建筑小區(qū)平屋頂雨水伸頂立管改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)

羅勇 張甘林 康威

摘要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快、不透水面積的增加，城市化發(fā)展過(guò)程中面臨的雨水徑流污染、洪澇災(zāi)害、水資源匱乏等水環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重?；诘陀绊戦_(kāi)發(fā)思想的雨水源頭控制理念，開(kāi)發(fā)了一種建筑平屋頂雨水立管設(shè)計(jì)方法：以雨水立管與平屋頂?shù)慕唤缣帪閮?nèi)環(huán)，澆筑底邊為2h、高為h的等腰三角形混凝土，混凝土沿內(nèi)環(huán)澆筑一周，并在其頂部配置一定孔徑的截污網(wǎng)。以占地面積為6.39hm²的中國(guó)西部某綠色建筑小區(qū)為研究案例，對(duì)該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了模擬研究，分別分析了環(huán)形混凝土高度、建筑小區(qū)下墊面、重現(xiàn)期三者對(duì)洪峰削減率和小區(qū)末端雨水管管徑的影響。結(jié)果表明，綠色建筑小區(qū)雨水立管采用本設(shè)計(jì)技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)削減洪峰和降低小區(qū)末端雨水管管徑的效果。洪峰削減率隨著環(huán)形混凝土高度的增加而增大，當(dāng)環(huán)形混凝土高度增加至5cm時(shí)，洪峰削減率達(dá)到最大值36.98%，小區(qū)末端雨水管管徑減小值達(dá)到最大，為400mm;洪峰削減率隨著屋面面積比例的增加而增大，當(dāng)屋面面積比例占30%時(shí)，洪峰削減率和小區(qū)末端雨水管管徑減小值分別達(dá)到最大，為47.16%和400mm;洪峰削減率隨重現(xiàn)期的增大而減小，當(dāng)重現(xiàn)期為0.5a時(shí)，洪峰削減率達(dá)到最大值36.43%，而小區(qū)末端雨水管管徑減小值為200mm。

關(guān)鍵詞：綠色建筑;雨水;低影響開(kāi)發(fā);雨水立管;平屋頂

1 引言

雨水作為一種寶貴的資源，在城市水循環(huán)體系和流域水環(huán)境系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的雨洪管理方式是通過(guò)管渠系統(tǒng)收集后就近排入水體。然而，這又進(jìn)一步加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化。近20年來(lái)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于雨洪控制與利用已形成比較成熟的理論與技術(shù)體系，并在實(shí)際工程中有廣泛的應(yīng)用。例如“低影響開(kāi)發(fā)”、“最佳管理措施”、“可持續(xù)城市排水系統(tǒng)”、“水敏感性城市設(shè)計(jì)”、“可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施”等[1-4]。低影響開(kāi)發(fā)，是上世紀(jì)90年代由美國(guó)暴雨管理專(zhuān)家推出的一種雨水管理模式。其原理是通過(guò)分散的、小規(guī)模的源頭控制與設(shè)計(jì)技術(shù)，模擬自然水文條件原理，采用源頭控制理念實(shí)現(xiàn)雨水控制與利用的一種雨水管理方法[5]。與傳統(tǒng)的雨洪控制比較，低影響開(kāi)發(fā)涉及的技術(shù)措施更加廣泛，具體的技術(shù)方法有保護(hù)性設(shè)計(jì)、滲透、徑流蓄存、過(guò)濾、生物滯留、低影響景觀等[6]。目前低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)已被美國(guó)及一些歐洲國(guó)家廣泛采用，效果顯著，而在中國(guó)尚處于起步探索階段，未形成完善的理論和技術(shù)體系，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)城市對(duì)待雨水的態(tài)度是把它當(dāng)成一種廢水而簡(jiǎn)單地排放。隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快以及人口密度較大、土地資源緊張、水資源短缺現(xiàn)象嚴(yán)重等基本國(guó)情，低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)在我國(guó)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，中國(guó)有少部分城市將低影響開(kāi)發(fā)理念融入項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案中[7]。

“調(diào)蓄”是城市雨洪控制利用系統(tǒng)中十分重要且廣泛應(yīng)用的一類(lèi)措施，包括雨水調(diào)節(jié)和儲(chǔ)蓄兩項(xiàng)內(nèi)容。雨水調(diào)節(jié)主要是對(duì)重現(xiàn)期較大的暴雨事件進(jìn)行調(diào)節(jié)、滯留或削減，它是指在暴雨期間暫時(shí)儲(chǔ)存雨水，在峰流量過(guò)后或雨停后緩慢排放，以削減洪峰流量、降低下游排水設(shè)施或洪澇災(zāi)害。

綠色屋頂?shù)暮榉逑鳒p效率受諸多因素的影響，如：屋面的種類(lèi)、屋面剖度、降雨強(qiáng)度、植被類(lèi)型、季節(jié)等，且綠色屋頂僅對(duì)降雨強(qiáng)度較小的雨水削減效果較好，因此僅依靠綠色屋頂還未能實(shí)現(xiàn)屋面雨水的充分控制，還需結(jié)合其他設(shè)計(jì)方法以達(dá)到對(duì)屋面雨水的有效控制。本文從實(shí)際案例出發(fā)，模擬研究了環(huán)形混凝土高度、小區(qū)下墊面、重現(xiàn)期三者對(duì)洪峰削減率的影響，為該設(shè)計(jì)方法的工程化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

2材料與方法

2.1設(shè)計(jì)步驟概況

建筑平屋頂雨水立管低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法主要包括兩個(gè)步驟：第一步，以建筑雨水立管與平屋頂?shù)慕唤缣帪閮?nèi)環(huán)，澆筑底邊為2h，高為h的等腰三角形混凝土，等腰三角形混凝土沿內(nèi)環(huán)澆筑一周;第二步，在澆筑的環(huán)形等腰三角形混凝土頂部配置一定孔徑的截污網(wǎng)。該設(shè)計(jì)方法應(yīng)用后，降雨初期屋面可蓄積一定體積雨水，實(shí)現(xiàn)小區(qū)時(shí)間上的洪峰錯(cuò)流，對(duì)降低區(qū)域洪峰流量和市政雨水管管徑具有重要作用。

2.2設(shè)計(jì)方法

建筑小區(qū)雨水立管低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用前后，小區(qū)雨水設(shè)計(jì)流量-降雨歷時(shí)對(duì)比示意圖見(jiàn)圖2。洪峰削減率和小區(qū)末端雨水管管徑減小值的計(jì)算方法如下：

第1步：計(jì)算本設(shè)計(jì)方法應(yīng)用前，小區(qū)雨水設(shè)計(jì)流量Q;

根據(jù)雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式：Q=ΨFq，式中F為小區(qū)匯水面積，q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，q=，Ψ為小區(qū)平均徑流系數(shù)。T=t₁，t₁為當(dāng)?shù)氐牡孛婕畷r(shí)間，是恒定參數(shù)。

第2步：根據(jù)混凝土高度h計(jì)算屋面雨水滯留時(shí)間T。根據(jù)公式：h=Ψ××，式中A₁、c、b為當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式的地方參數(shù)，是恒定參數(shù)，P為設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期，t為降雨歷時(shí)，Ψ為屋面徑流系數(shù)，取0.9。

第3步：計(jì)算t₁+T時(shí)刻內(nèi)，除屋面雨水徑流外的小區(qū)其它匯水面積參與徑流時(shí)的雨水設(shè)計(jì)流量Q₁。計(jì)算方法同第一步，此時(shí)匯水面積不包括屋面面積。

第4步：計(jì)算t₁+T時(shí)刻后屋面雨水參與徑流時(shí)的雨水設(shè)計(jì)流量Q₂。計(jì)算方法同第一步，此時(shí)暴雨強(qiáng)度公式中的t為t₁+T，面積為小區(qū)總匯水面積F。

第5步：比較Q₁和Q₂大小，取Q=MAX{Q₁，Q₂}，進(jìn)而計(jì)算出?Q=Q-Q，洪峰流量削減率=?Q/Q。

第6步：通過(guò)水力計(jì)算結(jié)合小區(qū)地形圖，由Q和Q可計(jì)算出相應(yīng)的小區(qū)末端雨水管管徑DN和DN。進(jìn)而求出雨水管管徑減小值?DN=DN-DN。

3結(jié)果與討論

3.1中國(guó)西部某綠色建筑小區(qū)概況

以中國(guó)西部某綠色建筑小區(qū)為案例，對(duì)本設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了模擬研究。綠色建筑小區(qū)的總用地面積為63900m²，總建筑面積約100678m²，包括有兩棟26層的高層以及41棟多層住宅。其中建筑用地13419m²，占21%;公共綠化用地17253m²占27%;水景面積為7029m²，占11%;道路用地5751 m²，占9%;硬質(zhì)路面20448m²，占32%。建筑小區(qū)下墊面面積及平均徑流系數(shù)如表1所示。

3.2 環(huán)形混凝土高度對(duì)洪峰削減率的影響研究

當(dāng)重現(xiàn)期為2a，屋面面積比例為21%時(shí)，研究了環(huán)形混凝土高度對(duì)小區(qū)洪峰流量削減率的影響，其結(jié)果如表2所示。環(huán)形混凝土高度對(duì)小區(qū)末端雨水管管徑的影響結(jié)果見(jiàn)圖3。環(huán)形混凝土高度分別取1cm、2cm、5cm、10cm、15cm、20cm六個(gè)不同值。

由表2可知，隨著環(huán)形混凝土高度的增加，屋面雨水的滯留時(shí)間逐漸增加，Q₂逐漸減小。當(dāng)環(huán)形混凝土高度為1cm時(shí)，屋面雨水的滯留時(shí)間為4.83min，Q₂=854.42L/S;當(dāng)環(huán)形混凝土高度增加至2cm時(shí)，屋面雨水的滯留時(shí)間增加至10.81min，Q₂=722.29L/S;當(dāng)環(huán)形混凝土高度為5cm時(shí)，屋面雨水的滯留時(shí)間為37.58min，Q₂=446.31L/S;當(dāng)環(huán)形混凝土高度為10cm時(shí)，屋面雨水的滯留時(shí)間為123.62min，Q₂=222.65L/S;當(dāng)環(huán)形混凝土高度為15cm時(shí)，屋面雨水的滯留時(shí)間為289.32min，Q₂=124.61L/S;當(dāng)環(huán)形混凝土高度增加至20cm時(shí)，屋面雨水滯留時(shí)間增加到574.93min，Q₂=76.08L/S。當(dāng)環(huán)形混凝土高度從1cm增加至5cm，洪峰削減率逐漸增加，從15.62%增加至36.98%，當(dāng)環(huán)形混凝土高度增加至5cm后，洪峰削減率保持不變，為36.98%。

可見(jiàn)，在暴雨重現(xiàn)期和屋面面積比例一定的情況下，屋面雨水的滯留時(shí)間和洪峰削減率隨著環(huán)形混凝土高度的增加而增加，但當(dāng)環(huán)形混凝土高度增加至某一值后，洪峰削減率保持不變;小區(qū)末端雨水管管徑隨著環(huán)形混凝土高度的增加而減小，當(dāng)環(huán)形混凝土高度增加至一定值后，小區(qū)末端雨水管管徑保持不變。由于環(huán)形混凝土高度增加至一定值后，屋面雨水的滯留時(shí)間較長(zhǎng)，使得Q₂逐漸減小，小于屋面雨水參與小區(qū)徑流前的雨水設(shè)計(jì)流量Q₁，而小區(qū)的雨水設(shè)計(jì)流量Q取較大值Q₁，在屋面面積比例和重現(xiàn)期一定的情況下，Q₁不變，因此洪峰削減率和小區(qū)末端雨水管管徑保持不變。

4 結(jié)論

⑴綠色建筑小區(qū)平屋頂雨水立管低影響開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法主要由兩個(gè)步驟構(gòu)成：第一步，以建筑雨水立管與平屋頂?shù)慕唤缣帪閮?nèi)環(huán)，澆筑底邊為2h，高為h的等腰三角形混凝土，等腰三角形混凝土沿內(nèi)環(huán)澆筑一周;第二步，在澆筑的環(huán)形等腰三角形混凝土頂部配置一定孔徑的截污網(wǎng)。

⑵以占地面積為6.39hm²的中國(guó)西部某綠色建筑小區(qū)為案例，對(duì)本設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果顯示，環(huán)形混凝土高度、建筑小區(qū)下墊面、重現(xiàn)期三者對(duì)洪峰削減率和小區(qū)末端雨水管管徑均有一定的影響。

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作者簡(jiǎn)介：羅勇：男，1979年4月生，高級(jí)工程師，中機(jī)中聯(lián)工程有限公司。

（作者單位：1.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司;2.重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）