我国快速城镇化进程中, 城市人口聚集度高, 城市开发强度大, 改变了原有自然生态本底和水文特征, 破坏了天然海绵体和自然水文循环, 导致水生态恶化、水环境污染、水资源紧缺、水安全缺乏保障等问题。低影响开发 (以下简称LID) 雨水设施是城镇排水防涝系统的重要组成部分, 承担着径流雨水源头减排、截污净化等重要功能, 是实现径流污染控制的重要工具。本文针对场地尺度的建筑与小区类项目, 分析建筑与小区径流污染产生过程及对策, 探讨基于径流污染控制的径流总量及径流峰值校验核算方法, 为实现海绵城市建设及地表水水质目标提供科学依据^[1,2]。

中央城镇化工作会议贯彻生态文明、可持续发展理念, 明确大力建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市, 实现“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”的建设目标。《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建》 (试行) 明确了海绵城市的概念、建设路径和基本原则, 制定了地方城市开展海绵城市建设的技术路线与方法。

海绵城市建设过程中, 笔者认为建筑与小区类项目的设计应秉持“适用、经济、生态、平衡”理念, 选择因地制宜、经济高效、易于维护的低影响开发雨水设施及其组合系统, 实现径流雨水源头减排、LID设施平面布置与景观生态设计美学的平衡, 实现经济效益、环境效益与社会效益的统一^[3]。

太湖流域平原河网地区河网密布、湖泊众多, 水系按地形及水流运动, 大致可分为太湖和低平原的黄浦江水系和沿江沿海水系。多年平均降雨量为1 181mm, 其中60%的降雨集中在5～9月, 降雨年内年际变化较大, 最大为最小年降水量的2.4倍。

该地区地质构造主要为第四纪松散淤积土覆盖, 在深度80m以内, 以中、低压缩性的黏性土、粉土和粉砂为主, 浅层10m范围内土层主要为表层填土及新近沉积土, 渗透系数一般为10^-6～10^-3m/s;埋深3～6m的硬可塑黄褐色黏性土, 渗透系数一般为10^-6～10^-8m/s。总体而言, 浅部土层对地表水的吸储性较差。地下水位埋深较浅, 多为2～5m。

径流污染产生通常包括2个阶段, 即晴天街尘静态累计和雨天径流动态冲刷。建筑与小区中的街尘颗粒物是径流污染物的重要载体, 其单位面积质量及下垫面状况决定其对径流污染负荷贡献的大小, 在人工清扫、降雨冲刷等作用下自由态街尘负荷急剧减少, 建议小区道路浇洒次数适量提高至45～60次/年。

LID设施对径流雨水中不同粒径颗粒物的去除具有选择性, 粒径大小影响晴天累计、雨天冲刷及污染物种类、浓度等。绿地对大粒径颗粒的去除率相对较高, 中间粒径 (44～105滋m) 颗粒污染物相对不易沉淀及被吸附。

小区微地形及坡度竖向设计影响颗粒物的迁移分布, 地势低洼处更容易蓄存街尘, 海绵城市设计中建议在地势低洼处增设沉淀池、截污挂篮等截污设施, 适当加大人工清扫频次^[4]。

建筑与小区类项目的海绵城市设计中, 径流污染控制技术措施主要包括透水砖铺装、绿色屋顶、复杂性生物滞留设施、植草沟、湿塘、雨水湿地、蓄水池等。其中, 透水砖铺装、复杂性生物滞留设施和蓄水池因其污染物去除率高, 在工程实际中应用范围最广。蓄水池设计中宜设置自动反冲洗装置, 定期清洗维护以保障雨水回用达到用水水质要求^[5]。

建设用地内应对年雨水径流污染、径流总量和径流峰值进行控制, 平原河网地区水系发达, 应将径流污染作为重要控制目标, 满足城市水环境质量要求。平原河网地区建筑与小区的径流污染控制校验核算方法是基于径流污染控制目标, 对径流总量、径流峰值目标进行校验核算。

1) 径流污染计算参照《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建》 (试行) 中年SS总量去除率公式, 低影响开发雨水系统的年SS总量去除率一般可达40%～60%。计算公式如下:

2) 径流总量计算参照《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》 (试行) 中容积法计算公式:

式中, V为设计调蓄容积, m³;H为设计降雨量, mm;鬃为综合雨量径流系数;F为汇水面积, hm²。

3) 径流峰值计算参照GB 50400—2016《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》中需控制及利用的雨水径流总量计算公式:

式中, W为需控制及利用的雨水径流总量, m³;ψ_c为雨量径流系数;ψ₀为控制径流峰值所对应的径流系数, 应符合当地规划控制要求;h_y为设计日降雨量, mm;F为硬化汇水面面积, 应按硬化汇水面水平投影面积计算, hm²。

基于径流污染控制目标, 对径流总量、径流峰值目标进行校验核算的步骤如下。

1) 确定城市总体规划阶段提出的年径流总量控制率目标R₁。

2) 确定城市总体规划阶段提出的径流污染控制目标即年SS总量去除率指标。

3) 满足径流污染控制目标的年径流总量控制率R₂试算海绵城市设计方案:综合选择透水砖铺装、复杂性生物滞留设施、蓄水池等低影响开发雨水设施及其组合系统, 并且蓄水池同时满足雨水回用需求, 参照各种LID设施的污染物去除率 (以SS计) , 通过各种LID设施面积加权计算得到低影响开发设施对SS的平均去除率, 其中蓄水池设施对应面积宜根据蓄水量与年径流总量控制率目标R₁相应设计调蓄容积所占比例面积线性插入计算;根据式1试算场地年径流总量控制率R₂。

4) 满足径流总量控制目标的年径流总量控制率R₃试算通过下垫面面积加权计算得到综合雨量径流系数, 计算LID设施总调蓄容积, 根据式2计算设计降雨量, 对照统计分析法计算出的年径流总量控制率与设计降雨量的关系, 确定场地年径流总量控制率R₃。

5) 满足径流峰值控制目标的试算通过下垫面硬化面积加权计算得到综合雨量径流系数及硬化汇水面面积, 根据式3确定需控制及利用的雨水径流总量;步骤4中的LID设施总调蓄容积≥需控制及利用的雨水径流总量, 即为满足径流峰值控制目标。

6) 重复步骤3～5, 直到满足年径流总量控制率R₃同时满足大于R₁和R₂, 并且步骤4中的LID设施总调蓄容积≥需控制及利用的雨水径流总量, 最终得到同时满足径流污染、径流总量和径流峰值控制目标的海绵城市设计方案。

太湖流域平原河网地区某地块规划用地面积5万m², 建筑用途为住宅和商业, 建筑密度35%, 绿地率30%。规划建设条件中约束性指标规定:年径流总量控制率目标≥75%, 对应设计雨量23.2mm, 年SS总量去除率指标≥50%;引导性指标规定:透水铺装率≥30%, 海绵型绿地率≥30%。

根据项目定位、现状条件及问题分析, 场地径流污染物主要为街尘颗粒物, 小区采用雨水回用用于绿化浇灌和道路浇洒, 道路浇洒次数提高至55～60次/年。地势低洼处增设截污挂篮设施, 适当加大人工清扫频次。蓄水池采用PPB塑料模块拼装, 设置预处理装置、自动反冲洗装置和地埋式一体化水处理设备, 如图1, 2所示, 定期清洗维护, 保障雨水回用达到用水水质要求。蓄水池按满足3d用水量核算需要约250m³。

海绵城市设计时秉持“适用、经济、生态、平衡”的设计理念, 综合选择的LID设施及其组合系统主要包括透水砖铺装、雨水花园、下沉式绿地和蓄水池。

基于径流污染控制目标, 对径流总量、径流峰值目标进行校验核算, 步骤如下。

1) 总体规划阶段提出的年径流总量控制率目标R₁=75%。

2) 总体规划阶段提出的年SS总量去除率指标为50%。

3) 满足径流污染控制目标的年径流总量控制率R₂试算。海绵城市设计方案:综合选择透水砖铺装、雨水花园、下沉式绿地和蓄水池, 其中透水砖铺装8 750m², 雨水花园750m², 下沉式绿地1 500m², 蓄水池400m³, 蓄水池对应面积31 108m²;计算得到低影响开发设施对SS的平均去除率为0.65;根据式1试算场地年径流总量控制率R₂=77%。

4) 满足径流总量控制目标的年径流总量控制率R₃试算。通过下垫面面积加权计算得到综合雨量径流系数0.55, LID设施确定总调蓄容积738m³, 根据式2计算设计降雨量26.61mm, 场地年径流总量控制率R₃=78%。

5) 满足径流峰值控制目标的试算。根据式3确定需控制及利用的雨水径流总量736m³, 满足径流峰值控制目标。

6) 经多次调整海绵城市设计方案, 重复步骤3～5, 最终得到同时满足径流污染、径流总量和径流峰值控制目标的海绵城市设计方案。

1) 针对太湖流域平原河网地区建筑与小区径流污染产生过程及对策进行分析, 建议小区道路浇洒次数适量提高至45～60次/年;在地势低洼处增设沉淀池、截污挂篮等截污设施, 适当加大人工清扫频次;蓄水池设计中宜设置自动反冲洗装置, 定期清洗维护保障雨水回用达到用水水质要求。

2) 探讨基于径流污染控制的径流总量及径流峰值校验核算方法, 得到同时满足径流污染、径流总量和径流峰值控制目标的海绵城市设计方案, 为实现海绵城市建设及地表水水质目标提供科学依据。

3) 平原河网地区具有地下水水位埋深浅、土壤渗透系数低、径流污染成因复杂等特点, 径流污染产生及控制策略还有待进一步研究分析。