建筑外环境经济型低影响开发...研究——以南阳一中校园为例_陈泓宇.pdf

54 Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期 建筑外环境经济型低影响开发设计模式研究 以南阳一中校园为例 陈泓宇1董宇翔2李雄1刘志成1林辰松1(1.北京林业大学园林学院,北京100083;2.同济大学建筑与城市规划学院,上海200092)摘要:建筑外环境低影响开发(LID)是实现城市高效径流控制与雨水资源利用的重要途径,但目前在LID 设施布局时存在设施规模过大、径流利用效率低等建设浪费问题。基于建筑外环境径流特点,依据不同LID 设施功能特征,耦合了 SWMM 模型与 NSGA-II 算法,构建兼顾径流控制、雨水资源利用率及 LID 设施成本的建筑外环境经济型低影响开发设计模式,以南阳一中校园为试验对象,运用该设计模式,获取其 LID 设施优化布局方案,并以 2021 年降雨模拟验证其径流控制与节水效果。模拟结果表明,在 2021 年降雨情景中实验对象 LID 设施优化布局方案的年径流控制率达 82.0%,年可节约用水成本 5.19 万元。研究结果细化了LID 设施布局应用场景,弥补了传统低影响开发设计方法对雨水资源利用、LID 设施成本量化的缺失,有助于优化 LID 设施建设投资,推进我国“海绵城市”的高绩效、高质量建设。关键词:低影响开发;节约型园林;风景园林;建筑外环境 DOI:10.13204/j.gyjzG22010419Research on Economical Design Pattern of Low Impact Development in ExternalEnvironment of Building:A Case Study of Nanyang No.1 High School CHEN Hongyu1DONG Yuxiang2LI Xiong1LIU Zhicheng1LIN Chensong1(1.School of Landscape Architecture,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;2.College of Architecture and Urban Planning,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:Low-impact development(LID)in the external environment of buildings is an important way to achieve efficient urban runoff control and rainwater resource utilization,however,there are some problems in the distribution of LID controls,such as excessive facility scale and low runoff utilization efficiency,which cause construction waste.Based on the runoff characteristics of the external environment of the building and the functional guidance characteristics of different LID controls,an economical design pattern of low-impact development in external environment of building was formed with SWMM model and NSGA-II algorithm,which took into account runoff control,rainwater resource utilization and cost of LID controls.Taking the campus of Nanyang No.1 High School as the experimental object,the optimal distribution of LID controls was obtained by the design pattern,and its effect was quantified by simulation based on 2021 daily precipitation.The results showed that the annual runoff control ratio of the experimental object was 82.0%,and 51 900 yuan of water could be saved in 2021.The research results refined the application scenario of LID controls distribution,made up for the lack of traditional low-impact development that ignored quantification of rainwater utilization and LID controls cost,improved the optimization of the investment in LID controls construction,and promoted the high-performance and high-quality construction of“Sponge City”.Keywords:low-impact development;economical garden;landscape architecture;external environment of building 第一作者:陈泓宇,男,1994 年出生,博士研究生。通信作者:刘志成,780256337 。收稿日期:2022-01-041研究背景建筑是城市主要的下垫面类型之一,同时也是城市径流与雨洪问题主要的“源”空间。建筑外环境指建筑室外一定范围内的道路、绿地、水体等1,以单位、园区、校园为径流控制单元,通过建筑外环境的 低 影 响 开 发 设 计(Low Impact Development,LID),将雨水径流控制在建筑及建筑群周边一定的空间范围内,能够有效地减轻管网运行压力,削减城市径流危害2,提升雨水资源利用率,是实现“海绵城市”建设与城市可持续发展的重要途径。建筑外环境经济型低影响开发设计模式研究 以南阳一中校园为例 陈泓宇,等55 自我国开展“海绵城市”建设以来,已经形成了较为普适的低影响开发方法与设计流程3,并积累了一定的针对建筑外环境低影响开发设计的研究与成果4-5,然而相关研究在开展建筑外环境 LID 设施布局时,多套用一般性绿地的设计方法,特别是在量化 LID 设施规模时多依据水量平衡法,基于下垫面类型与降雨量计算理论地表径流产值并转换为LID 设施规模值6,但由于忽视了下垫面其他属性以及径流汇流过程的水文效应,以此方法得到的LID 设施规模往往过大、设施空置率高7-8,造成建设浪费。为合理量化 LID 设施规模以实现节约化建设,已有相关研究通过构建数学模型,协同考虑 LID设施的生态因素与经济因素,借助计算机辅助设计软件优选 LID 设施规模9,如邵明、李沐寒等运用SUSTAIN 模型优选了绿地 LID 设施建设的成本最优方案10-11,刘家琳等针对山地环境空间提出了水文-成本综合效益的雨洪管理设计方法12。然而在研究对象层面,针对建筑外环境的有关研究相对较少。建筑屋顶径流水量大,水质良好,收集于建筑外环境的雨水径流不仅能够用于绿地日常养护,还可就近回馈建筑用水,且依托于较高的管理精度,雨水资源化的实现度更高,因此建筑外环境相对于其他城市环境具有更广泛的径流利用途径和更强的雨水资源化潜力。然而,目前有关研究大多仅在数学层面考虑了 LID 设施雨洪效能与建设经济成本的平衡,且未能分类量化 LID 设施,从而导致如雨水罐等以高质量径流为目标、以存蓄利用为主导功能的设施,因建设成本较高而被排除在优化方案之外13,且可能导致建设后多类型径流混合收集,径流水质难以满足回用需求而造成 LID 设施无效建设等问题。因此在研究内容和结果层面,现有节约式低影响开发设计并不能完全匹配建筑外环境雨水利用特征,限制了建筑外环境通过雨水资源化产生长期经济效益的优势与潜力,造成了实际上的浪费,亟待对现有方法进行细化以匹配建筑外环境的低影响开发场景。此 外,在 国 外 景 观 绩 效 系 列(Landscape Performance Series,LPS)、场地可持续性设计行动计划(Sustainable SITES Initiative,SITES)等绩效评价体系中,雨水资源利用率均被作为雨洪绩效评估的重点14-15,而我国住建部所印发的海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)中,同样将雨水资源利用率作为重要考核指标。所以,协同建筑外环境低影响开发建设成本控制与间接经济效益优化不仅是实现优化 LID 设施建设性价比的重要途径,更是落实我国“海绵城市”建设理念的关键命题。综上,本研究将针对建筑外环境,基于 LID 设施目标收集径流和功能导向的差异性,细化建筑外环境 LID 设施规模的量化和空间分配过程,构建一套满足径流控制目标,同时有效控制 LID 设施建设成本,且能保证雨水资源利用率的经济型低影响开发设计模式。选择南阳一中校园为试验对象,运用该方法优选 LID 设施布局方案,以验证方法的可行性,以期为建筑外环境高绩效低影响开发设计与我国“海绵城市”的高质量建设提供范例与参考。2建筑外环境经济型低影响开发设计方法2.1基本流程LID 设施一般可分为渗透、传输、存储利用、截污净化等类型16。本研究拟通过最节约的 LID 设施规模,同步达到目标径流控制率与最优雨水资源利用率,实现绿地低影响开发的节约化建设,因此重点选择渗透型、传输 型设施(称为渗 透滞缓型设施),以及存蓄利用型设施进行研究,截污净化装置不在本研究讨论范围内。因存蓄利用设施同样可发挥一定的径流调控功能,为避免重复量化可能产生的干扰,故首先对存蓄利用设施进行独立量化优选,之后将确定的存蓄利用设施规模作为前置性条件,纳入渗透滞缓型设施的规模量化流程,以针对特定径流控制目标优选渗透滞缓型设施的规模,从而准确控制 LID 设施规模。2.2存蓄利用设施布局方法2.2.1设施规模量化因绿地可利用径流量有限,当存蓄利用设施规模过大时,超出可利用径流量的部分将无法发挥设施功能,从而发生无效建设而产生浪费;同时,绿地用水需求也并非无限制的,当用水需求满足时,尽管能够进一步收集径流,但如果无法实质性利用,也将产生建设浪费。所以,在布局存蓄利用设施时,应优先量化、对比绿地可利用径流量与用水需求量,为存蓄利用设施规模的确定提供依据。绿地用水分为浇灌水,如湖面、水体等非接触景观水,如喷泉等可接触景观水,以及用于洗地、冲厕的杂用水17,其中可接触景观水、杂用水的水质要求相对其他用水较高,实际雨水资源化操作中主要依靠收集相对洁净的屋顶径流用以补充,特别是绿色屋顶排放径流,此外未利用完的高质量径流还可用于补充浇灌水、非接触景观水等水质要求较低的用水。因此,本研究基于用水需求差异,将存续利用设施规模量化进一步分为高质量径流收集设施规模、一般水质径流收集设施规模。56 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期因雨水资源利用率以年为单位计算,故本研究以年为一个完整量化周期,并考虑实际运营中对存蓄利用设施的周期性使用情况,将一年划分为若干个子周期,基于降雨量、蒸发量等多年平均气象数据,对比各子周期可利用径流总量、可利用高质量径流量、用水需求总量以及高质量用水需求量,分别求得各子周期所对应的一般水质径流最佳收集设施规模SLi和高质量径流最佳收集规模 SHi,满足如下算式:SLi=Ri-SHiRi-SHi NLiNLiRi-SHi NLi(1a)SHi=RHiRHi NHiNHiRHi NHi(1b)式中:SLi为子周期对应最佳一般水质径流收集规模,m3;Ri为子周期 i 内可利用的径流总量,m3;NLi为子周期 i 内一般质量用水需求量,m3,SHi为子周期 i 对应最佳高质量径流收集规模,m3;RHi为子周期 i 内高质量用水可补水量,m3;NHi为子周期 i 内高质量用水需求量,m3。一一对比各子周期的 SLi、SHi,进而分别求得其最大值 SLmax、SHmax,即得到高质量径流收集设施与一般水质径流收集设施的最优规模 CSL、CSH,以及存蓄利用设施的总体最优规模。2.2.2设施规模分配由于高质量径流收集设施的径流来源相对固定,且径流存蓄后较少发生向其他存蓄设施转移的情况,因此高质量径流收集设施的规模可基于产生高质量径流的子汇水区面积进行空间上的分配,满足:CSHi=CSHAiAi(2)式中:CSHi为子汇水区 i 内高质量径流收集设施规模,m3;Ai为产生高质量径流的子汇水区 i 的面积,m2;Ai为产生高质量径流的子汇水区总面积,m2。一般质量径流由景观水体储存,径流收集后应优先满足于水体的自平衡,在保证水体水量与基本水景效果后,再向外输送用作灌溉等其他用途。景观水体自身用水需求主要取决于水体自身产生的自然蒸发,因此一般景观径流收集设施规模可基于用于存蓄利用径流的水体面积大小进行空间上的分配,满足:CSLi=CSLWiW(3)式中:CSLi为子汇水区 i 内一般径流收集设施规模,m3;CSLi为子汇水区 i 内一般径流收集设施规模,m3;Wi为用于存蓄利用径流的水体 i 的面积,m2;A为用于存蓄利用径流的水体总面积,m2。2.3渗透滞缓设施布局方法减少径流外排、达到特定径流控制率是绿地低影响开发的基本目标,因此渗透滞缓设施布局时,应将补足存蓄利用设施布置后的绿地 LID 设施系统的径流控制效能作为核心目标,同时兼顾设施建设成本的最优控制。如何构建一种高效的多目标优化方法,平衡绿地低影响开发生态、经济与社会多方面效益已经成为了当下重要议题,部分学者将蚁群算法(Ant Colony Optimization)、遗 传 算 法(Genetic Algorithm)、线性规划(Linear Programming)等多种优化 算 法 引 入 相 关 研 究,以 辅 助 LID 设 施 的 优化18,并已经能够基于一定的基础设计方案,从类型数量层面对 LID 设施的种类、规模进行多目标量化优选19-21,其中,NSGA-II 算法(Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm)作为一种带精英决策的非支配排序遗传算法,因其极佳的收敛性、鲁棒性,以及对最优解的兼容性而被相关优化研究广泛应用22,证明了 NSGA-II 算法在解决绿地 LID 设施布局的雨洪效能与经济节约的协同平衡问题具有良好的可行性、优势性23,因此,本研究借助 Python 编程语言耦合 NSGA-II 算法与 SWMM 模型构建优化算法平台,以年径流控制率与渗透滞缓设施建设总成本为优化目标,将已布置好存蓄利用设施的低影响开发方案作为基础方案,置入优化平台,从而进行渗透滞缓设施规模与空间位置的同步优选。优化平台构建的具体流程包括雨洪效能计算模块搭建、经济成本计算模块搭建以及多目标优化决策模块搭建。2.3.1雨洪效能计算模块雨洪效能计算模块以 SWMM 软件为载体搭建,承担基础方案模型概化、LID 设施基本参数设置、拟布设渗透滞缓设施位置选择以及降雨水文过程模拟。模块搭载 SWMM 的 Python 端接口,经过决策变量输入与编辑、数据标准格式化等步骤构建 SWMM的输入文件(.inp),调用 SWMM 内 Simulation 命令完成对基础方案的全年降雨模拟,以及年降雨总量、年径流排放量等数据的调用与输出,从而计算年径流控制率。绿地年径流控制率计算满足如下算式:r=1-DP()100%(4)式中:r 为年径流控制率;D 为绿地末端出水口的年径流排放量,m3;P 为年降雨径流总量,m3。2.3.2经济成本计算模块经济成本主要考虑设施的建设成本,通过市场调研获取各设施单位成本,依据当量法根据设施面建筑外环境经济型低影响开发设计模式研究 以南阳一中校园为例 陈泓宇,等57 积进行经济成本计算模块的构建。渗透滞缓设施的经济成本满足如下算式:MCI=jiCIjiUi(5)式中:MCI为渗透滞缓设施建设总成本,元;CIji为子汇水区 j 内渗透滞缓设施 i 的面积,m2;Ui为单位面积渗透滞缓设施 i 的建设成本,元/m2。2.3.3多目标优化决策模块多目标优化决策引擎基于 NSGA-II 算法构建,主要基于 Pymoo 库完成对 NSGA-II 优化算法模块的编写,将子汇水区中渗透滞缓设施的布置面积作为决策变量,同时接入前述的雨洪效能计算模块、经济成本计算模块,以实现决策变量向决策目标的转换,并 基 于 非 支 配 排 序 获 取 帕 累 托 最 优 解(Pareto optimal solutions),即权衡“年径流控制率-建设成本”多目标的 LID 设施优化布局,决策过程见图 1。图 1多目标优化决策原理Fig.1Decision making mechanism of multi-objective optimization3南阳一中校园经济型低影响开发设计3.1试验对象概况试验对象位于河南省南阳市城乡一体化示范区,为南阳一中新建校区。总面积 38.3 hm2,其中建筑面积 7.1 hm2,含绿色屋顶 6.6 hm2,绿地面积14.1 hm2,水体面积 1.3 hm2,含喷泉等可接触水体0.4 hm2,道路及场地面积 15.8 hm2(图 2)。图 2南阳一中校园平面Fig.2Plan of Nanyang No.1 High School南阳市地处我国半湿润气候区,年均降雨量为765.2 mm,年均蒸发量 964 mm。当地降水充沛,结合实验对象内建筑数量多、屋顶规模大以及下垫面硬化比例高的基址情况,实验对象地表产流能力强,不仅具有突出的低影响开发以调节径流的需求,同时还具备较大的雨水资源化潜力。此外,因当地蒸发量显著高于年均降雨量,绿地浇灌、景观补水均需额外调配、补充,因此实验对象开展节约式低影响开发,不仅能够优化校园建设投资配置,同时也是降低绿地日常维护管理成本的重要需求。3.2存蓄利用设施量化与布局3.2.1数据预处理1)采用 20112020 年南阳卧龙站日降雨统计数据,以 7 d 为一量化子周期,将全年降雨划分为 53个子周期(最后一周期为 8 d),并计算得到近十年平均的逐周降雨数据。2)针对各子周期,通过各子周期降雨总量、下垫面类型、面积及对应径流系数对子周期可利用径流量进行估算,其中,径流系数基于文献20 研究取值:一般屋顶 1.0,绿色屋顶 0.5,绿地 0.2,水体1.0,道路广场 0.95,计算满足如下算式:Ri=Pi1 000jjAj(6a)RHi=Pi1 000jfjAfj(6b)式中:Ri为子周期 i 内可利用径流总量,m3;Pi为子周期 i 内的降雨总量,mm;j为第 j 种下垫面的径流系数;Aj为第 j 种下垫面的面积,m2;fj为第 j 种屋顶的径流系数;Afj为第 j 种屋顶的面积,m2。3)分别计算子周期内高水质用水、一般水质用水需求量:考虑校园实际用水情况以及管理便捷程度,高质量用水需求量考虑 3 个办公建筑的冲厕用水补充、主要道路冲洗及接触性水体补水,参考相关研究及统计24,分别取日均建筑冲厕用水量、日均道路冲洗用水 量 1 m3/(冲 洗 器 d)、0.003 m3/(m2d),单周冲厕用水计算天数仅计入 5 个工作日,单周道路冲洗天数以周均非降雨日天数计算,接触性水体补水需水量基于水体面积与当地蒸发量计58 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期算;一般水质用水需求量考虑非接触性水体补水及绿地浇灌用水,非接触水体补水基于水体面积及当地蒸发量计算,绿地浇灌用水需求量基于邱振存等的研究25,通过园林植物灌溉用水估算式,基于实验对象绿化方案计算得到各子周期的浇灌需水量,绿地浇灌用水计算满足如下算式:NIi=Ag1 000(KgET0-Rei)(7)式中:NIi为子周期 i 内绿地灌溉需水量,m3;Ag为绿地总面积,m2;Kg为园林系数;ET0为参照作物蓄水量,mm/d;Rei为子周期 i 内的有效降雨量,园林中常取真实降雨量的 50%,mm。3.2.2设施规模量化与分配在同一“水量-子周期”直角坐标系中,绘制可利用径流量、用水需求量、可利用高水质径流量、高质量用水需求量曲线(图 3),基于式(1),求得存蓄设施总体规模 4 170.8 m3,包括高质量径流收集设施规模 1 511.3 m3,一般质量径流收集设施规模2 659.5 m3,并基于式(2)、(3),分别进行空间上的规模分配,其中高水质径流由雨水罐收集,一般水质径流通过景观水体的调蓄空间收集,雨水罐体积、水体调蓄体积如表 1、表 2 所示。图 3可利用径流及用水需求变化曲线Fig.3Curves of variations of available runoff and water demands表 1雨水罐规模分配结果Table 1Distribution results of rainwater tank sizes屋顶编号屋顶面积/m2绿色屋顶雨水罐规模/m3屋顶编号屋顶面积/m2绿色屋顶雨水罐规模/m3WD14 700是95.2WD115 200是105.4WD22 300是46.6WD122 200是44.5WD32 300是46.6WD132 300是46.6WD45 100是103.4WD144 100是83.0WD54 100是83.0WD152 900是58.7WD68 100是164.0WD164 100是83.0WD72 300是46.6WD172 200是44.5WD86 600是133.6WD182 200是44.5WD91 800否60.7WD195 100是103.3WD103 500否118.1总计/m31 511.3表 2水体调蓄体积分配结果Table 2Distribution results of volumeof water body storages水体编号水体面积/m2调蓄体积/m3总计/m3W1600173.5W23 000867.2W3400115.6W420057.82 659.5W520057.8W62 700780.5W730086.7W81 800520.43.3渗透滞缓设施量化与布局3.3.1模型概化与参数设置在 SWMM 模型中基于下垫面类型将实验对象概化为 211 个子汇水区、8 个储水节点、1 个末端排水节点(图 4),汇水区面积、坡度、不透水比例等依据实际设计方案制定;渗透模型选择霍顿模型,依据场地土壤条件及相关规范26,设置最大入渗速率、最小 入 渗 速 率、衰 减 常 数 分 别 为 76.2 mm/h、10 mm/h、4 h-1;LID 设施方面,绿色屋顶依据实际绿色屋顶设计方案制定其参数,雨水罐基于前述研究分配结果一一设定体积并置入相应子汇水区中,水体调蓄空间由储水节点的储水曲线控制,选择雨水花园、透水铺装、植草沟三类设施用作本研究的渗透滞缓设施,依据典型工程做法设置其模型参数,LID 设施主要参数见表 3。图 4SWMM 概化模型Fig.4Generalized model in SWMM建筑外环境经济型低影响开发设计模式研究 以南阳一中校园为例 陈泓宇,等59 表 3LID 设施主要参数Table 3Main parameters of LID controlsLID 设施名称LID 设施主要 SWMM 模型参数绿色屋顶表面 深度 50 mm 植被覆盖 0.6,表面粗糙系数 0.1 表面坡度 0.3土壤 厚度 150 mm 孔隙率 0.5 产水能力 0.2 枯萎点 0.1 导水率 36 mm/h 导水坡度 10 吸水头3.5 mm蓄水 厚度 50 mm 孔隙率 0.5 粗糙度 0.1雨水花园表面 深度 400 mm 植被覆盖 0.3 表面粗糙系数0.4 表面坡度 0.3土壤 厚度 300 mm 孔隙率 0.5 产水能力 0.2 枯萎点 0.1 导水率 10 mm/h 导水坡度 10 吸水头88.9 mm透水铺装表面 深度 5mm 表面粗糙系数 0.01 表面坡度 0.3土壤 厚度 150 mm 孔隙率 0.25 导水率 800 mm/h蓄水 厚度 300 mm 孔隙比 0.5 渗透率 1.8 mm/h植草沟表面 深度 300 mm 植被覆盖 0.2 表面粗糙系数0.3 表面坡度 0.3土壤 厚度 300 mm由于南阳市尚未出台海绵城市规划,因此依据我国海绵城市建设技术指南 对全国年径流控制率分区划分,南阳市年径流控制率建议取值 75%85%,从而取年径流控制率大于等于 75%作为本次优化的目标下限27。校园建筑、主要道路及运动场等已于前期完成设计和建设的内容,故排除于本次优化范围,同时考虑对校园日常使用功能与景观效果的保证,在优化算法中对雨水花园、植草沟、透水铺装的可布设子汇水区进行约束。基于市场调研,设定雨水花园、植草沟、透水铺装建设单价分别为450,100,220 元/m2。在遗传规则方面,采样方式为随机采样,选择算子采用锦标赛选择机制,交叉算子和变异算子均采用 Pymoo 默认方式,即模拟二进制交叉和多项式变异28,交叉概率为 0.9,变异概率为 0.1,算法初始种群规模为 50,迭代次数为 50,单次降雨情景完成2 500 次模拟。3.3.2设施规模量化与分配选择近十年内年降雨量与南阳市年均降雨量765.2 mm 相对接近的 2013、2016、2017 年降雨数据,分别在优化平台内置入其逐日降雨数据并运行模拟,得到各年模拟情景中满足优化目标的最优解集(图 5),发现最优解的年径流控制率与设施建设成本呈显著正相关。考虑项目实施与设计方案可能存在的差异,为预留容错空间,将年径流控制率优选上限设为 85%,同时相关研究表明设施建设成本与径流控制效果间存在“性价比最优点”29,即在该点径流控制率曲线随设施成本增加而开始趋于平缓,因此,为最优化 LID 设施的建设投资,本研究通过“Utopia point”法在不同年份降雨情景的各优化解集中选取径流控制率 75%85%区间内的“性价比最优点”30,并求得成本及年径流控制率平均值,见表 4。a2013 年降雨模拟;b2016 年降雨模拟;c2017 年降雨模拟。图 5最优解集Fig.5Optimal solution sets表 4各模拟情景“性价比最优点”Table 4“Best cost performance point”ofeach simulation scenario模拟年份/年年降雨量/mm“性价比最优”成本/万元“性价比最优”年径流控制率/%2013765.9660.779.82016782.7713.680.32017795.4702.181.9平均781.3692.180.3查验各年降雨情景模拟优化解,一一对比发现在 2016 年 模 拟 情 景 中,当 最 优 解 径 流 控 制 率 为80.6%时,其对应建设成本为 709.4 万元,与多年份模拟的平均值最为接近,故选择 2016 年模拟情景所得径流控制率 80.6%时的优化布局结果作为实验对象渗透滞缓设施的布局方案,具体布局方案为雨水花园 3 905.93 m2,植草沟 11 413.74 m2,透水铺装18 032.01 m2,各设施具体空间布置位置可直接由SWMM 模型中子汇水区 LID 布设情况得到。3.4效益模拟与分析3.4.1雨洪调控效能模拟分析为进一步量化优化方案的暴雨应对能力,本研60 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期究基于暴雨计算公式,得到当地重现期为 2,5,10 a的 2 h 降雨量(78.2,104.0,123.6 mm,芝加哥雨型,峰现 0.4),并在 SWMM 模型中对试验对象在上述 3种降雨情景的末端径流排放情况进行模拟,发现在重现期为 2,5 a 的 2 h 降雨情景中,试验对象均不产生径流外排,表明优化布局方案能够有效应对至少5 a 重现期内的暴雨。基于 2021 年南阳卧龙站逐日降雨统计数据,在SWMM 模型中对 LID 设施的优化布局方案进行全年的降雨模拟,输出末端排水口的排放径流总量,计算得到试验对象在 2021 年降雨总量 834.1 mm 的模拟情景中,年径流控制率为 82.0%,介于 75%85%区间,符合目标要求。查验发现虽然 2021 年降雨总量、连续降雨天数均大于 2016 年,但由于 2016年南阳市单日降雨极值显著大于 2021 年单日降雨极值,造成了 2016 年模拟情景径流排放量显著上升,致使年径流控制率略低于 2021 年。说明优化方案对于高降雨总量、一定规模的连续降雨均有较好适应性,但对于集中式高强度暴雨的应对能力有待提升。3.4.2节水效益模拟分析基于 2021 年逐日降雨数据量化 2021 年试验对象的各类用水需求量,并结合 SWMM 模拟结果,得到试验对象年用水需求总量 136 663.69 m3,年收集径流总量 35 212.85 m3(高质量径流 4 496.59 m3,一般质量径流 30 716.26 m3),通过有效利用径流而实际节 约 用 水 总 量 17 274.38 m3(高 质 量 径 流4 496.59 m3,一般质量径流 12 777.79 m3),雨水资源有效利用率 49.1%,其中 27 个子周期有效利用率达 100%。依据自来水价格 5.3 元/t 计算高质量径流节水费用,中水价格 2.2 元/t 计算一般质量径流节水费用,2021 年实验对象通过雨水资源化利用有效节约用水成本 5.19 万元。图 62021 年模拟径流有效利用率Fig.6Effective utilization rates in 2021 simulated scenario4结束语1)本研究基于建筑外环境径流调控需求与雨水资源化潜力,以 LID 设施的功能导向为依据,细化了 LID 设施布局的设计流程,分别构建了存蓄利用设施、渗透滞缓设施的规模量化与空间分配方法,提出了兼顾径流控制率、雨水资源利用率以及设施建设成本节约的经济型低影响开发设计模式,为解决低影响开发中存在的设施浪费以及雨水资源利用低效的问题提供了新的途径。2)本研究以南阳一中校园为试验对象,运用研究所得方法得到了其 LID 设施的优化布局结果,并基于 2021 年实际降雨数据、多年重现期设计降雨数据,模拟了布局方案的效益,证明了方法的可行性和合理性。优化布局方案为:雨水罐 1 511.3 m3,调蓄水体 2 659.5 m3,雨 水 花 园 3 905.93 m2,植 草11 413.74 m2,透水铺装 18 032.01 m2。该方案可至少应对重现期 5 a 的 2 h 降雨,在 2021 年降雨模拟情景中,年径流控制率达 82.0%,并可有效节约用水成本约 5.19 万元。3)研究过程中发现,LID 设施优化布局方案能够在一定规模的连续降雨中仍表现良好,但单日极端暴雨情况将显著影响 LID 设施效能致使绿地年径流控制率降低。随着全球气候变化,极端暴雨事件的偶然性上升,未来应进一步考虑将气候变化因素纳入现有 LID 设施规模量化体系之中,以提升 LID设施布局方案对于暴雨的适应能力。参考文献1钱健,宋雷.建筑外环境设计M.上海:同济大学出版社,2001.2方帅,刘绪为,白永强,等.建筑与小区低影响开发的设计思路与计算分析J.中国给水排水,2017,33(8):60-64.3林辰松.半湿润地区集雨型绿地设计研究D.北京:北京林业大学,2017.4高喜红.低影响开发在加拿大大瀑布社区中的应用J.工业建筑,2018,48(3):208-213.5李哲,成玉宁,陈菲菲,等.面向全地表径流的科创园区“建筑-景观”协同改造设计研究:以苏州金枫产业园为例J.中国园林,2019,35(6):18-22.6周国华,徐国宾,陈亮,等.北方缺水城市产业园海绵城市建设水量平衡案例探究 J.给水排水,2020,56(增刊 1):619-622.7资强,殷乐,杨仲韬,等.基于容积法设计的海绵场地理论径流控制能力研究J.中国给水排水,2020,36(16):24-29.8于淼,戈晓宇.基于 SWMM 模拟的首钢西十地块低影响开发系统雨洪 调 控 效 果 研 究 J.北 京 林 业 大 学 学 报,2018,40(12):97-109.9DUAN H F,LI F,YAN H.Multi-objective optimal design of detention tanks in the urban stormwater drainage system:LID implementation and analysis J.Water Resources Management,2016,30(13):4635-4648.10 邵明,李雄,戈晓宇,等.海绵城市视角下 SUSTAIN 模型在城市绿地设计中的应用J.工业建筑,2017,47(5):56-61.建筑外环境经济型低影响开发设计模式研究 以南阳一中校园为例 陈泓宇,等61 11 李沐寒,尹海伟,唐爽.SUSTAIN 支持下的 LID 建设成本效益研究:以南京市鼓楼区为例J.风景园林,2020,27(11):57-63.12 刘家琳,李武肸,彭子岳,等.基于水文-成本综合绩效的山地公园雨洪管理景观系统策略研究J.风景园林,2021,28(7):90-96.13 林辰松,董宇翔,陈泓宇,李雄.基于 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