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蓄水问题

广场海绵城市及场地防涝案例

作者:admin 时间:2018年05月11日

01 海绵城市与内涝防治要点分析


海绵城市建设是一项复杂的系统性工程,以某实际工程的源头减排为例,以《室外排水设计规范》《城镇雨水调蓄工程技术规范》《城镇内涝防治技术规范》为依据,探索海绵城市与内涝防治在给排水设计方面的理论和实践数据。


要厘清海绵城市与内涝防治的控制要点,首先要分清二者的关系。海绵城市控制的是综合径流系数和年径流总量,为源头控制,在海绵城市下的内涝防治还要解决好排水通道的设计和排涝除险的应急措施。不论是雨水源头的控制还是排涝除险的应急措施,其都有一个共同的关键点就是雨水调蓄。对于雨水调蓄来说,海绵城市强调的是径流污染的调蓄和雨水利用的调蓄,也就是年径流总量的调蓄。对于内涝防治来说,其强调的是内涝防治设计重现期下超出源头减排设施和排水管渠承载能力的雨水径流的调蓄。


《城镇内涝防治技术规范》也给出了二者的定义,城镇内涝防治系统包括源头减排、排水管渠和排涝除险设施,分别与国际上常用的低影响开发、小排水系统和大排水系统相对应。源头减排在有些国家也称为低影响开发或分散式雨水管理,主要通过生物滞留设施、植草沟、绿色屋顶、调蓄设施和透水路面等措施控制降雨期间的水量和水质,减轻排水管渠设施的压力。海绵城市仅仅是内涝防治的前端,与内涝防治不能等同对待。


海绵城市是指通过城市规划建设管理,充分发挥建筑、道路、绿化、水系等生态系统对雨水的吸纳、渗蓄和缓释作用,有效控制雨水径流,实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。从海绵城市的定义来看,其强调的有2点,一是管理,二是自然。管理是要在充分理解雨水各个阶段特点的前提下,有针对性的做好各个阶段的调控工作,并根据不同工程的具体特点来对渗、滞、蓄、净、用、排选用更合理的技术措施。自然是在做好前期管理即选好具体的措施后,后期的运行管理就不用大量的人力去参与了,管理是手段,自然是结果,衡量管理手段的好坏就是要看是否自然了。


海绵城市设计是个大的概念,小则是个区域,大则应是整个城市,因而不能抛开大区域而仅仅强调某一个项目,每一个项目因为其自然禀赋不同应区别对待,例如,对于调蓄条件好的区域不一定非要强调人工调蓄的重要性,对用地紧张的市区公园就没必要再花大力气去搞人工湿地。城市管理者应该在区域规划时更加详尽,对每一个地块给出其海绵城市设计的建议,而非千变一律的要求,这样就失去了海绵城市设计的真谛,最终也很难达到预期结果。


海绵城市与内涝防治是雨水管理的不同阶段,应以水量平衡为依据,以径流污染控制、雨水利用、内涝防治等3大调蓄为主要控制抓手,以自然为评价目标,来分析控制每一个项目。本文以狮山广场为例进行详细分析。


02 工程概况


狮山广场北至金山路,东至长江路、南至湿地、西至狮山山顶,含狮山东侧山体及狮山人工湖,总用地面积近50万m²。地下、地上一体化开发,整个地下空间将地铁1号线、3号线及科技馆、艺术剧院、博物馆和新天地4个单体建筑串联成一个有机的整体,总建筑面积近41万m²。


苏州地处温带,四季分明,气候温和,雨水充沛;属于亚热带季风气候,年均温15.7 ℃,据1956~2016年的资料分析,常年年平均降水量为1 094 mm,近10年平均降水量为1 215 mm,一年中以6月份降水量及降水日为最多,12月份月降水量较少,见表1。


表1 苏州市近10年降雨量统计


03 水量平衡


要对雨水进行全面管理,水量平衡计算是基础,是判断调蓄是否安全的重要数据支撑。


本项目的主要调蓄设施是景观湖。景观湖的雨水来源主要由3部分组成:

①景观湖年水量平衡分析:湖面面积115 029 m²,综合径流系数1.00,湖面月降雨量139 811.5 m³,湖面月蒸发量838.8 mm,湖面蒸发量96 486.3 m³,湖底渗水量43 530.7 m³,其他损耗量65 602.5 m³,湖体用水量205 619.5 m³,雨水盈亏-65 808.0 m³;


②山体年水量平衡分析:山体面积128 427 m²,综合径流系数0.250,可收集雨水量27 316.8 m³,绿化浇灌天数121 d,绿化面积55 671 m²,绿化浇灌用水量16 840.5 m³,山体用水量16 840.5 m³,雨水盈亏10 476.3 m³;


③狮山广场年水量平衡分析:广场面积约25万m²,月均降雨量1 215.45 mm,综合径流系数0.50,可收集雨水量106 351.5 m³,绿化浇灌天数121 d,绿化浇灌用水量45 375.0 m³,浇洒天数30 d,道路浇洒用水量1 350 m³,月均蒸发量838.8 m³,景观水池面积2 100 m²,景观水池降雨量2 552.4 m³,景观水池蒸发量1 761.5 m³,景观水池其他损耗量60.0 m³,景观水池补水量41.0 m³,广场用水量46 654.0 m³,雨水盈亏59 697.4 m³。整体水量平衡分析见表2。


表2 整体水量平衡分析


04 雨水的调蓄


4.1 径流污染控制调蓄

传统设计中对径流污染控制尤其是初期雨水的污染控制不够重视,仅设置弃流装置,而不去重视弃流雨水的去处,让雨水任意流入水体从而加大了水体的自净负担,让城市河道的进入了一边治理一边污染的死循环,严重影响了水体的观感和城市的形象。


传统的初期径流控制量一般选用3~5 mm,其后面的雨水是排入雨水回用池,本项目自然禀赋良好,有较大的景观内湖,采用加大径流污染控制调蓄的方式,使得后期雨水能不需要处理而直接排至景观湖;故根据国内外的研究成果并适当加大初期径流控制量可以选取15~18 mm。本项目山体全部被植被覆盖,径流雨水可以直接排入景观湖。所以只考虑狮山广场雨水,其汇水面积约25万m², 综合径流系数取0.50;下凹绿地面积5 200 m²,平均蓄水深度150 mm,蓄水容积V1为780 m³,其出水量为弃流雨水收集池V2=10×D×F××β=10×15×25×0.5×1.2-V1=2250-780=1 470(m³)。另有研究证明,雨水径流污染源主要与大气降尘、汽车尾气、下垫面特征等有关,成分较为复杂,其中,SS往往与其他污染物指标具有一定的相关性,故《海绵城市评价标准》(报批稿)采用SS作为径流污染物控制指标;并要求新建项目雨水年径流污染物总量(以SS计)削减率不低于70%,基本是绿地、透水地面消减污染物的最低数值,其他非透水面积需18 mm降雨可达到雨水年径流污染物总量(以SS计)削减率不低于70%(见图1)。狮山广场非透水面积7.5万m²,弃流雨水收集量V3=10×D×F×β=10×18×7.5×1.2=1 620(m³)。


2种方法计算的弃流雨水收集量基本一致,前者略大,本工程采用大者,南北各1座,分别为1 000 m³和500 m³。


图1 道路与屋面SS总量削减率与降雨深度关系


4.2 雨水利用调蓄

本项目要求年径流控制总量不小于75%,但其中有面积非常大的景观湖面,因此提高标准,设置年径流控制总量不小于90%,其对应的降雨量39.93 mm,雨水收集池容积需满足存储39.93 mm降雨量的要求。当调蓄设施用于地块年径流总量控制时,采用容积法计算,其调蓄量可按当地年径流总量控制率对应的单位面积调蓄深度经计算后确定,调蓄量由景观湖体和径流污染控制调蓄池承担。


经过计算调蓄容积

V4=10×D×F××β=10×39.93×25×0.5×1.2-V2=2250-780=4 489(m³),湖体面积12.8万m²,仅对水面提升35 mm,景观湖体调节高度800 mm,即远大于雨水利用调蓄所需要的容积。


根据水量平衡计算可知,湖体全年最高水位2.885 m,对于标高为3.50的水岸高度来说完全没问题。


整个景观湖就是雨水利用的调蓄设施,绿化浇灌、道路冲洗等回用雨水采用湖边设置预制加压泵站抽取湖水进行灌溉。


4.3 内涝防治调蓄

根据水量平衡分析,在不考虑外排的情况下,狮山河的正常水位2.70 m,最高水位2.885 m,而水岸高度为3.50 m,湖面面积115 029 m²;调蓄能力约为70 700 m³。


按100年一遇暴雨,按1 h降雨历时的暴雨强度[苏州暴雨强度公式:q=3 306.63×(1+0.820 1lgP)/(t+18.99)0.773 5],降雨理论计算值为107.1 mm,苏州有气象记录以来的最大小时暴雨量106.8 mm,二者基本吻合;按此广场汇入湖体水量为13 350 m³,湖体降雨量12 285 m³,山体东侧汇入湖体水量为3 429 m³,合计水量为29 064 m³;湖面瞬时水位升高0.252 m,若在正常水位时汇入则湖面高度为2.952 m,若在湖水最高为时汇入则湖面高度为3.137 m,对于标高为3.50的水岸高度来说亦完全没问题。


苏州有气象记录以来的24 h最大暴雨量296.5 mm,极端情况下不考虑外排的话,3处排入湖体的水量为80 565 m³,略高于湖体调节容积70 700 m³;湖面瞬时水位升高0.699 m,若在正常水位时汇入则湖面高度为3.399 m,若在湖水最高为时汇入则湖面高度为3.584 m,广场内建筑入口标高均为4.2,即使极端情况下不外排雨水亦对建筑物不影响。


综合以上分析,在各种不利状况均综合在一起时亦对场地无影响,故可以采用不市政外排的雨水排放方式,弃流雨水排放至雨水收集池(1 500 m³),其他正常雨水或防涝时直接溢流至狮山湖。



05 雨水的处理


5.1 水处理量选择

雨水在一般尤其是夏季自然存放5 d就会开始变色并有明显的气味产生,所以在水处理上选择弃流雨水全部处理,按最大负荷,保证弃流水池4 d内处理完毕;日处理量为1 500/4=375(m³/d)。


5.2 水处理工艺选择

从表3水质数据可以看出,雨水中的COD、氮、磷、SS等这些污染物浓度比较高,这些污染物主要是由空气、屋面、路面的污染物随着降雨进入水体形成,其中以路面污染物影响最大。本项目的回用雨水水质和其他作物绿化浇灌道路冲洗为目的回用雨水水质有所不同,处理后的水是排入景观湖的,水质达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)的Ⅲ类水要求(见表4),这就对增强脱氮除磷提出了严格的要求,否则会引起景观湖体的富营养化。同时海绵城市的设计一直强调“自然”的处理方式,故选择经济可行、操作简便的处理工艺—微生态滤床的处理方式。


表3 苏州雨水水质


表4 Ⅲ类水水质标准


5.3 微生态滤床工艺

每个微生态滤床就是一个微生态单元。原水在流经该系统时,各种污染物在微生物转化、细菌分解、氧化、还原、吸收、挥发、蒸腾和沉淀等多重作用下发生分离或转化;依靠生长在生态基质上的好氧和/厌氧微生物和植物的综合作用来去除水体中的污染物质。


净化处理过程综合好氧、兼氧、厌氧3种反应(见图2)完成有机物、氨氮及磷等污染物的去除。在植物根区的氧气由根部释放出来并在周围形成一个环状的有氧区域。离根部较远处,由于生化有氧变化对氧气的需求(BOD5)而使该区域的氧气浓度减少为零。富氧区的半径由氧气的需求量(BOD5)决定。当高BOD5的污水流经时,富氧区半径减小以满足需氧量,当低BOD5的污水流经时,富氧区半径增大。有氧细菌和无氧细菌的比例随着污水浓度、承载率、植被床和根部的深度变化而变化。根部区域是一个复杂多变的微生态系统,无机化学反应、根系呼吸、有机微生物转化都与污水处理的最终出水质量相关。


图2 微生态滤床示意


硝化、反硝化是微生态滤床中除氮的一种重要途径,植物输送氧气到达底部根区,在根区联合形成好氧区,氮在微生物的作用下进行氨氮的硝化过程:NH+4—NO-2-NO-3在远离根区的部位,NO-3由于缺氧环境而进行反硝化过程,从而使氮以气体的形式去除:NO-3—NO-2—NO—N2O—N2;滤床底部有机物的分解和生物降解及底部较低的溶解氧浓度及充足的有机物作碳源,这些都为反硝化过程提供了条件。


在滤床中,微生态对磷的同化作用主要发生在基质中,光合微生物的同化作用需要较高的水温和充足的阳光;异养生物的同化作用需要适量的有机碳源。磷在滤床中通过沉淀作用去除的反应为:5Ca2++3PO3-4+OH-—Ca5(PO4)3OH、Al3++PO3-4—AlPO4、Fe3++PO3-4—FePO4;滤床中植物和基底材料的选择对去除磷有很大影响。基底材料中钙、镁和磷作用形成沉淀。随着时间的推移,基底材料中磷达到饱和,滤床去除磷能力降低,所以为加强湿地初期的除磷能力,在滤床选择中应注意选择含钙、镁较高的合成材料作为基底材料。基底材料吸收磷饱和后,又可通过基底中的生物群去除磷。


微生态滤床出水水质COD达到地表一类标准,氨氮和总磷达到二类标准(见表5)。


表5 微生态滤床出水水质标准




06 结语


(1)径流污染水质控制采用年径流污染物总量(以SS计)削减率的控制和初期径流控制量控制的计算结果是基本一致的,可以采用较为简单的初期径流控制量控制法。


(2)海绵城市设计的终极目标是减少表面径流和地表污染,而减少表面径流又分减少径流系数和雨水调蓄,减少径流系数是海绵城市设计的重要环节。


(3)海绵城市设计应因地制宜、了解现状自然禀赋的利用、海绵城市技术的策略、措施方案的适用条件和布局等因素,不能盲目的把海绵城市设计的各种措施全盘托出。同时呼吁城市管理者在区域规划时。更加详尽地给出具体项目的海绵规划指标,避免每个项目都在各自为战。


(4)设计者要清晰的认识海绵城市和内涝防治的不同工况,区别对待。海绵城市和内涝防治的调蓄设施的应优先利用天然湖塘、洼地等自然水体,并以其为水量平衡计算的对象。



原文标题:苏州狮山广场海绵城市暨场地防涝的设计实践;作者:刘仁猛、王云峰、吴忠利;作者单位:启迪设计集团股份有限公司、苏州狮山广场发展有限公司。刊登在《给水排水》2020年第3期。

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