建筑小区海绵城市建设中雨水系统设计方案的优化研究

2021-08-09徐得潜

水土保持通报 2021年3期

冯磊, 徐得潜

(合肥工业大学土木与水利工程学院, 安徽合肥 230009)

建筑小区海绵城市建设是海绵城市源头减排重要举措，在海绵城市建设中占有重要地位。主要建设内容包括建筑小区海绵设施、雨水管网。建筑小区海绵措施及管网建设方案不同，其外排径流系数、污染负荷削减率及市政雨水管渠建造费用也不同。因此，有必要进行建筑小区外排径流系数与海绵措施优化设计研究。

针对建筑小区海绵城市设计，国内外对此进行了大量研究。住房和城乡建设部于2014年颁布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[1]，从场地设计、建筑、小区道路与小区绿化4个方面说明建筑小区海绵城市设计原则及注意事项。中国工程协会于2017年发布了行业标准《建筑与小区低影响开发技术规程》[2]，提出在新建和改建建筑与小区低影响开发中，应综合考虑生态、经济、场地条件等因素，合理确定建筑小区海绵设施组合及配套管网规模。但这些指南、规程仅限建筑小区海绵城市相关设计原则，不能对具体设计与建设进行有效指导。深圳市住房和建设局于2017年发布了地方标准《深圳市房屋建筑工程海绵设施设计规程》[3]，根据建筑小区具体情况选定海绵设施，并对单体海绵设施进行技术说明。住房和城乡建设部于2019年发布了国家标准《绿色评价标准》[4]，规定下凹式绿地、雨水花园等有雨水调蓄功能的绿地和水体的面积之和占绿地面积的比例需大于40%；硬质铺装地面中透水铺装面积的比例需大于50%。但这些规程、标准只考虑单项海绵设施规模的确定及其说明，并未研究如何确定海绵设施组合系统。Fan R等[5]以成本效益为目标，确定最佳海绵化方案，以减少地表径流。黄均兆[6]详细论述各类海绵措施类型、构造、经济性及适用条件，并分析不同单目标时，如何优选海绵措施。但这些研究仅限单个目标下优化海绵措施，并未涉及如何平衡建设费用与径流系数及径流污染控制优化问题，以及具体分析年成本、径流污染控制等多个目标情况下优化海绵措施。Ngo T T等[7]使用“两阶段法”优化布局管渠系统，提高管渠系统经济效益；吴柱[8]采用数学模型模拟建筑小区不同海绵城市建设方案的雨水产汇流情况，通过方案的结果比较进行优化设计；王媛媛等[9]研究海绵城市起端——建筑小区低影响开发雨水系统设计原则、技术流程及设计要点。但这些研究仅限建筑小区海绵措施或管渠系统优化，都未充分考虑建筑小区内部设施建设与外部市政雨水管渠联系，从海绵城市总体布局优化建筑小区海绵设施、市政雨水管渠及外排径流系数。

本文以建筑小区外排径流系数为切入点，年费用最小和径流污染削减率最大为目标函数，基于建筑小区海绵城市建设和城市总体海绵城市建设，应用非线性规划建立建筑小区海绵城市双层耦合优化模型，对建筑小区外排径流系数和建筑小区海绵城市建设措施进行优化，并以合肥市某区域海绵城市建设为例进行计算分析，为建筑小区海绵城市设计与建设提供有益支撑。

1 建筑小区优化设计基础

在建立建筑小区海绵城市双层耦合优化模型之前，需对外排径流系数，径流污染，海绵设施等问题进行探讨。

1.1 外排径流系数

建筑小区外排径流系数是指在降雨形成高峰流量的历时内产生的外排径流量同降雨量的比值，取决于建筑小区地面覆盖的透水性、海绵措施、降雨历时及暴雨强度等因素，主要用于雨水设计流量计算，是海绵城市建设及雨水管渠系统设计的重要参数。建筑小区外排径流系数与传统的综合径流系数不同，它充分考虑了调蓄池等海绵设施对进入市政雨水管渠的设计流量的影响。

由于外排径流系数受多重因素影响，一般采用间接的方法推求，即用扣除平均损失强度进行计算[10]：

(1)

式中：ψk为流量径流系数;μk为产流期间总损失强度,是入渗强度μ1与雨水利用强度μ2之和(mm/h);A为降雨历时为1 h的暴雨强度[11](mm/h);τk为降雨历时,包括地面集水时间τ1和管渠流行时间τ2(h);n为暴雨强度衰减指数。

1.2径流污染

初期雨水中含有大量的污染物质，雨水在汇流过程中，易产生径流污染。径流污染是海绵城市建设的一项重要控制目标，污染物指标一般有悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)等。在城市径流污染物指标中，SS与其他指标具有一定相关性，且与建筑小区外排径流系数有关，故本文选用SS去除率作为污染物控制指标。

建筑小区SS总量去除率按下式[11]：

(2)

式中：C为年SS总量去除率(一般取值40%～60%[1]);η为年径流总量控制率;Fh为单项海绵设施的汇水面积(m2);φh为单个地块综合雨量系数;Ch为单项海绵设施对SS去除率,即针对年平均降雨量,在其汇水面积上产生的径流全部不外排,集蓄利用后所获得的去除率[1];Fz为海绵设施汇水面积之和(m2);φz为建筑小区综合雨量径流系数。

1.3 海绵设施

海绵设施按其主要功能分为：①净化设施：绿色屋顶、雨水花园、生物滞留设施；②渗透设施：透水铺装、下沉式绿地、渗透塘、渗井；③调蓄设施：湿塘、雨水湿地、蓄水池、雨水罐、调节塘、调节池；④转输设施：渗管/渠、植草沟。以上单项设施可同时具有多种功能，如生物滞留设施具有调蓄、渗透功能，植草沟具有净化功能等。

海绵设施应综合考虑控制目标、排水分区情况、项目周边用地性质与地形、空间大小、土壤渗透性、绿地率、水域面积率等条件确定海绵设施组合，海绵设施规模应根据控制指标及设施在具体应用中发挥的主要功能，选择容积法、流量法、水量平衡法等方法确定。

(1) 净化设施。宜先确定径流污染控制目标值，再分析各类净化设施对径流污染削减率，最后根据相关规范及小区具体条件确定净化设施规模。

(2) 渗透设施。透水铺装可通过参与综合雨量径流系数计算的方式确定其规模，对于下沉式绿地、渗透塘、渗井可按下方法进行计算[1]：

Vs=V-Wp

(3)

式中：Vs为渗透设施的有效调蓄容积,包括设施顶部和结构内部蓄水空间的容积(m3);V为渗透设施进水量(m3),用(4) 式计算;Wp为渗透量(m3)。

(3) 调蓄设施。一般采用容积法计算蓄水设施设计调蓄容积[1]：

V=10HφF

(4)

式中：V为设计调蓄容积(m3);H为设计控制降雨量(mm/d);φ为雨量径流系数;F为汇水面积(hm2)。

资料充足时，可结合水量平衡法进行精确计算，对容积进行合理调整。

(4) 转输设施。植草沟等转输设施设计目标通常为排除一定设计重现期下的雨水流量，可用推理公式计算一定重现期下的雨水流量[12]：

Q=ψqF

(5)

式中：Q为雨水设计流量(L/s);ψ为流量径流系数；q为设计暴雨强度〔L/(s·hm2)〕。

综上所述，净化设施采用径流污染控制目标法；渗透与调蓄设施选用容积法；转输设施规模选用流量法确定其规模。

2 建筑小区海绵城市双层耦合优化模型建立与求解

建筑小区海绵城市双层耦合优化模型是由上层模型与下层模型构成的多目标优化模型，上层模型是从海绵城市总体出发，对各建筑小区外排径流系数进行优化，下层模型是针对给定的外排径流系数对建筑小区海绵城市建设措施进行优化，两层优化通过建筑小区外排径流系数进行耦合。

2.1 建筑小区海绵城市建设措施优化模型

建筑小区海绵城市建设措施不同，单位投资的径流系数、污染负荷削减值也不同。当外排径流系数为定值时，以建筑小区各海绵设施的规模为决策变量，建立建筑小区海绵城市建设优化模型。

2.1.1 目标函数建筑小区海绵城市优化目标函数为建筑小区海绵设施与雨水管网年费用最小和径流污染削减率最大：

(6)

式中：X1k为k小区年费用,包括建造年均摊费和年维护费;X2k为k小区径流污染削减率;i为社会折现率(%);nt为计算期,各项设施利用最小公倍数法选取统一计算期,并在建造费中考虑计算期较小设施的重复投资(a);m为小区海绵设施数目;Wh为小区海绵设施h总成本,包括建造费、计算期内维护费,元;Gj为雨水管j单位管段总成本,包括建造费和计算期内维护费,元/m(跌水井等构筑物总成本与管网及管渠规模有关,均摊到雨水管渠总成本中考虑);Lj为第j管段的管长(m);N为设计管段数;其他变量含义同前。

2.1.2 约束条件

(1) 外排径流系数小于等于规定值。

(7)

(2) 径流污染削减率约束[2]。

40%≤C

(8)

(3) 各类海绵设施建设规模约束。

绿色屋面比例不低于可绿化屋面面积30%面积[2]：

30%Sh≤S1≤Sh

(9)

式中：Sh为可绿化屋面面积(m2);S1为绿色屋面面积(m2)。

硬质铺砖地面中透水铺装面积比例不宜低于50%[4]：

50%Fyp≤S2≤Fyp

(10)

式中：S2为透水铺装路面面积(m2);Fyp为小区硬质铺砖地面面积(m2)。

下沉式绿地占绿地面积比例不宜低于40%[4]:

40%Fld≤S3≤Fld

(11)

式中：S3为下沉式绿地面积(m2);Fld为小区绿地面积(m2)。

(4) 蓄水池容积应介于蓄水池最小、最大容积之间，根据可收集雨水量、回用水量，经技术经济分析后确定。

(5) 渗管(渠)、植草沟的长度之和应小于所需的最大转输距离，根据小区用地条件和各设施设置位置确定。

2.2 建筑小区外排径流系数优化模型

外排径流系数决定着建筑小区海绵设施规模、年费用及径流污染削减率，也决定着市政雨水管渠系统的规模和投资。由于不同位置的建筑小区的外排径流系数对市政雨水管渠系统的规模影响不同，因此，应从全局出发，以建筑小区内部海绵设施、雨水管网与外部市政雨水管渠系统总年费用最小、径流污染负荷削减率最大为目标函数，优化各小区外排径流系数与海绵措施。

2.2.1 目标函数以市政雨水管渠系统与建筑小区内部设施总年费用最小，径流污染削减率最大为目标函数，则有：

(12)

式中：Y1为建筑小区海绵设施、雨水管网与市政雨水管渠总年费用;Y2表示径流污染削减率;K表示建筑小区数;Z2为市政雨水管渠年费用,其年费用计算公式同建筑小区雨水管网;Sk为k小区面积(m2);S为区域总面积(m2);其他变量含义同前。

2.2.2 约束条件

(1) 外排径流系数约束[1]。

0.1≤ψk

(13)

建筑小区外排径流系数与海绵措施有关，是建筑小区海绵城市重要优化变量，由于本文是研究城市海绵城市建设总体最优，故在计算中不考虑外排径流系数最大值约束。

(2) 流量约束。

Qxy=Qsy+Qyp=Qsy+αkψkqFk

(14)

式中：Qxy表示小区下游市政雨水管段设计流量(m3/s);Qsy表示小区上游市政雨水管段设计流量(m3/s);Qyp表示小区外排设计流量(m3/s);αk为建筑小区雨水管道水流流态对设计流量的影响系数,当建筑小区雨水管网设计重现期与市政雨水管网设计重现期相同时,建筑小区雨水管道为重力流,αk=1;当市政雨水管网设计重现期高于建筑小区雨水管网设计重现期,建筑小区雨水管道为压力流,αk=1.2[13];其他变量含义同前。

(3) 其他约束[14]。市政雨水管段设计流速应介于相应的管段最小、最大允许流速之间；设计管径应大于最小设计管径，并在管径允许集合内；设计坡度应在相应的管段最小与最大设计坡度的范围内。

2.3 模型求解

建筑小区外排径流系数决定着海绵设施的组成及规模，同时也决定着小区雨水管网、市政雨水管渠设计规模。通过优化市政雨水管渠沿线各建筑小区的外排径流系数对总年费用和污染负荷削减率进行权衡，合理确定小区海绵措施、雨水管网及市政雨水管渠设计规模。

为便于模型求解，对各建筑小区分别设若干外排径流系数，应用优化模型计算其年费用及径流污染控制率，并分别回归建筑小区海绵城市建设总年费用、径流污染削减率与外排径流系数方程，则公式(12)变为：

(15)

其约束条件见公式(13)—(14)。

针对本节建立的建筑小区海绵城市双层耦合优化模型，通过MATLAB进行编程实现模型的粒子群优化求解，主要步骤如下： ①分别拟合各小区海绵城市建设年费用、径流污染削减率与外排径流系数方程，设置算法参数[15]； ②对粒子群位置与速度进行随机初始化； ③计算每个粒子适应度，并更新粒子自身历史最优值、全局最优值、速度和位置； ④若达到终止条件，则输出优化计算结果，否则转向步骤③。

3 实例分析

3.1 基本资料

如图1所示，合肥市某段市政雨水管渠上接有小区A、小区B与小区C雨水排放，其中市政雨水管渠1#—2#长450 m，市政雨水管渠2#—3#长530 m，市政雨水管渠3#—4#长300 m，各小区用地规划方案见表1。

图1 合肥市样本建筑小区与市政管渠示意图

表1 样本建筑小区用地规划方案

合肥市位于长江中下游，属于亚热带季风湿润气候，雨量较为丰富，境内有巢湖及南淝河等水系；但人均水资源低于全国平均水平，水污染状况不容乐观，属资源性和水质性缺水城市，且降雨主要集中于夏季，易发生内涝。根据合肥市水资源特点，其建筑小区海绵设施主要采用绿色屋顶、下沉式绿地、蓄水池、透水铺装、植草沟等海绵设施，绿色植物选取本土植物。其中绿色屋顶、下沉式绿地、蓄水池及透水铺装可有效降低径流总量和径流峰值，减少径流污染，进行雨水利用，植草沟可净化雨水水质。根据海绵设施建设要求及小区用地条件确定各类海绵设施规模最大、最小限值。小区雨水管与市政雨水管渠管材均采用钢筋混凝土管。

合肥市现行暴雨强度公式如下：

(16)

根据此公式确定n= 0.896，建筑小区雨水管网设计重现期与市政雨水管网相同，取2 a，A= 43.63 mm/h。雨水径流总量控制率为85%时，设计控制降雨量H取 31.4 mm[16]。使用合肥市1951—2019年逐日降雨量统计数据，设计重现期2 a时，最大24 h降雨量为83.44 mm，μ1=1.3 mm/h，τ1=10 min[17]；社会折现率取8%，计算期取30 a[18]。

3.2 海绵城市优化设计

设建筑小区外排径流系数依次为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，根据海绵设施、雨水管网约束条件与相关规范标准，优化计算出各小区年费用及径流污染削减率。

根据计算结果，使用MATLAB分别拟合各小区年费用与外排径流系数关系，各小区径流污染消减率与外排径流系数关系见图2和图3。

图2 年费用与外排径流系数关系

如图2所示，小区海绵设施年费用随外排径流系数增大而减小，小区雨水管网年费用随外排径流系数增大而增大。由图2可知，当外排径流系数从0.1变化到0.3时，海绵设施规模主导小区年费用变化，各小区年费用随外排径流系数增大而减小；但外排径流系数从0.3变化到0.5时，由于受各海绵措施最小规模约束，小区雨水管网规模主导小区年费用变化，各小区年费用随外排径流系数增大而增大，且A，B小区与C小区外排径流系数相同时，X1C>X1B>X1A，这是由于C小区占地面积最大，其海绵设施与雨水规模也最大，A小区占地面积最小，其海绵设施与雨水管网规模也最小所引起的。由图3可知，径流污染削减率随外排径流系数增大而减小，且A，B，C小区外排径流系数相同时，X2B>X2A>X2C，这是由于B小区绿地面积占小区总面积最大，C小区绿地面积占小区总面积最小所造成的。

图3 径流污染削减率与外排径流系数关系

由拟合曲线分别确定各小区年费用、径流污染削减率与外排径流系数拟合方程如下：

(17)

建筑小区原设计方案中绿色屋顶占屋面面积30%；下沉式绿地占绿地面积40%；透水铺装占人行道、广场及停车场面积50%，采用公式(4)确定蓄水池规模，计算出ψA=0.405，ψB=0.396，ψC=0.421；Y1=1.04×106元；Y2=61.39%。利用拟合方程，对各小区海绵措施分别进行优化，优化后，ψA=0.273，ψB=0.278，ψC=0.270；Y1=1.02×106元；Y2=70.01%；在此基础上，结合外排径流系数与市政雨水管渠关系对总体海绵城市进行优化，最终确ψA=0.257，ψB=0.268，ψC=0.303；Y1=9.87×105元，Y2=70.06%，则该区域海绵城市优化设计方案见表2。

表2 海绵城市优化设计方案

由各小区用地规划方案(表1)及建筑小区海绵城市优化前后设计方案(表2)计算结果可知，汇水面积越大则蓄水池及雨水管渠规模越大，绿色屋顶、下沉式绿地、透水铺装、植草沟规模分别与屋面面积、绿地面积、人行道、广场及停车场面积、道路面积呈正相关。优化前原设计方案建筑小区外排径流系数在0.4左右，且绿地面积占小区用地面积越大则该小区外排径流系数越小；单个建筑小区海绵措施优化后小区外排径流系数明显减小，各小区外排径流系数在0.27左右；总体海绵城市优化后市政管渠上游小区外排径流系数小于各小区分别优化后所对应的小区外排径流系数，下游则相反。优化前后管网以及海绵设施年费用见表3。由年费用变化可知优化后小区雨水管网及市政雨水管渠规模减小，海绵设施规模和径流污染削减率均增大。

表3 优化前后管网以及海绵设施年费用 104元

总体海绵城市优化结果优于单个建筑小区海绵措施优化，且与原设计方案相比，经济效益提高5.10%，环境效益提高14.13%，综合效益明显提高。优化后市政雨水管渠与小区管网年费用减小，建筑小区海绵措施年费用变大，由此导致环境效益变化较经济效益变化更明显。总体海绵城市优化后，C小区雨水管网与海绵设施规模最大，B小区次之，且表2中建筑小区海绵设施规模、雨水管网及市政雨水管渠设计管段管径、流速与坡度以及径流污染削减率等计算结果均满足合肥市海绵城市专项规划[16]及室外排水设计规范[17]等相关规划与规范要求，为该区域海绵城市设计最优方案。