人大附中三亚学校海绵城市设计要点分析

陈泽楠，王灿果

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510000）

自2013年以来，中央开始注重海绵城市建设，在多个城市区域进行了海绵城市建设试点工作。现在各省市地区基本都已颁布各自的海绵城市建设导则，全面实施海绵城市建设方针。海南省三亚市公建项目应遵守当地海绵城市建设的政策法规，进行海绵城市设计和施工验收。

1 工程概述

中国人民大学附属中学三亚学校（以下简称“人大附中三亚学校”）规划用地面积230742.93m2，总建筑面积为201540m2，其中一期建筑面积为153988m2。项目一期地上建筑包括教学楼（小学、初中、高中、中外合作办学）、行政楼、教师培训中心、宿舍楼、食堂、图书馆、体育馆等，地下建筑为设备用房和停车库等。场地原始地形起伏较大，存在大量低洼湿地，周边高、中间低，高差约6m。二期为远期发展预留。

2 项目前期条件

前期条件包括项目规划条件、市政条件、开发前地形地貌地质条件、气候条件等内容。以下简单描述规划条件及市政条件内容。

根据《三亚市海绵城市建设总体规划2015—2020》，该项目符合市政规划条件。该地块在海棠湾林旺片区，属于LJT-2区域，要求采用的年径流总量控制率为75%，SS去除率为50%。根据海棠湾B1地块控制性详细规划，待项目投入使用时，周边有完善的市政污水管网和雨水管网，可以满足该项目排水需求。

3 设计目标

依据《三亚市海绵城市建设总体规划》有关要求，项目的主要设计目标如下：（1）年径流总量控制率75%（对应设计降雨量42.5mm）。（2）3年一遇1h设计暴雨时，高峰径流不大于开发前建设水平。（3）水质处理宜使用低影响设施生态方式，满足雨水回收利用和排放要求，有特殊要求的按相关规定处理。年SS总量去除率不小于50%。（4）引导性指标为绿色屋顶率10%，下沉式绿地率70%，透水铺装率60%。

4 设计雨型

4.1 设计降雨量与年径流总量控制率对应关系

通过对三亚市1985—2014年近30年的降雨数据分析，在去除≤2mm的降雨事件的降雨量后，计算出三亚市年径流总量控制率对应的设计降雨量，对应关系如图1所示。

图1 三亚市年径流总量控制率对应设计降雨量曲线

4.2 流量控制计算

雨水设计径流总量计算公式：

式中：V为雨水设计径流总量，m3；φ为雨量径流系数；H为设计降雨量，mm；F为汇水面积，hm2。

4.3 典型重现期设计雨型

不同重现期短历时雨型可根据芝加哥雨型与暴雨强度公式进行设计。

峰前：

峰后：

式中：ib为峰前降雨强度，mm/min；ia为峰后降雨强度，mm/min；r为雨峰系数；tb为峰前降雨历时，min；ta为峰后降雨历时；a、b、c为常数。

4.4 三亚地区设计重现期的设计雨型

根据三亚地区的暴雨强度公式，采用芝加哥雨型生成短历时降雨过程线作为模型设计降雨资料，如图2所示，降雨重现期选择3年，降雨历时选择1h，雨峰系数选择0.4，降雨时间间隔选择1min。

图2 芝加哥降雨过程曲线图

式中：q为设计暴雨强度，L/（s·hm2）；P为降雨重现期，本项目选择3年进行模拟；t为降雨历时，本项目选择1h。

5 总体方案设计

经计算，该项目雨量径流系数φ=0.44；设计径流控制量V=10×0.44×230742.93×42.5÷10000=4314.89m3。

建筑小区排水分区的划分主要以雨水管网系统和地形坡度为基础，根据该项目所在片区雨水管线布置情况、场地竖向高程、场地内部建设情况等进行排水分区划分，不透水表面产生的雨水应结合场地竖向，优先引入绿地进行滞流和下渗，减少雨水径流量与污染物。根据场地下垫面情况和竖向条件，将该项目划分为186个汇水分区、2个排水分区。

6 方案比选

方案一：蓄水模块+透水铺装+生态停车场+雨水花园+生态树池+下凹式绿地。优点是海绵设施源头分散式布置，就地消纳自身及周边雨水，经济效益较好，整体造价相对较低，采取雨水资源化利用；但成型的规划方案缺乏景观水体。

方案二：蓄水模块+透水铺装+生态停车场。优点是采取雨水回收系统，实现雨水资源化利用。未采用生态设施，仅通过地表水入渗不足以达到海绵城市的要求，且大量布置透水路面，限制了车行道的使用功能。由于要承受机动车、消防车等荷载，对透水铺装的工艺要求较高，投资较大。

方案三：蓄水模块。采取雨水回收系统，实现雨水资源化利用；但使用蓄水模块，前期投资大，后期维护成本及要求都较高。

综合考虑经济成本、景观效果等，比次推荐方案一。

7 低影响设施布局说明

将项目中部分停车位设计为生态停车场，增加雨水渗透。既可以满足停车功能，又可以发挥生态绿化的作用。在人行道、停车场、广场等轻荷载及景观效果要求不高的路面设计透水路面，有效促进雨水入渗，净化雨水径流，延缓径流流速。项目微地形较多，在地势较低的地方设置深度150mm的下凹式绿地和深度300mm的雨水花园，增加对雨水的调蓄量。在建筑周边宅旁绿地上设置部分下凹式绿地，在场地中心景观组团处设置雨水花园、生态树池等复杂性生物滞留设施。

8 年径流总量控制率计算

将每个排水分区产生的径流容积，设为此排水分区设施的最小设计调蓄容积，可以计算出每个排水分区、不同类型低开发设施的最小面积。对透水铺装等仅以原位下渗为主、顶部无蓄水空间的渗透设施，其基层及垫层空隙虽有一定的蓄水空间，但其蓄水能力受面层或基层渗透性能的影响很大，因此透水铺装可通过参与综合雨量径流系数计算的方式确定其设施规模。对于雨水花园、下凹式绿地等顶部或结构内部有蓄水空间的渗透设施，设施的净空调蓄容积计算公式：

式中：As为设施面积，m2；H为设施的净空高度，m。下沉绿地取0.15，雨水花园设施取0.3～0.5；考虑地表之上具有植被的蓄水区域分数，取0.1，即净空调蓄容积中植物体积占10%。结合景观要求及每个汇水分区内调蓄容积需求建设低影响设施，各LID设施体量统计如表1所示。

表1 LID设施体量统计 单位：m2

9 溢流口（井）过流能力校核

溢流口（井）是生物滞留设施的重要组成部分，将雨洪通过溢流井转输到市政排水系统，确保生物滞留设施正常运行。溢流口（井）宜布置在进水区附近，以防止高速水流进入池体。溢流口（井）设计流量和校核流量的计算分别取重现期为3年和30年降雨，降雨历时取10min。

根据溢流口参照图集平篦式单篦雨水口，单个溢流口尺寸为750mm×450mm，排水能力为20L/s。

根据《室外排水设计规范》（GB 50014—2016）雨量设计计算公式得出溢流口流量：

式中：Q为溢流口流量，L/s；Ψ为综合流量径流系数；F为面积，hm2；q为暴雨设计强度，L/s·hm2；a为安全系数1.5～3.0，该项目取1.5。

该方案选用单个溢流口（750mm×450mm）排水能力为20L/s的单篦雨水口，溢流管管径为DN200，足以满足项目重现期30年一遇的溢流要求。

10 达标校核

此次运用EPA-SWMM对项目在开发建设期前、传统开发建设（规划设计）、低影响开发建设状态下径流变化规律进行了模拟，从而进一步分析、校核低影响设施的设置对于场地径流控制与径流峰值控制的影响，建模步骤及结果如下：

（1）排水区域概化。依据项目的室外排水管网图以及汇水分区，并综合考虑屋面、绿地、室外硬质路面等下垫面的径流特征的不同，将研究区域概化为1585个子区域、274个节点、272个管段、17种土地利用类型与2个排放口。

（2）参数设置。①蒸发量参数。模型中蒸发量的设定方式包括恒定值（外部输入蒸发量数值）、通过时间序列计算日蒸发量和外部输入的降雨数据中的温度计算蒸发量。文章选用外部直接输入恒定值的方式，按区域的月平均蒸发数据设定。②子汇水区参数。每个子汇水区都需要输入的参数如下：子汇水区面积、汇水宽度、不透水率、坡度、透水区域和不透水区域汇流的曼宁系数、透水地表和不透水地表的洼地蓄水量、无洼蓄不透水面积率以及透水地表的入渗模型。入渗模型采用Horton渗透模型，主要参数包括最大入渗量、最小入渗量、衰减常数和排干时间。其参数来源于项目的设计资料，其他参数借鉴SWMM用户手册。不渗透性N值参考曼宁n值—地表漫流，按照地表类型取值0.013；渗透性N值参考曼宁n值—地表漫流，按照地表类型取值0.15。不渗透性洼地蓄水1.27mm，渗透性洼地蓄水5mm。产流计算过程采用Horton入渗模型，土壤为回填土砂壤土，渗透系数取经验值3.3～51mm/hr；其他参数：衰减系数取4/h，排干时间2d。③水力参数。区域内的雨水管渠采用双壁波纹管，曼宁系数0.013。④LID参数。模型的低影响开发设施参数基于实际设计规格和手册资料典型值而确定。设施的尺寸大小及各层的厚度按照实际设计规格取值，其余参数根据典型值而定。

（3）径流特征变化分析。依据以上建立的模型，对该项目在不同降雨重现期与不同开发建设状态下的径流特征变化进行了分析计算，结果如下：通过计算可知，低影响设施的控制降雨量为渗入雨量、地表蓄水雨量以及蓄水雨量之和，即6.832+41.643+5.417（蓄水池调蓄量）=53.892mm，低影响设施的设置使得场地内3年一遇1h降雨条件下的径流峰值流量相比原建设（低影响开发前）削减了70.89%，同时低影响开发后场地的径流峰值流量值也低于场地开发建设前的状态，因而低影响设施的设置有效降低了场地径流量与径流峰值流量，如图3和表2～表4所示。

11 径流污染控制

该项目计入年SS总量去除率的设施有透水铺装、生态停车位、雨水花园、绿色屋顶，其中透水铺装对SS的去除率为85%、生态停车位对SS的去除率为85%、雨水花园对SS的去除率为75%、绿色屋顶对SS的去除率为80%。具体计算公式：年SS总量去除率=AVERAGE（低影响开发设施对SS的平均去除率×排水分区年径流总量控制率）。

排水分区的年径流总量控制率依据每个排水分区的实际调蓄量，参照三亚市年径流总量控制率曲线反算，计算得SS=53.23%。

12 结束语

图3 开发前-常规开发-低影响开发工况系统出流流量曲线对比图

表2 雨水控制平衡表

表3 出流流量对比分析

表4 模拟效果径流峰值对比分析

《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）中明确小区排水要求遵循源头减排的原则，对雨水径流采取控制和利用措施，减少雨水管网和雨水口的设置。目前由于不同项目的海绵设计在设计指引、施工验收、后期维护等方面存在差异，设计施工和最终运行效果可能存在较大差距。因此，现阶段项目的雨水管网仍需预留出超出径流控制的雨水量的排水量。