建筑小区平屋顶雨水伸顶立管改进设计技术

罗勇 张甘林 康威

摘要：随着世界经济的发展和城市化进程的加快、不透水面积的增加，城市化发展过程中面临的雨水径流污染、洪涝灾害、水资源匮乏等水环境问题日趋严重。基于低影响开发思想的雨水源头控制理念，开发了一种建筑平屋顶雨水立管设计方法：以雨水立管与平屋顶的交界处为内环，浇筑底边为2h、高为h的等腰三角形混凝土，混凝土沿内环浇筑一周，并在其顶部配置一定孔径的截污网。以占地面积为6.39hm²的中国西部某绿色建筑小区为研究案例，对该设计方法进行了模拟研究，分别分析了环形混凝土高度、建筑小区下垫面、重现期三者对洪峰削减率和小区末端雨水管管径的影响。结果表明，绿色建筑小区雨水立管采用本设计技术后，可实现削减洪峰和降低小区末端雨水管管径的效果。洪峰削减率随着环形混凝土高度的增加而增大，当环形混凝土高度增加至5cm时，洪峰削减率达到最大值36.98%，小区末端雨水管管径减小值达到最大，为400mm;洪峰削减率随着屋面面积比例的增加而增大，当屋面面积比例占30%时，洪峰削减率和小区末端雨水管管径减小值分别达到最大，为47.16%和400mm;洪峰削减率随重现期的增大而减小，当重现期为0.5a时，洪峰削减率达到最大值36.43%，而小区末端雨水管管径减小值为200mm。

关键词：绿色建筑;雨水;低影响开发;雨水立管;平屋顶

1 引言

雨水作为一种宝贵的资源，在城市水循环体系和流域水环境系统中发挥着重要的作用。传统的雨洪管理方式是通過管渠系统收集后就近排入水体。然而，这又进一步加剧了生态环境的恶化。近20年来，一些发达国家关于雨洪控制与利用已形成比较成熟的理论与技术体系，并在实际工程中有广泛的应用。例如“低影响开发”、“最佳管理措施”、“可持续城市排水系统”、“水敏感性城市设计”、“可持续基础设施”等[1-4]。低影响开发，是上世纪90年代由美国暴雨管理专家推出的一种雨水管理模式。其原理是通过分散的、小规模的源头控制与设计技术，模拟自然水文条件原理，采用源头控制理念实现雨水控制与利用的一种雨水管理方法[5]。与传统的雨洪控制比较，低影响开发涉及的技术措施更加广泛，具体的技术方法有保护性设计、渗透、径流蓄存、过滤、生物滞留、低影响景观等[6]。目前低影响开发技术已被美国及一些欧洲国家广泛采用，效果显著，而在中国尚处于起步探索阶段，未形成完善的理论和技术体系，国内绝大多数城市对待雨水的态度是把它当成一种废水而简单地排放。随着中国城市化进程的不断加快以及人口密度较大、土地资源紧张、水资源短缺现象严重等基本国情，低影响开发技术在我国具有广泛的应用前景。目前，中国有少部分城市将低影响开发理念融入项目的规划设计方案中[7]。

“调蓄”是城市雨洪控制利用系统中十分重要且广泛应用的一类措施，包括雨水调节和储蓄两项内容。雨水调节主要是对重现期较大的暴雨事件进行调节、滞留或削减，它是指在暴雨期间暂时储存雨水，在峰流量过后或雨停后缓慢排放，以削减洪峰流量、降低下游排水设施或洪涝灾害。

绿色屋顶的洪峰削减效率受诸多因素的影响，如：屋面的种类、屋面剖度、降雨强度、植被类型、季节等，且绿色屋顶仅对降雨强度较小的雨水削减效果较好，因此仅依靠绿色屋顶还未能实现屋面雨水的充分控制，还需结合其他设计方法以达到对屋面雨水的有效控制。本文从实际案例出发，模拟研究了环形混凝土高度、小区下垫面、重现期三者对洪峰削减率的影响，为该设计方法的工程化应用提供科学依据。

2材料与方法

2.1设计步骤概况

建筑平屋顶雨水立管低影响开发设计方法主要包括两个步骤：第一步，以建筑雨水立管与平屋顶的交界处为内环，浇筑底边为2h，高为h的等腰三角形混凝土，等腰三角形混凝土沿内环浇筑一周;第二步，在浇筑的环形等腰三角形混凝土顶部配置一定孔径的截污网。该设计方法应用后，降雨初期屋面可蓄积一定体积雨水，实现小区时间上的洪峰错流，对降低区域洪峰流量和市政雨水管管径具有重要作用。

2.2设计方法

建筑小区雨水立管低影响开发设计技术应用前后，小区雨水设计流量-降雨历时对比示意图见图2。洪峰削减率和小区末端雨水管管径减小值的计算方法如下：

第1步：计算本设计方法应用前，小区雨水设计流量Q;

根据雨水设计流量计算公式：Q=ΨFq，式中F为小区汇水面积，q为设计暴雨强度，q=，Ψ为小区平均径流系数。T=t₁，t₁为当地的地面集水时间，是恒定参数。

第2步：根据混凝土高度h计算屋面雨水滞留时间T。根据公式：h=Ψ××，式中A₁、c、b为当地暴雨强度公式的地方参数，是恒定参数，P为设计暴雨重现期，t为降雨历时，Ψ为屋面径流系数，取0.9。

第3步：计算t₁+T时刻内，除屋面雨水径流外的小区其它汇水面积参与径流时的雨水设计流量Q₁。计算方法同第一步，此时汇水面积不包括屋面面积。

第4步：计算t₁+T时刻后屋面雨水参与径流时的雨水设计流量Q₂。计算方法同第一步，此时暴雨强度公式中的t为t₁+T，面积为小区总汇水面积F。

第5步：比较Q₁和Q₂大小，取Q=MAX{Q₁，Q₂}，进而计算出?Q=Q-Q，洪峰流量削减率=?Q/Q。

第6步：通过水力计算结合小区地形图，由Q和Q可计算出相应的小区末端雨水管管径DN和DN。进而求出雨水管管径减小值?DN=DN-DN。

3结果与讨论

3.1中国西部某绿色建筑小区概况

以中国西部某绿色建筑小区为案例，对本设计技术的实际应用进行了模拟研究。绿色建筑小区的总用地面积为63900m²，总建筑面积约100678m²，包括有两栋26层的高层以及41栋多层住宅。其中建筑用地13419m²，占21%;公共绿化用地17253m²占27%;水景面积为7029m²，占11%;道路用地5751 m²，占9%;硬质路面20448m²，占32%。建筑小区下垫面面积及平均径流系数如表1所示。

3.2 环形混凝土高度对洪峰削减率的影响研究

当重现期为2a，屋面面积比例为21%时，研究了环形混凝土高度对小区洪峰流量削减率的影响，其结果如表2所示。环形混凝土高度对小区末端雨水管管径的影响结果见图3。环形混凝土高度分别取1cm、2cm、5cm、10cm、15cm、20cm六個不同值。

由表2可知，随着环形混凝土高度的增加，屋面雨水的滞留时间逐渐增加，Q₂逐渐减小。当环形混凝土高度为1cm时，屋面雨水的滞留时间为4.83min，Q₂=854.42L/S;当环形混凝土高度增加至2cm时，屋面雨水的滞留时间增加至10.81min，Q₂=722.29L/S;当环形混凝土高度为5cm时，屋面雨水的滞留时间为37.58min，Q₂=446.31L/S;当环形混凝土高度为10cm时，屋面雨水的滞留时间为123.62min，Q₂=222.65L/S;当环形混凝土高度为15cm时，屋面雨水的滞留时间为289.32min，Q₂=124.61L/S;当环形混凝土高度增加至20cm时，屋面雨水滞留时间增加到574.93min，Q₂=76.08L/S。当环形混凝土高度从1cm增加至5cm，洪峰削减率逐渐增加，从15.62%增加至36.98%，当环形混凝土高度增加至5cm后，洪峰削减率保持不变，为36.98%。

可见，在暴雨重现期和屋面面积比例一定的情况下，屋面雨水的滞留时间和洪峰削减率随着环形混凝土高度的增加而增加，但当环形混凝土高度增加至某一值后，洪峰削减率保持不变;小区末端雨水管管径随着环形混凝土高度的增加而减小，当环形混凝土高度增加至一定值后，小区末端雨水管管径保持不变。由于环形混凝土高度增加至一定值后，屋面雨水的滞留时间较长，使得Q₂逐渐减小，小于屋面雨水参与小区径流前的雨水设计流量Q₁，而小区的雨水设计流量Q取较大值Q₁，在屋面面积比例和重现期一定的情况下，Q₁不变，因此洪峰削减率和小区末端雨水管管径保持不变。

4 结论

⑴绿色建筑小区平屋顶雨水立管低影响开发设计方法主要由两个步骤构成：第一步，以建筑雨水立管与平屋顶的交界处为内环，浇筑底边为2h，高为h的等腰三角形混凝土，等腰三角形混凝土沿内环浇筑一周;第二步，在浇筑的环形等腰三角形混凝土顶部配置一定孔径的截污网。

⑵以占地面积为6.39hm²的中国西部某绿色建筑小区为案例，对本设计方法的应用进行了模拟研究。结果显示，环形混凝土高度、建筑小区下垫面、重现期三者对洪峰削减率和小区末端雨水管管径均有一定的影响。

参考文献

[1]王建龙，车伍，易红星. 基于低影响开发的城市雨洪控制与利用方法[J]. 中国给水排 水，2009，25（14）：6-9.

[2]车伍，吕放放，李俊奇，李海燕，王建龙.发达国家典型雨洪管理体系及启示[J].中国给水排水，2009，25（20）：12-17.

[3]车伍，李俊奇.城市雨水利用技术与管理[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[4]董蕾，车伍，李海燕，等.我国部分城市的雨水利用规划现状及存在问题[J].中国给水排水，2007，23（22）：1-5.

[5]ChrisKloss. Green infrastructure for urban stormwater management[A]. Low Impact Dev elopment for Urban Ecosystem and Habitat Protection[C]. Washington：Low Impact Development Center，2008.

[6]Michael E. Dietz. Low Impact Development Practices：A Review of Current Research and Recommendations for Future Directions. Water Air Soil Pollut（2007）186：351–363.

[7]车伍，周晓兵，李俊奇. 湿地景观设计与雨洪管理[J]. 景观设计学，2009，1（3）：18- 19.

作者简介：罗勇：男，1979年4月生，高级工程师，中机中联工程有限公司。

（作者单位：1.中机中联工程有限公司;2.重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室）