基于“容積法”的海綿城市道路計算關鍵步驟分析及優化

2022-09-15 07:07:38鄭驍奇邵知宇龔華鳳

城市道橋與防洪 2022年8期

鄭驍奇，邵知宇，龔華鳳

[1.林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121；2.重慶市山地城市可持續交通工程技術研究中心，重慶市 401121；3.重慶大學環境與生態學院，重慶市 400045；4.重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶市 400045]

0 引言

海綿城市作為生態文明建設的重要組成部分，正逐步從規劃階段走向實施階段。在實施過程中，工程項目需通過海綿城市專項設計來確定海綿城市設施規模、平面布置及單項設施設計。其中，海綿城市設施規模應根據項目上位規劃所確定的建設目標、設計指標、項目下墊面分類綜合確定。《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》（以下簡稱（導則））[1]規定了容積法、流量法和水量平衡法這3種計算方法。其中，容積法由于可實施性強、計算過程簡單等原因，被廣泛應用于工程項目中。根據《導則》，現階段所用的傳統容積法計算流程見圖1。

根據圖1，場地年徑流總量控制率P控制為：

圖1 傳統容積法計算流程

式中：A1為海綿城市設施面積，m2；c為單位面積海綿城市設施調蓄容積，m3/m2；φi為第i個下墊面雨量徑流系數；Ai為第i個下墊面面積，m2；f為設計降雨與控制率函數，其函數關系見圖2[2]。

圖2 年徑流總量控制率與設計降雨量關系圖（重慶地區）[2]

1 傳統容積法問題分析

1.1 設計調蓄容積計算

在設計調蓄容積的計算過程中，傳統容積法的表達式為：

式中：V設計為設計調蓄容積，m3；H為設計降雨量，mm，由年徑流總量控制率確定；φ為綜合雨量徑流系數，由式（3）計算；Ai為第i個下墊面面積，m2；φi為第i個下墊面雨量徑流系數，根據表1取值；F為匯水面積，hm2。

由式（2）可知，綜合雨量徑流系數對設計調蓄容積有直接影響。由式（3）可知，不同類型的下墊面，其雨量徑流系數對綜合雨量徑流系數有較大影響。根據《重慶市海綿城市規劃與設計導則》（試行）[3]，不同類型下墊面雨量徑流系數見表1。

表1 不同下墊面雨量徑流系數表

由表1可知，當前下墊面類型中并未指定海綿城市設施的雨量徑流系數范圍。由于海綿城市設施常常設置在綠地中，目前在實際工程中的做法是直接按照綠地下墊面選定雨量徑流系數。然而，根據雨量徑流系數的定義以及海綿城市設施的特點可知，海綿城市設施與普通綠地在雨水節流方面有較大區別。具體體現在：普通綠地的降雨主要有蒸發、下滲、植物截留和地表徑流，而由于降雨歷時較短，一般情況下不考慮蒸發；對于海綿城市設施，特別是底部包裹防滲膜的設施而言，其降雨均通過下滲緩排或直接溢流，除蒸發外的所有雨水均無法離開海綿城市設施繼而進入其他下墊面，其地表徑流特性應與綠地有較大差距。因此，將海綿城市設施假設為綠地下墊面來選取雨量徑流系數不符合實際并會導致計算出的綜合雨量徑流系數偏小，進而影響場地所需調蓄容積計算，使其小于實際值。

1.2 可供調蓄容積計算

可供調蓄容積指海綿城市設施能夠提供的調蓄容積。工程實踐中，可通過海綿城市設施的平面布置以及海綿城市設施單位面積蓄水量來計算可供調蓄容積V可供（m3），其表達式為：

式中：ai為第i個海綿城市設施面積，m2，一般根據項目平面布置確定；ci為第i個海綿城市設施單位面積調蓄雨水能力，m3/m2，一般根據海綿城市設施下凹深度，種植土厚度、孔隙率及滲透系數，排水層厚度及孔隙率計算確定。

由式（4）可知，計算可供調蓄容積時的主要影響因素為海綿城市設施面積及海綿城市設施單位面積蓄水能力。根據《導則》，通過該方法算出來的雨水控制量即為可供容積。但在工程設計中，如僅考慮前述2個因素，會導致出現不符合海綿城市設計理念[4-6]，卻滿足上述公式要求的設計方案出現。例如，當計算的可供調蓄容積小于設計調蓄容積時，設計人員會更加傾向于增大ci，而不是增大ai，因為增大ci僅需調整海綿城市設施結構參數，而增大ai必須結合道路平面布置綜合確定，工作量遠遠大于調整海綿城市設施結構。然而，優先增大ci的做法與海綿城市強調分散式源頭處理雨水的理論是背道而馳的。同時，當可供容積小于設計容積時，一味增大ci會導致該海綿城市設施所服務（即該范圍的雨水通過道路坡度進入該設施）的車行道的年徑流總量控制率大于100%，明顯不符合實際情況。

1.3 傳統容積法問題總結

根據1.1節和1.2節所述，在設計調蓄容積計算過程中，由于海綿城市設施下墊面徑流系數取值偏小，會直接導致設計調蓄容積偏小，基于此容積布置的海綿城市設施規模偏小，無法達到設計目標；同樣，在可供調蓄容積計算過程中，未考慮海綿城市設施服務車行道面積大小，易導致車行道年徑流總量控制率大于100%，不符合實際情況[7-8]。針對上述問題，本研究對傳統容積法的計算公式進行了補充和優化，從而使其計算的結果更加準確并符合實際情況。

2 改進容積法

2.1 試算法確定綜合雨量徑流系數

在確定綜合雨量徑流系數的過程中，應將海綿城市設施作為單獨的下墊面進行計算。在擬定雨量徑流系數的過程中，由于降落在海綿城市設施下墊面范圍內的雨水不會流入周圍下墊面，并且所有雨水均通過緩排后進入雨水系統，其水文特性與水面類似，因此，海綿城市設施下墊面雨量徑流系數取1。海綿城市設施面積可根據現狀場地綠化面積以及車行道位置進行合理擬定。因此，該場地綜合雨量徑流系數φ的表達式為[9-12]：

式中：φ1為海綿城市設施雨量徑流系數，根據其特性，應取1；φi為不同下墊面雨量徑流系數，根據表1取值；Ai為第i個下墊面面積，其中A1為海綿城市設施面積，m2；ai為第i個海綿城市設施面積，m2，該面積根據項目平面布置確定。在計算初期，可將路側帶綠化及側分帶綠化全部算作海綿城市設施面積，參與計算；該海綿城市設施面積在確定設施服務面積后，應根據設施服務面積反算的所需海綿城市設施面積進行修正，以確保海綿城市設施面積設置合理，避免規模過大，造成浪費。

2.2 考慮設施服務面積確定可供容積

在進行可供容積計算的過程中，《導則》中明確指出設施可供容積應根據滲透設施的有效調蓄容積，即設施頂部及結構內部蓄水空間容積以及滲透量之和計算。該計算僅根據設施可供容積能力進行，并未考慮海綿城市設施所處理的雨水范圍（服務面積），因此在確定海綿城市設施可供容積的過程中，還應考慮海綿城市設施的服務面積，通過合理擬定服務面積的控制率，繼而確定設計降雨及調蓄容積。海綿城市設施的可供容積應在根據設施服務面積計算的調蓄容積及設施有效調蓄容積中取小值，作為該海綿城市設施的可供容積。

2.3 改進容積法計算流程

改進容積法計算流程見圖3。

圖3 改進容積法計算流程

根據圖3，場地年徑流總量實際控制率P為：

式中：A1為海綿城市設施面積，m2；A2為車行道面積，m2；r2為車行道受控面積比；P受控為受控車行道年徑流總量控制率。

3 計算案例對比

本研究選取了重慶市某條城市主干道海綿城市設計作為案例，分別采用傳統容積法及改進容積法計算了年徑流總量控制率，并對2種計算結果進行了對比和分析。

3.1 傳統容積法

如表2所示，本研究根據項目平面布置，確定了下墊面面積。根據相關規范要求擬定了雨量徑流系數，并根據式（3）明確了綜合雨量徑流系數，結果見表2。

表2 不同下墊面面積及雨量徑流系數表（傳統容積法）

根據上位規劃[2]，市政用地年徑流總量控制率為70%，由圖2可知，此時設計降雨為18.9 mm。采用式（2）計算設計調蓄容積，結果見表3。

表3 場地所需調蓄容積計算（傳統容積法）

根據以上計算，場地所需調蓄容積應不少于11 560 m3，即海綿城市設施的設置應不少于11 560 m3，才能保證其年徑流總量控制率滿足要求。此外，根據項目平面布置，確定了海綿城市設施位置及面積，并根據規范導則[1，3]，擬定了海綿城市設施單位面積調蓄水量，采用式（4）計算了海綿城市設施能夠提供的調蓄容積，即可供調蓄容積，結果見表4。

表4 海綿城市設施可供調蓄容積計算（傳統容積法）

根據式（1）計算了場地實際年徑流總量控制率。經計算，實際年徑流總量控制率為75%，大于目標值70%，因此基于該計算結果，項目海綿城市設計滿足控制率要求。

3.2 改進容積法

改進容積法需要在計算綜合雨量徑流系數時，將綠化及海綿城市設施分開計算。因此，根據式（1）、式（3）重新計算綜合雨量徑流系數，結果見表5。

對比表5和表2可知，利用改進容積法計算的綜合雨量徑流系數大于傳統容積法的計算值，說明將綠化和海綿城市設施下墊面分開計算，更符合雨水徑流實際情況。因此，在相同年徑流總量控制率情況下，改進容積法計算的所需調蓄容積大于傳統容積法計算值。根據上位規劃[2]，市政用地年徑流總量控制率為70%，由圖2可知，此時設計降雨為18.9 mm。采用式（2）計算了設計調蓄容積，結果見表6。