相鳳奎，彭 然，王金海

(1.中國葛洲壩集團股份有限公司，湖北武漢 430022；2.中南建筑設(shè)計院股份有限公司，湖北武漢 430071；3.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北武漢 430205；4.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，山東青島 266071)

目前國家大力推進海綿城市建設(shè)，主要是對城市原有生態(tài)系統(tǒng)的保護、生態(tài)恢復(fù)和修復(fù)以及低影響開發(fā)[1]。武漢市所有新建、改建、擴建建設(shè)項目的規(guī)劃和設(shè)計應(yīng)包括海綿城市低影響開發(fā)建設(shè)的內(nèi)容。建筑與小區(qū)應(yīng)根據(jù)條件設(shè)置雨水調(diào)蓄設(shè)施，其中新建工程硬化屋面面積達2 000 m2及以上的項目，應(yīng)配建雨水調(diào)蓄設(shè)施，每千平方米硬化屋面面積配建調(diào)蓄容積不小于30 m3的雨水調(diào)蓄設(shè)施[2]。

工程設(shè)計時，既要滿足工程改建后的徑流量不得超過原有徑流量的要求，又要滿足年徑流總量控制率的要求。有雨水回用需求的工程要進行水量平衡分析。雨水蓄水池的設(shè)置，不僅在一定程度上提高了地塊的雨水排放標(biāo)準(zhǔn)，還使雨水得到了資源化利用。蓄水池容積的確定是實際工程中經(jīng)常面臨的問題，由于降雨的時空變化不均勻，始終沒有統(tǒng)一的結(jié)論。

1 研究現(xiàn)狀

趙世明等[3]認(rèn)為，雨水利用量應(yīng)按重現(xiàn)期1～2年設(shè)計，收集回用設(shè)施供水管網(wǎng)的規(guī)模應(yīng)達到3 d用水量不小于集水面日雨水徑流量，雨水蓄水池容積不宜小于集水面日雨水徑流量。杜長偉等[4]對北京建筑小區(qū)雨水調(diào)蓄設(shè)施進行了研究，認(rèn)為公共建筑區(qū)收集回用的調(diào)蓄設(shè)施宜按每公頃235 m3設(shè)置。李俊奇等[5]從雨水利用的角度出發(fā)，通過降雨量估算法、降雨強度曲線計算法和統(tǒng)計降雨頻率累計法對調(diào)蓄容積算法進行了分析，幾種方法各有利弊。胡良明等[6]以降水資料為基礎(chǔ)，通過分析雨水蓄水池容積與工程投資、節(jié)水效益三者之間的關(guān)系，提出了基于匯水面積推求雨水調(diào)蓄池容積的計算方法。魏武強[7]通過計算每場雨的可收集水量來確定雨水儲水池的大小。潘志輝等[8]通過效益費用比、靜態(tài)投資回收期等經(jīng)濟評價手段，分析并得出雨水蓄水池的經(jīng)濟容積。

2 武漢市降雨資料

對武漢1960年～2010年降雨量進行統(tǒng)計分析(降雨數(shù)據(jù)取自東湖水文站)，月均降雨量如圖1所示。年平均降雨量為1 279.2 mm，月平均降雨量為106.6 mm，降雨時間分布不均勻，大多集中在4月～8月，降雨量峰值在夏季，這導(dǎo)致了雨水蓄水池容積確定的復(fù)雜性。

圖1 武漢市月均降雨量Fig.1 Average Monthly Rainfall in Wuhan City

3 蓄水池容積計算

3.1 工程概述

武漢某商業(yè)綜合體，總建筑面積約為37.8 萬m2。由3棟超高層寫字樓、一棟3層商務(wù)樓及4層地下室組成，其中T1辦公樓50層，建筑高度約219 m；T2/T3辦公樓35層，建筑高度約150 m。地塊內(nèi)各下墊面總面積如表1所示。本案例按照《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》[9]進行設(shè)計，定位為綠色建筑二星，并將申請LEED 2009 for Core and Shell Development認(rèn)證體系，目標(biāo)為金級認(rèn)證，設(shè)計雨水回收系統(tǒng)。

表1 下墊面面積Tab.1 Underlying Surface Area

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》[10]規(guī)定，雨水匯水面積應(yīng)按地面、屋面水平投影面積計算。高出屋面的毗鄰側(cè)墻，應(yīng)附加其受雨面正投影的一半作為有效匯水面積，此因素只對計算雨水設(shè)計流量有影響。計算雨水設(shè)計徑流總量時只需按水平投影面積計算，不附加豎向投影和側(cè)墻面積[11]。在條件允許時，通常要設(shè)置兩套雨水管網(wǎng)，一套為收集排放，一套為收集回用。本案例由于受場地的限制，只能設(shè)置一套雨水管網(wǎng)，收集區(qū)內(nèi)的全部雨水均被收集。

徑流系數(shù)取值[2]如表2所示，雨量徑流系數(shù)及流量徑流系數(shù)均可利用加權(quán)平均法計算綜合徑流系數(shù)，如式(1)。

表2 徑流系數(shù)取值Tab.2 Runoff Coefficient

φ=∑ηiφi

(1)

其中：φ—綜合徑流系數(shù)；ηi—各下墊面匯水面積占總匯水面積的百分比，%；φi—各下墊面對應(yīng)的徑流系數(shù)。

3.2 降雨量估算法

根據(jù)《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》[11]，雨水儲存設(shè)施的有效儲水容積不宜小于集水面重現(xiàn)期1～2年的日雨水設(shè)計徑流總量扣除初期徑流棄流量。地面棄流可采用3～5 mm徑流厚度。雨水設(shè)計徑流總量應(yīng)按式(2)計算。

W=10φchyF

(2)

其中：W—雨水設(shè)計徑流總量，m3；φc—雨量徑流系數(shù)；hy—設(shè)計降雨厚度，mm，武漢市1年重現(xiàn)期的24h設(shè)計降雨厚度為95mm；F—匯水面積，hm2。

初期徑流棄流量應(yīng)按式(3)計算。

Wi=10×δ×F

(3)

其中：Wi—設(shè)計初期徑流棄流量，m3；δ—初期徑流厚度，mm，本案例取5mm。

V=W-Wi

(4)

其中：V—雨水蓄水池有效容積，m3。

由式(1)～式(4)計算得：開發(fā)后綜合雨量徑流系數(shù)φc=0.53；雨水設(shè)計徑流總量W=2 609m3，初期徑流棄流量Wi=258m3，雨水蓄水池有效容積V=2 351m3。

計算得到的容積很大，潘國慶等[12]建議各城市設(shè)計雨量重現(xiàn)期不宜超過0.3年(或一年一遇降雨量的1/2)，或設(shè)計雨量上限不超過50mm。本案例若按照一年一遇降雨量的1/2計算，即47.5mm，得雨水蓄水池有效容積V=1 046m3，計算值仍然較大。對于地下室范圍以外地面較小的項目，該方法計算的容積很難實施。

3.3 回用水量計算法

武漢市的建筑與小區(qū)項目，新建工程的雨水資源化利用量應(yīng)占其綠化澆灑、道路沖洗和其他生態(tài)用水量的40%以上[2]?；赜糜晁骄沼盟咳绫?所示?；赜糜晁骄沼盟繛?64.2 m3，則雨水蓄水池的容積為264.2×40%=105.7 m3。降雨在時空上分布不均勻，實際工程中需要乘以安全系數(shù)K以保證充分利用水資源，K可取3(由表6可知，武漢平均降雨間隔為365÷125=2.92 d)。雨水蓄水池有效容積為105.7×3=317 m3。

表3 回用雨水平均日用水量Tab.3 Average Daily Water Consumption of Reused Rainwater

3.4 水量平衡法

由于地下室面積較大，室外管線較多，受場地限制，只收集地塊左側(cè)區(qū)域的雨水，收集區(qū)下墊面面積如表4所示。

蓄水池為地下式，并做防滲處理，故不考慮蒸發(fā)量。當(dāng)資料具備時，儲存設(shè)施的有效容積也可根據(jù)逐日降雨量和逐日用水量經(jīng)模擬計算確定。在工程實際中，逐日降雨量數(shù)據(jù)較難獲得。根據(jù)武漢市逐月降雨資料分析蓄水池容積，月水量平衡計算表和年用水量計算表分別如表4和表5所示。表4和表5中用水定額應(yīng)按《民用建筑節(jié)水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50555—2010)中定額取值，此處為方便計算，綠化、道路澆灑和車庫沖洗的平均日用水量均取2 L/(m2·d)。

為便于計算分析，假設(shè)降雨在時空上均勻分布，每月按30 d計算。某月的多年平均降雨厚度為h，降雨天數(shù)為n，將該月劃分為n個降雨周期，每個降雨周期的降雨厚度為h/n。該月收集雨水量為W，每個周期收集雨水量為W/n，該月回用水量為Q，每個降雨周期的回用雨水量為Q/n，每個周期的雨水蓄水池容積為V。通過比較W/n、Q/n和V的大小，來確定該月回用水量，有如下6種情況，如表6所示。

表4 月水量平衡計算表Tab.4 Balance Caculation of Monthly Water Consumption

表5 年用水量計算表Tab.5 Calculation of Annual Water Consumption

表6 蓄水池容積對應(yīng)的回用雨水量Tab.6 Reused Rainwater Consumption Corresponding to Volume of Stormwater Tank

(1)當(dāng)W/n>V>Q/n時，該降雨周期回用雨水量為Q/n，該月回用雨水量為Q。

(2)當(dāng)W/n>Q/n>V時，該降雨周期回用雨水量為V，該月回用雨水量為30V/n。

(3)當(dāng)V>W/n>Q/n時，該降雨周期回用雨水量為Q/n，該月回用雨水量為Q。

(4)當(dāng)V>Q/n>W/n時，該降雨周期回用雨水量為W/n，該月回用雨水量為W。

(5)當(dāng)Q/n>W/n>V時，該降雨周期回用雨水量為V，該月回用雨水量為30V/n。

(6)當(dāng)Q/n>V>W/n時，該降雨周期回用雨水量為W/n，該月回用雨水量為W。

由表6可知，容積為180 m3時，全年可回用的雨水量達到最大值，繼續(xù)增加蓄水池容積，可回用的雨水量不變。

3.5 年徑流總量控制率計算法

武漢市漢口地區(qū)的年徑流總量控制目標(biāo)為70%，對應(yīng)的設(shè)計降雨量為24.5 mm[2]。設(shè)計調(diào)蓄容積應(yīng)按式(5)計算[1]。

V=10HφcF

(5)

其中：V—設(shè)計調(diào)蓄容積，m3；H—設(shè)計降雨量，mm；φc—綜合雨量徑流系數(shù)；F—匯水面積，hm2。

已計算開發(fā)后綜合雨量徑流系數(shù)φc=0.53，則V=670 m3。

透水鋪裝僅以原位下滲為主、頂部無蓄水空間，其基層及墊層空隙雖有一定的蓄水空間，但蓄水能力受面層或基層滲透性能的影響很大，因此透水鋪裝通過綜合雨量徑流系數(shù)計算的方式確定其規(guī)模，其結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙容積一般不再計入總調(diào)蓄容積[1]。設(shè)計調(diào)蓄容積通過設(shè)置下沉式綠地與蓄水池來實現(xiàn)。下沉式綠地調(diào)蓄深度按100 mm計，下沉式綠地調(diào)蓄水量如式(6)。

V綠=10-3hf

(6)

其中：V綠—下沉式綠地調(diào)蓄水量，m3；h—調(diào)蓄深度，mm；f—下沉式綠地面積，m2。

假設(shè)降雨前能及時排空蓄水池，為實現(xiàn)控制目標(biāo)，下沉式綠地率(下沉式綠地率=下沉式綠地面積/綠地總面積)與蓄水池容積關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，下沉式綠地率越大，蓄水池容積越小，二者成線性關(guān)系。當(dāng)下沉式綠地率為37.7%時，不需要設(shè)置蓄水池即可實現(xiàn)年徑流總量控制目標(biāo)。實際工程中，需與景觀專業(yè)配合，合理確定下沉式綠地率。

圖2 下沉式綠地率與蓄水池容積關(guān)系Fig.2 Relationship between the Rate of Depressed Green and Volume of Stormwater Tank

3.6 開發(fā)前后雨水徑流量比較法

《室外排水設(shè)計規(guī)范》[13]中有一條強制性條文：當(dāng)?shù)貐^(qū)整體改建時，對于相同的設(shè)計重現(xiàn)期，改建后的徑流量不得超過原有徑流量。小區(qū)的開發(fā)，應(yīng)體現(xiàn)低影響開發(fā)的理念，在小區(qū)內(nèi)進行源頭控制。

本案例開發(fā)前為工業(yè)廠房，由于缺少詳細(xì)的下墊面種類及面積資料，綜合雨量徑流系數(shù)φc按0.55計。本地塊屬于超大城市中心城區(qū)的重要地區(qū)，重現(xiàn)期取5年，5年重現(xiàn)期的24h降雨量為162mm，由式(2)得雨水設(shè)計徑流總量W=4 600.7m3。開發(fā)后為商業(yè)綜合體，假設(shè)降雨前能及時排空蓄水池，為滿足開發(fā)后徑流量不超過原有徑流量，透水鋪裝率透水鋪裝率=(透水鋪裝人行道、停車場、廣場面積)/(人行道、停車場、廣場總面積)與蓄水池容積之間的關(guān)系，如圖3所示。由圖3可知，透水鋪裝率越大，蓄水池容積越小，二者成線性關(guān)系，但新建區(qū)透水鋪裝率不應(yīng)小于50%[14]。

由上述幾種計算方法可見，蓄水池有效容積為180～317m3。考慮到場地有限，將蓄水池有效容積確定為200m3，此時透水鋪裝率為70%。

圖3 透水鋪裝率與蓄水池容積關(guān)系Fig.3 Relationship between the Rate of Pervious Pavement and Volume of Stormwater Tank

4 結(jié)論

結(jié)合回用水量計算法和水量平衡法，確定了蓄水池有效容積為200 m3。通過分析年徑流總量控制率計算法及開發(fā)前后雨水徑流量比較法，發(fā)現(xiàn)了下沉式綠地率、透水鋪裝率分別與蓄水池容積的線性關(guān)系。為滿足開發(fā)后雨水徑流量小于開發(fā)前的要求，此時透水鋪裝率約為70%。當(dāng)下沉式綠地率為37.7%時，不需要設(shè)置蓄水池即可實現(xiàn)年徑流總量控制目標(biāo)。實際工程中，應(yīng)該用這幾種算法綜合分析，合理確定蓄水池容積。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)[Z].2014.

[2]武漢市水務(wù)局，武漢市國土資源和規(guī)劃局，武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，武漢市園林和林業(yè)局.武漢市海綿城市規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則(試行)[Z].2015.

[3]趙世明,趙理,王耀堂,等.建筑與小區(qū)雨水利用工程規(guī)模的分析[J].中國給水排水,2007,23(24):84-87.

[4]杜長偉,吳俊奇,汪慧貞,等.北京市建筑小區(qū)雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模研究[J].給水排水,2014,40(10):89-92.

[5]李俊奇,孟光輝,車伍.城市雨水利用調(diào)蓄方式及調(diào)蓄容積實用算法的探討[J].給水排水,2007,33(2):42-46.

[6]胡良明,李逸之,樊思熠.城市雨水蓄水池容積計算與研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2012,33(4):22-24.

[7]魏武強.漢口北地鐵停車場屋面雨水回用設(shè)計[J].給水排水,2012,38(3):82-84.

[8]潘志輝,魯梅,王莉蕓.深圳市雨水蓄水池容積設(shè)計計算探討[J].給水排水,2012,38(10)：43-46.

[9]綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn):GB/T 50378—2014[S].

[10]建筑給水排水設(shè)計規(guī)范:GB 50015—2003[S].

[11]建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范:GB 50400—2006[S].

[12]潘國慶,車伍,李俊奇,等.城鎮(zhèn)雨水收集利用儲存池優(yōu)化規(guī)模的探討[J].給水排水,2008,34(12):42-47.

[13]室外排水設(shè)計規(guī)范:GB 50014—2006[S].

[14]武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會,武漢市建設(shè)工程設(shè)計審查辦公室.武漢市海綿城市建設(shè)工程施工圖設(shè)計文件技術(shù)審查要點(試行)[Z].2016.