劉 建，劉 派，王曉雷，劉少然，王 剛，吳 爽，龔小強，吳凌壹

1)深圳大學(xué)建設(shè)工程生態(tài)技術(shù)研究所，廣東深圳 518060；2)深圳地鐵集團有限公司，廣東深圳 518040；3)中建南方投資有限公司，廣東深圳 518001；4)中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610031

目前，中國很多城市雨季“看海”現(xiàn)象時有發(fā)生．原因之一是城市下墊面多為滲透性差的硬質(zhì)鋪裝路面、混凝土、玻璃或鋼結(jié)構(gòu)建筑．導(dǎo)致城市生態(tài)本底遭到破壞，寶貴的雨水資源白白流失，并造成城市面源污染．

2013年12月，習(xí)近平總書記在中央城鎮(zhèn)化工作會議上發(fā)表了“優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”的重要講話[1]．2015年10月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》，要求通過建設(shè)海綿城市，綜合采取滲、滯、蓄、凈、用、排等措施，最大限度地減少城市開發(fā)建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響，將70%的降雨就地消納和利用，具體為：截至2020年，城市建成區(qū)20%以上的面積達到此目標(biāo)要求；到2030年，城市建成區(qū)80%以上的面積達到此目標(biāo)要求[2]．

自2015年國家開展海綿城市建設(shè)試點城市以來，海綿城市建設(shè)在建筑與小區(qū)、公園綠地和城市道路等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是由于技術(shù)和安全原因，截至2019年年底，在地鐵、輕軌和高鐵等軌道交通領(lǐng)域尚未有案例．

2018年，深圳大學(xué)和深圳市地鐵集團有限公司合作，嘗試將海綿城市理念應(yīng)用于深圳地鐵長圳車輛段建設(shè)中．針對長圳車輛段匯水面積大、硬化下墊面多及屋面排水為虹吸排水系統(tǒng)等特點，創(chuàng)新性地提出了生態(tài)屋頂、高位雨水花壇、多功能蓄水池等新型海綿城市設(shè)施[3]．

1 項目概述

長圳車輛段是深圳地鐵6號線一期工程的組成部分，位于科裕路以西、東長路以東、光僑路以北、十七號路以南的圍合地塊，同觀路和鵝頸水河道東西向橫穿地塊中部，地塊西南角有條鵝頸水南支流穿過，如圖1所示．長圳車輛段海綿城市設(shè)施由深圳大學(xué)建設(shè)工程生態(tài)技術(shù)研究所提供設(shè)計方案和技術(shù)指導(dǎo)，中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司負責(zé)設(shè)計，中國建筑股份有限公司第四工程局負責(zé)工程施工,于2019年12月開工建設(shè)，2020年5月底竣工．

2 海綿城市設(shè)施設(shè)計

2.1 設(shè)計思路及匯水分區(qū)

2.1.1 設(shè)計條件

海綿城市設(shè)施的布置和選擇主要考慮以下條件：① 長圳車輛段建設(shè)對原有地形地貌改變較大，原有的透水性下墊面被改變；② 長圳車輛段蓋體和基礎(chǔ)為大面積不透水混凝土結(jié)構(gòu)，需要處理大量的雨水徑流，包括流量和水質(zhì)，但是長圳車輛段周圍能用于自然滯蓄凈化雨水的綠地很少；③ 未經(jīng)處理的雨水不得外排，處理后的雨水能夠回收利用；④ 利用場地空間構(gòu)造，因地制宜地布置和選擇海綿城市設(shè)施．

2.1.2 海綿城市建設(shè)目標(biāo)的選定

1)根據(jù)GB/T 51345—2018《海綿城市建設(shè)評價標(biāo)準(zhǔn)》[4]，參照深圳市及光明區(qū)的各類海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，將海綿城市設(shè)施年徑流總量控制率設(shè)定為70%，對應(yīng)的設(shè)計降雨量為31.3 mm；

2)針對長圳車輛段滲透下墊面少、不滲透下墊面多的實際情況，采用生態(tài)屋頂、高位雨水花壇和多功能蓄水池等創(chuàng)新性海綿城市設(shè)施；

3)建成后的海綿城市設(shè)施應(yīng)具有示范效果．

2.1.3 匯水區(qū)域的劃分

根據(jù)用地功能、周邊地形和排水情況，將長圳車輛段劃分為6個子匯水分區(qū)，如圖2所示．匯水分區(qū)S1為車輛段出入段，匯水分區(qū)S2為生產(chǎn)倉儲區(qū)，匯水分區(qū)S3、S4和S5為車輛段運行庫，匯水分區(qū)S6為宿舍辦公區(qū)．

2.2 方案布置

根據(jù)長圳車輛段區(qū)域特點，結(jié)合下墊面分析結(jié)果以及上蓋平臺規(guī)劃的生態(tài)屋頂，設(shè)計了以下3種海綿型設(shè)施布置方案：

方案1：考慮后期車輛段上蓋平臺修建生態(tài)屋頂(即考慮蓄水功能的綠色屋頂)；

方案2：鑒于上蓋建筑物與目前的車輛段工程建設(shè)不同步，對混凝土結(jié)構(gòu)周邊的綠地功能進行優(yōu)化，取消方案1中設(shè)置在S4的生態(tài)屋頂，將其承擔(dān)雨水消納的功能分散到地表S3、S4和S5匯水分區(qū)地表綠地中的生態(tài)滯留帶(植草溝)；

方案3：在方案1的基礎(chǔ)上增加方案2中的生態(tài)滯留帶．

采用容積法計算可得，3種方案海綿城市設(shè)施年徑流總量控制率分別為70.8%、72.1%和77.2%，均能滿足年徑流總量控制率70%的要求，實現(xiàn)徑流不外排．3種方案中的海綿型設(shè)施規(guī)模和年徑流總量控制率如表1所示．因為方案2充分利用了地表的海綿城市設(shè)施，減少了生態(tài)屋頂?shù)拿娣e，便于維護管理，所以技術(shù)上方案2較優(yōu)．

表1 三種方案海綿型設(shè)施規(guī)模和年徑流總量控制率

根據(jù)《關(guān)于市財政支持海綿城市建設(shè)實施方案(試行)》[5](深財居[2018]7 號)提供的海綿型設(shè)施價格，計算3種方案的工程造價，結(jié)果如表2．其中，近期指建設(shè)透水鋪裝、下沉式綠地和雨水花園等海綿設(shè)施的工程造價，僅在6號匯水分區(qū)內(nèi)建設(shè)400 m2生態(tài)屋頂，其他庫蓋頂未布置生態(tài)屋頂；遠期指在車輛段運用庫蓋頂以上建設(shè)生態(tài)屋頂，即在近期工程造價的基礎(chǔ)上增加生態(tài)屋頂造價．根據(jù)表2所示，從近期和遠期考慮，方案2的總造價低于其他2個方案．

表2 三種方案海綿型設(shè)施工程造價

綜合以上分析，方案2的海綿型設(shè)施設(shè)計理念先進，在技術(shù)和經(jīng)濟方面均是最優(yōu)，海綿型設(shè)施齊全且有創(chuàng)新，可以推廣應(yīng)用于軌道交通項目．因此，選取方案2作為長圳車輛段海綿型設(shè)施建設(shè)方案．

2.3 海綿型設(shè)施效果分析

2.3.1 設(shè)計降雨徑流分析

為了解不同重現(xiàn)期降雨情況下的海綿城市設(shè)施的削減效果，采用美國環(huán)保署開發(fā)的暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)對3種布置方案進行模擬分析[5-6]．

根據(jù)《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)》[7]，計算過程中不考慮透水鋪裝的調(diào)蓄功能．由于本研究采用具有蓄水功能的生態(tài)屋頂替代傳統(tǒng)的綠色屋頂，所以計算過程中考慮了生態(tài)屋頂?shù)男钏δ埽?/p>

深圳市年徑流總量控制率70%對應(yīng)的設(shè)計降雨量為31.3 mm．該條件下3種海綿城市布置方案的徑流量、流量峰值及徑流系數(shù)如表3．由表3可見，相對于無海綿城市設(shè)施傳統(tǒng)設(shè)計(SWMM模擬結(jié)果分別為徑流量3 800 m3，流量峰值0.33 m3/s，徑流系數(shù)0.55)，3種方案下徑流量、流量峰值和徑流系數(shù)均大幅減少．海綿型設(shè)施方案的徑流量+蓄水量小于海綿城市設(shè)施的蓄水能力，這種布置方案理論上可實現(xiàn)《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)》要求的徑流不外排，從而滿足70%的年徑流總量控制率的目標(biāo). 這也說明，利用容積法確定的海綿城市設(shè)施規(guī)模和蓄水能力是合理的. 需要說明的是，由于海綿城市設(shè)施的排水花管位于礫石層底部，只要徑流滲透至排水花管，就會產(chǎn)生雨水徑流；在計算過程中，如果添加虛擬的溢流控制設(shè)施，則SWMM模型也可以模擬徑流不外排的現(xiàn)象[3].

表3 三種方案在設(shè)計降雨條件下徑流參數(shù)對比分析

2.3.2 大降雨事件海綿城市設(shè)施滯留效果分析

為驗證海綿城市設(shè)施大降雨事件的滯留效果，利用SWMM模擬3種海綿城市設(shè)施布置方案在不同降雨重現(xiàn)期(P)下24 h的滯留暴雨情景[8]．P為5、10、25、50和100 a時，對應(yīng)24 h的降雨量分別為217.6、286.0、386.3、471.4和565.8 mm.

表4為不同降雨重現(xiàn)期降雨情況下3種方案徑流量對比分析結(jié)果．P為5、10、25、50和100 a時，無海綿城市設(shè)施徑流量依次為3.90、5.25、7.31、9.06和11.04萬m3．由表4可以看出，海綿城市設(shè)施可有效減少長圳車輛段的徑流量．徑流量的削減效果隨海綿城市設(shè)施規(guī)模的增大而增大．隨降雨重現(xiàn)期的增大，3種海綿城市設(shè)施的削減效果逐漸降低．

表4 三種設(shè)計方案徑流量對比分析

表5為不同降雨重現(xiàn)期時3種海綿城市設(shè)施布置方案流量峰值的對比分析結(jié)果．P為5、10、25、50和100 a時，無海綿城市設(shè)施流量峰值依次為3.30、4.47、6.34、7.68和9.43 m3/s．由表5可見，海綿城市設(shè)施可有效減少長圳車輛段的流量峰值．流量峰值的削減效果隨著海綿城市設(shè)施規(guī)模增大而增大．隨著降雨重現(xiàn)期的增大，各個海綿城市設(shè)施方案的削峰效果逐漸降低.當(dāng)P≥50 a時，海綿城市設(shè)施幾乎沒有消峰作用．

表6為不同降雨重現(xiàn)期時3種海綿城市設(shè)施布置方案徑流系數(shù)的對比結(jié)果．P為5、10、25、50和100 a時，無海綿城市設(shè)施徑流系數(shù)依次為0.84、0.86、0.88、0.89和0.91 m3/s．由表6可以看出，海綿城市設(shè)施可以一定程度上減少長圳車輛段的徑流系數(shù)．對于降雨重現(xiàn)期較小的情況，隨著海綿城市設(shè)施規(guī)模的增大，徑流系數(shù)有所減小；但降雨重現(xiàn)期增大時，徑流系數(shù)的變化不明顯[9]．

表5 三種方案流量峰值對比分析

表6 各方案徑流系數(shù)對比分析

3 新型海綿城市設(shè)施

根據(jù)深圳市長圳車輛段的場地和運行維護特點，設(shè)計了生態(tài)屋頂、高位雨水花壇和多功能蓄水池等新型海綿城市設(shè)施．

3.1 生態(tài)屋頂

生態(tài)屋頂一般由表層植物、輕質(zhì)混合土層、礫石排水層、排水花管和出流控制裝置組成．在車輛段上蓋平臺和擬建的建筑物屋頂設(shè)置一定厚度和結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新性生態(tài)屋頂，用于控制雨水徑流和營造綠色景觀．該生態(tài)屋頂與傳統(tǒng)綠色屋頂?shù)膮^(qū)別是：生態(tài)屋頂不用澆水、施肥，基本不需要維護；生態(tài)屋頂厚度大于簡易型綠色屋頂，小于復(fù)雜型綠色屋頂.長圳車輛段采用25 cm厚的生態(tài)屋頂，蓄水深度18 cm，其中，種植層15 cm，礫石層10 cm[10]．由于長圳車輛段上蓋物業(yè)尚未施工，布置的生態(tài)屋頂暫時停留在設(shè)計階段．

3.2 高位雨水花壇

在匯水分區(qū)S4東側(cè)設(shè)置了蓄水容積20 m3的高位雨水花壇(圖3)，用于處理落水管流出的部分雨水．高位雨水花壇同雨水花園一樣，可減少暴雨徑流，削減暴雨徑流峰值，推遲徑流峰值出現(xiàn)時間，也能去除雨水徑流中的污染物[11].雨水花壇的斷面形狀和構(gòu)造與雨水花園相似，但高于地表，不僅能用于處理建筑屋面的雨水，還可用于超高層建筑屋頂雨水或者帶有壓力的虹吸排水系統(tǒng)中的屋頂雨水.其結(jié)構(gòu)自上而下為：雨水儲存層、植被覆蓋層、種植土層、砂層和礫石排水層.虹吸雨落管中的帶壓雨水通過三通管連接到高位雨水花壇中的消能井，用于耗散能量和減慢水流速.三通管的位置位于落水管零壓力點下方0.5 m處．從消能井溢流出來的水進入到植被區(qū)，經(jīng)過植物的根莖、土壤中的微生物以及中砂和礫石層的滲透凈化作用后，再通過礫石排水層中的穿孔花管將雨水排入到右側(cè)的溢流控制井中，穿孔花管在溢流控制井中的一端開口向上，并在不同的高度設(shè)置了不同直徑的圓形開口.當(dāng)流量很小時，水從下部開口流出，當(dāng)流量變大時，上部開口將釋放．

圖3 高位雨水花壇模擬圖和實景Fig.3 Effect draning of bioretention parterre and scene

3.3 多功能蓄水池

多功能蓄水池(景觀湖)用于滯留、凈化暴雨徑流，平時作為景觀湖(圖4)使用．多功能蓄水池岸邊按人工濕地設(shè)計，池中央按滯洪池設(shè)計．多功能蓄水池的容量參照GB 50773—2012《蓄滯洪區(qū)設(shè)計規(guī)范》的要求確定，按滯留水量為設(shè)計暴雨對應(yīng)徑流量的1/3～1/2進行設(shè)計[12]．設(shè)計的多功能蓄水池(景觀湖)蓄水能力為200 m3，水深0.8 m，最大蓄水深為1.0 m，雨季蓄水深度為0.3 m．岸邊按人工濕地選配植物，深水部分可選擇沉水植物或挺水植物[3]．

圖4 竣工時的多功能蓄水池Fig.4 Multi-purpose pondon on completion

4 海綿城市設(shè)施施工

按照設(shè)計圖紙和CJJ 82—2012《園林綠化工程施工及驗收規(guī)范》 和GB/T 50905—2014《建筑工程綠色施工規(guī)范》 等規(guī)范要求，施工單位編制了《深圳市城市軌道交通6號線工程長圳車輛段綜合工程6103標(biāo)段園林綠化及海綿城市工程施工方案》，2019年12月海綿城市設(shè)施開始施工，2020年5月底竣工．

長圳車輛段海綿城市設(shè)施施工經(jīng)驗教訓(xùn)主要有：① 按照綠色施工要求，對施工人員進行了技術(shù)安全質(zhì)量等培訓(xùn)，減少了工程返工率，提高了工程質(zhì)量合格率．② 開工前，對項目經(jīng)理和施工人員進行了海綿城市技術(shù)培訓(xùn)；施工過程中，進行了現(xiàn)場指導(dǎo)，保證了海綿城市設(shè)施的施工質(zhì)量.③ 海綿城市設(shè)施的景觀效果較為單調(diào)，沒有呈現(xiàn)出植物多樣性；④ 沒有設(shè)置自動觀測設(shè)施，不利于評價海綿城市設(shè)施的運營效果．

結(jié) 語

結(jié)合深圳地鐵長圳車輛段的特點，設(shè)計了生態(tài)屋頂、高位雨水花壇、多功能蓄水池等新型海綿城市設(shè)施,采用容積法確定了海綿城市設(shè)施的規(guī)模和蓄水能力,并利用SWMM驗證了海綿城市設(shè)施設(shè)計的合理性,模擬了3種海綿城市設(shè)施布置方案的削減效果．SWMM模擬結(jié)果表明，海綿城市設(shè)施可以減少長圳車輛段的徑流量、徑流峰值和徑流系數(shù)，但隨著降雨重現(xiàn)期的增大，海綿城市設(shè)施的削減效果逐漸降低．當(dāng)降雨重現(xiàn)期大于等于50 a時，海綿城市設(shè)施幾乎沒有消減作用．

深圳市長圳車輛段海綿城市設(shè)施的設(shè)計和施工經(jīng)驗表明：① 70%年徑流總量控制率作為深圳市軌道交通車輛段海綿城市建設(shè)指標(biāo)是可行的；② 在綠化面積較小的工程項目中，利用高位雨水花園、多功能蓄水池和生態(tài)屋頂?shù)葎?chuàng)新性海綿城市設(shè)施，可達到較高的年徑流總量控制率，效果優(yōu)于傳統(tǒng)的海綿城市設(shè)施；③ 對于軌道交通項目，宜根據(jù)其特點，設(shè)計新型海綿城市設(shè)施，不宜直接套用建筑小區(qū)和城市道路的海綿城市標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)工程項目需要，制定適用于軌道交通項目的海綿城市標(biāo)準(zhǔn)．

深圳市長圳車輛段海綿城市設(shè)施竣工，實現(xiàn)了將海綿城市理念應(yīng)用到城市軌道交通建設(shè)項目的目標(biāo)，拓展了海綿城市的應(yīng)用領(lǐng)域，為深圳及其他城市軌道交通項目的海綿城市建設(shè)提供了可參考的應(yīng)用范例．