3.2 低影响开发设施设计计算

为了控制一定量雨水不外排,需采取相应的海绵措施,主要有雨水花园、透水铺装、下沉式绿地、绿色屋顶、渗透塘、雨水湿地等。

由于绿色屋顶对屋顶荷载、防水、排水、坡度、栽培基质、空间以及植物等条件要求严格,且其主要用于径流污染的控制,因此对已开发区域使用可行性不大。渗透塘、雨水湿地等需要一定的空间条件,后期维护管理相对较复杂,在开发强度高的老城区使用受限,目前在国内使用不多。因此,根据国内城市开发的实际情况,考虑雨水控制效果、可实施性及施工难易程度,雨水花园、下沉式绿地和透水铺装应用前景较好,本书针对该三种单项设施的计算规模通用算法,为单项设施及其组合系统的设施选型和规模优化提供参考。

3.2.1　径流总量控制指标分解方法

步骤1:确定年径流总量控制目标和设计降雨量。

步骤2:结合项目具体情况,如各地块的用地性质、功能定位、建筑密度、绿地率和规划设计方案等条件,初步制定可行的低影响开发措施组合方案及各措施的占地面积。

步骤3:根据φ=∑F_iφ_i/∑F计算各地块的综合径流系数,其中为第i类汇水面的雨量径流系数,为i类汇水面的面积(hm2)。

步骤4:利用步骤1查得的结果和步骤3计算的结果,根据式计算达到径流总量控制目标还需要的调蓄体积。其中F为汇水单元面积,可以是各地块,也可以是由几个地块组成的汇水单元。

步骤5:利用步骤4的计算结果,根据V/F,确定控制容积。

步骤6:根据步骤2选择的低影响开发措施组合,利用公式h=V/A将步骤4的计算结果转化成下沉式绿地需要下沉的深度。其中A为在地形条件或景观需求等条件约束下可有一定蓄水深度的下沉式绿地的面积。

3.2.2　雨水花园表面积计算方法

雨水花园主要由5部分组成,自上而下分别为蓄水层、树皮覆盖层、植被及种植土层、人工填料层和砾石层,详见图3⁃1。雨水花园一般以体积削减为目标进行设计,同时设施的渗透能力、蓄水层植物影响、土壤和填料空隙储水能力等因素也要加以考虑。

假定雨水花园服务的汇流范围内的径流雨水首先汇入雨水花园(一般雨水花园面积占全部汇流面积的比例较小,即直接降落到雨水花园本身的雨水量较少时,可忽略不计),当水量超过雨水花园集蓄和渗透能力时,开始溢流出该计算区域。此时,在一定时段内任一区域各水文要素之间均存在着水量平衡关系:

(3⁃4)

式中　V——计算时段内进入雨水花园的雨水径流量,m3;

　　U₁——计算时段开始时雨水花园的蓄水量,m3;

　　S——计算时段内雨水花园的雨水下渗量,m3;

　　Z——计算时段内雨水花园的雨水蒸发量,m3;

　　G——计算时段内雨水花园种植填料层空隙的储水量,m3;

　　U₂——计算时段结束时雨水花园的蓄水量,m3;

　　Q₁——计算时段内雨水花园的雨水溢流外排量,m3。

通常,计算时段可以取独立降雨事件的历时。此时,由于蒸发量较小,Z可以忽略。而且在设计雨水花园时,一定设计标准对应的溢流外排雨水量可假设为0。如果计算时段开始与终了时雨水花园内蓄水量之差以V_w表示,即V_w=U₂-U₁(实际计算时可视时段开始时雨水花园无蓄水,即U₁=0,即V_w=U₂),故式(3⁃4)又可写成:

V=S+G+V_w

3.2.2.1　雨水花园下渗量

计算时段雨水花园下渗量:

(3⁃5)

式中　K——砂质土壤的渗透系数,m/s;

　　d_f——种植土和填料层总深度,m;

　　h——雨水花园蓄水层平均设计水深,m;

　　A_f——雨水花园表面积,m2;

　　T——计算时间,min,常按一场雨120min计。

根据相关文献及国内工程实例,上述各参数常用的取值如下。

(1)渗透系数K　根据雨水花园构造及土壤条件不同,式中的K取值各异,主要分为以下两种情况:

① 当填料外土壤的渗透系数K₂≫K₁或底部有排水穿孔管时,取K=K₁。

② 当K₂<K₁时,取K=K₂。

根据《公路排水设计规范》,各类土质的渗透系数取值的经验范围推荐详见表3⁃2。

根据南昌市地质情况,建设用地地表浅层1.0~2.0m以内的土质介于黏土和粉质黏土之间居多,故本书渗透系数K取5×10-6m/s。

(2)种植土和填料层总深度d_f　种植土层厚度根据所选植物确定,一般选用多年生的可短时间耐水涝植物,深度250mm。人工填料层一般为0.5~1.2m,选用渗滤速度较大、净化效果较好的人工材料。本书种植土和填料层总深度d_f取1.0m。

(3)蓄水层平均设计水深h　蓄水层高度根据周边地形和当地降雨特性等因素而定,一般多为100~250mm。根据南昌市的实际情况,取100mm(老城区可适当增大)。

3.2.2.2　蓄水量

当生物滞留系统中的径流量大于同时间的土壤渗透量时,必然在雨水花园形成蓄水。假定雨水花园中的植被高度均超出上部蓄水高度,则实际蓄水量为:

(3⁃6)

式中　A_f——雨水花园表面积,m2;

　　h_x——最大蓄水高度,m;

　　f_v——植物横截面积占蓄水层表面积的百分比,一般取0.5。

根据3.2.2.1小节,雨水花园蓄水层平均设计水深h取100mm,最大蓄水高度h_m取150mm。

3.2.2.3　空隙储水量

(3⁃7)

式中　n——种植土和填料层的平均空隙率,一般取0.3;

　　A_f——雨水花园表面积,m2;

　　d_f——种植土和填料层总深度,根据上文,取1.0m。

3.2.2.4　单位面积雨水花园控制雨水体积

根据上述公式可知,雨水花园控制的径流雨水总体积为:

则单位面积雨水花园控制雨水体积V₁(m3/m2)为:

(3⁃8)

将上述参数代入上式可得:

由上式计算可知,雨水花园对雨水径流的控制主要靠蓄水层的作用。蓄水层对雨水径流控制的贡献为72.3%,空隙储水量为18.1%,下渗雨水量仅占9.6%。

3.2.2.5　雨水花园面积的计算

若汇水区域A_d内只采用雨水花园单一措施,则雨水花园的面积(m2)为:

3.2.3　下沉式绿地的计算

下沉式绿地主要由三部分组成,从上至下分别是蓄水层、种植土层和原土层,详见图3⁃2。

3.2.3.1　下沉式绿地公式推导

与雨水花园相似,下沉式绿地的水量平衡存在如下关系。

式中　V——下沉式绿地的总汇流量,m3;

　　S——计算时段下沉式绿地的雨水下渗量,m3;

　　ΔU——计算时段下沉式绿地的蓄水量差值,m3。

雨水下渗量可按如下公式计算:

式中　K——土壤入渗率,m/s,与雨水花园取值一致;

　　J——水力坡度,雨水垂直下渗时,J=1;

　　T——渗蓄所用时间,min,取120min;

　　F₁——下沉式绿地的面积,m2。

蓄水量ΔU计算公式为:

式中　Δh——下沉式绿地的下凹深度,m,一般为0.1~0.2m。

根据南昌市的实际情况,下沉式绿地的下凹深度取0.15m(老城区海绵措施实施空间受限,下凹深度可适当放大)。下沉式绿地高程应小于路面高程(0.05~0.25m)。

3.2.3.2　单位面积下沉式绿地控制雨水体积

根据3.2.3.1小节内容,单位面积下沉式绿地控制的雨水体积V₂(m3/m2)为:　

(3⁃9)

根据上述参数取值可得,南昌市单位面积下沉式绿地控制雨水体积为:

由上式计算可知,下沉式绿地对雨水径流的控制同样主要靠蓄水层的作用。蓄水层对雨水径流控制的贡献为80.6%,下渗雨水量占19.4%。

3.2.4　透水铺装

透水铺装是指将透水良好、空隙率较高的材料应用于面层、基层甚至土基,在保证一定的路用强度和耐久性的前提下,使雨水能够顺利进入铺面结构内部,通过具有临时储水能力的基层,直接下渗入土基或进入铺面内部排水管排除,从而达到雨水还原地下和消除地表径流等目的的铺装形式。透水铺装典型形式如图3⁃3所示。透水铺装结构组合方案如表3⁃3所示。

3.2.4.1　透水铺装结构形式

目前,透水铺装的主要应用场合为人行道、小区道路、停车场。以下归纳总结三种代表性结构型式,以应对不同应用条件。

3.2.4.2　铺装层容水量

根据《指南》,透水铺装仅参与综合雨量径流系数计算,其结构内的空隙容积一般不再计入总调蓄容积。透水铺装地面的雨量径流系数为0.08~0.45,由于该范围较大,具体取值不易把握,在具体施工图设计阶段时,采用调蓄容积更合理,因此本书采用计算透水铺装容积来计算其对径流总量的作用。

透水铺砖蓄渗雨水性能另一方面可利用铺装层容水量进行衡量,铺装层容水量与各层的有效孔隙率和厚度有关,其计算公式为:

式中　W_p——透水地面铺装层容水量,m3;

　　h_m——面层厚度,m;

　　n_m——面层有效孔隙率;

　　h_z——透水基层厚度,m;

　　n_z——透水基层有效孔隙率;

　　h_d——透水底基层厚度,m;

　　n_d——透水底基层有效孔隙率;

　　K——土壤入渗率,m/s,与雨水花园取值一致;

　　T——渗蓄所用时间,min,取120min;

　　F₂——透水铺装面积,m2。

根据相关规范及南昌市建设经验,上式中各参数的取值范围及本文采用的数值详见表3⁃4。

3.2.4.3　单位面积透水铺装控制的雨水体积

根据3.2.4.3小节铺装层容水量计算公式可得,单位面积透水铺装控制的雨水体积V₃(m3/m2)为:

(3⁃10)

根据表3⁃4的参数可得:

　　=0.062+0.036

　　=0.098(m3/m2)

由上式计算可知,透水铺装对雨水径流的控制以铺装层空隙存水为主。铺装层空隙存水对雨水径流控制的贡献为63.3%,下渗雨水量占36.7%。