城市建筑小區(qū)內(nèi)土壤積蓄雨水能力的研究

廖 楷

(成都市建筑設計研究院，四川成都610015)

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城市建筑小區(qū)內(nèi)土壤積蓄雨水能力的研究

廖 楷

(成都市建筑設計研究院，四川成都610015)

針對城市大底盤開挖小區(qū)綠化土壤的雨水蓄水可能性進行了研究，并提出了相對合理的大底盤頂板上的土壤厚度參考值，以期在微觀上尋找出“海綿城市”發(fā)展的一個技術(shù)方向。

建筑小區(qū)； 降雨入滲； 回填土壤厚度； 雨水積蓄

中國城市化的迅速發(fā)展，使得有限的土地資源顯得非常稀缺，逼使建筑小區(qū)的建設朝著高大上方向發(fā)展，小區(qū)的土地利用率幾乎到達了極限。很多小區(qū)地面幾乎被建筑整體占用完了，沒能留下一點點的空隙。最常見的情況是地下建筑空間將小區(qū)用地全部占盡。

近年來，每年到了雨季，城市內(nèi)澇的現(xiàn)象比比皆是。城市內(nèi)澇除了自然氣候條件逐年變壞、暴雨更加集中的情況以外，城市雨水的出路是最大的問題。我們知道，雨水的出路不外乎是排和蓄的問題。城市越大，其匯水區(qū)域越大，匯水量必然增加，排放量也會大大增加。再加上底面硬化區(qū)域增大，雨水徑流系數(shù)增加，雨水排水峰值形成更快。

海綿城市概念的提出，就是充分利用現(xiàn)有資源，用時間換空間來解決雨水蓄和排的問題。雨水入滲地下，利用大地來存蓄雨水是一個有效的解決方案，只是城市提供雨水自然入滲地下的通道是越來越少。建設城市綠地、下凹場所、地下雨水調(diào)蓄池、地下蓄水池等等，是城市規(guī)劃建設要解決的問題。作為小區(qū)建筑，如何充分利用有限資源來解決雨水蓄留問題，是本篇文章討論的重點。

1 小區(qū)回填土壤蓄存雨水的提出

現(xiàn)今的建筑小區(qū)為了爭取最大的建筑面積，一般情況下是將整個小區(qū)的用地面積全部開挖后建成地下室。地面雨水除了按規(guī)劃要求設置的雨水調(diào)節(jié)池能接收部分調(diào)節(jié)雨水量外，其余大部分是由雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排入市政雨水管網(wǎng)，雨水入滲地下，幾乎沒有條件。為了減輕小區(qū)排入市政雨水管網(wǎng)的雨水排水量，還有沒有其他可供儲蓄雨水的地方呢？筆者將目光投向到小區(qū)的綠化區(qū)域。

對于建筑小區(qū)綠地率(居住區(qū)用地范圍內(nèi)各類綠地面積的總和占居住區(qū)用地面積的比率)的規(guī)定，《城市居住區(qū)規(guī)劃設計規(guī)范》要求為：新區(qū)建設綠地率不應低于30 %，舊區(qū)改建綠地率不宜低于25 %；《成都市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定(2014)》對住宅用地、住宅兼容商業(yè)服務業(yè)設施用地的綠地率規(guī)劃控制指標按為：第一分區(qū)≥25 %，第二分區(qū)≥25 %，第三分區(qū)≥30 %，第四分區(qū)≥30 %。

以成都市建筑設計研究院的三個實際工程為例，印證小區(qū)的綠地情況：

案例一，位于成都市金牛區(qū)金牛鄉(xiāng)金牛村的成都頤園項目，規(guī)劃建設凈用地面積73 573.26 m2，項目總?cè)莘e率約0.719，建筑密度約22.79%，總規(guī)劃建筑面積約為88 274.9 m2，綠地率30.21 %。

案例二，成都正基一期項目，地上建筑面積58 779.39 m2，建筑層數(shù)為14～18層，建筑高度為54.3～78.7 m，綠地率35.2 %。

案例三，位于成都市雙流縣的成都新鴻洋公司星空花園，規(guī)劃建設凈用地約56 667.1 m2。綠地率35 %。

對以上設計的典型建筑小區(qū)進行分析后，發(fā)現(xiàn)綠地率通常在30 %～35 %左右。

建筑小區(qū)既然有一定比例的綠地，但它們有沒有蓄存雨水的能力呢？為此做進一步的研討分析。

2 小區(qū)綠地土壤現(xiàn)狀分析

成都地區(qū)建筑小區(qū)內(nèi)綠地土壤主要用于小區(qū)內(nèi)花卉、草坪、地被、灌木、喬木等植物的種植。其綠地土壤多采用自然土，主要為酸性紫色土，母質(zhì)為石灰性紫色砂頁巖，全剖面呈均一的紫色或紫紅色，結(jié)構(gòu)較為松散，總孔隙度在40 %左右。

建筑小區(qū)綠地根據(jù)植被類型不同，對土壤厚度要求是不一樣的。對本文案例三個小區(qū)的調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 不同植被的覆土深度 m

根據(jù)表1結(jié)果，建筑小區(qū)土壤厚度通常在0.2～1.0 m之間。小區(qū)中土壤的含水率隨季節(jié)是變化的，而且變化很大。調(diào)查結(jié)果顯示，成都建筑小區(qū)內(nèi)，降雨間隙期內(nèi)的土壤含水率通常在15 %～20 %左右。

另外，有一個問題值得引起重視，就是在建筑小區(qū)內(nèi)覆土層中，實際的下層回填土并沒有按設計要求進行回填,回填土中含有大量的建筑垃圾。因此，小區(qū)內(nèi)綠地回填土的孔隙率和含水率還值得作進一步的探討和研究。

3 降雨入滲過程中土壤含水率變化情況的理論分析

降雨入滲是降雨滲入土體形成土壤水的基本水文過程。降雨經(jīng)植被層的截流損失后降落入土壤表面，在土壤界面發(fā)生水分的分配和轉(zhuǎn)化，部分水分通過土壤孔隙入滲，部分水分在土壤表面蒸發(fā)，其余水分將沿坡面流動匯集形成地表徑流。

對于一次降雨過程來說，降雨期間地表水汽含量近于飽和，土壤表面蒸發(fā)量可以忽略不計，而地表徑流是在降雨強度超出土壤下滲容量時產(chǎn)生的，故土壤積蓄雨水的能力決定了降雨雨量的分配。

通常情況下，土壤含水率沿深度方向變化。1943年，貝德曼(Bedman)和科爾曼(Colman)在考察均質(zhì)土層下滲過程中土壤水分剖面變化情況時發(fā)現(xiàn)，不同的土壤，盡管它們在下滲過程中，土壤水分剖面的具體變化不完全相同，但都可以劃分為四個有明顯區(qū)別的水分帶(圖1)[2]。

圖1 降雨入滲過程

最上層為飽和帶，這一帶厚度不大，一般不到1.5 cm，而且隨著降水時間的增長，這一厚度變化緩慢。飽和帶以下為水分傳遞帶，這是一個土壤含水量沿深度分布比較均勻、厚度較大的非飽和土層，其厚度隨供水時間的增長不斷增加，土壤含水量介于田間持水量和飽和含水量之間，約為飽和含水量的60 %～80 %。水分傳遞帶以下為濕潤帶，它是連接水分傳遞帶和濕潤鋒的水分帶。在這一帶中，土壤含水量沿深度迅速減小，并且在下滲過程中不斷下移。這一帶的平均厚度也大體保持不變。濕潤帶與下滲水尚未涉及到的土壤的交界面稱為濕潤鋒。在濕潤鋒處，土壤含水量梯度很大，因此在該處將有很大的土壤水分作用力來驅(qū)使?jié)駶欎h繼續(xù)下移。濕潤鋒是一個土壤間的接觸面，故又稱為濕潤鋒面或下滲鋒面。降雨入滲的過程就是土壤中含水率動態(tài)變化的過程。

4 不同厚度、不同初始含水率的土壤積蓄雨水能力理論測算結(jié)果

由于氣候條件的影響，土壤中的含水量是不一樣的。那么，初始含水量不同的土壤，其蓄水狀況又是如何的呢？

依據(jù)周春華等研究的理論模型[3]，對深度在0.60～1.80 m，初始含水率在12 %～24 %范圍內(nèi)的土壤積蓄能力進行了理論計算，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，土壤積蓄雨水的能力與土壤厚度成正比，土壤厚度越大，其積蓄雨水的能力越強；土壤積蓄雨水的能力與土壤初始含水率成反比，土壤初始含水率越高，其積蓄雨水的能力越弱。

表2 不同初始含水率、土壤厚度與積蓄雨水量 mm

以覆土厚度1.20 m為例，在初始含水率為15 %時，其土壤積水量可達177.8 mm；而在初始含水率為21 %時，其土壤積水量則減少到106.7 mm。

5 不同重現(xiàn)期暴雨過程累計入滲量的理論計算結(jié)果

以草地植被為例，參照劉目興等建立的計算模型[4]，按成都市降雨雨型對不同重現(xiàn)期暴雨過程的累計入滲量進行理論計算，結(jié)果如表3所示。

表3 不同初始含水率、重現(xiàn)期的累積入滲量 mm

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)隨初始含水率的增大，累計入滲量增大。這主要是由于初始含水率由土壤結(jié)構(gòu)決定，初始含水率越大，土壤的孔隙度和孔隙率越大，入滲速度越大。

(2)暴雨重現(xiàn)期增大，累計入滲量也增大，但增幅變小。這主要是由于土壤積蓄雨水的能力受降雨強度影響，隨暴雨強度的增大，土壤積蓄能力受限。

根據(jù)以上結(jié)果，可見當初始含水率為15 %的草地，在3 a重現(xiàn)期的成都暴雨雨型下，可以入滲量233.86 mm的雨水量。

6 建筑小區(qū)土壤厚度變化的經(jīng)濟性分析

由于用地緊張，建筑小區(qū)地上部分主要用于居住建筑、道路，通過地下車庫的建設來滿足車位要求，并在地下室頂板覆土層實施景觀、綠化。在這樣的條件下，設計建筑小區(qū)土壤厚度時，應結(jié)合地下室頂板結(jié)構(gòu)條件進行經(jīng)濟性分析。

以標準柱網(wǎng)為例(8 m×8 m，柱截面600 mm×600 mm)，頂板板厚180 mm，主梁截面400 mm×800 mm、450 mm×900 mm，次梁采用井字梁250 mm×600 mm、250 mm×700 mm；頂板上覆土厚度分別取0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m；活荷載考慮景觀取8 kN/m2(因消防車道分部范圍有限，不具代表性，本次研究未作考慮)。根據(jù)PKPM計算結(jié)果，對不同覆土厚度的混凝土、鋼筋用量統(tǒng)計見表4。

表4 不同覆土厚度下的頂板結(jié)構(gòu)混凝土、鋼筋用量

指標土壤厚度0.6m0.8m1.0m1.1m1.2m1.4m1.6m1.8m混凝土用量/(m3·m-2)0.370.370.370.370.410.410.410.41板鋼筋用量/(kg·m-2)14.3514.3514.3514.3514.3514.3514.3514.35梁鋼筋用量/(kg·m-2)31.9335.7039.4140.7942.2045.9450.6455.60柱鋼筋用量/(kg·m-2)3.533.764.024.134.284.464.745.12鋼筋總用量/(kg·m-2)49.8153.8157.7859.2760.8364.7569.7375.07鋼筋增量A1.08A1.16A1.19A1.22A1.30A1.40A1.51A

注：①覆土厚度為0.6～1.1 m時，主梁截面400 mm×800 mm，次梁采用井字梁250 mm×600 mm；

②覆土厚度為1.2～1.8 m時，主梁截面450 mm×900 mm，次梁采用井字梁250 mm×700 mm；

③所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用C30混凝土，主筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。

由表4可知，土壤厚度從0.9 m增加到1.2 m時，鋼筋增量為8 %；而土壤厚度從1.2 m增加到1.5 m時，鋼筋增量為13 %。土壤厚度變大，經(jīng)濟性變差。地下室頂板覆土厚度控制在0.9～1.2 m的厚度較為合適。

7 結(jié)論

城市建筑小區(qū)內(nèi)土壤具有一定的積蓄雨水能力。通過以上的探討，可以認為在城市建筑小區(qū)內(nèi)，土壤厚度越大，其蓄水能力越強。

但是，城市建筑小區(qū)由于受工程建設特定性質(zhì)的約束，土壤厚度是有一定的限制的。經(jīng)粗略研究，認為城市建筑小區(qū)內(nèi)土壤厚度設置在1.0～1.2 m，基本滿足常用的雨水設計重現(xiàn)期要求，而且，對于土壤中的積水排放也是合理的。

影響土壤積蓄雨水能力的外界條件太多，還有很多的問題值得更加深入地進行研究探討。

[1] 芮孝芳.水文學原理[M].北京：中國水利水電出版社， 2004.

[2] 周春華.大埋深條件下降雨入滲補給過程分析[D].長安大學， 2007.

[3] 劉目興，聶艷，于婧.不同初始含水率下粘質(zhì)土壤的入滲過程[J].生態(tài)學報， 2012(2)：871-878.

TU-14

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[定稿日期]2016-08-29