建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)中雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化研究

馮 磊, 徐得潛

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009)

建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)是海綿城市源頭減排重要舉措，在海綿城市建設(shè)中占有重要地位。主要建設(shè)內(nèi)容包括建筑小區(qū)海綿設(shè)施、雨水管網(wǎng)。建筑小區(qū)海綿措施及管網(wǎng)建設(shè)方案不同，其外排徑流系數(shù)、污染負(fù)荷削減率及市政雨水管渠建造費(fèi)用也不同。因此，有必要進(jìn)行建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)與海綿措施優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

針對(duì)建筑小區(qū)海綿城市設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量研究。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2014年頒布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[1]，從場(chǎng)地設(shè)計(jì)、建筑、小區(qū)道路與小區(qū)綠化4個(gè)方面說(shuō)明建筑小區(qū)海綿城市設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)。中國(guó)工程協(xié)會(huì)于2017年發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑與小區(qū)低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)規(guī)程》[2]，提出在新建和改建建筑與小區(qū)低影響開(kāi)發(fā)中，應(yīng)綜合考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、場(chǎng)地條件等因素，合理確定建筑小區(qū)海綿設(shè)施組合及配套管網(wǎng)規(guī)模。但這些指南、規(guī)程僅限建筑小區(qū)海綿城市相關(guān)設(shè)計(jì)原則，不能對(duì)具體設(shè)計(jì)與建設(shè)進(jìn)行有效指導(dǎo)。深圳市住房和建設(shè)局于2017年發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)《深圳市房屋建筑工程海綿設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]，根據(jù)建筑小區(qū)具體情況選定海綿設(shè)施，并對(duì)單體海綿設(shè)施進(jìn)行技術(shù)說(shuō)明。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2019年發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《綠色評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[4]，規(guī)定下凹式綠地、雨水花園等有雨水調(diào)蓄功能的綠地和水體的面積之和占綠地面積的比例需大于40%；硬質(zhì)鋪裝地面中透水鋪裝面積的比例需大于50%。但這些規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)只考慮單項(xiàng)海綿設(shè)施規(guī)模的確定及其說(shuō)明，并未研究如何確定海綿設(shè)施組合系統(tǒng)。Fan R等[5]以成本效益為目標(biāo)，確定最佳海綿化方案，以減少地表徑流。黃均兆[6]詳細(xì)論述各類(lèi)海綿措施類(lèi)型、構(gòu)造、經(jīng)濟(jì)性及適用條件，并分析不同單目標(biāo)時(shí)，如何優(yōu)選海綿措施。但這些研究?jī)H限單個(gè)目標(biāo)下優(yōu)化海綿措施，并未涉及如何平衡建設(shè)費(fèi)用與徑流系數(shù)及徑流污染控制優(yōu)化問(wèn)題，以及具體分析年成本、徑流污染控制等多個(gè)目標(biāo)情況下優(yōu)化海綿措施。Ngo T T等[7]使用“兩階段法”優(yōu)化布局管渠系統(tǒng)，提高管渠系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益；吳柱[8]采用數(shù)學(xué)模型模擬建筑小區(qū)不同海綿城市建設(shè)方案的雨水產(chǎn)匯流情況，通過(guò)方案的結(jié)果比較進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；王媛媛等[9]研究海綿城市起端——建筑小區(qū)低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、技術(shù)流程及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。但這些研究?jī)H限建筑小區(qū)海綿措施或管渠系統(tǒng)優(yōu)化，都未充分考慮建筑小區(qū)內(nèi)部設(shè)施建設(shè)與外部市政雨水管渠聯(lián)系，從海綿城市總體布局優(yōu)化建筑小區(qū)海綿設(shè)施、市政雨水管渠及外排徑流系數(shù)。

本文以建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)為切入點(diǎn)，年費(fèi)用最小和徑流污染削減率最大為目標(biāo)函數(shù)，基于建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)和城市總體海綿城市建設(shè)，應(yīng)用非線(xiàn)性規(guī)劃建立建筑小區(qū)海綿城市雙層耦合優(yōu)化模型，對(duì)建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)和建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)措施進(jìn)行優(yōu)化，并以合肥市某區(qū)域海綿城市建設(shè)為例進(jìn)行計(jì)算分析，為建筑小區(qū)海綿城市設(shè)計(jì)與建設(shè)提供有益支撐。

1 建筑小區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

在建立建筑小區(qū)海綿城市雙層耦合優(yōu)化模型之前，需對(duì)外排徑流系數(shù)，徑流污染，海綿設(shè)施等問(wèn)題進(jìn)行探討。

1.1 外排徑流系數(shù)

建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)是指在降雨形成高峰流量的歷時(shí)內(nèi)產(chǎn)生的外排徑流量同降雨量的比值，取決于建筑小區(qū)地面覆蓋的透水性、海綿措施、降雨歷時(shí)及暴雨強(qiáng)度等因素，主要用于雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算，是海綿城市建設(shè)及雨水管渠系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)與傳統(tǒng)的綜合徑流系數(shù)不同，它充分考慮了調(diào)蓄池等海綿設(shè)施對(duì)進(jìn)入市政雨水管渠的設(shè)計(jì)流量的影響。

由于外排徑流系數(shù)受多重因素影響，一般采用間接的方法推求，即用扣除平均損失強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算[10]：

(1)

式中：ψk為流量徑流系數(shù);μk為產(chǎn)流期間總損失強(qiáng)度,是入滲強(qiáng)度μ1與雨水利用強(qiáng)度μ2之和(mm/h);A為降雨歷時(shí)為1 h的暴雨強(qiáng)度[11](mm/h);τk為降雨歷時(shí),包括地面集水時(shí)間τ1和管渠流行時(shí)間τ2(h);n為暴雨強(qiáng)度衰減指數(shù)。

1.2徑流污染

初期雨水中含有大量的污染物質(zhì)，雨水在匯流過(guò)程中，易產(chǎn)生徑流污染。徑流污染是海綿城市建設(shè)的一項(xiàng)重要控制目標(biāo)，污染物指標(biāo)一般有懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)等。在城市徑流污染物指標(biāo)中，SS與其他指標(biāo)具有一定相關(guān)性，且與建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)有關(guān)，故本文選用SS去除率作為污染物控制指標(biāo)。

建筑小區(qū)SS總量去除率按下式[11]：

(2)

式中：C為年SS總量去除率(一般取值40%～60%[1]);η為年徑流總量控制率;Fh為單項(xiàng)海綿設(shè)施的匯水面積(m2);φh為單個(gè)地塊綜合雨量系數(shù);Ch為單項(xiàng)海綿設(shè)施對(duì)SS去除率,即針對(duì)年平均降雨量,在其匯水面積上產(chǎn)生的徑流全部不外排,集蓄利用后所獲得的去除率[1];Fz為海綿設(shè)施匯水面積之和(m2);φz為建筑小區(qū)綜合雨量徑流系數(shù)。

1.3 海綿設(shè)施

海綿設(shè)施按其主要功能分為：①凈化設(shè)施：綠色屋頂、雨水花園、生物滯留設(shè)施；②滲透設(shè)施：透水鋪裝、下沉式綠地、滲透塘、滲井；③調(diào)蓄設(shè)施：濕塘、雨水濕地、蓄水池、雨水罐、調(diào)節(jié)塘、調(diào)節(jié)池；④轉(zhuǎn)輸設(shè)施：滲管/渠、植草溝。以上單項(xiàng)設(shè)施可同時(shí)具有多種功能，如生物滯留設(shè)施具有調(diào)蓄、滲透功能，植草溝具有凈化功能等。

海綿設(shè)施應(yīng)綜合考慮控制目標(biāo)、排水分區(qū)情況、項(xiàng)目周邊用地性質(zhì)與地形、空間大小、土壤滲透性、綠地率、水域面積率等條件確定海綿設(shè)施組合，海綿設(shè)施規(guī)模應(yīng)根據(jù)控制指標(biāo)及設(shè)施在具體應(yīng)用中發(fā)揮的主要功能，選擇容積法、流量法、水量平衡法等方法確定。

(1) 凈化設(shè)施。宜先確定徑流污染控制目標(biāo)值，再分析各類(lèi)凈化設(shè)施對(duì)徑流污染削減率，最后根據(jù)相關(guān)規(guī)范及小區(qū)具體條件確定凈化設(shè)施規(guī)模。

(2) 滲透設(shè)施。透水鋪裝可通過(guò)參與綜合雨量徑流系數(shù)計(jì)算的方式確定其規(guī)模，對(duì)于下沉式綠地、滲透塘、滲井可按下方法進(jìn)行計(jì)算[1]：

Vs=V-Wp

(3)

式中：Vs為滲透設(shè)施的有效調(diào)蓄容積,包括設(shè)施頂部和結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄水空間的容積(m3);V為滲透設(shè)施進(jìn)水量(m3),用(4) 式計(jì)算;Wp為滲透量(m3)。

(3) 調(diào)蓄設(shè)施。一般采用容積法計(jì)算蓄水設(shè)施設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積[1]：

V=10HφF

(4)

式中：V為設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積(m3);H為設(shè)計(jì)控制降雨量(mm/d);φ為雨量徑流系數(shù);F為匯水面積(hm2)。

資料充足時(shí)，可結(jié)合水量平衡法進(jìn)行精確計(jì)算，對(duì)容積進(jìn)行合理調(diào)整。

(4) 轉(zhuǎn)輸設(shè)施。植草溝等轉(zhuǎn)輸設(shè)施設(shè)計(jì)目標(biāo)通常為排除一定設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的雨水流量，可用推理公式計(jì)算一定重現(xiàn)期下的雨水流量[12]：

Q=ψqF

(5)

式中：Q為雨水設(shè)計(jì)流量(L/s);ψ為流量徑流系數(shù)；q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度〔L/(s·hm2)〕。

綜上所述，凈化設(shè)施采用徑流污染控制目標(biāo)法；滲透與調(diào)蓄設(shè)施選用容積法；轉(zhuǎn)輸設(shè)施規(guī)模選用流量法確定其規(guī)模。

2 建筑小區(qū)海綿城市雙層耦合優(yōu)化模型建立與求解

建筑小區(qū)海綿城市雙層耦合優(yōu)化模型是由上層模型與下層模型構(gòu)成的多目標(biāo)優(yōu)化模型，上層模型是從海綿城市總體出發(fā)，對(duì)各建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，下層模型是針對(duì)給定的外排徑流系數(shù)對(duì)建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)措施進(jìn)行優(yōu)化，兩層優(yōu)化通過(guò)建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)進(jìn)行耦合。

2.1 建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)措施優(yōu)化模型

建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)措施不同，單位投資的徑流系數(shù)、污染負(fù)荷削減值也不同。當(dāng)外排徑流系數(shù)為定值時(shí)，以建筑小區(qū)各海綿設(shè)施的規(guī)模為決策變量，建立建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)優(yōu)化模型。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù) 建筑小區(qū)海綿城市優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為建筑小區(qū)海綿設(shè)施與雨水管網(wǎng)年費(fèi)用最小和徑流污染削減率最大：

(6)

式中：X1k為k小區(qū)年費(fèi)用,包括建造年均攤費(fèi)和年維護(hù)費(fèi);X2k為k小區(qū)徑流污染削減率;i為社會(huì)折現(xiàn)率(%);nt為計(jì)算期,各項(xiàng)設(shè)施利用最小公倍數(shù)法選取統(tǒng)一計(jì)算期,并在建造費(fèi)中考慮計(jì)算期較小設(shè)施的重復(fù)投資(a);m為小區(qū)海綿設(shè)施數(shù)目;Wh為小區(qū)海綿設(shè)施h總成本,包括建造費(fèi)、計(jì)算期內(nèi)維護(hù)費(fèi),元;Gj為雨水管j單位管段總成本,包括建造費(fèi)和計(jì)算期內(nèi)維護(hù)費(fèi),元/m(跌水井等構(gòu)筑物總成本與管網(wǎng)及管渠規(guī)模有關(guān),均攤到雨水管渠總成本中考慮);Lj為第j管段的管長(zhǎng)(m);N為設(shè)計(jì)管段數(shù);其他變量含義同前。

2.1.2 約束條件

(1) 外排徑流系數(shù)小于等于規(guī)定值。

(7)

(2) 徑流污染削減率約束[2]。

40%≤C

(8)

(3) 各類(lèi)海綿設(shè)施建設(shè)規(guī)模約束。

綠色屋面比例不低于可綠化屋面面積30%面積[2]：

30%Sh≤S1≤Sh

(9)

式中：Sh為可綠化屋面面積(m2);S1為綠色屋面面積(m2)。

硬質(zhì)鋪磚地面中透水鋪裝面積比例不宜低于50%[4]：

50%Fyp≤S2≤Fyp

(10)

式中：S2為透水鋪裝路面面積(m2);Fyp為小區(qū)硬質(zhì)鋪磚地面面積(m2)。

下沉式綠地占綠地面積比例不宜低于40%[4]:

40%Fld≤S3≤Fld

(11)

式中：S3為下沉式綠地面積(m2);Fld為小區(qū)綠地面積(m2)。

(4) 蓄水池容積應(yīng)介于蓄水池最小、最大容積之間，根據(jù)可收集雨水量、回用水量，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后確定。

(5) 滲管(渠)、植草溝的長(zhǎng)度之和應(yīng)小于所需的最大轉(zhuǎn)輸距離，根據(jù)小區(qū)用地條件和各設(shè)施設(shè)置位置確定。

2.2 建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)優(yōu)化模型

外排徑流系數(shù)決定著建筑小區(qū)海綿設(shè)施規(guī)模、年費(fèi)用及徑流污染削減率，也決定著市政雨水管渠系統(tǒng)的規(guī)模和投資。由于不同位置的建筑小區(qū)的外排徑流系數(shù)對(duì)市政雨水管渠系統(tǒng)的規(guī)模影響不同，因此，應(yīng)從全局出發(fā)，以建筑小區(qū)內(nèi)部海綿設(shè)施、雨水管網(wǎng)與外部市政雨水管渠系統(tǒng)總年費(fèi)用最小、徑流污染負(fù)荷削減率最大為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化各小區(qū)外排徑流系數(shù)與海綿措施。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù) 以市政雨水管渠系統(tǒng)與建筑小區(qū)內(nèi)部設(shè)施總年費(fèi)用最小，徑流污染削減率最大為目標(biāo)函數(shù)，則有：

(12)

式中：Y1為建筑小區(qū)海綿設(shè)施、雨水管網(wǎng)與市政雨水管渠總年費(fèi)用;Y2表示徑流污染削減率;K表示建筑小區(qū)數(shù);Z2為市政雨水管渠年費(fèi)用,其年費(fèi)用計(jì)算公式同建筑小區(qū)雨水管網(wǎng);Sk為k小區(qū)面積(m2);S為區(qū)域總面積(m2);其他變量含義同前。

2.2.2 約束條件

(1) 外排徑流系數(shù)約束[1]。

0.1≤ψk

(13)

建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)與海綿措施有關(guān)，是建筑小區(qū)海綿城市重要優(yōu)化變量，由于本文是研究城市海綿城市建設(shè)總體最優(yōu)，故在計(jì)算中不考慮外排徑流系數(shù)最大值約束。

(2) 流量約束。

Qxy=Qsy+Qyp=Qsy+αkψkqFk

(14)

式中：Qxy表示小區(qū)下游市政雨水管段設(shè)計(jì)流量(m3/s);Qsy表示小區(qū)上游市政雨水管段設(shè)計(jì)流量(m3/s);Qyp表示小區(qū)外排設(shè)計(jì)流量(m3/s);αk為建筑小區(qū)雨水管道水流流態(tài)對(duì)設(shè)計(jì)流量的影響系數(shù),當(dāng)建筑小區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期與市政雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期相同時(shí),建筑小區(qū)雨水管道為重力流,αk=1;當(dāng)市政雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期高于建筑小區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,建筑小區(qū)雨水管道為壓力流,αk=1.2[13];其他變量含義同前。

(3) 其他約束[14]。市政雨水管段設(shè)計(jì)流速應(yīng)介于相應(yīng)的管段最小、最大允許流速之間；設(shè)計(jì)管徑應(yīng)大于最小設(shè)計(jì)管徑，并在管徑允許集合內(nèi)；設(shè)計(jì)坡度應(yīng)在相應(yīng)的管段最小與最大設(shè)計(jì)坡度的范圍內(nèi)。

2.3 模型求解

建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)決定著海綿設(shè)施的組成及規(guī)模，同時(shí)也決定著小區(qū)雨水管網(wǎng)、市政雨水管渠設(shè)計(jì)規(guī)模。通過(guò)優(yōu)化市政雨水管渠沿線(xiàn)各建筑小區(qū)的外排徑流系數(shù)對(duì)總年費(fèi)用和污染負(fù)荷削減率進(jìn)行權(quán)衡，合理確定小區(qū)海綿措施、雨水管網(wǎng)及市政雨水管渠設(shè)計(jì)規(guī)模。

為便于模型求解，對(duì)各建筑小區(qū)分別設(shè)若干外排徑流系數(shù)，應(yīng)用優(yōu)化模型計(jì)算其年費(fèi)用及徑流污染控制率，并分別回歸建筑小區(qū)海綿城市建設(shè)總年費(fèi)用、徑流污染削減率與外排徑流系數(shù)方程，則公式(12)變?yōu)椋?/p>

(15)

其約束條件見(jiàn)公式(13)—(14)。

針對(duì)本節(jié)建立的建筑小區(qū)海綿城市雙層耦合優(yōu)化模型，通過(guò)MATLAB進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)模型的粒子群優(yōu)化求解，主要步驟如下： ①分別擬合各小區(qū)海綿城市建設(shè)年費(fèi)用、徑流污染削減率與外排徑流系數(shù)方程，設(shè)置算法參數(shù)[15]； ②對(duì)粒子群位置與速度進(jìn)行隨機(jī)初始化； ③計(jì)算每個(gè)粒子適應(yīng)度，并更新粒子自身歷史最優(yōu)值、全局最優(yōu)值、速度和位置； ④若達(dá)到終止條件，則輸出優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，否則轉(zhuǎn)向步驟③。

3 實(shí)例分析

3.1 基本資料

如圖1所示，合肥市某段市政雨水管渠上接有小區(qū)A、小區(qū)B與小區(qū)C雨水排放，其中市政雨水管渠1#—2#長(zhǎng)450 m，市政雨水管渠2#—3#長(zhǎng)530 m，市政雨水管渠3#—4#長(zhǎng)300 m，各小區(qū)用地規(guī)劃方案見(jiàn)表1。

圖1 合肥市樣本建筑小區(qū)與市政管渠示意圖

表1 樣本建筑小區(qū)用地規(guī)劃方案

合肥市位于長(zhǎng)江中下游，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，雨量較為豐富，境內(nèi)有巢湖及南淝河等水系；但人均水資源低于全國(guó)平均水平，水污染狀況不容樂(lè)觀(guān)，屬資源性和水質(zhì)性缺水城市，且降雨主要集中于夏季，易發(fā)生內(nèi)澇。根據(jù)合肥市水資源特點(diǎn)，其建筑小區(qū)海綿設(shè)施主要采用綠色屋頂、下沉式綠地、蓄水池、透水鋪裝、植草溝等海綿設(shè)施，綠色植物選取本土植物。其中綠色屋頂、下沉式綠地、蓄水池及透水鋪裝可有效降低徑流總量和徑流峰值，減少?gòu)搅魑廴?，進(jìn)行雨水利用，植草溝可凈化雨水水質(zhì)。根據(jù)海綿設(shè)施建設(shè)要求及小區(qū)用地條件確定各類(lèi)海綿設(shè)施規(guī)模最大、最小限值。小區(qū)雨水管與市政雨水管渠管材均采用鋼筋混凝土管。

合肥市現(xiàn)行暴雨強(qiáng)度公式如下：

(16)

根據(jù)此公式確定n= 0.896，建筑小區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期與市政雨水管網(wǎng)相同，取2 a，A= 43.63 mm/h。雨水徑流總量控制率為85%時(shí)，設(shè)計(jì)控制降雨量H取 31.4 mm[16]。使用合肥市1951—2019年逐日降雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期2 a時(shí)，最大24 h降雨量為83.44 mm，μ1=1.3 mm/h，τ1=10 min[17]；社會(huì)折現(xiàn)率取8%，計(jì)算期取30 a[18]。

3.2 海綿城市優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)依次為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，根據(jù)海綿設(shè)施、雨水管網(wǎng)約束條件與相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化計(jì)算出各小區(qū)年費(fèi)用及徑流污染削減率。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，使用MATLAB分別擬合各小區(qū)年費(fèi)用與外排徑流系數(shù)關(guān)系，各小區(qū)徑流污染消減率與外排徑流系數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 年費(fèi)用與外排徑流系數(shù)關(guān)系

如圖2所示，小區(qū)海綿設(shè)施年費(fèi)用隨外排徑流系數(shù)增大而減小，小區(qū)雨水管網(wǎng)年費(fèi)用隨外排徑流系數(shù)增大而增大。由圖2可知，當(dāng)外排徑流系數(shù)從0.1變化到0.3時(shí)，海綿設(shè)施規(guī)模主導(dǎo)小區(qū)年費(fèi)用變化，各小區(qū)年費(fèi)用隨外排徑流系數(shù)增大而減??；但外排徑流系數(shù)從0.3變化到0.5時(shí)，由于受各海綿措施最小規(guī)模約束，小區(qū)雨水管網(wǎng)規(guī)模主導(dǎo)小區(qū)年費(fèi)用變化，各小區(qū)年費(fèi)用隨外排徑流系數(shù)增大而增大，且A，B小區(qū)與C小區(qū)外排徑流系數(shù)相同時(shí)，X1C>X1B>X1A，這是由于C小區(qū)占地面積最大，其海綿設(shè)施與雨水規(guī)模也最大，A小區(qū)占地面積最小，其海綿設(shè)施與雨水管網(wǎng)規(guī)模也最小所引起的。由圖3可知，徑流污染削減率隨外排徑流系數(shù)增大而減小，且A，B，C小區(qū)外排徑流系數(shù)相同時(shí)，X2B>X2A>X2C，這是由于B小區(qū)綠地面積占小區(qū)總面積最大，C小區(qū)綠地面積占小區(qū)總面積最小所造成的。

圖3 徑流污染削減率與外排徑流系數(shù)關(guān)系

由擬合曲線(xiàn)分別確定各小區(qū)年費(fèi)用、徑流污染削減率與外排徑流系數(shù)擬合方程如下：

(17)

建筑小區(qū)原設(shè)計(jì)方案中綠色屋頂占屋面面積30%；下沉式綠地占綠地面積40%；透水鋪裝占人行道、廣場(chǎng)及停車(chē)場(chǎng)面積50%，采用公式(4)確定蓄水池規(guī)模，計(jì)算出ψA=0.405，ψB=0.396，ψC=0.421；Y1=1.04×106元；Y2=61.39%。利用擬合方程，對(duì)各小區(qū)海綿措施分別進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后，ψA=0.273，ψB=0.278，ψC=0.270；Y1=1.02×106元；Y2=70.01%；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合外排徑流系數(shù)與市政雨水管渠關(guān)系對(duì)總體海綿城市進(jìn)行優(yōu)化，最終確ψA=0.257，ψB=0.268，ψC=0.303；Y1=9.87×105元，Y2=70.06%，則該區(qū)域海綿城市優(yōu)化設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表2 海綿城市優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

由各小區(qū)用地規(guī)劃方案(表1)及建筑小區(qū)海綿城市優(yōu)化前后設(shè)計(jì)方案(表2)計(jì)算結(jié)果可知，匯水面積越大則蓄水池及雨水管渠規(guī)模越大，綠色屋頂、下沉式綠地、透水鋪裝、植草溝規(guī)模分別與屋面面積、綠地面積、人行道、廣場(chǎng)及停車(chē)場(chǎng)面積、道路面積呈正相關(guān)。優(yōu)化前原設(shè)計(jì)方案建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)在0.4左右，且綠地面積占小區(qū)用地面積越大則該小區(qū)外排徑流系數(shù)越??；單個(gè)建筑小區(qū)海綿措施優(yōu)化后小區(qū)外排徑流系數(shù)明顯減小，各小區(qū)外排徑流系數(shù)在0.27左右；總體海綿城市優(yōu)化后市政管渠上游小區(qū)外排徑流系數(shù)小于各小區(qū)分別優(yōu)化后所對(duì)應(yīng)的小區(qū)外排徑流系數(shù)，下游則相反。優(yōu)化前后管網(wǎng)以及海綿設(shè)施年費(fèi)用見(jiàn)表3。由年費(fèi)用變化可知優(yōu)化后小區(qū)雨水管網(wǎng)及市政雨水管渠規(guī)模減小，海綿設(shè)施規(guī)模和徑流污染削減率均增大。

表3 優(yōu)化前后管網(wǎng)以及海綿設(shè)施年費(fèi)用 104元

總體海綿城市優(yōu)化結(jié)果優(yōu)于單個(gè)建筑小區(qū)海綿措施優(yōu)化，且與原設(shè)計(jì)方案相比，經(jīng)濟(jì)效益提高5.10%，環(huán)境效益提高14.13%，綜合效益明顯提高。優(yōu)化后市政雨水管渠與小區(qū)管網(wǎng)年費(fèi)用減小，建筑小區(qū)海綿措施年費(fèi)用變大，由此導(dǎo)致環(huán)境效益變化較經(jīng)濟(jì)效益變化更明顯?？傮w海綿城市優(yōu)化后，C小區(qū)雨水管網(wǎng)與海綿設(shè)施規(guī)模最大，B小區(qū)次之，且表2中建筑小區(qū)海綿設(shè)施規(guī)模、雨水管網(wǎng)及市政雨水管渠設(shè)計(jì)管段管徑、流速與坡度以及徑流污染削減率等計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足合肥市海綿城市專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃[16]及室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[17]等相關(guān)規(guī)劃與規(guī)范要求，為該區(qū)域海綿城市設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

(1) 總體海綿城市優(yōu)化后各小區(qū)海綿設(shè)施年費(fèi)用需6.91×105元，但徑流污染削減率達(dá)70%以上，在水生態(tài)、水安全、水資源等方面也都具有可觀(guān)的間接價(jià)值，需加快將海綿城市建設(shè)落實(shí)到相關(guān)規(guī)劃中，全面推進(jìn)區(qū)域海綿城市建設(shè)。

(2) 基于海綿城市總體成本最小計(jì)算的市政雨水管渠上游建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)小于市政雨水管渠下游建筑小區(qū)外排徑流系數(shù)，上游單位面積建筑小區(qū)的海綿設(shè)施建設(shè)費(fèi)用明顯大于下游，這造成區(qū)域整體的經(jīng)濟(jì)性與建筑小區(qū)間公平性之間矛盾，可考慮下游小區(qū)對(duì)于上游小區(qū)適當(dāng)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

(3) 海綿城市建設(shè)受多重控制目標(biāo)影響，運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化有利于獲取最大綜合效益。在《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中主要根據(jù)單項(xiàng)海綿設(shè)施規(guī)模進(jìn)行打分，建議增加優(yōu)化海綿設(shè)施組合規(guī)模內(nèi)容及多項(xiàng)復(fù)合打分有關(guān)內(nèi)容。

(4) 限于文章篇幅及相關(guān)數(shù)據(jù)可獲性，本文未充分比較各城市降雨特性、土壤特性及控制目標(biāo)不同所造成的海綿化建設(shè)具體差異性及特色性。因此，之后研究可充分討論不同區(qū)域海綿城市建設(shè)差異性及特色性，將城市區(qū)域位置納入到模型分析中，對(duì)雙層耦合模型的目標(biāo)函數(shù)與約束條件進(jìn)一步優(yōu)化，增強(qiáng)模型的實(shí)用性。

4.2 結(jié) 論

(1) 與原設(shè)計(jì)方案及單個(gè)建筑小區(qū)小區(qū)海綿城市優(yōu)化方案相比，總體海綿城市優(yōu)化能明顯提高綜合效益。在海綿城市建設(shè)中，應(yīng)依據(jù)城市總體規(guī)劃及相關(guān)控制性詳細(xì)規(guī)劃，結(jié)合城市雨水管渠布置，以海綿城市總體優(yōu)化為目標(biāo)，進(jìn)行各建筑小區(qū)海綿城市優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2) 傳統(tǒng)的建筑小區(qū)綜合徑流系數(shù)是根據(jù)地面覆蓋類(lèi)型及其面積，通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算而得，未考慮雨水調(diào)蓄池等海綿設(shè)施對(duì)小區(qū)綜合徑流系數(shù)的影響。本文提出的外排徑流系數(shù)全面考慮了地面覆蓋類(lèi)型及其面積、海綿設(shè)施類(lèi)型及其規(guī)模對(duì)徑流系數(shù)的影響，根據(jù)外排徑流系數(shù)能準(zhǔn)確計(jì)算小區(qū)進(jìn)入市政雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量。

(3) 通常情況下，建筑小區(qū)的雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期小于市政雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期。出現(xiàn)這種情況，在進(jìn)行市政雨水管渠設(shè)計(jì)時(shí)，可用壓力系數(shù)法計(jì)算小區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，以避免市政雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)模偏小、產(chǎn)生內(nèi)澇。

(4) 為便于比較分析不同海綿設(shè)施的總成本，本文利用計(jì)算期最小公倍數(shù)法選取統(tǒng)一計(jì)算期，并將海綿設(shè)施與管網(wǎng)計(jì)算期內(nèi)維護(hù)費(fèi)按相應(yīng)設(shè)施建設(shè)投資費(fèi)用的一個(gè)固定比率進(jìn)行計(jì)算，將其納入到總成本中。

(5) 應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏匦浴⑺Y源條件、水污染狀況及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素，進(jìn)行海綿城市建筑小區(qū)建設(shè)。合肥市屬于資源性和水質(zhì)性缺水城市，應(yīng)兼顧徑流污染控制、雨水利用和內(nèi)澇防治目標(biāo)合理選擇海綿措施，進(jìn)行海綿城市建筑小區(qū)建設(shè)。