黃 開，趙 賽，包蘇俊，丁兆勇，李 犁，史海菲

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

2015年發(fā)布的《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見》確定了海綿城市建設總體工作目標， 即“到2020年城市建成區(qū)20%以上的面積達到目標要求；到2030年城市建成區(qū)80%以上的面積達到目標要求”。隨后，在全國30個城市展開了海綿城市建設試點工作，截至2019年底，海綿城市建設試點工作結束，30個城市均通過了國家專家組驗收，積累了大量的可復制可推廣的經驗[1]。同時也發(fā)現(xiàn)，已建城區(qū)海綿城市改造建設過程中，面臨絕大部分建成區(qū)人口密度偏高、建筑密度大、地表硬化率高、綠化面積極其有限、綜合徑流系數(shù)大的問題，土地已基本開發(fā)，可改造空間小，環(huán)境生態(tài)本底較差[1]，綜合排水標準較低，重現(xiàn)期一般只能達到0.5～2年一遇，部分地塊還存在客水入侵、內澇嚴重等現(xiàn)象[2-3]，且對道路、廣場、停車場和公園的封堵以及改造后的雨水設施改變了原景觀的形態(tài)和風貌，遭到居民的投訴和反對[3]。因此，區(qū)塊內雨水控制設施的選擇、布局、設計受到很大的限制，很難實現(xiàn)系統(tǒng)性方案落地[4]，要達到“小雨不積水，大雨不內澇”[5]的設計目標有一定難度。

實踐表明：工程實際與設計目標存在較大偏差，將排水分區(qū)細化到微分區(qū)或子分區(qū)復核計算年徑流總量的結果會更準確[2,6]；同一排水區(qū)域中，不同地塊因建設條件不同，各地塊設置的LID體量不同，其年徑流總量控制率和污染物削減率存在不均衡情況[7]。為了填補建設條件受限地塊，達到整個區(qū)塊的目標，以問題為導向，形成“一點一策”[4]，在有條件建設或生態(tài)基底較好的地塊提高海綿城市、排水防澇和景觀綠化建設指標。以青島市海綿城市建設試點重點示范項目海信南嶺風情西區(qū)海綿化改造工程為例，研究生態(tài)基底相對較好小區(qū)的高標準海綿化改造設計，并進行分析和總結。

1 現(xiàn)狀分析

青島市屬于資源型與水質型雙重缺水城市，年降水量年平均為 775.6 mm，春、夏、秋、冬四季雨量分別占全年降水量的 14%、57%、22%、7%，且多為短歷時強降雨。海信南嶺風情西區(qū)位于青島市文昌路以西、重慶中路以東、石溝安置房項目以北，建成于2004年，項目面積約為2.4×104m2， 9個樓座，共計240戶居民。小區(qū)地形與豎向如圖1所示，地質為地下素填土厚0.20～9.90 m，呈現(xiàn)強透水性，下層粉性黏土約1.10～4.90 m，呈現(xiàn)弱透水性，勘探深度范圍內未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定分布的地下水。

1.1 排水現(xiàn)狀與客水入侵

小區(qū)采用雨污分流制，經排查未發(fā)現(xiàn)錯接、混接現(xiàn)象，整個排水管網相對完善，雨水管線經評估可達到2年一遇，排水能力比一般老舊小區(qū)標準高。排水管網主要包含雨水干管和廣場上的排水溝等，雨水管敷設于車行道和人行道下。小區(qū)內雨水排放結合客水，分成3個排水分區(qū)及3條排水路徑，排水管線如圖1所示。但是，小區(qū)西側DN1200主管道與地勢為逆坡關系，實測管道坡度約為0.2%，地面坡度較大，不利于雨水收集；小區(qū)南側拐角處是整個小區(qū)的最低點，無自然地勢排水出口，路面雨水口設置偏少，雨水收集能力不足；加之，附近路面略高于附近建筑一樓車庫地坪，受東側1.75×104m2廠區(qū)客水入侵，曾出現(xiàn)低點附近一樓車庫大面積受淹的現(xiàn)象，存在較嚴重的水安全隱患。

圖1 現(xiàn)狀豎向和排水系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of Existing Vertical and Drainage System

1.2 現(xiàn)狀下墊面

該小區(qū)總占地面積為24 475.1 m2，其中建筑占地面積為5 200 m2，綠地面積為10 740 m2，道路及地坪鋪裝為8 535.1 m2，現(xiàn)狀地表綜合徑流系數(shù)為0.559；小區(qū)綠化面積占比達43.88%，比一般老舊小區(qū)占比高，小區(qū)年徑流控制率及SS去除率比一般老舊小區(qū)要高，小區(qū)生態(tài)基底良好。但是，瀝青道路、水泥路面、荷蘭磚與塊石等不透水鋪裝存在局部破損情況；綠地四周界石高于地面，地面雨水無法入滲或排入綠地?，F(xiàn)狀下墊面徑流系數(shù)計算如表1所示。

表1 現(xiàn)狀下墊面徑流系數(shù)計算Tab.1 Calculation of Runoff Coefficient of Existing Underlying Surface

1.3 景觀綠化

小區(qū)內部中心景觀帶綠化較好，綠化覆蓋率及密度高，大部分綠地高程與道路齊平。植被種類豐富，骨干樹種以本地鄉(xiāng)土樹種為主，主要有雪松、國槐、五角楓等大喬木和開花亞喬木，搭配部分常綠灌木、色葉類、觀花類植被，色彩豐富、層次鮮明。小區(qū)生態(tài)基底良好，景觀綠化檔次較高。但是，少數(shù)道路轉角處被行人踐踏，導致植被長勢不佳或土壤裸露，小區(qū)活動場所地面及健身器材破損較嚴重。

2 海綿城市設計

2.1 設計目標與理念

(1)設計目標：根據青島市海綿城市專項規(guī)劃指標，改造后徑流系數(shù)達到0.5以下，年徑流總量控制率需達到76%以上，對應設計降雨量在28.5 mm以上，目標面源污染削減率在57%以上，透水鋪裝率在40%以上。根據該小區(qū)生態(tài)基底較好的特點，設計擬提高海綿指標：綜合徑流系數(shù)為0.47，年徑流總量控制率為82.4%，對應設計降雨量為35.8 mm，面源污染削減率為63.1%，透水鋪裝率為47%，同時提高景觀綠化品質，解決因客水入侵造成的水安全問題，提高居民的獲得感。

(2)設計理念：強化針對現(xiàn)狀特點與問題的系統(tǒng)設計，保留利用現(xiàn)有喬木和灌木，維持完善原有生態(tài)，減少對現(xiàn)狀的破壞。

2.2 總體方案

(1)LID設施選擇與排水技術路線

根據地形、氣象和地質特點，結合小區(qū)現(xiàn)狀問題，LID設施選擇除一般常規(guī)設施外，在“滲、滯、排”的技術措施上進行強化，主要選用生態(tài)停車位、透水鋪裝、下凹式綠地、雨水花園、植草溝，改造東南側道路豎向和排水暗渠以及暗渠導流出路。排水路線分為小區(qū)雨水排放和外圍客水排放。小區(qū)超標雨水和外圍客水經排水暗溝(管)導流排放到小區(qū)西側水系。排水技術路線如圖2所示。

圖2 排水技術路線Fig.2 Technology Roadmap of Drainage Catchment

(2)排水分區(qū)、地表徑流與LID平面布局

結合小區(qū)現(xiàn)狀地形及現(xiàn)有雨水管網，根據區(qū)域內下墊面組成、豎向標高等，整個小區(qū)延續(xù)現(xiàn)狀劃分為3個排水分區(qū)。小區(qū)設置下凹綠地、雨水花園、植草溝等LID設施，同時設置雨落管斷接、線性截水溝、LID間的連通管以及假性封堵雨水口等截流引流設施，降低最低點路面、增設外排行泄通道和加密雨水口等設施。排水分區(qū)、地表徑流及LID設施平面布局如圖3所示。

圖3 地表徑流、排水分區(qū)和LID設施總平面布局Fig.3 Layout of Surface Runoff, Catchment Zoning and LID Facilities

2.3 海綿指標計算

2.3.1 年徑流總量控制率和污染物SS削減率計算

LID蓄水量、年徑流總量控制率采用分區(qū)容積法計算。其中，生態(tài)停車位包含在透水鋪裝中，植草溝包含在下沉綠地中。改造后，綜合徑流系數(shù)為0.47，透水鋪裝率為47.95%；總蓄水量為412.3 m3，能夠承擔的降雨量為35.8 mm，年徑流總量控制率為82.4%；污染物SS削減率計算，下凹式綠地為70%[8]、雨水花園為80%[9]，經加權計算，污染物SS削減率為63.1%，大于目標57%，如表2所示。

表2 年徑流總量控制率和污染物SS削減率計算Tab.2 Calculation of Annual Runoff Control Rate and Reduction Rate of Pollutant SS

2.3.2 微分區(qū)復核年徑流總量控制率

為了避免出現(xiàn)低效率甚至無效率的LID單體，對分區(qū)中的LID單體進行微分區(qū)劃分，并對微分區(qū)做蓄水容量與實際蓄水量校核計算。蓄水容量采用容積法計算，分區(qū)及微分區(qū)LID實際蓄水量計算采取式[2](1)。

(1)

其中：Q實際——微分區(qū)在達到既定年徑流總量控制率對應降雨量時，LID的實際蓄水量，m3；

H——達到既定年徑流總量控制率對應降雨量，mm；

ψi——微分區(qū)LID的徑流系數(shù)；

Fi——微分區(qū)LID的面積，m2；

ψj——微分區(qū)轉輸?shù)乇韽搅鬟MLID的下墊面的徑流系數(shù)；

Fj——微分區(qū)轉輸?shù)乇韽搅鬟MLID的下墊面的的面積，m2。

按照設置的26個LID，大部分排水面積劃入26個微分區(qū)，如圖4所示。每個微分區(qū)包括LID自身面積和所服務的轉輸面積，轉輸面積中包括原狀綠地、建筑屋面、改造后的透水鋪裝以及未改造的不透水鋪裝；未劃入微分區(qū)的部分為無法匯入面積，也包括以上4類下墊面等。

圖4 排水微分區(qū)及相關設施平面布局Fig.4 Layout of Drainage Micro-Partitioning and Associated Facilities

由蓄水容量與實際蓄水量復核計算可知：①各微分區(qū)實際最大蓄水量與設計蓄水能力相互之間不匹配，各微分區(qū)之間受現(xiàn)狀條件影響，徑流量控制率不平衡，在各微分區(qū)之間設置植草溝或排水暗管等設施，地表徑流在相鄰微分區(qū)轉輸消納，避免偽海綿或效率低下的LID單體；②整個小區(qū)降雨量為35.8 mm，實際蓄水量為316.2 m3，與設計蓄水能力412.3 m3相差96.1 m3，實際年徑流總量控制率達不到82.4%。

2.3.3 實際年徑流總量控制率和污染物SS削減率標準評估

按照排水分區(qū)容積法計算，設計承擔與實際降雨量達到35.8 mm，對應年徑流總量控制率為82.4%，LID設施設計蓄水能力與實際蓄水能力均達到412.3 m3；按照微分區(qū)復核，實際設計承擔的降雨量為35.8 mm時，LID設施實際蓄水量為316.2 m3，無法匯入面積徑流量為96.1 m3，對應實際年徑流總量控制率為75.14%，LID部分庫容閑置；當降雨量為46.7 mm時，LID設施實際蓄水量達到設計蓄水能力412.3 m3，對應年徑流總量控制率為87.20%時，但實際年徑流總量控制率為82.40%，污染物SS削減率為63.10%，實際達到設計的高標準。實際年徑流總量控制率和污染物SS削減率標準評估如表3所示。

表3 實際年徑流總量控制率和污染物SS削減率標準評估Tab.3 Standard Evaluation of Actual Annual Runoff Control Rate and Reduction Rate of Pollutant SS

2.3.4 SWMM模型校核

由于青島市缺少本地雨型，根據青島市暴雨強度公式，參考芝加哥雨型，推求青島市不同重現(xiàn)期1年、3年一遇的2 h降雨過程線。為模擬相對不利的狀況，選取峰值在前的情形，即r取0.4。因不具備率定與驗證條件，按照模型經驗值，結合項目實際情況，設定模型參數(shù)。目前，國內一般采用Horton作為滲透模型，管網匯流模型采用動力波法計算。其中，滲透模型的最大入滲率為76 mm/h，最小入滲率為3.3 mm/h，入滲衰減系數(shù)為4 h-1。模擬歷時3 h，模擬時間步長為30 s。不透水面積根據實際情況取24%～71%；匯流寬度根據實際水流路徑計算取24.9～60 m；流域坡度根據地塊坡向取 0.2%～6.3%。

通過SWMM模型校核，以1年、3年一遇進行評估模擬。結果表明，模擬3年一遇降雨重現(xiàn)期內，通過LID設施下滲和蓄存的雨水量之和>35.8 mm，滿足高標準設計要求。改造前后，年徑流總量控制率如表4所示。

表4 改造前后年徑流總量控制和污染物SS削減評估Tab.4 Assessment of Annual Runoff Control Rate and Reduction Rate of Pollutant SS before and after Reconstruction

2.4 排水計算及淹沒點改造

保留現(xiàn)狀雨水管道，進行過水能力復核，地面集水時間t1取5 min，管內流行時間t2取4～6 min。根據青島市暴雨強度公式，通過復核計算管道過水能力，由海綿改造前2年一遇可提高至5年一遇。客水匯水面積約2.08×104m2，按50年一遇標準計算，根據青島市暴雨強度公式：t=5 min，ψ=0.8，計算流量為1.88 m3/s，考慮一定的富余量，設置蓋板溝B×H=1 000 mm×1 500 mm，暗渠為1 200 mm×1 800 mm。

基于淹沒點的道路路面高于車庫地坪和無自然地面排放口的現(xiàn)狀，采取改造措施：(1)降低道路標高，讓道路低于附近一樓車庫的地坪；(2)將原來B×H=1 100 mm×1 100 mm的排水暗渠改成B×H=1 000 mm×1 500 mm蓋板溝，并加密附近雨水口；(3)在最低點打通與小區(qū)外排洪溝之間的通道，暗渠尺寸為1 200 mm×1 800 mm。內澇點道路改造及渠道橫斷面如圖5所示。

圖5 內澇點道路改造及排水渠道橫斷面Fig.5 Road Reconstruction at Waterlogging Point and Cross Section of Drainage Channel

2.5 景觀綠化

基于現(xiàn)狀良好生態(tài)基底的較高標準綠化，保留利用現(xiàn)狀喬木和大灌木，并進行高標準提升改造，同時解決更換健身活動場地的橡膠地墊等部分民生問題。

(1)現(xiàn)狀喬木保留保護，繞喬木根系周圍設置直徑約1 m的圓形土堆，頂面與原地形相平，保證根系不外露，底面直徑約2 m與下凹綠地完成面相平，以卵石和杉木樁裝飾護腳，形成緩坡，對根系進行保護。

(2)雨水花園中散置火山巖小礫石，表層植物之間散鋪粒徑為20～30 mm、厚度為10～15 cm，減緩水流流速，減少沖刷，同時有效吸收有害污染物，減少蒸發(fā)，增加土壤的含水量，保證草本植物生長。

(3)選用泰山石，結合喬木、灌木、宿根花卉及觀賞草等種植，置于節(jié)點或開闊綠地中，利用植物體量和形態(tài)上的變化，搭配形成景石組團景觀，提升綠化層次和意境美感。

(4)關于植物配植，充分考慮植物的耐旱、耐濕、耐陰、耐污染、耐踩踏能力，選配的植物根系發(fā)達、凈化能力強，同時考慮景觀的科學性、生態(tài)性和觀賞性。下凹式綠地主要結合現(xiàn)狀喬木，采用喬、灌、草相結合的多層群落結構，上層喬木為樸樹、黃山欒等，下層搭配栽植鳶尾、黃菖蒲等耐水濕花卉，外圍以常綠灌木進行圍合，整體綠化層次分明，視線通透，既保證冬季景觀常綠，又防止居民踐踏綠地。雨水花園主要考慮結構層做法，植物選擇旱傘草、美人蕉、鳶尾等草本植物，株型、葉型、花色相互搭配、多彩斑斕。植草溝選用早熟禾、黑麥草、高羊茅等北方冷季型常綠草坪。

3 結果及分析

3.1 徑流控制效果

關于源頭項目徑流控制效果評價，根據監(jiān)測數(shù)據一般有4種分析評價方法。選取典型場次降雨外排判斷法[11]進行初步評價，計算評價如式(2)。

Q

(2)

其中：Q——項目外排口檢測場次降雨累計外排量，m3；

H——場次累計降雨量，mm；

F——小區(qū)匯水面積，m2。

項目從建成運行開始，在小區(qū)雨水管網出口進行流量檢測，選取2019年6月6日、8月2日、2020年6月13日和7月12日4場典型降雨場次，其累計降雨量與設定目標年徑流總量控制率82.4%對應的降雨量35.8 mm接近。可以看出，所選4場典型降雨場次的檢測外排量小于理論產流量的1%，達到設計目標。監(jiān)測計算評價如表5所示。

表5 典型降雨場次檢測計算評價Tab.5 Calculation and Evaluation of Typical Rainfall Events

3.2 其他指標評價

通過2個雨季的運行，取得了較好的效果，提高雨水排放至5年一遇，可滿足50年一遇客水入侵不淹沒的要求，解決局部因客水入侵而造成的水安全隱患。

4 結論

分析并研究該項目現(xiàn)狀、設計及運行效果，已建城區(qū)不同小區(qū)或地塊之間存在生態(tài)基底和建設條件差異較大的問題，需因地制宜、科學施策，通過在生態(tài)基底相對較好的小區(qū)提高海綿化改造建設指標標準，平衡生態(tài)基底相對較差的小區(qū)或地塊較低的海綿城市指標，使整個區(qū)域的海綿城市建設指標達到建設要求。

(1)針對生態(tài)基底相對較好的已建小區(qū)或地塊，內部可以設置符合該小區(qū)現(xiàn)狀特點的透水鋪裝、下凹式綠地及雨水花園等LID設施，強化相對應的“滲、滯、蓄、凈、用、排”功能，通過削峰和延時調節(jié)方式，進行高標準海綿化改造設計，使地表綜合徑流系數(shù)≤0.47，年徑流總量控制率≥82.4%，污染物SS削減率≥63.1%，排水管網由0.5～2年一遇提高到≥5年一遇，最終使小區(qū)的水生態(tài)、水環(huán)境指標以及水安全等方面達到相對較高的標準。

(2)對于客水入侵而受淹的小區(qū)，可以通過降低客水入侵淹沒點的道路標高、改擴建排水暗渠、加密雨水口、外部引流或打通小區(qū)與外排洪溝之間的通道等措施，將防洪標準提高到≥50年一遇的高標準，保障小區(qū)水安全。

(3)已建小區(qū)或地塊海綿城市指標計算在分區(qū)容積法計算和SWMM模型復核的基礎上，采取精細化劃分微分區(qū)的方法，用微分區(qū)容積法復核計算，能夠有效分析出各微分區(qū)實際最大蓄水量與設計蓄水能力之間的差異、各微分區(qū)之間因現(xiàn)狀條件造成的徑流量控制率不平衡、設計理想目標與實際達到標準之間的偏差及其原因等，采取在各微分區(qū)之間設置植草溝或排水暗管等連通設施的有效措施，使地表徑流在相鄰微分區(qū)轉輸消納，避免出現(xiàn)偽海綿或效率低下的LID單體等問題，充分發(fā)揮已設置的LID效率，實際達到高標準建設的目標。

(4)在景觀改造設計方面，有針對性地保留利用小區(qū)現(xiàn)有的喬木和大的灌木等植物，并進行高標準景觀提升，注重豐富LID耐旱、耐濕、耐陰、耐污染、耐踩踏的植物配置，同時解決如健身活動場地等民生問題，提高居民獲得感。