显，绿化布局单一等问题逐渐暴露。

2.3 对小区雨水系统进行低影响开发改造

2.3.1 低影响开发方案措施优缺点比较

以低影响开发理念为基础采取的各项改造措施对缓解雨水系统问题具有一定效果，但其优缺点各不同。各项改造方案措施优缺点对比如表2。

表2 低影响开发方案措施优缺点对比表

2.3.2 小区雨水系统低影响改造方案

经实际比较分析，此次改造从绿色屋顶，下沉式绿地，透水性地面，雨水循环系统，雨水调蓄系统，植草沟等方面进行，使低影响开发理念充分融进小区内。

设置绿色屋顶。将小区内住宅屋顶和幼儿园屋顶改为绿色屋顶。利用土壤和基质的过滤、吸附、微生物降解等作用去除径流中大部分污染物[12]。避免土壤遭雨水冲刷而堵塞雨水口，在绿色屋顶土壤下方铺设过滤膜。溢流雨水通过竖管汇集到地面收集装置中，供地面和屋顶绿化浇灌使用。

设置下沉式绿地。对小区内现有绿地进行坡度改造，形成下沉式绿地。以充分发挥小区绿地的承接、储存雨水功能，同时在绿地上铺设少量砂石，以拦截雨水中较大杂质，提高雨水渗透率。

铺设透水性地面。对小区内现有人行道、普通广场、停车场等道路进行透水改造，新建道路在无特殊要求下均采用多孔沥青混凝土和草皮砖等透水性材料铺设[13]。为避免暴雨时期透水性道路不能及时吸收部分雨水而造成积水的现象，将地面改设成一定坡度，将雨水分散到周边绿化带中。

设置雨水循环系统。在小区最低处设置集水池，增设喷灌给水管和地下回水过滤盲管，将过滤盲管接入集水池，增配相应水泵，建成埋地式雨水收集一体化设施，保证雨水的动态循环[14]。

设置末端调蓄设施。由于绿化自身渗水、储水能力有限，因此在该小区内设置调蓄池，将雨水管接入雨水调蓄设备中，形成的溢流排入雨水管道中[15]，达到溢流雨水滞蓄和排放目的。

增设植草沟。在该小区道路绿化带与两侧绿地中增设植草沟，使地表径流以低速流经植草沟，去除径流中多数悬浮物颗粒和部分溶解性污染物[16]，对小区面源污染具有明显的控制作用。

2.3.3 改造后小区雨水回收利用主要路线

因初期雨水污染较大，通常使其汇入污水管道中，送入污水处理厂进行处理。而后期雨水污染相对较小，通过埋地式雨水收集一体化设施，使其用于绿化、道路、景观等用水，过多部分则通过雨水管送入调蓄池，溢流部分排入雨水管道中。改造后小区雨水回收利用主要路线如图1。

图2 小区雨水回收利用路线图

2.3.4 改造小区雨水系统低影响开发设计

（ⅰ）改造小区下沉式绿地的计算

改造的下沉式绿地面积S1为24 371 m2，小区总规划面积S2为55 897.3 m2，则绿地面积比f为：

得f为43.6%。

下沉绿地下凹深度Δh0。绿地服务范围内的径流系数为0.15[17]，绿地雨水收集重现期取1年，据暴雨强度公式可得1年最大日降雨量为45 mm。根据该小区土壤分析，该区土壤入渗率为 2×10-5m/s，则下凹深度 Δh0[18]为

其中：C为绿地服务范围内的径流系数；P为绿地降雨量，单位为mm；K为土壤入渗率，单位为m/s。代入数据，得 Δh0为-0.018 m。

因Δh0计算结果为负数，表明该小区绿地无需下沉深度即可下渗雨水，则下沉绿地的深度满足设计要求，取0.1 m。为检验计算准确性，采用公式（3）进行核算[19]：

其中：ψ为汇水面综合径流系数；t1为降雨初期暴雨径流量与绿地渗透量相等时刻；t2为降雨中后期暴雨径流量与绿地渗透量相等时刻；i为暴雨强度，单位为mm/min。经核算下沉绿地下凹深度Δh0计算值符合要求。

雨水下渗量S[18]

其中：J为水力坡度，假定雨水为垂直下渗，J=1；T为渗蓄时间，取 60 min[18]；代入数据，得S为1 754.71 m3。

下沉式绿地蓄水量差值ΔU[18]：

代入数据，得ΔU为2 437.1 m3。

雨水渗蓄率N[18]

其中：S3为除绿地的服务范围的集水面积。代入数据，得N为320%＞100%[18]，则下沉式绿地可蓄渗大于服务雨水收集量。

（ⅱ）改造小区透水性地面计算

该小区所处合肥，重现期Q为2 a，降雨时长t为60 min，则暴雨强度i计算公式为[20]

其中：t为降雨历时，单位为min。代入数据，得i为0.68 mm/min。

透水性地面基层厚度H[18]

其中：v为土基的饱和渗透系数[21]；n为蓄水层的孔隙率[21]，取20%；代入数据，得H为20.04 cm，20.04＞20，符合要求。

（ⅲ）改造小区植草沟计算

设计降雨径流量Q降：

其中：Φ 为汇水面积综合径流量[18]，0.4～0.5 m3/s，结合实际选择0.4 m3/s；S汇为汇水面积。代入数据，得Q降为0.28 m3/s。

植草沟转输雨水径流能力[22]：

其中：B为植草沟横断面面积[22]，最大为1.04 m2；R为植草沟横断面水力半径，m；e为植草沟纵向坡度[22]，不大于 4%；ζ为阻力系数[22]，0.02～0.1，结合实际选择0.1；χ为植草沟横断面湿周[22]，有效值4 m；代入数据，得Q草为0.85 m3/s。经计算Q草＞Q降，则设置的植草沟符合要求。

（ⅳ）改造小区需用雨水量

该小区经改造后增加了雨水在绿化浇洒、道路冲洗等方面使用。根据相关规范标准，对该小区的绿化采取一级养护[23]。

住宅绿色屋顶、幼儿园绿色屋顶和小区绿化，则绿化平均日用水量Q1为：

其中：S4为住宅占地面积，m2；S5为幼儿园占地面积，m2；B绿为绿化浇洒定额，m3/(m2·a)；Tw为浇洒天数，365 d；代入数据，得Q1为 121.08 m3。

道路包括机动车道和人行道，则道路平均日用水量为Q2：

其中：S6为机动车道占地面积，m2；S7为人行道占地面积，m2；na为年浇洒次数；次/年；Br为道路浇洒定额，L/(m2·次)；代入数据，得Q2为 0.85 m3。

雨水处理系统平均日自用水量为绿化和道路平均日用水量的5%[23]，为Q3：

代入数据，得Q3为6.096 m3。

未遇见平均日用水量为绿化、道路、雨水处理系统平均日用水量的10%[23]，为Q4：

代入数据，得Q4为12.81 m3，则该小区平均每日需雨水量为Q日：

代入数据，得Q日为140.84 m3。

日变化系数r日取1.5，则最高日需雨水量为Qmax：

代入数据，得Qmax为211.26 m3。

（ⅴ）改造小区可回收利用雨水量

结合相关规范，普通屋顶雨水收集的重现期取2 a，最大日降雨量为80 mm，雨水径流系数为0.9；绿色屋顶雨水收集重现期取1 a，最大日降雨量为45 mm，雨水径流系数为0.3[17]。雨水日径流量Wd(降雨可回用系数取0.7)[23]：

其中：β为降雨可回用系数；y为雨水径流系数；b为最大日降雨量，单位为mm；S径为径流集水面积，单位为m2。代入数据，得W为11 472.93 m3。

初期降雨径流需弃流，取初期雨水弃流高度为5 mm，则降雨弃流量为：

其中：S8为商店占地面积，m2；h初为初期雨水弃流高度为，mm；代入数据，得Wq为 3739 m3。

雨水可利用量W为：

代入数据，得W为7 733.93 m3。

因雨水可利用量W＞Qmax，所以该小区的海绵改造符合要求。

（ⅵ）埋地式雨水收集一体化设施计算

对小区进行改造时，需设置埋地式雨水收集一体化设施，该设施需满足：

其中：qi为单位需雨水量；ni为需雨水数量，∑qini为最高日需雨水量；ty为用水时间，取40 d；代入数据，得∑qini=8 450.4 m3＞W，满足要求。

埋地式雨水收集一体化设施每日工作15 h，则该设施处理能力为：

代入数据，得埋地式雨水收集一体化设施的处理能力为14.08 m3/h

（ⅶ）改造小区污染物控制率计算

悬浮物、化学需氧量、总氮、总磷等是小区主要的污染物控制指标。因多数径流污染物与悬浮物具有关联性，所以采用悬浮物作为小区改造后的径流污染物控制指标[24]。小区各部分悬浮物去除率标准如表3[25]。

表3 小区各部分悬浮物去除率标准表

采取低影响开发措施后对悬浮物的平均去除率D为

其中：S9为普通广场面积；S10为停车场面积。代入数据，得悬浮物（suspended solids，SS）平均去除率为53.40%。年径流总量控制率Css：

其中：C年为年径流总量控制率，取85%，代入数据，得小区年SS总量控制率为45.39%。

SS总量控制率标准为年SS大于40%。改造后年SS总量控制率为45.39%＞40%[23]，所以该小区经改造后满足污染物控制率要求。

3 小区低影响开发改造效果

通过本次改造使小区硬化面积降到40%以下，既有效控制了暴雨时期内雨水径流，也进一步提高了雨水利用率，降低了雨水污染度。该小区低影响开发改造措施前后对比分析如表4。

表4 低影响开发改造措施前后对比分析表

改造后小区不仅提高了自净能力，也增添了景观效果，小区部分改造前后效果对比如图2。

图2 该小区海绵部分改造前后对比图

4 低影响开发小区的发展

对本次案例分析可知，以低影响开发理念改造既优化了小区雨水系统，也实现了雨水利用与环境保护同步的目的[26]。低影响开发小区主要分两类，一类是对已建小区的改造；该类小区是在原基础设施上进行改造的，实际操作时会受到多种限制因素，无法充分体现低影响开发理念[27]；另一类是在建设中或未来建设小区中融入低影响开发理念，采取各项措施。由此可见，以生态优先与因地制宜为原则[28]的低影响开发理念不仅是城市发展方向，也将是城市基础设施发展的主流。

5 小结

海绵城市设计中采取的低影响开发措施不仅从源头上根治了城市建成区雨水系统存在的问题，也进一步完善了城市雨水系统，提高了城市雨水系统的运行能力。通过对已有案例分析可知，在城市建成区雨水系统的改造中融入低影响开发理念对创设环境友好型城市具有明显的促进作用，因此该改造方法具有广阔的应用前景，对推进海绵城市建设也具有重要的意义。