基于“容積法”的海綿城市道路計算關(guān)鍵步驟分析及優(yōu)化

鄭驍奇，邵知宇，龔華鳳

[1.林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121；2.重慶市山地城市可持續(xù)交通工程技術(shù)研究中心，重慶市 401121；3.重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶市 400045；4.重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶市 400045]

0 引 言

海綿城市作為生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，正逐步從規(guī)劃階段走向?qū)嵤╇A段。在實施過程中，工程項目需通過海綿城市專項設(shè)計來確定海綿城市設(shè)施規(guī)模、平面布置及單項設(shè)施設(shè)計。其中，海綿城市設(shè)施規(guī)模應(yīng)根據(jù)項目上位規(guī)劃所確定的建設(shè)目標(biāo)、設(shè)計指標(biāo)、項目下墊面分類綜合確定?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》（以下簡稱（導(dǎo)則））[1]規(guī)定了容積法、流量法和水量平衡法這3種計算方法。其中，容積法由于可實施性強、計算過程簡單等原因，被廣泛應(yīng)用于工程項目中。根據(jù)《導(dǎo)則》，現(xiàn)階段所用的傳統(tǒng)容積法計算流程見圖1。

根據(jù)圖1，場地年徑流總量控制率P控制為：

圖1 傳統(tǒng)容積法計算流程

式中：A1為海綿城市設(shè)施面積，m2；c為單位面積海綿城市設(shè)施調(diào)蓄容積，m3/m2；φi為第i個下墊面雨量徑流系數(shù)；Ai為第i個下墊面面積，m2；f為設(shè)計降雨與控制率函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系見圖2[2]。

圖2 年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量關(guān)系圖（重慶地區(qū)）[2]

1 傳統(tǒng)容積法問題分析

1.1 設(shè)計調(diào)蓄容積計算

在設(shè)計調(diào)蓄容積的計算過程中，傳統(tǒng)容積法的表達式為：

式中：V設(shè)計為設(shè)計調(diào)蓄容積，m3；H為設(shè)計降雨量，mm，由年徑流總量控制率確定；φ為綜合雨量徑流系數(shù)，由式（3）計算；Ai為第i個下墊面面積，m2；φi為第i個下墊面雨量徑流系數(shù)，根據(jù)表1取值；F為匯水面積，hm2。

由式（2）可知，綜合雨量徑流系數(shù)對設(shè)計調(diào)蓄容積有直接影響。由式（3）可知，不同類型的下墊面，其雨量徑流系數(shù)對綜合雨量徑流系數(shù)有較大影響。根據(jù)《重慶市海綿城市規(guī)劃與設(shè)計導(dǎo)則》（試行）[3]，不同類型下墊面雨量徑流系數(shù)見表1。

表1 不同下墊面雨量徑流系數(shù)表

由表1可知，當(dāng)前下墊面類型中并未指定海綿城市設(shè)施的雨量徑流系數(shù)范圍。由于海綿城市設(shè)施常常設(shè)置在綠地中，目前在實際工程中的做法是直接按照綠地下墊面選定雨量徑流系數(shù)。然而，根據(jù)雨量徑流系數(shù)的定義以及海綿城市設(shè)施的特點可知，海綿城市設(shè)施與普通綠地在雨水節(jié)流方面有較大區(qū)別。具體體現(xiàn)在：普通綠地的降雨主要有蒸發(fā)、下滲、植物截留和地表徑流，而由于降雨歷時較短，一般情況下不考慮蒸發(fā)；對于海綿城市設(shè)施，特別是底部包裹防滲膜的設(shè)施而言，其降雨均通過下滲緩排或直接溢流，除蒸發(fā)外的所有雨水均無法離開海綿城市設(shè)施繼而進入其他下墊面，其地表徑流特性應(yīng)與綠地有較大差距。因此，將海綿城市設(shè)施假設(shè)為綠地下墊面來選取雨量徑流系數(shù)不符合實際并會導(dǎo)致計算出的綜合雨量徑流系數(shù)偏小，進而影響場地所需調(diào)蓄容積計算，使其小于實際值。

1.2 可供調(diào)蓄容積計算

可供調(diào)蓄容積指海綿城市設(shè)施能夠提供的調(diào)蓄容積。工程實踐中，可通過海綿城市設(shè)施的平面布置以及海綿城市設(shè)施單位面積蓄水量來計算可供調(diào)蓄容積V可供（m3），其表達式為：

式中：ai為第i個海綿城市設(shè)施面積，m2，一般根據(jù)項目平面布置確定；ci為第i個海綿城市設(shè)施單位面積調(diào)蓄雨水能力，m3/m2，一般根據(jù)海綿城市設(shè)施下凹深度，種植土厚度、孔隙率及滲透系數(shù)，排水層厚度及孔隙率計算確定。

由式（4）可知，計算可供調(diào)蓄容積時的主要影響因素為海綿城市設(shè)施面積及海綿城市設(shè)施單位面積蓄水能力。根據(jù)《導(dǎo)則》，通過該方法算出來的雨水控制量即為可供容積。但在工程設(shè)計中，如僅考慮前述2個因素，會導(dǎo)致出現(xiàn)不符合海綿城市設(shè)計理念[4-6]，卻滿足上述公式要求的設(shè)計方案出現(xiàn)。例如，當(dāng)計算的可供調(diào)蓄容積小于設(shè)計調(diào)蓄容積時，設(shè)計人員會更加傾向于增大ci，而不是增大ai，因為增大ci僅需調(diào)整海綿城市設(shè)施結(jié)構(gòu)參數(shù)，而增大ai必須結(jié)合道路平面布置綜合確定，工作量遠遠大于調(diào)整海綿城市設(shè)施結(jié)構(gòu)。然而，優(yōu)先增大ci的做法與海綿城市強調(diào)分散式源頭處理雨水的理論是背道而馳的。同時，當(dāng)可供容積小于設(shè)計容積時，一味增大ci會導(dǎo)致該海綿城市設(shè)施所服務(wù)（即該范圍的雨水通過道路坡度進入該設(shè)施）的車行道的年徑流總量控制率大于100%，明顯不符合實際情況。

1.3 傳統(tǒng)容積法問題總結(jié)

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)所述，在設(shè)計調(diào)蓄容積計算過程中，由于海綿城市設(shè)施下墊面徑流系數(shù)取值偏小，會直接導(dǎo)致設(shè)計調(diào)蓄容積偏小，基于此容積布置的海綿城市設(shè)施規(guī)模偏小，無法達到設(shè)計目標(biāo)；同樣，在可供調(diào)蓄容積計算過程中，未考慮海綿城市設(shè)施服務(wù)車行道面積大小，易導(dǎo)致車行道年徑流總量控制率大于100%，不符合實際情況[7-8]。針對上述問題，本研究對傳統(tǒng)容積法的計算公式進行了補充和優(yōu)化，從而使其計算的結(jié)果更加準(zhǔn)確并符合實際情況。

2 改進容積法

2.1 試算法確定綜合雨量徑流系數(shù)

在確定綜合雨量徑流系數(shù)的過程中，應(yīng)將海綿城市設(shè)施作為單獨的下墊面進行計算。在擬定雨量徑流系數(shù)的過程中，由于降落在海綿城市設(shè)施下墊面范圍內(nèi)的雨水不會流入周圍下墊面，并且所有雨水均通過緩排后進入雨水系統(tǒng)，其水文特性與水面類似，因此，海綿城市設(shè)施下墊面雨量徑流系數(shù)取1。海綿城市設(shè)施面積可根據(jù)現(xiàn)狀場地綠化面積以及車行道位置進行合理擬定。因此，該場地綜合雨量徑流系數(shù)φ的表達式為[9-12]：

式中：φ1為海綿城市設(shè)施雨量徑流系數(shù)，根據(jù)其特性，應(yīng)取1；φi為不同下墊面雨量徑流系數(shù)，根據(jù)表1取值；Ai為第i個下墊面面積，其中A1為海綿城市設(shè)施面積，m2；ai為第i個海綿城市設(shè)施面積，m2，該面積根據(jù)項目平面布置確定。在計算初期，可將路側(cè)帶綠化及側(cè)分帶綠化全部算作海綿城市設(shè)施面積，參與計算；該海綿城市設(shè)施面積在確定設(shè)施服務(wù)面積后，應(yīng)根據(jù)設(shè)施服務(wù)面積反算的所需海綿城市設(shè)施面積進行修正，以確保海綿城市設(shè)施面積設(shè)置合理，避免規(guī)模過大，造成浪費。

2.2 考慮設(shè)施服務(wù)面積確定可供容積

在進行可供容積計算的過程中，《導(dǎo)則》中明確指出設(shè)施可供容積應(yīng)根據(jù)滲透設(shè)施的有效調(diào)蓄容積，即設(shè)施頂部及結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄水空間容積以及滲透量之和計算。該計算僅根據(jù)設(shè)施可供容積能力進行，并未考慮海綿城市設(shè)施所處理的雨水范圍（服務(wù)面積），因此在確定海綿城市設(shè)施可供容積的過程中，還應(yīng)考慮海綿城市設(shè)施的服務(wù)面積，通過合理擬定服務(wù)面積的控制率，繼而確定設(shè)計降雨及調(diào)蓄容積。海綿城市設(shè)施的可供容積應(yīng)在根據(jù)設(shè)施服務(wù)面積計算的調(diào)蓄容積及設(shè)施有效調(diào)蓄容積中取小值，作為該海綿城市設(shè)施的可供容積。

2.3 改進容積法計算流程

改進容積法計算流程見圖3。

圖3 改進容積法計算流程

根據(jù)圖3，場地年徑流總量實際控制率P為：

式中：A1為海綿城市設(shè)施面積，m2；A2為車行道面積，m2；r2為車行道受控面積比；P受控為受控車行道年徑流總量控制率。

3 計算案例對比

本研究選取了重慶市某條城市主干道海綿城市設(shè)計作為案例，分別采用傳統(tǒng)容積法及改進容積法計算了年徑流總量控制率，并對2種計算結(jié)果進行了對比和分析。

3.1 傳統(tǒng)容積法

如表2所示，本研究根據(jù)項目平面布置，確定了下墊面面積。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求擬定了雨量徑流系數(shù)，并根據(jù)式（3）明確了綜合雨量徑流系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 不同下墊面面積及雨量徑流系數(shù)表（傳統(tǒng)容積法）

根據(jù)上位規(guī)劃[2]，市政用地年徑流總量控制率為70%，由圖2可知，此時設(shè)計降雨為18.9 mm。采用式（2）計算設(shè)計調(diào)蓄容積，結(jié)果見表3。

表3 場地所需調(diào)蓄容積計算（傳統(tǒng)容積法）

根據(jù)以上計算，場地所需調(diào)蓄容積應(yīng)不少于11 560 m3，即海綿城市設(shè)施的設(shè)置應(yīng)不少于11 560 m3，才能保證其年徑流總量控制率滿足要求。此外，根據(jù)項目平面布置，確定了海綿城市設(shè)施位置及面積，并根據(jù)規(guī)范導(dǎo)則[1，3]，擬定了海綿城市設(shè)施單位面積調(diào)蓄水量，采用式（4）計算了海綿城市設(shè)施能夠提供的調(diào)蓄容積，即可供調(diào)蓄容積，結(jié)果見表4。

表4 海綿城市設(shè)施可供調(diào)蓄容積計算（傳統(tǒng)容積法）

根據(jù)式（1）計算了場地實際年徑流總量控制率。經(jīng)計算，實際年徑流總量控制率為75%，大于目標(biāo)值70%，因此基于該計算結(jié)果，項目海綿城市設(shè)計滿足控制率要求。

3.2 改進容積法

改進容積法需要在計算綜合雨量徑流系數(shù)時，將綠化及海綿城市設(shè)施分開計算。因此，根據(jù)式（1）、式（3）重新計算綜合雨量徑流系數(shù)，結(jié)果見表5。

對比表5和表2可知，利用改進容積法計算的綜合雨量徑流系數(shù)大于傳統(tǒng)容積法的計算值，說明將綠化和海綿城市設(shè)施下墊面分開計算，更符合雨水徑流實際情況。因此，在相同年徑流總量控制率情況下，改進容積法計算的所需調(diào)蓄容積大于傳統(tǒng)容積法計算值。根據(jù)上位規(guī)劃[2]，市政用地年徑流總量控制率為70%，由圖2可知，此時設(shè)計降雨為18.9 mm。采用式（2）計算了設(shè)計調(diào)蓄容積，結(jié)果見表6。

表5 不同下墊面面積及雨量徑流系數(shù)表（改進容積法）

表6 場地所需調(diào)蓄容積計算（改進容積法）

根據(jù)以上計算，場地所需調(diào)蓄容積，即海綿城市設(shè)施的設(shè)置應(yīng)不少于12 166 m3，以保證場地海綿城市年徑流總量控制率滿足要求，且該所需調(diào)蓄容積大于傳統(tǒng)容積法的計算值。

根據(jù)項目平面布置，確定了海綿城市設(shè)施位置及面積，并根據(jù)規(guī)范導(dǎo)則[1，3]，擬定了海綿城市設(shè)施單位面積調(diào)蓄水量；根據(jù)改進容積法計算確定海綿設(shè)施能夠提供的調(diào)蓄容積（表4）及服務(wù)車行道需要的調(diào)蓄容積（表7），兩者取較小值，作為可供容積。

表7 車行道受控范圍所需調(diào)蓄容積計算（改進容積法）

海綿城市設(shè)施可供調(diào)蓄容積計算見表4，車行道受控范圍所需調(diào)蓄容積計算見表7。

根據(jù)表4、表7以及式（7）計算，場地實際年徑流總量控制率為55%，小于目標(biāo)值70%，因此基于該計算結(jié)果，該海綿城市設(shè)計項目不滿足控制率要求。

4 結(jié) 語

（1）改進容積法計算的綜合雨量徑流系數(shù)更符合實際，能夠更好地模擬真實地表徑流產(chǎn)生量。

（2）改進容積法計算的年徑流總量控制率受海綿城市設(shè)施可供容積及其所服務(wù)面積能夠產(chǎn)生的雨量控制，更加符合實際情況，與海綿城市所提倡的源頭分散式布置更相匹配。

（3）就本算例而言，改進容積法計算的年徑流總量控制率小于傳統(tǒng)容積法計算值。同時，在不滿足年徑流總量控制率的情況下，設(shè)計人員可根據(jù)改進容積法的計算過程，更有針對性地選擇增大海綿城市可供容積或是增大海綿城市服務(wù)面積，使設(shè)計更加集約合理。