当前, 加快生态文明体制改革, 建设美丽中国, 推动形成人与自然和谐发展现代化建设新格局是城市建设的重要目标。海绵城市建设作为生态文明的重要部分是推动城市建设与自然水文循环和谐的核心理念。我国城市化现状充分说明海绵城市建设的必要性和迫切性。为解决城市化带来的问题, 在建筑小区通过源头控制方式削减降雨过程的洪峰流量及径流总量已得到国内雨洪管理工作者的广泛认同。

　　 针对降雨对下垫面及水环境产生的3个主要问题——径流总量、洪峰流量及非点源污染, 在国家及各城市的海绵城市建设文件中分别用年径流总量控制率、流量径流系数及污染物 (SS) 年总量去除率3个指标进行评价。其中年径流总量控制率的计算可通过模型, 如SWMM^[1], 将该地区某典型年降雨全年降雨过程导入进行模拟计算。对于建筑小区范围较小的区域, 可通过径流控制能力模型进行分析及估算^[2]。而流量径流系数及污染物年总量去除率这两个指标的计算, 目前在海绵城市设计中并未得到广泛的推广, 原因与这两个控制指标的意义及计算难度有关。本文重点研究海绵城市下场地流量径流系数的计算方法。

　　 首先从径流系数的定义及指标意义分析, 明确影响雨量及流量径流系数的因素及取值方法及两者之间取值的差异。然后, 再建立以年径流总量控制率为目标的雨水调蓄设施规模计算流程, 推导得到海绵城市场地流量径流系数计算模型。以天津地区建筑小区为例, 研究在满足年径流总量控制率前提下, 雨洪调蓄设施对整个小区的错峰蓄洪能力, 并分析影响管道设计流量的重要参数。

　　 《建筑与小区雨水利用工程技术规范实施指南》中^[3], 明确了雨水设计径流量及雨水设计流量, 各包含一个径流系数:雨量径流系数和流量径流系数。流量径流系数为形成高峰流量的历时内产生的径流量与降雨量之比, 流量径流系数的限定是针对洪峰流量控制的。雨量径流系数为设定时间内降雨产生的径流总量与总雨量之比, 雨量径流系数是针对场次降雨事件的。流量及雨量径流系数比较见表1, 常见下垫面径流系数取值见表2。

　　 其中雨量径流系数为范围值, 其上限值为一次降雨雨量在30 mm左右的雨量径流系数, 下限值为年均值。流量径流系数对应的重现期为2年左右, 其取值相近, 根据试验结果, 流量径流系数一般大于等于雨量径流系数。

　　 径流峰值流量控制是我国海绵城市建设的控制目标之一。海绵城市建设中常用的绿色设施受降雨频率与雨型、设施建设与维护管理条件等因素影响, 海绵城市建设的区域城市雨水管渠和泵站的设计重现期、径流系数等设计参数仍参照《室外排水设计规范》 (GB 50014) 执行^[4]。

　　 在我国2015年颁布的《海绵城市建设技术指南――低影响开发雨水系统构建 (试行) 》及各城市颁布的海绵城市设计规范中, 对场地建设后的综合流量系数有明确的控制目标^[5]。但基于极限强度理论的雨水管道设计公式无法适应雨水调节池设计的流量计算要求, 造成场地流量径流系数难以确定, 海绵城市建设后的洪峰控制效果无法评估的局面。

　　 在海绵城市场地设计过程中为满足年径流总量控制率的要求, 通过雨水渗透、拦截、调蓄的机理进行径流量、非点源污染及洪峰的管理控制。主要分2大类技术措施——绿色基础设施、灰色调蓄设施, 2类措施的特点及典型设施如表3所示。

　　 在规划设计中根据经济性及技术可行性, 为减少过高的投资, 在确定海绵城市场地需调蓄的容积总量后, 应首先选择绿色调蓄设施进行调蓄, 绿色调蓄设施兼具渗透和调蓄功能。若绿色调蓄设施的调蓄容积不足, 再进一步考虑建设无渗透功能的灰色设施。绿色及灰色调蓄的设计容积可根据图1流程进行确定。

　　 径流总量控制率仅为雨洪管理的目标之一, 在满足场地年径流总量控制率的前提条件下, 海绵城市设计中调蓄设施的调蓄容积对抵抗洪峰, 保证场地安全性是否有贡献作用, 削锋蓄洪的具体效果需要进一步通过流量径流系数表达。

　　 径流峰值流量控制是我国海绵城市建设重要控制目标之一, 实现径流峰值的控制是保证城市安全, 减少城市内涝风险的重要保证。根据极限强度理论, 雨水管渠的设计流量见式 (1) :

　　 $\begin{array}{l}Q=\psi {}_{\text{m}}Fq=\psi {}_{\text{m}}F\frac{167A{}_1(1+c\text{l}\text{g}{\rm P})}{(t{}_1+t{}_2+b){}^n}(1)\\ t{}_2=\frac{{\displaystyle \sum L}{}_i}{60v{}_i}(2)\end{array}$

　　 式中 Q——设计雨水量, L/s;

　　 ψ_m——流量径流系数;

　　 F ——汇水面积, hm²;

　　 q ——设计暴雨强度, L/ (s·10⁴m²) ;

　　 t ——设计降雨历时, min;

　　 P ——设计重现期, 年;

　　 t₁ ——地面集水时间, min;

　　 t₂ ——管渠内雨水流行时间, min;

　　 L_i ——各管段长度, m;

　　 v_i ——各管段满流时水流速度, m/s;

　　 A₁, c, b, n ——地方参数。

　　 在项目地点确定的前提下, F, A₁, c, b, n均为已知参数。P可参照《室外排水设计规范》 (GB 50014) 中表3.2.4的要求确定。t₁一般采用5～15 min, 按照经验在建筑密度较大、地形较陡、雨水口分布较密的地区, 可采用较小的t₁值, 5～8 min;反之, 宜采用较大t₁值, 可取10～15 min。ψ_m应根据场地内各类汇水面在P下的实测流量径流系数与面积加权计算得到。综上, 管段的设计雨水量Q仅为t₂的函数。

　　 在进行海绵城市设计后, 在汇水面种类不改变的前提下, 增加了雨水调蓄设施。雨水调蓄设施的功能除降低雨水外排量, 还增加了径流到达设计断面的时间t。调蓄设施后的管道设计雨水量不变, 延长了设计降雨历时说明调蓄设施前雨水管道能够承担大的雨水设计流量。则在相同设计重现期下, 改变了调蓄前后的流量径流系数, 见式 (3) 。

　　 $Q/F=\psi {}_{\text{m}}q={\psi }^{\prime }{}_{\text{m}}{q}^{\prime }(3)$

　　 式中q′——调蓄后计算设计暴雨强度, L/ (s·hm²) ;

　　 ψ′_m ——调蓄后的计算流量径流系数。

　　 而在确定的设计管渠、坡度等参数的条件下, 调蓄后管道可以输送的设计流量确定, 则ψ′_m也可确定, 见式 (4) :

　　 ${\psi }^{\prime }{}_{\text{m}}=\frac{Q}{F{q}^{\prime }}=\frac{\psi {}_{\text{m}}q}{q^{\prime }}(4)$

　　 用于削减雨水管道高峰流量的调蓄池, 其有效容积计算公式^[4]见式 (5) :

　　 $\begin{array}{l}V{}_{\text{c}}=[-\left(\frac{0.65}{n{}^{1.2}}+\frac{b}{t{}_1+t{}_2}\frac{0.5}{n+0.2}+1.10\right)\times \\ \lg (\alpha {}_t+0.3)+\frac{0.215}{n{}^{0.15}}]Q{}_i(t{}_1+t{}_2)(5)\end{array}$

　　 式中V_c——调蓄池有效容积, m³;

　　 Q_i ——调蓄池上游管道设计流量, m³/min;

　　 α_t ——脱过系数, 表达式见式 (6) 。

　　 $\alpha {}_t=\frac{Q{}_o}{Q{}_i}(6)$

　　 式中 Q_o——调蓄池下游管道设计流量, m³/min, 即在未有其他支管接入的条件下应与未设调蓄池前的上游管道设计流量相等, 可依据式 (1) 计算。

　　 在年径流总量控制目标确定的条件下, V_c=V_e由式 (7) 、式 (8) 计算得到:

　　 $\begin{array}{l}V=10\psi {}_{\text{z}\text{c}}h{}_{\text{y}}F(7)\\ V{}_{\text{e}}\ge 1.05V(8)\end{array}$

　　 式中 V——需控制的径流总量, m³;

　　 ψ_zc ——综合雨量径流系数;

　　 h_y ——设计降雨量, mm;

　　 F ——汇水面积, hm²;

　　 V_e ——各技术措施的有效滞蓄水量, m³。

　　 将计算参数代入式 (1) 中, 可得到以Q_i为未知参数的方程, 解方程后可得到Q_i的计算结果。

　　 在增加调蓄池前、后, 对于下游管道, 上游区域的汇水面积F、设计降雨强度q均相同。因此, 增加调蓄池后的流量径流系数见式 (9) :

　　 ${\psi }^{\prime }{}_m=\frac{Q{}_i}{Fq}=\frac{Q{}_i}{Q{}_{\text{o}}}\psi {}_{\text{m}}=\frac{\psi {}_{\text{m}}}{\alpha {}_{\text{t}}}(9)$

　　 以天津地区A小区为例进行研究。假设其用地面积为1万m², 其他主要计算参数如表4所示。

　　 本研究假设A小区属于公共管理与公共服务设施用地, 年径流总量控制率最低目标为75%, 对应的设计降雨量为25 mm, 则依据2.1节计算步骤计算得到需调蓄水量为158 m³, 即需要在场地内建设158 m³的绿色或灰色调蓄设施。

　　 根据式 (9) 可知, 计算海绵城市设计后流量径流系数ψ′_m需确定3个计算参数:ψ_m, Q_o, Q_i。

　　 其中, ψ_m为海绵城市设计前的流量径流系数。根据表2, 流量径流系数对应的重现期为2年左右。流量径流系数一般大于等于雨量径流系数。根据《室外排水设计规范》 (GB 50014-2006, 2016年版) , 天津地区雨水管道设计流量按照P=3年计算, 则各汇水面的流量径流系数按照表2中流量径流系数计算得ψ_m=0.65。

　　 将天津市地方参数代入式 (1) 得到式 (10) :

　　 $Q{}_{\text{o}}=\psi {}_{\text{m}}F\frac{2141(1+0.7562\lg {\rm P})}{(t{}_1+t{}_2+9.6093){}^{0.6893}}(10)$

　　 一般的建筑小区内, 根据经验t₁取5 min。根据排水规范要求, P为3年, 雨水管道最小管径为DN300, 管长假设为100 m。根据规范钢筋混凝土圆管满流水力计算图, 取v=0.83 m/s, 根据式 (2) , 计算得到t₂=2 min。将上述参数代入式 (10) 得到Q_o=273 L/s=16.4 m³/s。

　　 将计算结果等参数代入式 (5) , 得到式 (11) :

　　 $158=Q{}_i\left[-20.21\lg \left(\frac{16.4}{Q{}_i}+0.3\right)+1.59\right](11)$

　　 该方程为非线性方程, 基于MATLAB进行求解得到Q_i=620 L/s=37.2 m³/s。则代入式 (9) 得到ψ′_m=0.29。

　　 根据《天津市海绵城市建设技术导则》3.2.3条, 对本用地的流量径流系数控制目标为≤0.4。因此, 小区A在海绵城市建设后, 在满足75%的年径流总量控制率的前提下, 场地内建设的雨洪调蓄设施能够显著减少洪峰流量, 计算流量径流系数从0.65降低至0.29, 有效降低了建筑小区的城市内涝风险。

　　 4.3.1 计算设计重现期

　　 为计算设置调蓄设施后雨水排水管网能够通过几年一遇的雨水设计流量, 定义P′为调蓄后的计算设计重现期, 即通过调蓄措施的错峰调峰作用能够达到的名义设计重现期。P′可通过式 (12) 计算:

　　 $Q{}_i={\psi }^{\prime }{}_{m}F\frac{2141(1+0.7562\lg {{\rm P}}^{\prime })}{(t{}_1+t{}_2+9.6093){}^{0.6893}}(12)$

　　 计算得到P′>100年, 超过了降雨强度公式2～100年的适用范围, 但可以一定程度说明, 增加了调蓄设施后对场地的洪峰调控功能显著, 甚至可以考虑适当降低下游设计管段的雨水设计重现期。

　　 4.3.2 建设开发强度

　　 场地的建设开发强度对雨洪管理的最显著影响体现在透水下垫面的比例, 即直接影响场地的综合雨量径流系数ψ_zc。将式 (7) 、式 (8) 代入式 (5) 可以得到ψ_zc与管道设计流量Q_i及集水时间 (设计降雨历时t) 之间的关系见式 (13) :

　　 $\begin{array}{l}\psi {}_{\text{z}\text{c}}=0.000866Q{}_{i}t-\\ (0.00844Q{}_{i}t+0.0206Q{}_i)\lg \left(\frac{16.4}{Q{}_i}+0.3\right)(13)\end{array}$

　　 则管道设计流量与综合径流系数及降雨历时的关系如图2。

　　 管道的Q_i与ψ_zc成正比, 与设计降雨历时t成反比。在相同ψ_zc下, 综合雨量系数越低, Q_i随时间t的减少而增加的速度越慢。t=t₁+t₂, 根据《室外排水设计规范》 t₁为5～15 min, 因此, 对于实际的工程来说, t是由t₂决定的。由式 (2) 可以推导得到式 (14) :

　　 $t{}_2=\frac{L\pi D{}^2}{4Q{}_i}(14)$

　　 即低开发强度的场地一定范围的设计流量Q_i下可适当减小管径, 减小后对管道设计流量的影响较小, 经校核后可以确定减小后的管径是否满足设计要求, 从而节约投资。而高开发强度的场地随t变化的变化率较大, 不宜轻易减小管径。

　　 4.3.2 雨量径流系数的取值

　　 场地需要控制的径流总量在年径流总量控制率目标确定的条件下取决于场地的综合雨量径流系数。雨量径流系数的取值存在以下2点需要讨论的问题。

　　 (1) 雨量径流系数取值偏离。根据各地的海绵城市设计导则, 雨量径流系数基本均依据表2进行取值。若根据表2进行取值以年径流总量控制率为75%为例, 天津地区对应的设计降雨量为25 mm, 而上海地区为22.2 mm, 两个地区雨量径流系数应有所差异且均应低于上限, 但在实际设计中往往均取上限30 mm的雨量径流系数进行计算, 从而增加了需控制雨水量。

　　 (2) 忽略透水下垫面对非透水下垫面产生的径流的控制功能。需控制的调蓄容积的计算思路是在年径流总量控制率对应的设计降雨量下产生的径流100%不外排。则无论下垫面为何种类型, 降雨量为何值, 下垫面均会产生需控制的雨水径流, 均需设计调蓄设施。而实际降雨事件并非如此, 针对某些小降雨事件, 下垫面本身能够完全控制降雨而不产生径流。针对某些稍大规模的降雨事件, 透水下垫面能够完全控制降雨, 而非透水下垫面能够控制部分降雨, 非透水下垫面产生的径流又可以通过透水下垫面未饱和的渗透能力进行控制, 从而保证整个场地不产生径流。即存在某一降雨量H, 在h≤H的降雨事件下, 场地100%不产生径流, 无需设计调蓄设施。因此, 从经济角度设计中雨水调蓄池容积可能偏大, 降低经济性, 但提高了场地的洪峰控制能力。

　　 本研究针对建筑小区海绵城市的规划和设计中, 年径流总量控制目标下的场地流量径流系数的计算方法难以确定的问题进行研究。建立海绵城市流量径流系数计算模型, 研究结论如下:

　　 (1) 建立的海绵城市流量径流系数计算模型能够估算海绵城市设计后场地的综合流量径流系数, 从而评估在年径流总量控制目标下设计的调蓄设施的错峰蓄洪能力。

　　 (2) 以天津某小区为例, 在75%的年径流总量控制下, 计算得到的流量径流系数从0.65降低至0.29, 且计算得到的名义管道设计重现期大幅提高, 说明调蓄设施的错峰效果显著。

　　 (3) 管道设计流量是场地雨量综合径流系数及设计降雨历时的函数。对于低开发强度的场地管段管径的适当减小对管道设计流量影响较小, 能够节约投资。高开发强度的场地不宜轻易减小设计管径。

　　 (4) 雨水径流系数取值的不确定性较大, 显著影响海绵城市设计规模, 其取值需要根据地区下垫面差异等进一步深入研究。