建筑小区地下空间对海绵城市建设目标可达性的影响

唐双成,单正清,葛有成,许 青

(扬州大学水利科学与工程学院,江苏 扬州 225009)

城市化的快速发展改变了地区原有水文循环机制,使得城市洪涝灾害频发、水体污染加剧[1-2]．采用源头削减、中途转输、末端调蓄等多手段管理雨水径流的思路已得到国内外学者的一致认可,以此各国提出了许多雨水径流管理的理念．例如,美国的低影响开发(low impact development,LID)、澳大利亚的水敏感城市设计(water sensitive urban design,WSUD)以及中国的海绵城市建设等．这些新型雨水管理思路均提倡在源头对雨水径流进行分散化处理,鼓励雨水资源就地入渗,补充地下水,削减洪峰流量和径流总量[3-4]．

源头控制雨水径流主要借助城市绿地来建设LID措施,硬化路面汇集的雨水径流通过LID措施就地蓄渗．近年来,受城市规划的制约和地上空间的限制,城市地下空间资源得到了充分的开发和利用,城区内建设了大量的地下综合管廊、地下停车场、地下商场以及隧道等地下基础设施．受城市地下空间的影响,部分城区绿地下部中空,不适宜建设入渗型LID措施,属于无效绿地．例如,住宅小区地下停车场上部绿地的覆土厚度一般为50～80 cm,若在此绿地上建设入渗型LID措施,入渗雨水径流的流径会受地下室顶板和侧墙的影响,地下建筑的硬化面直接切断了入渗雨水与地下水之间的通道,影响地下水流运动,也对地下结构的抗渗和抗压能力提出了新的挑战,尤其在浅埋地下水地区,该问题更加突出[5-6]．王宏伟[7]针对不同渗透设施的使用环境,提出布设LID措施须在侧向、竖向、底部设置防渗措施,以保证渗透的安全性．此外,施工回填的土壤可能会被过分压实,导致土壤入渗能力较差,降低了LID措施的水文效果[8]．国内外学者针对不同LID措施布设下径流削减和地下水位抬升效果,以及不同LID措施建设程度对地下基流的影响展开了研究,但未考虑城市地下空间对LID措施布设的影响[9]．本文以江苏省苏州市某建筑小区为研究区,充分考虑城市地下空间分布与绿地有效性的关系,拟采用SWMM(storm water management model)建模研究城市地下空间对建筑小区海绵城市建设目标可达性的影响,结合末端调蓄措施优化LID措施布设方案,模拟LID方案在面对超过设计标准高强度降雨的运行效果,以期为海绵城市建设中LID措施的优化布置提供技术参考．

1 研究区概况

研究区位于江苏省苏州市,年平均气温15.7 ℃,年平均降水量1 100 mm,降水年内分配不均,主要集中在5—8月份．研究区总建设占地面积9.2 hm2,主要土地利用类型为屋面、绿地和道路．小区配套建设地下停车场,停车场顶板上部覆土厚度0.6～0.8 m,植物覆盖类型以亚乔木、灌木和草皮为主．研究区排水系统采用雨污分流制,雨水径流通过排水管道排放到小区西侧的排涝河．

研究区的地下空间结构主要包括地下停车场和地下管线管廊,根据绿地下方是否存在地下建筑结构,将研究小区绿地分为实土绿地和覆土绿地．建设入渗型LID措施的绿地除要满足实土绿化外,《海绵城市建设技术指南》中还要求LID措施与建筑物基础外缘距离3.0 m以上,以保证入渗不对其构筑物造成威胁．同时,为确保入渗不受高渗透性管道基础垫层影响以及施工方便,LID措施与管线管廊两侧距离1.5 m．

2 SWMM模型构建

2.1 研究区模型概化

根据SWMM模型建模要求,结合现有市政管网及景观施工图等资料,采取手工划分方式,将研究区划分为145个子汇水区,255个节点,255根雨水管渠,4个排放口,划分结果如图1所示．研究小区排水管网走向由中间排向四周,地表排水流向与管网一致．

图1 研究区SWMM模型概化图Fig.1 SWMM generalized diagram of study area

2.2 设计降雨计算

2.3 模型参数设置

根据小区前期勘探资料,结合SWMM模型手册[10]设置参数,模型中透水区曼宁系数取0.24,洼地蓄水深度取7.6 mm;不透水区曼宁系数取0.015,洼地蓄水深度取1.9 mm;入渗过程采用Horton模型,初始入渗率为76 mm·h-1,稳定入渗率为9 mm·h-1,衰减系数为4 h-1;汇流过程采用非线性水库模型;管渠流量的水力演算模型采用动力波模型．考虑城市地下空间对研究区绿地有效性的影响,结合国内海绵城市试点LID措施的建设与管理经验,选择雨水花园、透水铺装、绿色屋顶和植草沟等四种LID措施,各LID措施在SWMM模型中设置为独立子汇水区,主要参数取值如表1所示．

表1 LID措施参数设置Tab.1 Setting of LID parameters

2.4 布设方案与模型验证

依据绿地有效性,对研究区不透水面匹配LID措施,模拟不同LID措施下的径流过程,具体方案如下:

方案1:对小区建筑(4#、5#、6#、7#、8#、12#、15#、20#、26#、27#、28#、29#、30#楼)周边的有效绿地布设雨水花园收集屋面汇流雨水,将地库顶板外除消防登高地和消防通道外的硬质铺装面设置为透水铺装,即72%的屋面配套雨水花园和10.7%的路面设置透水铺装．

方案2:在方案1的基础上提高路面透水铺装比例至23.9%,在满足最小覆土厚度(600 mm)的条件下,将地库顶板内除消防登高地和消防通道外的硬质铺装面设置为透水铺装,底部设置防水层和排水层．

方案3:在方案2的基础上增加13.9%的屋面绿色屋顶和11.4%路面配套植草沟,对地下顶板内剩余5栋建筑(13#、14#、21#、22#、23#楼)屋面布置绿色屋顶(50%屋面面积),对地库顶板外消防登高地和消防通道进行植草沟处理．

采用基于径流系数的城市降雨径流模型参数校准方法对模型进行检验[11],经计算,研究区综合径流系数为0.58,针对模型在多种降雨重现期的稳定性,设置0.5,1,2年降雨重现期进行验证,通过模拟得到不同降雨重现期下研究区综合径流系数分别为0.54,0.62,0.69,均符合综合径流系数经验值标准,说明模型参数可用于研究区的模拟分析．

3 结果与讨论

3.1 绿地解析

图2为研究区土地利用类型分布情况．由图2可知,研究区多数绿地位于地库顶板覆土层之上,而入渗型LID措施汇集硬化面雨水径流集中入渗,水量较大且集中,不适宜布置在地库顶板上;地库顶板之外的硬质屋面和路面周边均有可利用的有效绿地,有利于分块匹配布置入渗型LID措施,地库顶板上硬质路面可考虑透水铺装,接纳该区域降雨,硬质屋面采用绿色屋顶．在LID措施布置上,实土绿地多以雨水就地入渗的LID措施为主,同时应考虑地下管线和建筑防渗的情况,确定入渗设施的安全入渗范围;地库顶板绿地由于覆土厚度有限,不宜从其他硬质面汇集大量雨水径流直接入渗,应以自身雨水消纳为主．

表2为研究区各土地利用类型面积及比例.由表2可知,研究区总建设面积92 104.6 m2,分为绿化面和硬化面,分别占总建设面积的45.7%和54.3%;研究区绿地率较高,占总建设面积的45.7%,但扣除地下顶板以上、建筑物外缘以及管线管廊设计的无效绿地后,有效绿地仅占绿地总面积的38.0%,占总建设面积的17.4%．有效绿地呈块状分布在研究区四周,仅能用于处理邻近硬化面汇集雨水径流,地库顶板上可用于建设LID措施的有效绿地亏缺,地库顶板之外有效绿地盈余．因此,不能仅依据有效绿地占总面积的百分比来确定小区海绵城市目标的可达性,应对有效绿地和硬质面进行高精度匹配．

表2 研究区各土地利用类型面积及比例Tab.2 Area and proportion of each land use types in the study area

图3为研究区无效绿地的构成．由图3可知,无效绿地中地下停车场占比最大,为89.52%,其余无效绿地由小区地下管线管廊和建筑基础构成,部分管线沿建筑物外围布设,两者之间存在重复计算的无效绿地．小区硬化面与有效绿地的面积比为3.1∶1,参考一般生物滞留设施5∶1～20∶1的汇流比,在不考虑有效绿地与硬化面位置关系和水力连通的情况下,小区有效绿地面积仍然能够消纳硬化面的汇流雨水．但如上所述,有效绿地区绿地盈余,除地库边缘几栋建筑屋面与有效绿地存在水力连通外,地库顶板内大多数建筑屋面和硬化路面都不能与有效绿地形成有效的水力连通,无效绿地区绿地亏缺,地下空间削减了小区有效绿地面积,阻碍了小区硬化面与有效绿地水力连通路径,影响小区LID措施的整体规划和布局．

图3 研究区无效绿地构成图Fig.3 Composition of invalid green space in the study area

3.2 模拟结果分析

通过SWMM模拟得出,在设计降雨下绿地不产生径流,说明年径流控制率目标为75%时只需对研究区硬化面配套LID措施．图4为不同LID布设方案下设计降雨的径流过程．由图4可知,方案3径流总量和峰值流量显著降低．图5为不同LID方案下径流和峰值控制情况．由图5可知,随着LID措施布设规模的提升,研究区径流总量和洪峰流量削减效果愈加明显,径流总量控制率从67.1%提升至76.6%;LID方案3径流控制和峰值流量削减效果最好,与现状相比,径流控制率提升了51.1%,峰值流量削减了54.4%．

图4 不同LID布设方案下的径流过程Fig.4 Runoff processes of different LID layout schemes in the study area

图5 不同LID方案径流总量控制率和峰值流量Fig.5 Capture ratio of annual total runoff and peak flow under different LID layout schemes

3.3 LID方案优化

LID方案1～3展示了研究区硬化面积配套LID措施布设方案的优化过程．依据绿地有效性,优先选择汇集雨水径流集中就地入渗;在最小厚度及承载力强度的限制下,对小区道路布设透水铺装;无法满足上述要求的硬化面设置绿色屋顶和植草沟措施,通过多种LID措施在源头对雨水进行最大化消纳．根据多年降雨资料统计得到的设计降雨量,研究区进行海绵城市规划设计,面对小于等于设计降雨时的径流总量控制率为100%,超出设计标准发生溢流,方案3仍未满足75%年径流总量控制率目标．这是由于方案3虽对硬化面进行了配套LID措施的优化,但仍存在14.1%的屋面(13#、14#、21#、22#、23#楼绿色屋顶按照50%的面积设计)和64.7%的路面没有配套相应的LID措施．对于未配套LID措施的屋面,设置绿色屋顶占屋面面积的50%;对于未配套LID措施的路面,考虑到小区消防通道和消防登高地对于路面强度的要求,不宜对这部分路面设置透水铺装,经过绿地有效性解析,路面周边无匹配有效绿地,设置植草沟措施．常规的源头配套LID措施达到研究区相应规范的最大布设时,仍有部分未配套LID措施的硬化面产生外排流量,为满足75%降雨年径流总量对应设计降雨量的控制要求,须在末端设置雨水调蓄池收集部分径流．在设计降雨无外排情况下,现状排放口O1～O4所需的调蓄容积分别为135,157,327,230 m3,方案3所需的调蓄容积分别为65,95,127,115 m3,即LID布设方案3使小区所需调蓄容积由92.2 m3·hm-2下降至43.6 m3·hm-2,降幅52.7%．

最终确定研究区LID布设方案如下:雨水花园(75%屋面面积)+透水铺装(23.9%路面面积)+植草沟(11.4%路面面积)+调蓄池(43.6 m3·hm-2),该方案满足年径流总量控制率75%的要求．为预测该方案下研究区遇到更高强度降雨时的运行效果,选择1,2,5年一遇的降雨,利用SWMM模型模拟研究区在LID措施配套后和现状下在不同降雨重现期下径流过程,如图6所示．由图6可知,在面对1,2,5年重现期降雨时,研究区现状径流总量控制率分别为37.5%,30.9%,25.1%,峰值流量分别为1 015,1 344,2 004 L·s-1;配套LID措施后,径流总量控制率分别为65.8%,56.0%,47.3%,峰值流量分别为522,834,1 252 L·s-1;与研究区现状相比,径流总量控制率分别提升了28.3%,25.1%,22.2%,峰值流量分别削减了48.6%,38.0%,37.5%,到达峰值流量时间分别推后了14,10,8 min．以现状管网2年一遇的系统总出流量和峰值流量设计标准为参照,LID方案布置后总出流量和峰值流量分别在5.5,6.1年一遇设计降雨情况达到该设计值．因此,布设LID措施方案后可较大幅度提高小区现状防洪排涝标准．随着降雨重现期的增大,LID措施对径流量和峰值流量的削减效果及峰值流量的滞峰效果逐渐减弱．这是由于降雨量逐渐增大,绿色屋顶、透水铺装等LID措施达到蓄满容积开始产流,此时雨量和雨峰的削减仅依靠配套LID措施绿地的入渗,而入渗速度小于降雨强度,故其对径流控制及峰值流量削减的效果随之减弱;LID措施的滞峰效果受雨峰系数和蓄满时间影响,在当前单峰设计降雨条件下,随着降雨重现期的增大,LID措施到达蓄满容积的时间逐渐缩短,所以对峰值流量的滞峰效果也随之减弱．

图6 不同重现期下LID配套措施与现状径流控制率与峰值削减情况Fig.6 LID supporting measures,current runoff control rate and peak reduction under different return periods

4 结论

城市地下空间造成了研究区有效绿地数量的显著减少,阻碍了部分硬化面利用有效绿地进行雨水入渗,影响了LID措施的布设和配套．本文通过源头设置不同LID措施(雨水花园+透水铺装+绿色屋顶+植草沟),添加设计规模为43.6 m3·hm-2的末端调蓄池,实现渗、蓄、用相结合的综合雨水径流控制功能．该方案在更高降雨重现期的模拟结果表明,径流系数和峰值流量较现状显著降低,削减效果随降雨重现期的增大而减小．此外,无效绿地上建设LID措施须设置排水和防渗处理,该处理增加的建设费用与雨水调控效果的经济性,以及不同LID措施布设下不透水面和LID措施内部的水力连通优化方案有待进一步研究．