建筑與小區海綿城市設計研究

王家良, 龔克娜, 楊艷梅, 邱 壯, 付韻潮

(四川省建筑設計研究院, 四川成都 610093)

建筑與小區海綿城市設計包括低影響開發雨水系統設計，以及場地、建筑、小區道路、小區綠地、低影響開發設施等相關配套設計[1]。在建筑與小區海綿城市設計中，如何快速地制定因地制宜、經濟高效、基于源頭減排的低影響開發雨水系統方案，是需要研究的課題。

在建筑方案設計階段，建筑、景觀、給排水和道路等專業應協同設計，統籌考慮建設用地的地形地貌、原始水文特征、生態敏感性和市政條件等內容，最大限度地保護建設用地及周邊的原有生態系統，盡量維持建設用地開發前的自然水文特征，落實海綿城市規劃建設指標，因地制宜地制定海綿城市低影響開發雨水系統方案[2]。本文以崇州市某新建住宅小區為例，基于源頭減排措施，借助模型軟件系統地分析了建設用地下墊面的地形特點和原始自然水文特征，結合建筑方案和景觀方案，劃分匯水分區，確定雨水徑流路徑，快速地制定了因地制宜的低影響開發雨水系統方案，達到了盡量維持建設用地開發前自然水文特征的目的。另一方面，為合理控制低影響開發設施(以下稱LID設施)的規模，提高LID設施的經濟性和適宜性，進行了手工計算法和模型軟件模擬分析法對比性研究，并對LID設施精細化設計方法和實施效果進行了經濟性分析，使低影響開發雨水系統達到經濟高效的目的。

1 工程概況

1.1 項目介紹

崇州市某新建住宅小區項目(以下稱崇州項目)位于崇州市崇陽鎮，緊鄰永康東路與江源南路交匯處東南側，距崇州市3 km，區域成熟，地塊位置優越。項目由13棟一類高層住宅、7棟多層商業及1層地下車庫組成。小區規劃建設凈用地面積68 553 m2，其中建筑基底總面積15 202 m2，綠地面積25 039 m2，道路鋪裝面積27 141 m2，水景面積1 170 m2；項目總容積率3.0，綠地率30.2 %，項目定位為海綿型中高端住宅小區，建筑方案見圖1。

圖1 項目建筑方案效果

1.2 地質、氣象和市政資料

崇州市屬于成都郊區的衛星城市，地處四川盆地向川西高原過渡的半山半壩地區，建設場地地貌單元屬成都岷江水系一級階地，地勢平坦，工程地質優良，海綿城市建設條件良好。場地覆蓋層主要為雜填土、粉質粘土、粉土及細砂，土層平均滲透系數約為3.1×10-4m/s。根據區域水文地質資料，地下水豐水期、枯水期年變化幅度為1.50～2.50 m，適合雨水下滲。

根據當地氣象資料，崇州市屬亞熱帶濕潤氣候區，氣候溫和，雨量充沛，多年年平均降水量947 mm。豐水期為6～9月，其降水量占全年降水量74 %，枯水期1～3月，其余為平水期，適合雨水收集回用。

建設用地周邊給水、雨水、污水等市政配套設施比較完善，但建設標準較低，項目建成后宜盡量維持開發前的水文特征和雨水徑流路徑。

1.3 海綿城市規劃建設指標

崇州項目位于崇州市崇陽新城海綿城市建設管控分區內，用地性質為一類居住用地，屬新建項目。按上位規劃的要求，項目建成后年徑流總量控制率應達到85 %，對應的設計降雨量為41.8 mm，雨水資源化利用率應達到5 %。

2 海綿城市低影響開發設計流程和設計方法

2.1 建筑與小區低影響開發設計流程

參照DBJ 51/T084-2017《四川省低影響開發雨水控制與利用工程設計標準》(下稱四川省地方標準)，建筑與小區低影響開發設計流程可按圖2[1]進行。對于新建住宅小區，應首先對現狀下墊面和建筑方案進行解析；再結合建設條件對上位規劃指標進行分解，并進行LID設施選擇、LID設施計算、LID設施組合與布置；最后進行指標復核和效果評估。對于建筑與小區項目，需要進行多次迭代計算，方能形成因地制宜、經濟高效的海綿城市建設方案，設計過程比較繁瑣。

2.2 建筑與小區低影響開發設計方法

崇州項目強化了對下墊面原始水文特征的研究和運用，增加了手工計算法與軟件模擬分析對比性研究，取得了較好的效果。海綿城市設計中，按圖2設計流程，經技術比選后制定了圖3所示的技術路線。具體設計方法包括：(1)在下墊面地形地貌、原始水文特征、生態敏感性、匯水分區劃分和雨水徑流組織等方面，借助了軟件模擬分析，并加以梳理和運用，快速地制定了因地制宜的低影響開發雨水系統方案；(2)在LID設施規模計算和經濟性比較方面，采用了手工計算與軟件模擬對比分析的方法，合理控制LID設施規模， 使LID設施和組合系統達到經濟高效的目的。

圖2 建筑與小區低影響開發設計流程

圖3 建筑與小區海綿城市設計技術路線

3 下墊面水文特征分析

3.1 下墊面條件初步評估

崇州項目開發前現場踏勘情況，見圖4。其下墊面類型主要為建筑屋面、硬質鋪裝、綠化和水體等，雨量徑流系數[3]參照GB 50400-2016《建筑與小區雨水控制及利用工程技術規范》(下稱國家標準)取值，經加權平均計算，開發前綜合徑流系數為0.56，見表1。

圖4 崇州市目建設用地現狀

表1 下墊面雨量徑流系數分析

由圖4和表1初步判斷：(1)崇州項目建設用地地勢平坦，需外排的地面雨水徑流可就近匯入周邊市政道路雨水系統；(2)建設用地周邊無較大湖泊、河流、濕地等水生態敏感區；(3)盡量維持建設用地開發前水文特征后，由場地周邊引起的內澇風險不高。

3.2 下墊面水文特征分析

盡量維持場地開發前后的水文特征是海綿城市低影響開發設計的核心。崇州項目下墊面原始水文特征分析流程為：(1)研究建設場地的地形地貌和原始地表漫流水文特征；(2)梳理和提煉出原始地表徑流的主要出路和市政雨水管網接納方向；(3)結合建筑方案、景觀方案和地形地貌，合理劃分匯水分區；(4)參照原始徑流出路，進行豎向設計，合理組織項目的雨水徑流路徑；(5)按上位規劃要求，分解落實海綿城市建設指標；(6)進行LID設施選擇、計算、組合和布置；(5)低影響開發雨水系統效果評估。

售電量=有效電量系數×（1－廠用電率）×（1－輸變電損失率）×發電量=0.95×（1－0.2%）×（1－2%）=0.93×發電量

崇州項目采用ArcGis軟件對下墊面地形地貌和自然水文特征進行分析，見圖5。由分析結果可知：(1)下墊面分析結果和圖4所示現狀基本吻合，場地平均高程524.890 m，最大高差4.22 m；(2)由于地勢平坦，下墊面徑流路徑分散，需對原始自然雨水徑流路徑進行梳理和提煉，盡量減少新建項目對建設用地周邊的自然水文特征和市政雨水管渠流量分配的影響。

圖5 下墊面地形地貌和自然水文特征分析

3.3 下墊面水文特征的梳理和運用

按前述下墊面水文特征分析流程，崇州項目根據場地的豎向條件和自然水文特征，結合建筑方案和景觀方案劃分，共分為13個雨水匯水分區。場地內雨水管渠盡量按原始雨水徑流方向布置，并對接上位規劃建設指標，進行指標分解、LID設施計算、LID設施組合與布置。崇州項目原始徑流路徑梳理和匯水分區見圖6，LID設施布局和徑流路徑組織見圖7。

圖6 建設用地原始徑流路徑梳理和匯水分區劃分

圖7 建設用地LID設施布置和徑流路徑組織方案

3.4 效果評估分析

崇州項目海綿城市建設的年徑流總量控制率指標校核，見表2。

表2 年徑流總量控制率指標校核

若按兩年一遇重現期的設計降雨量，對崇州項目開發前后的場地出流量和徑流量進行研究，模擬分析成果見表3。通過模擬分析可知：(1)由于開發后下墊面硬化面積有所增加，場地自然水文特征已發生變化；(2)開發后徑流峰值和徑流系數分別達到開發前的3.6倍和3.3倍，徑流峰值時間提前出現。崇州項目未設置LID設施時，其2年一遇場地出流量過程見圖8。

表3 建設場地徑流模擬分析成果

圖8 設置LID設施前場地2年一遇場地出流量過程線

基于對下墊面原始水文特征的分析，落實上位規劃建設指標，布置LID設施后，崇州項目2年一遇場地出流量過程見圖9。可見，建設場地的徑流峰值已小于開發前的狀態，徑流峰值出現的時間明顯滯后，有效緩解了場地內澇風險。由此可見，充分解析和運用開發前建設用地的自然水文特征，可快速制定因地制宜、經濟高效低影響開發雨水系統設計方案。

圖9 設置LID設施后場地2年一遇場地出流量過程線

3.5 相關問題探討

3.5.1 下墊面原始水文特征分析的必要性

對于新建建筑與小區，參照四川省地方標準[1]要求，當建設用地總面積大于或等于5 ha時，應制定海綿城市建設整體設計專項方案；并按圖2設計流程，對現狀下墊面原始水文特征和建筑方案進行解析，為海綿城市各專業協同設計提供依據。對于建設用地面積較小的項目，可不制定專項方案，但需按圖2設計流程，對地形地貌和建筑方案進行解析。

對于老舊小區改造項目，下墊面原始水文特征分析應以問題為導向，將地面漫流二維模型和既有雨水管渠一維水力模型進行耦合分析，識別內澇風險和管網現狀。

3.5.2 數字模型軟件的選擇和應用條件

崇州項目采用了ArcGis軟件，進行地形地貌、水文特征和生態敏感性等分析。對于雨水排水系統，采用的數學模型一般有降雨模型、產流模型、匯流模型、管網水動力模型等一系列模型組成，涵蓋了排水系統的多個環節。建設用地尺度較大時，還應考慮同一降雨事件中降雨強度在不同時間和空間的分布情況[4]。模擬分析時，常用軟件包括SWMM、Infoworks系列、Mike系列等國外軟件和國內模型分析軟件，應按軟件的功能和適用范圍進行選擇，并注意基礎數據的準確和參數的率定等方面。

比如，建筑與小區海綿城市方案設計階段，下墊面自然水文特征分析和易淹區風險識別，可采用二維地表漫流水文模擬軟件，從宏觀上分析出可能的積水區域，再進行精細化研究。對于大型老舊小區的海綿城市提升設計，則應進行采用一維、二維耦合模型，將一維管道徑流與二維地面漫流耦合嵌套，模擬內澇積水情形的動態演進，包括積水范圍、積水深度和匯流路徑，用于內澇風險評估和管道現狀的調查。

3.5.3 LID設施的其他影響因素

本文著重討論建設用地下墊面地形地貌和水文特征與低影響開發雨水系統的關系。LID設施選擇和精細化設計還應與設施類型、建設條件、地質資料、降雨特征等因素有關，需要統籌考慮。

4 LID設施規模精細化設計

4.1 計算方法

建筑與小區海綿城市設計中，LID設施規模計算主要有兩種方法：容積法手工計算(下稱手算法)和數學模型軟件模擬分析法(下稱模型法)。以崇州項目為例，其年徑流總量控制率目標為85 %，采用的低影響措施主要包括：雨水花園、下沉式綠地、透水鋪裝和雨水調蓄等，詳見表2。該項目項共劃分為13個匯水分區，在LID設施規模計算過程中分別采用了手算法和模型法，模型法采用了某水力模型軟件，并與手算法結果進行了對比性分析。

手算法基于單場降雨的計算，模型法基于典型年全年降雨動態分析計算，兩者計算結果必然會存在差異。為了對比兩種方法的差異，崇州項目模型法分析的LID參數與手算法保持一致。

4.2 LID設施規模設計計算

崇州項目設有雨水回用系統，用途包括道路澆灑、綠化灌溉等，日用水量為72.9 m3/d。以S8匯水分區為例，采用手算法計算時，場地雨水通過管網直接進入雨水調蓄池，該分區滿足74 %的年徑流總量控制率，需要70 m3調蓄池容積；若按國家標準[3]，用水時間按2.5 d計算蓄容積，則需要182.3 m3。采用模型法模擬時，基于下雨天不用水、不下雨天用水的條件下，要達到同樣的控制率，實際調蓄池容積需要160 m3。可見，采用手算法得到的LID設施規模，可能偏小，也可能偏大。崇州項目雨水調蓄池全年水位動態變化過程，見圖10。

圖10 雨水調蓄池全年水位動態變化過程

兩種方法計算過程分析：(1)手算法是基于調蓄池容積能否接納單場降雨的目標雨水量，而從全年來看，每日的用水量和降雨量都處于動態變化，可能出現蓄水池水還未用完，又來一次降雨，調蓄池此時的剩余容積并未達到設計控制雨水的能力；(2)模型法是基于全年降雨過程數據的動態分析，全面考慮了諸如蒸發量、設施孔隙率以及不同降雨強度下徑流系數的動態變化等因素，更能動態、精細化分析出調蓄池所需容積，是一種更精細化設計方法。

4.3 計算結果分析

從崇州項目整體來看，通過模型法得到的LID設施規模遠小于手算法得到的規模，經濟性更佳；而手算法考慮因素比較單一，計算結果可能偏大也可能偏小，有條件地區應鼓勵采用。當然，模型法對于基礎數據要求較高，還應考慮使用條件和參數率定等問題。

兩種方法結果對比：相同條件下，下沉式綠地模型法得到的面積比手算法減少約45 %，雨水花園面積減少約50 %；不考慮其他因素，也可認為下沉式綠地經濟性提高了45 %，雨水花園經濟性提高了50 %。下沉式綠地手算法與模型法計算結果對比分析，見圖11。雨水花園手算法與模型法計算結果對比分析，見圖12。

圖11 下沉式綠地手算法與模型發計算結果對比分析

圖12 雨水花園手算法與模型法計算結果對比分析

5 結論

(1)建筑與小區海綿城市設計，需從盡量維持場地開發前后的建設場地水文特征的理念出發，在建筑方案階段加強對下墊面的地形地貌和原始自然水文特征研究，并加以梳理和運用，可快速地制定因地制宜、經濟高效的低影響開發雨水系統方案。

(2)下墊面的地形地貌和原始自然水文特征研究的分析，LID設施規模的精細化設計，均需要模型軟件支撐，進行定量分析；但同時應考慮模型軟件的適宜性、基礎數據的準確性和設計參數的率定等問題。

(3)對于老舊小區改造項目、有高內澇風險項目，應根據需求進行二維模型，或者一維和二維耦合模型耦合進行分析，為建筑方案、景觀方案、海綿城市協同設計，提供科學依據。