基于系統(tǒng)思維的海綿城市設(shè)計方法探索與實踐

趙士文，林俊雄，祁 鋒，孔 赟，江 心

(1.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，江蘇南京 210029；2.南京水利科學研究院, 江蘇南京 210029；3.江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計研究院，江蘇南京 210036；4.南京市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，江蘇南京 210036)

多年來，我國城鎮(zhèn)化水平快速提升，城市生態(tài)系統(tǒng)格局、質(zhì)量和規(guī)模發(fā)生了深刻變化，城市硬化比例顯著增加[1]。“十三五”期間，海綿城市建設(shè)在全國許多城市陸續(xù)展開，30個國家試點城市共完成海綿城市建設(shè)項目4 979個，其中住宅小區(qū)項目2 576個；另外，在13省90個省級海綿試點城市累計建成各類海綿城市建設(shè)項目3.3萬余個，總投資達1.06萬億元。目前，改變傳統(tǒng)大開大建模式，建設(shè)“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市，緩解內(nèi)澇現(xiàn)象，改善人居環(huán)境，已深入人心，得到老百姓的好評[2-6]。

然而，面對需要多專業(yè)、多領(lǐng)域、多部門共同參與的“海綿城市”新理念，如何融入傳統(tǒng)設(shè)計，各地仍處摸索爬坡的階段。當前，眾多海綿城市設(shè)計方案中，常見專業(yè)不齊、經(jīng)驗不夠、目標不明、系統(tǒng)思維不足等問題；缺乏問題、需求和建設(shè)條件分析，造成方案未能“一區(qū)一策”的生搬硬套；豎向及徑流組織設(shè)計不細，致使海綿設(shè)施功能發(fā)揮困難；海綿技術(shù)措施選擇未能因地制宜，導致落地性差，與施工脫節(jié)；雨水徑流模型驗證不足，難以科學量化海綿目標的可達性。

為解決海綿城市設(shè)計過程中如何進行系統(tǒng)設(shè)計思維構(gòu)建的問題，本文以江蘇省某住宅小區(qū)為例，從海綿分區(qū)劃分、技術(shù)選擇、設(shè)施布局、豎向及徑流組織設(shè)計，系統(tǒng)闡述了方案設(shè)計的全流程，并借助雨水徑流模型進行目標可達性驗證，以期為全國住宅小區(qū)類海綿城市建設(shè)方案設(shè)計提供借鑒和參考。

1 案例概況

本案例位于蘇南平原水網(wǎng)地區(qū)，有較為獨特的圩區(qū)排水特征，對象為新建住宅小區(qū)，總用地面積為4.72萬m2，綠地率約35%(圖1)。本案例中，力求通過海綿城市建設(shè)，實現(xiàn)雨水徑流量、徑流污染的源頭削減和雨水的資源化利用。

圖1 項目位置圖Fig.1 Location of the Project

2 目標原則及技術(shù)路線

2.1 設(shè)計目標

依據(jù)當?shù)叵嚓P(guān)規(guī)劃及政策文件，綜合考慮本地塊用地性質(zhì)、建設(shè)階段及建設(shè)條件，確定海綿城市建設(shè)目標：年徑流總量控制率為80%，面源污染削減率為65%(以SS計)。

2.2 設(shè)計原則

(1)因地制宜、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)原則。差異化設(shè)定分區(qū)目標，地塊一盤棋統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，達到地塊總體目標。

(2)集中與分散相結(jié)合原則。設(shè)置集中型或分散型海綿處理設(shè)施，系統(tǒng)構(gòu)建社區(qū)海綿網(wǎng)絡(luò)。

(3)先綠色后灰色、先地上后地下原則。優(yōu)選地上綠色滲透、滯蓄、凈化型海綿技術(shù)措施。

(4)因需制宜進行雨水資源化原則。因需確定雨水調(diào)蓄池規(guī)模，回用于道路清洗或綠化澆灑。

2.3 技術(shù)思路

(1)確定項目設(shè)計指標。根據(jù)相關(guān)文件，結(jié)合地塊性質(zhì)、建設(shè)階段和條件綜合確定設(shè)計指標。

(2)項目總體方案設(shè)計。依據(jù)目標、雨水回用需求，協(xié)調(diào)建筑景觀方案，進行項目總體方案設(shè)計。

(3)海綿匯水分區(qū)劃分。綜合考慮場地豎向、建筑分水線、景觀方案、管線布置等，劃分排水分區(qū)。

(4)分區(qū)海綿技術(shù)優(yōu)選。依據(jù)目標及設(shè)計原則，靈活進行各分區(qū)的海綿技術(shù)措施選擇。

(5)設(shè)施規(guī)模計算及布局。容積法計算設(shè)施規(guī)模，動態(tài)調(diào)整分區(qū)內(nèi)規(guī)模及布局，至達成項目總目標。

(6)設(shè)計方案目標校核。通過SWMM雨洪模型進行模型構(gòu)建，實現(xiàn)系統(tǒng)方案目標校核和動態(tài)反饋。

(7)徑流組織及雨水系統(tǒng)完善。以雨水重力流順坡排水為原則，細化細部豎向和徑流組織設(shè)計。

本項目海綿方案技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Diagram of Technical Route

3 建設(shè)條件分析

3.1 降雨條件分析

本案例所處地區(qū)年平均降雨量為1 133.3 mm，降雨呈明顯季節(jié)性特征，6月—8月汛期，暴雨頻發(fā)。

3.2 下墊面分析

本案例范圍內(nèi)綠地面積約1.65 萬m2，屋面面積約0.76 萬m2，硬質(zhì)鋪裝面積約1.19 萬m2，現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)約為0.54。

3.3 豎向分析

本案例地勢平坦，豎向變化小，排水條件好。應(yīng)對各分區(qū)進行詳細的徑流組織和豎向設(shè)計，以滿足海綿措施的功能發(fā)揮。

3.4 土壤滲透能力

地質(zhì)勘查報告顯示，土壤滲透系數(shù)僅為8.64～1.73 mm/d，整體滲透性較差，場地地下水埋深約為1.0～1.5 m，雨水下滲空間不足，可通過土壤級配優(yōu)化或增加多孔墊層以增強海綿設(shè)施的滲透性能。

3.5 地下空間分析

本住宅小區(qū)地下車庫頂板覆土1.2 m，應(yīng)結(jié)合豎向、地庫覆土深度優(yōu)化設(shè)施布局，因地制宜地設(shè)計海綿設(shè)施結(jié)構(gòu)層厚度。

4 海綿方案設(shè)計

4.1 總體方案設(shè)計

依據(jù)案例海綿目標、雨水回用需求，協(xié)調(diào)建筑和景觀方案，因地制宜地劃分為分散式源頭處理區(qū)、集中式回用處理區(qū)、分散-集中式回用處理區(qū)和雨水直排處理區(qū)這四大雨水處理分區(qū)，如圖3所示。

圖3 總體方案分區(qū)圖Fig.3 Diagram of Overall Zoning Plan

小區(qū)內(nèi)設(shè)置雙排水系統(tǒng)：其一，收集分散式源頭處理區(qū)溢流排水和雨水直排處理區(qū)，通過市政管網(wǎng)最終入河；其二，收集集中式回用處理區(qū)和分散-集中式回用處理區(qū)部分雨水轉(zhuǎn)輸至蓄水池，經(jīng)凈化處理后，回用于綠地澆灑和車庫沖洗。

4.1.1 分散式源頭處理區(qū)

分散式源頭處理區(qū)中，屋面、路面、鋪裝、綠地的雨水徑流經(jīng)植草溝或蓋板溝轉(zhuǎn)輸，進入生物滯留設(shè)施，過量雨水溢流經(jīng)室外雨水管道、市政管道后，就近入河道，如圖4所示。

圖4 分散式源頭處理區(qū)技術(shù)路線Fig.4 Schematic Diagram of Distributed Source Processing Zone

4.1.2 集中式回用處理區(qū)

集中式回用處理區(qū)中，屋面、路面、鋪裝、綠地雨水經(jīng)植草溝或蓋板溝等雨水收集系統(tǒng)收集后，排入雨水調(diào)蓄池凈化處理，供道路沖洗、車庫沖洗和綠化澆灑，如圖5所示。

圖5 集中式回用處理區(qū)技術(shù)路線Fig.5 Schematic Diagram of Centralized Reuse Processing Zone

4.1.3 分散-集中式回用處理區(qū)

分散-集中式回用處理區(qū)中，各部雨水優(yōu)先流入生物滯留設(shè)施凈化處理，后轉(zhuǎn)輸入蓄水池存儲，用于小區(qū)道路沖洗、車庫沖洗和綠化澆灑，如圖6所示。

圖6 分散-集中式回用處理區(qū)技術(shù)路線Fig.6 Schematic Diagram of Decentralized-Centralized Reuse Processing Zone

4.1.4 雨水直排處理區(qū)

雨水直排處理區(qū)中，考慮分區(qū)的下墊面及雨水徑流特征，選擇將部分徑流系數(shù)較低(如綠地)、綠地空間不足、雨水處理困難區(qū)域，直排市政管道。

4.2 匯水分區(qū)劃分

綜合考慮建筑屋面分水線及落雨管位置、建筑及景觀方案、場地豎向、管線分布等因素，以每個子匯水分區(qū)對應(yīng)一個海綿設(shè)施進行徑流處理為原則，共劃分排水分區(qū)82個。

4.3 海綿技術(shù)優(yōu)選

常見海綿技術(shù)主要包括滲透、儲存、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)輸、凈化等類型。本方案以生物滯留池為例，設(shè)施通過設(shè)置滯留池、過濾層、過渡層、排水層，通過植物、土壤和微生物系統(tǒng)，實現(xiàn)徑流總量、峰值和污染的綜合削減。結(jié)構(gòu)層如圖7所示。

圖7 生物滯留池斷面示意圖Fig.7 Sectional Sketch of Biological Retention Pond

4.4 海綿設(shè)施規(guī)模計算及布局

4.4.1 海綿設(shè)施規(guī)模計算

(1)生物滯留池

各分區(qū)設(shè)計調(diào)蓄容積，采用《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南(試行)》(以下簡稱《指南》)中的容積法進行計算，如式(1)。

V=10×H×ψ×F

(1)

其中：V——設(shè)計調(diào)蓄容積，m3；

H——設(shè)計降雨量，mm；

Ψ——綜合雨量徑流系數(shù)；

F——匯水面積，104m2。

根據(jù)《指南》滲透功能設(shè)施規(guī)模計算公式及優(yōu)選的結(jié)構(gòu)層設(shè)計，如式(2)和式(3)。生物滯留池單位面積控制容積為0.39 m3。具體各海綿分區(qū)生物滯留池設(shè)計規(guī)模如表1所示。

表1 各匯水分區(qū)海綿設(shè)施設(shè)計規(guī)模一覽Tab.1 List of Design Scales of Sponge Facilities in Each Catchment Area

Vs=V-Wp

(2)

Wp=K×J×As×ts

(3)

其中：Vs——滲透設(shè)施的有效調(diào)蓄容積，m3；

V——滲透設(shè)施進水量，m3；

Wp——滲透量，m3；

K——土壤滲透系數(shù)，100 mm/h；

J——水力坡降，一般可取J=1；

As——有效滲透面積，m2；

ts——滲透時間，h，取2 h。

(2)雨水蓄水池

以雨水回用需求為導向，進行蓄水池規(guī)模的設(shè)計，住宅小區(qū)主要存在道路沖洗、綠地澆灑和地庫用水量等方面需求。

依據(jù)《室外給水設(shè)計規(guī)范》，本住宅小區(qū)道路沖洗用水量按道路面積以2.0 L/(m2·d)計算；綠化澆灑用水量按綠地面積以1.5 L/(m2·d)計算；地下車庫沖洗水量按車庫面積以1.0 L/(m2·d)計算。考慮3 d用水量，計算得雨水調(diào)蓄池規(guī)模為292.8 m3，取300 m3。

4.4.2 海綿設(shè)施布局

根據(jù)各分區(qū)海綿設(shè)施計算規(guī)模，結(jié)合雨水徑流組織對設(shè)施進行合理布局。具體各分區(qū)海綿設(shè)施平面布局如圖8所示。

圖8 海綿設(shè)施平面布局Fig.8 Layout of Sponge Facility

4.5 豎向設(shè)計及徑流組織

根據(jù)海綿匯水分區(qū)劃分及設(shè)施布局，以雨水重力流排水為原則，綜合考慮住宅小區(qū)場地豎向及橫縱坡、景觀方案設(shè)計和室外排水管線布置等，按海綿匯水分區(qū)進行細部的豎向及徑流組織設(shè)計，如圖9所示。

圖9 海綿分區(qū)、豎向設(shè)計及徑流組織Fig.9 Zoning of Catchment Area, Vertical Design and Runoff Organization

5 系統(tǒng)方案模型校核

5.1 海綿匯水分區(qū)概化

PCSWMM是一個用于動態(tài)降水-徑流模擬的雨洪模型，可用于模擬城市水量和水質(zhì)模擬。本研究根據(jù)以下原則進行海綿匯水區(qū)的概化，住宅小區(qū)共概化為82個匯水分區(qū)，如圖10所示。

圖10 模型概化示意圖Fig.10 Schematic Diagram of Model Generalization

(1)匯水分區(qū)上的降雨是均勻分布的，降雨強度相同。

(2)匯水區(qū)依據(jù)本住宅小區(qū)總平面及豎向進行劃分，并就近排入海綿設(shè)施進行控制。

(3)下墊面透水地面不產(chǎn)生徑流，有洼蓄量的不透水地面首先滿足地表的洼蓄量后產(chǎn)生徑流，無洼蓄量的不透水地面在暴雨初始即產(chǎn)生徑流。

5.2 水文、水力參數(shù)設(shè)置

模型校核中，選用當?shù)?017年—2019年日降雨和日蒸發(fā)數(shù)據(jù)作為模型降雨和蒸發(fā)序列。地表產(chǎn)匯流模塊中的水文、水力參數(shù)，如面積、不透水率、坡度、寬度具有顯著的空間特征[7]，可根據(jù)各分區(qū)下墊面情況進行取值。其他水文、水力參數(shù)結(jié)合分區(qū)特征及地勘選取，如表2所示。

表2 匯水分區(qū)模型設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design Parameters of Catchment Zoning Model

5.3 模型校核

建立住宅小區(qū)徑流模型后，通過分析小區(qū)傳統(tǒng)開發(fā)和海綿城市建設(shè)降雨進出流量變化，校核海綿設(shè)計方案的科學性、可行性。采用近年降雨數(shù)據(jù)進行模型校核，本住宅小區(qū)總降雨體積為187 120 m3，應(yīng)用海綿建設(shè)方案后小區(qū)出流量降至36 123 m3，較海綿城市建設(shè)前明顯降低，如圖11所示。由圖11可知，本海綿小區(qū)的年徑流總量控制率達到80.7%，達到地塊80%的年徑流總量控制率目標。

圖11 地塊海綿城市建設(shè)前后場地排出口徑流量變化Fig.11 Variation of Runoff at Site before and after Construction of Sponge City

參考《指南》中各低影響開發(fā)(LID)設(shè)施污染物去除率研究推薦值，取生物滯留池和雨水蓄水池綜合污染物去除率(以SS計)分別為80%和85%，帶入SWMM水力模型各匯水分區(qū)LID海綿設(shè)施單元，綜合模擬評估本海綿小區(qū)面源污染削減率(以SS計)為66.2%，達到地塊65%的目標。

6 結(jié)論

論文以江蘇某住宅小區(qū)海綿化建設(shè)方案為例，從海綿分區(qū)劃分、技術(shù)選擇、設(shè)施布局、豎向設(shè)計及徑流組織出發(fā)，系統(tǒng)闡述了海綿城市方案設(shè)計全流程的思路與方法，形成以下結(jié)論：①目標與問題導向相結(jié)合，科學合理的設(shè)計原則和設(shè)計思路是海綿方案可落地性的保障；②結(jié)合目標、雨水回用需求，協(xié)調(diào)建筑和景觀方案，進行海綿分區(qū)劃分，是方案合理性的關(guān)鍵；③因地制宜地進行海綿設(shè)施布局、豎向設(shè)計和徑流組織是落實海綿目標的重要內(nèi)容；④借助PCSWMM雨水徑流模型進行目標可達性驗證，可以增強方案設(shè)計的可行性。科學合理的海綿方案設(shè)計思路和方法是海綿城市效能發(fā)揮的重要保障。本文對此進行了探索，希望可以為住宅小區(qū)類海綿方案設(shè)計提供借鑒和參考。