城市海绵体雨水抽蓄设计计算书

城市海绵体雨水抽蓄设计计算书0前言海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，降雨时能够就地或就近“吸收、存蓄、渗透、净化”径流雨水，补充地下水、调节水循环，在干旱缺水时有条件将蓄存的水“释放”出来并加以利用。海绵城市建设的核心在于统筹低影响开发雨水系统、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统，实现对雨水径流的全流程管控。城市海绵体作为低影响开发系统的核心载体，涵盖透水铺装、下凹式绿地、生物滞留设施、雨水调蓄池、雨水花园、植草沟等多元设施，通过“渗、滞、蓄、净、用、排”六字方针实现雨水的全过程管理。本计算书以某城市新建片区为工程背景，针对设计暴雨事件下由海绵体蓄存的雨水，通过雨水抽蓄站进行集中排放的工程场景，进行系统性的水力计算与验证。计算依据现行国家标准及技术规范，逐项说明设计参数、计算公式、数值代入和结果校核，形成一份完整、可追溯、可复用的设计计算文件。1编制依据1.1主要规范及标准1.《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》（建城函[2014]275号），住房城乡建设部2.《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB51174-2017）3.《城镇内涝防治技术规范》（GB51222-2017）4.《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》（GB50400-2016）5.《室外排水设计标准》（GB50014-2021）6.《海绵城市雨水控制与利用工程设计规范》（DB11/685-2021，北京地方标准）1.2计算基本原则-海绵城市建设应遵循“规划引领、生态优先、安全为重、因地制宜、统筹建设”的基本原则-雨水调蓄设施的设计调蓄量应根据雨水设计流量和调蓄设施的主要功能，经计算确定-低影响开发雨水系统可通过雨水渗透、储存、调节等功能，有效控制径流总量、径流峰值和径流污染2符号说明本计算书所涉及的主要符号及其含义如下：符号名称单位F汇水面积ha（hm²）F透水铺装面积m²f土壤入渗率mm/hh设计降雨量mmh下凹式绿地蓄水深度mi暴雨强度mm/minn暴雨强度公式参数—P设计重现期aQ设计雨水流量m³/sQ调蓄设施上游设计流量m³/sQ调蓄设施下游设计流量m³/sQ抽水泵站设计流量m³/st降雨历时/设计蓄水时间min/ht排空时间hV设计调蓄容积m³V总设计调蓄容积m³V抽蓄站储水容积m³α脱过系数—β安全系数—ψ综合径流系数—ψ透水铺装径流系数—ψ第i类下垫面径流系数—3工程概况与基础数据3.1工程概况本工程位于某城市新建片区，总用地面积F=12.5ha（即0.125km3.2降雨设计参数（1）设计重现期根据《海绵城市建设技术指南》及项目所在地防洪排涝规划，片区排水系统设计重现期取P=5a，城市内涝防治设计重现期取P=30a。海绵体的蓄渗排能力按P=5a设计，抽蓄站按P=5a设计，同时校核（2）年径流总量控制目标与设计降雨量依据《海绵城市建设技术指南》分区的年径流总量控制率取值范围，本工程所在区域属Ⅲ区，设计年径流总量控制率取α=80%。依据项目所在地近30年日降雨资料的统计，α=80%对应的设计降雨量为（3）暴雨强度公式采用项目所在城市的暴雨强度公式：i其中：i为暴雨强度（mm/min），P为重现期（a），t为降雨历时（min）。式中参数b=8.360，n3.3下垫面分区及径流系数按不同下垫面类型分区确定径流系数，汇总如下：分区编号下垫面类型面积Fi径流系数ψA屋面（硬化屋顶）3.750.85B不透水道路2.500.90C不透水广场1.250.85D普通绿地1.500.20E透水铺装2.500.25F下凹式绿地0.500.15G水体/雨水花园0.50——合计12.50—透水铺装面积为Fp=2.50ha（约占片区总面积的20%），下凹式绿地面积为Fg,综合径流系数按下式计算：ψ代入数值：ψ=4雨水径流量计算4.1设计暴雨强度计算根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》GB51174-2017第3.1.3条，当调蓄设施用于削减峰值流量时，应通过比较上下游流量过程线确定调蓄量。由于本工程汇水面积F=12.5雨水设计流量按《室外排水设计标准》推理公式计算：Q降雨历时t=10min，重现期ilgi(18.360i代入流量公式：Q4.2不同重现期下的设计流量重现期P(a)设计暴雨强度i(mm/min)设计流量Q(m³/s)21.561.9551.932.41102.252.81202.583.23302.773.46可见随重现期增加，设计流量显著增长。海绵体与抽蓄站的协同作用，将在P=5a5海绵体蓄渗量计算5.1容积法设计调蓄容积根据《海绵城市建设技术指南》，当调蓄设施用于源头径流总量和污染控制时，调蓄量按下式计算：V其中：V为设计调蓄容积（m³），h为设计降雨量（mm），ψ为综合径流系数，F为汇水面积（ha）。代入数值：V此即在全片区层面应设置的海绵体总调蓄容积的理论值。5.2各类海绵设施调蓄能力核算5.2.1下凹式绿地调蓄容积下凹式绿地是城市海绵体的重要组成部分，其设计下凹深度应根据设计调蓄容量、绿地面积、植物耐淹性能和土壤渗透性能合理确定。本工程下凹式绿地面积为Fg,d=0.50ha，下凹深度hd=0.15mV5.2.2透水铺装蓄渗能力透水铺装的蓄渗能力分为结构层蓄存和向下渗入两方面。透水铺装结构包括面层、找平层、基层和垫层。本工程透水铺装基层采用级配碎石，设计厚度Ds=0.25m，孔隙率nV注：此Vstorage,p为透水铺装基层理论最大蓄水容积，但实际运行中，由于持续降雨过程中下渗通道不断排水，真正参与调蓄的有效容积应结合排空时间和下渗速率进行动态校核。保守设计中可对Vstorage,p透水铺装的下渗速率可达fp≈300mm/h（透水混凝土面层），远高于普通土壤。这意味着一场历时1小时的暴雨中，透水铺装可使5.2.3生物滞留设施调蓄容积生物滞留设施的表面积按下式计算：A其中：Af为生物滞留设施表面积（m²），V为调蓄容积（m³），fm为土壤入渗率（mm/h，取fm=25mm/h），dbc为种植层和砾石层总厚度（mm，取dbc=500mm），nr为平均孔隙率（取在已知海绵设施类型和尺寸的条件下，可反算实际调蓄容积。本工程雨水花园面积为Frain=0.30ha，表面蓄水层深度dV5.2.4普通绿地下渗能力普通绿地在海绵城市建设中不仅是景观元素，更是雨水渗蓄的重要载体。依据达西定律及经验公式，普通绿地的稳定下渗率约为fsoil=15mm/h。在5年重现期暴雨（降雨强度i5.2.5海绵体总调蓄容积V取透水铺装折减系数KtVVtotal=2175m35.3海绵体综合渗透速率在海绵体全部发挥下渗功能的理想条件下，可利用水量平衡原理估算系统综合渗透速率。由于本项目下垫面组成中以不透水面（硬化屋面、不透水道路、不透水广场等，共计7.5ha）占主导，前述海绵体调蓄容积已能容纳目标设计降雨量下的全部径流，下渗速率的精确核算需结合各类设施的实际运行特性另行建模计算，不在此赘述。对于设计初期规划阶段，5.2节中各海绵设施的调蓄容积核算已满足基本设计需求。6雨水抽蓄站设计计算6.1调蓄削峰容积计算根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》GB51174-2017第3.1.3条，调蓄设施用于削减峰值流量时，调蓄量通过比较上下游流量过程线确定：V在已知流量过程线的条件下，按积水面积法简化估算。若已知设计重现期的天然洪峰流量Qp（无调蓄时排水系统出口峰值流量，根据4.2节，P=5a时QpV取Qallow=1.5m3/s（下游管网受纳能力），有效蓄水时间tV若缺乏流量过程线资料，可采用脱过系数法按下式计算：V其中α为脱过系数，取值为下游与上游设计流量之比α=Qo/Qi。取αV脱过系数法结果较积水面积法保守（偏小），系因为脱过系数法假设下游排放能力恒定、蓄水过程线性化所致。工程设计实践中，当条件允许时，应以基于流量过程线的积分法结果为设计依据，并取两者中较大值并乘以安全系数。建议抽蓄站调蓄削峰容积取Vpump=2000m6.2抽水泵站设计流量抽水泵站的设计流量综合考虑两个因素：一是海绵体蓄水在允许排空时间内的抽排量；二是下游管网受纳能力。海绵体蓄存的雨水应在降雨停止后规定时间内抽排排空，为下一场降雨腾出调蓄空间。设计排空时间tpQ此值远小于下游管网受纳能力1.5m3/s，因此抽水泵站的设计流量受限于下游管网受纳能力Q其中η为排放效率（取0.9）。但需注意：当Qpump过小时，削峰后下游管网实际负荷未被有效降低，溢流风险上升；当Qpump参考类似工程经验，取Qpump=1.2m3Q6.3抽蓄站有效容积确定雨水抽蓄站的有效容积按以下二者中较大值取定：-削峰所需调蓄容积V-海绵体总调蓄容积V取Vpump,eff抽蓄站的超高Hfreeboard6.4系统水量平衡校核抽蓄站运行的核心在于平衡来水量与出水量：降雨期间，海绵体蓄水汇入抽蓄站，同时抽蓄站以Qpump=1.44m3/s的流量向下游管网抽排，抽排过程贯穿整个降雨事件及后续排空时段。P=5W抽蓄站在降雨过程中排放的水量为：W降雨结束时抽蓄站剩余蓄水量为：W由于抽蓄站有效容积为2175m3，Wremain>Vpump,eff意味着抽蓄站7校核与验证7.1年径流总量控制率校核海绵体设计调蓄容积Vdesign=1875m3，实际调蓄容积Vactual=2175VVeffective≈1849m3，与Vdesign=1875m7.2排涝除险能力校核根据《城镇内涝防治技术规范》GB51222-2017，应对P=30a内涝防治设计重现期工况进行校核。P=30a抽蓄站设计抽排能力Qpump,design=1.44m3/s7.3排空时间校核降雨停止后抽蓄站应在规定时间内排空，为下一场降雨腾出空间。设计排空时间tpt实际排空时间约0.42小时（约25分钟），远小于规范要求的24小时，满足要求。7.4工程类比验证参照国内同类海绵城市建设项目，华中农业大学襄阳校区建设用地面积62808m²（约6.28ha），年径流总量控制率82%，设计降雨量26.5mm，理论所需调蓄容积846m³，实际通过下沉式绿地、雨水花园、透水铺装、人工湖和雨水调蓄池（350m³）共实现调蓄容积933m³，对应实际控制降雨量29.13mm。本项目片区面积约12.5ha，约为襄阳校区案例的2倍，设计调蓄容积1875m³约为该案例846m³的2.2倍，比例吻合。项目海绵设施布局和抽蓄系统设计的规模合理性得到了工程类比验证。8总结（1）主要结论本计算依据《海绵城市建设技术指南》和《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB51174-2017）等标准规范，完成以下设计计算：-片区综合径流系数ψ-海绵体设计调蓄容积Vdesign=1875m-抽蓄站有效容积Vpump,eff-实际排空时间tp=0.42h各指标满足5年重现期雨水径流控制要求，抽蓄系统与海绵体衔接顺畅、运行高效。（2）优化建议-建议本工程后续阶段采用暴雨管理模型（SWMM）等数值仿真工具，对管网流量过程线进行详细模拟，以精确修正抽蓄站调蓄容积；-建议同步设计片区