海綿城市理念下低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)及應用

孫巧蘭

(福州理工學院 工學院,福州 350014)

海綿城市理念下低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)及應用

孫巧蘭

(福州理工學院 工學院,福州 350014)

傳統(tǒng)的建筑雨水設(shè)計以迅速排放為宗旨，滿足人們對城市生活的安全性、舒適性的要求，忽略了自然生態(tài)的循環(huán)規(guī)律，引起城市內(nèi)澇的頻發(fā)，城市熱島的增強等；海綿城市的理念是采用低影響開發(fā)建設(shè)模式，充分發(fā)揮城市綠地、道路、水系等對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，使城市開發(fā)建設(shè)后的水文特征接近開發(fā)前，有效緩解城市內(nèi)澇、削減城市徑流污染負荷、節(jié)約水資源、保護和改善城市生態(tài)環(huán)境。在海綿城市理念下，建筑雨水系統(tǒng)的設(shè)計思想應發(fā)生根本的變化，從以人為本到注重生態(tài)，兼顧安全。

海綿城市；小區(qū)雨水；低影響開發(fā)

0 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加速，帶來了經(jīng)濟的快速發(fā)展，同時也伴隨著一系列的環(huán)境問題，在城鎮(zhèn)化的過程當中，破壞了原有的天然水體，城市的下墊面面積不斷擴大，地面的雨水徑流量不斷增加，一旦發(fā)生短時的暴雨天氣，城市原有的排水系統(tǒng)往往無法應對。這種情況下，不但排水系統(tǒng)工作負荷會超標，而且大量的降雨排放不及導致城中看海的局面。同時，對天然水體也會產(chǎn)生一定的污染，另一方面，各種水資源短缺的現(xiàn)象大量存在。如何做好現(xiàn)代的雨洪管理和解決日益短缺的水資源成為了迫在眉睫的問題。針對這些問題，2012年4月，在《2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中“海綿城市”的概念首次提出；2013年12月，習近平總書記在中央城鎮(zhèn)化工作會議中強調(diào)，要優(yōu)先考慮利用自然的力量，將雨水“留下來”，進一步強調(diào)了“海綿城市”的概念。 2014年10月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部(住建部)出臺了《海綿城市建設(shè)指南——低影響開發(fā)系統(tǒng)》。在此背景下，海綿城市的建設(shè)成為當下的熱點。我國正加快海綿城市的建設(shè)，全國已有130多個城市制定了海綿城市的建設(shè)方案。在美國、日本、澳洲等發(fā)達國家，海綿城市的建設(shè)已經(jīng)取得了顯著的成效并已實現(xiàn)了對雨水資源的合理利用和排放，我國還處于海綿城市建設(shè)的初級階段，通過研究海綿城市建設(shè)的主要手段——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)，選取福州市某一小區(qū)為樣本，提出建設(shè)適合小區(qū)這種“小海綿”的設(shè)計方案，以此為福州市其他小區(qū)海綿城市建設(shè)提供參考。

1 海綿城市概念與意義

1.1海綿城市

2014年10月，住建部發(fā)布的《海綿城市建設(shè)指南——低影響開發(fā)系統(tǒng)》指出：海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應環(huán)境變化和應對自然災害等方面具有良好“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]。海綿城市是對城市地下管道排水能力嚴重不足一個很好的補充，對雨水先進行集蓄并在雨量過后通過徑流，蒸發(fā)、回用等技術(shù)手段回用到大自然中，如圖1所示。海綿城市建設(shè)遵循了生態(tài)優(yōu)先的原則，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地遵循了自然的發(fā)展規(guī)律。

圖1 海綿城市的概念

1.2海綿城市建設(shè)的意義

提高應對短時暴雨的能力，告別“城中看?！钡木置妗厥倚獙е碌娜驓夂蜃兣?，同時短時強降雨的天氣發(fā)生的頻率越來越高。這種天氣具有強度大和不定時的特點，同時短時間內(nèi)會形成大量的地面徑流，按城市原有的硬質(zhì)不透水的地面和原有的排水系統(tǒng)的承受能力，根本無法應對，雨水無法及時排出，就會導致城市內(nèi)澇和水體的污染。建設(shè)海綿城市，在出現(xiàn)強降雨天氣時，海綿體可以作為城市原有排水系統(tǒng)的一個很好地補充，通過城市當中設(shè)置的海綿體將雨水先儲存起來，強降雨過后，雨水再通過自然蒸發(fā)、地面徑流等方式排放，從而解決短時強降雨帶來的城市內(nèi)澇問題，告別城中看海。

提高城市水資源的利用率,充分利用雨洪資源。當前城鎮(zhèn)化的加快導致大量的農(nóng)田等自然生態(tài)變成了城市的硬質(zhì)路面，水循環(huán)系統(tǒng)受到影響，雨水通過徑流大量排走，導致了城市地下水的嚴重不足。同時大量城市存在水資源短缺的現(xiàn)狀。在城市當中建設(shè)海綿體，降雨時儲存大量的水，在干旱缺水季節(jié)時，可以將儲存的水釋放出來，并通過雨水回用系統(tǒng)加以重新回收利用。讓城市的水資源進入一個良性循環(huán)。

建立良好的水文環(huán)境，保護生態(tài)系統(tǒng)。“海綿城市”建設(shè)十分注重對天然水體的保護利用，最大限度保持城市開發(fā)之前的自然水文環(huán)境，最大限度地保護原有的河流、湖泊等水系，同時與城市原有的園林、綠地和景觀相結(jié)合改善城市的生態(tài)環(huán)境，緩解城市的熱島效應。設(shè)置的雨水回用設(shè)施可以將雨水處理后再回用到城市雜用水系統(tǒng)，對于城市節(jié)水就有客觀的經(jīng)濟效益。

2 海綿城市的研究及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國外海綿城市的發(fā)展狀況

以美國、英國、澳大利亞等國家為代表的關(guān)于雨水利用與管理的實踐和研究大量始于20世紀七八十年代，經(jīng)過20多年的研究和實踐已經(jīng)形成了相當成熟的體系。美國在20世紀70年代就提出了 BMP(最佳管理模式)的概念，在80年代又提出了重視水質(zhì)管理BMPS的概念，90年代進入了重視源頭管理的LID時期[2]。美國通過這些雨水利用體系的實踐，已經(jīng)在各大洲建設(shè)了真正意義上的海綿城市，將雨水利用與自然生態(tài)和諧統(tǒng)一在一起。英國在1999年建立了SUDS(可持續(xù)排水系統(tǒng))[3]，通過立法等各種措施鼓勵在家庭內(nèi)部設(shè)置雨水回用系統(tǒng)。澳大利亞積極開展水敏感城市設(shè)計(Water Sensitive Urban Design)的研究與實踐[4]，并取得了較為成熟的經(jīng)驗。海綿城市的成功范例，如美國波特蘭的綠色街道、英國倫敦的奧林匹克公園，德國的波茨坦廣場雨水收集等等。

2.2國內(nèi)海綿城市的發(fā)展狀況

我國的海綿城市發(fā)展起步較晚，目前還處于初級階段，2007年4月發(fā)布的《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB50400-2006)是第一部關(guān)于雨水利用的規(guī)范。這部規(guī)范的發(fā)布對雨水回收利用等各方面都提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。2014年10月，住建部編制了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》，為海綿城市的建設(shè)提供了指導意見。2015年4月公布了武漢、廈門等16個國內(nèi)第一批試點城市。2016年4月公布了北京、福州等14個試點城市。海綿城市的建設(shè)在國內(nèi)如火如荼地進行。從大部分國內(nèi)的文獻可以看出，國內(nèi)關(guān)于海綿城市的研究大部分是借鑒國外LID理論結(jié)合城市實際情況進行規(guī)劃設(shè)計的。李進豐[5]研究指出海綿城市建設(shè)要注意的幾個問題，首先要突出規(guī)劃引領(lǐng)，進行科學建設(shè)，其次應重頂層設(shè)計，推進建設(shè)進程與實施力度，第三要大力開展試點，落實責任主體與經(jīng)驗推廣，第四應兼顧雨水徑流污染控制目標。張毅等[6]研究指出低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的建設(shè)應積極采用“PPP”模式，豎向設(shè)計、銜接設(shè)計和景觀設(shè)計是低影響開發(fā)雨水工程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。李佳穎等[7]在楊凌地區(qū)海綿城市的設(shè)計思路上，主要通過推行下沉式綠地、建設(shè)雨水花園及人工濕地等手段，用以優(yōu)化城市道路設(shè)計，提高公共綠地及居住區(qū)綠地的蓄水能力。胡東起等[8]提出了以流域控制為基礎(chǔ)，以城市管網(wǎng)及“山水林田湖”等大海綿體為依托，以LID為建設(shè)重點，多尺度多學科交叉建設(shè)海綿城市的途徑。

3 海綿城市的建設(shè)與低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)

低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)是指通過源頭設(shè)置一些分散的、小型的控制設(shè)備，在不改變原有開發(fā)地塊的水文環(huán)境的基礎(chǔ)上，有效地控制雨水徑流流量和面源污染。主要通過在源頭設(shè)置一些雨水管理設(shè)施如下凹式綠地、透水鋪裝、植草溝、雨水花園、綠色屋頂?shù)群推渌恍┰O(shè)施來延長匯流時間，削減洪峰流量來實現(xiàn)雨水的滲、蓄、滯、凈、用、排。3.1下凹式綠地

下凹式綠地指綠地高程低于周圍硬化地面高程約25 cm以內(nèi)的綠地，廣義的下沉式綠地還包括雨水塘、雨水濕地、生物滯留設(shè)施等各類雨水設(shè)施。由于下凹式綠地與周圍路面存在明顯高差，將傳統(tǒng)的平面綠地轉(zhuǎn)變?yōu)橄掳际?，消化原有地面產(chǎn)生的雨水徑流量，下雨時，周邊的雨水可以順高差流到下凹式綠地中，有效地減小了路面的雨水徑流量，間接減小了地下雨水管系的排水壓力。初期雨水中往往攜帶較多的污染物，可在下沉式綠地集中入水口前設(shè)置截污雨水口等來攔截一部分的初期雨水徑流污染，下凹式綠地本身具有雨水下滲的功能，通過下沉式綠地中植被的吸收，土壤的滲透，微生物的作用等一系列物理化學反應，有效地減少污染物，改善環(huán)境，還能補充地下水資源不足。下凹式綠地的設(shè)計需要與建筑的場地設(shè)計結(jié)合，同時要與景觀設(shè)計相協(xié)調(diào)。同時，為了確保周圍路面的雨水能順利進入下沉式綠地，需要合理地選擇雨水口和雨水口的設(shè)置方式。

3.2透水鋪裝

傳統(tǒng)的路面基本為硬化路面，阻礙了降雨時直接補給地下水的途徑，同時對周圍的空氣的溫度濕度都達不到調(diào)節(jié)的作用，導致城市熱島效應的產(chǎn)生。暴雨季節(jié)，地下雨水管網(wǎng)受限往往排放來不及導致硬化路面造成大量的積水，產(chǎn)生內(nèi)澇，輕則影響人車同行，嚴重時還會導致重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。透水鋪裝與傳統(tǒng)路面的區(qū)別就在于透水兩個字，運用孔隙率高，透水性能好的材料來鋪設(shè)路面，下雨時，雨水可以進入透水鋪裝的內(nèi)部或直接從滲透導透水鋪裝的下部，儲存一定的雨水或者通過設(shè)置在透水鋪裝下部的雨水收集和回用設(shè)施進行回收再利用。從而達到削減洪峰流量的目的，防止內(nèi)澇的產(chǎn)生，可以有效補充地下水資源，保護生態(tài)平衡，透水鋪裝還可以有效地降低路面的溫度，緩解城市熱島效應的產(chǎn)生。透水鋪裝還可以大大減少路面的積水，使路面不產(chǎn)生積水或者只有少量的積水，提高了雨季道路的安全性能，保證駕駛?cè)藛T和行人生命財產(chǎn)安全。

3.3雨水花園

雨水花園是人工挖掘的地勢較低的綠地，具有生物滯留和滲透雨水的作用，能大大地減少初期地面雨水徑流量，同時又與景觀相結(jié)合，起到美化環(huán)境的作用。目前廣泛使用在歐美等發(fā)達國家。雨水花園由外而內(nèi)一般由蓄水層、覆蓋層、種植土壤層、砂層和礫石層等五個部分組成，內(nèi)部設(shè)有穿孔管收集雨水，同時設(shè)有溢流管用于溢流超過雨水花園設(shè)計水位的水。

雨水花園的設(shè)計應盡量利用原有的地形地貌，選擇合適的土質(zhì)和植物，確保雨水花園的生物滯留、滲透和凈化功能。雨水花園作為低影響開發(fā)的一項源頭控制技術(shù)措施，除了生物滯留和滲透雨水作用以外，對植物根系、土壤起到凈化作用，它能夠有效地去除各種有機污染物，同時可以調(diào)節(jié)周圍空氣溫度和濕度，改善環(huán)境條件，同時給人以美的享受。

3.4植草溝

植草溝是種有植被的室外地表溝渠，它在傳統(tǒng)溝渠的基礎(chǔ)上增加了植被，除了能夠提高場地的景觀環(huán)境質(zhì)量以外，作為低影響開發(fā)一項技術(shù)措施，還能有效地減緩雨水徑流速度，延長雨水的匯流時間，減少積水，同時，溝內(nèi)的植物還具有初期滯留和生物凈化的作用，減少系統(tǒng)的污染，很好地與其他低影響開發(fā)技術(shù)措施和雨水管渠系統(tǒng)實現(xiàn)銜接。植草溝可分為干式植草溝和濕式植草溝，干式植草溝透水性好，減少了水淹對植被的危害，同時可在植草溝的下部設(shè)置雨水收集和轉(zhuǎn)輸管渠最大限度地提高了雨水的吸收，滲透和凈化功能，較適用于一般建筑小區(qū)；濕式植草溝下滲性能不如干式的，同時設(shè)置了堰板，植草溝長時間處于濕潤或者積水狀態(tài)，適用于小型停車場排水系統(tǒng)。植草溝的設(shè)計同樣要與室外場地標高相結(jié)合，充分利用重力自流排水，合理劃分雨水匯水面積，使雨水量分布均勻，同時與周圍的建筑物和景觀環(huán)境相協(xié)調(diào)，自然融為一體。

3.5綠色屋頂

綠色屋頂又稱為生態(tài)屋頂，是指在各類建筑物的屋面種植綠化，營造綠色生態(tài)的景觀屋頂。綠色屋頂作為低影響開發(fā)的又一技術(shù)措施，因其徑流系數(shù)只有傳統(tǒng)屋頂?shù)娜种唬蟠笙魅趿擞晁畯搅骺偭?，在一定程度上減小了洪澇災害。同時，以建筑屋面占小區(qū)總面積的四分之一計算，屋頂綠化不但增加了人均綠化面積，還能在一定程度上調(diào)節(jié)屋面的溫度，達到冬暖夏涼的效果，屋頂?shù)闹参锏墓夂献饔?，呼出大量的氧氣，通過綠化層的吸附和滯留作用，可大大減少空氣中的灰塵，提高空氣質(zhì)量，在視覺上也能給人以美的享受。綠色屋頂適合于平屋面和建筑找坡較小的坡屋面，同時要考慮當?shù)氐臍夂驐l件，屋頂?shù)某兄?、防水層等都要充分考慮，厚度要滿足屋頂綠色植物的種植，達到雨水減排和凈化的目的。

3.6其他技術(shù)措施

除了以上常用的低影響開發(fā)的技術(shù)措施外，還有一些其他技術(shù)措施，如設(shè)置雨水蓄水池，雨水滲透塘，滲管、滲渠、初期雨水棄流裝置等來實現(xiàn)雨洪管理。

4 工程實例

4.1項目概況

工程位于福州市倉山區(qū),由地下二層地下室和地上5棟10層辦公樓組成，總用地面積為31864.20 m2，總建筑面積為137837.40 m2，室外綠地總面積為9560.0 m2，道路面積約為5333.9 m2，廣場鋪地面積約為6303.07 m2，如圖2所示。

圖2 工程室外總平面圖

4.2雨水利用方案

本工程雨水利用方案采用雨水入滲和收集回用兩個系統(tǒng)相結(jié)合，減少雨水排入市政管網(wǎng)的流量，降低市政雨水管網(wǎng)和水體的負荷。同時收集室外綠化和道路的雨水以及部分的建筑屋面的雨水進行回收利用，通過雨水收集管網(wǎng)收集，收集的雨水先經(jīng)棄流、緩流、截污、沉淀、過濾等物理工藝去除物理雜質(zhì)，再通過埋地PP模塊水池組收集，經(jīng)殺毒處理后供給綠地澆灌、道路沖洗等用水；雨水蓄水池處于低水位時采用市政自來水補水，并采取間接補水防止回流污染。本工程充分利用場地空間合理設(shè)置綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施，下凹綠地占綠地總面積約32.1%，實現(xiàn)場地設(shè)計控制雨量為22.4 mm；硬質(zhì)鋪裝地面均采用透水性鋪裝，如圖3、圖4所示。

圖3透水磚路面結(jié)構(gòu)斷面圖圖4透水瀝青路面(表層排水式)結(jié)構(gòu)斷面圖

4.3徑流系數(shù)分析

項目建成后的平均徑流系數(shù)，見表1。

表1 徑流系數(shù)分析表

4.4雨水收集量分析

本項目收集建筑屋面、綠化和道路的雨水，經(jīng)過處理和消毒后用于綠化灌溉、道路澆灑。暴雨強度計算：

q=2136.312(1+0.700LgTe)/(t+7.576)0.711

(1)

其中，q為暴雨強度；Te為暴雨重現(xiàn)期；t為始端積水時間。

設(shè)計雨水流量計算:

Q=qφF/10000(L/S)

(2)

其中，Q為設(shè)計雨水流量；φ綜合徑流系數(shù)，由表1可以算出綜合徑流系數(shù)為0.746；暴雨重現(xiàn)期：Te=5年，始端集水時間：t=10分鐘。根據(jù)上述公式可計算出每月可收集到的雨水量，逐月收集雨水量見表2。

表2 逐月收集雨水量表

備注：雨水實際可利用量按可收集量的70%。

4.5雨水回用系統(tǒng)水量平衡分析計算

回用系統(tǒng)的最高日用水量計算如下：室外綠地澆灑水量為2 L/m2，每天總澆灑水量為19.1 m3；路、廣場鋪地等澆灑水量為2 L/m2，每天總澆灑水量23.3 m3；所有雨水用戶最高日用水量42.4 m3。 雨水可回用量的計算如下：收集的總面積為10292.8 m2，綜合流量系數(shù)為0.443，雨水設(shè)計日徑流總量237.0 m3，初期棄流流量35.6 m3，雨水可回用量161.1 m3。室外設(shè)一個160噸的地埋式PP雨水收集處理池。水量平衡計算詳見表3。

表3 雨水收集水量平衡分析表(未注明單位的均為m3)

4.6下凹綠地計算

本工程充分利用場地條件設(shè)置低影響雨水設(shè)施——下凹綠地，下凹綠地占綠地總面32.1%，具體面積見表4，場地設(shè)計控制雨量應不低于20.4 mm，但低于33.9 mm。其中收集回用系統(tǒng)雨水收集池容積為160 m3，下凹綠地滯蓄的體積應大于153.31 m3，且應小于360.65 m3。下凹綠地按下凹深度120 mm，雨水口高出下凹綠地60 mm，下凹綠地儲存深度為60 mm。本工程綠地總面積為9560.0 m2，下凹綠地面積為3076.5 m2，下凹深度為120 mm，實現(xiàn)場地設(shè)計控制雨量為22.4 mm；另外，硬質(zhì)鋪裝地面均采用透水性鋪裝。

表4 小區(qū)綠地面積表

5 結(jié)語

我國還處于海綿城市建設(shè)的初級階段，本文通過研究海綿城市建設(shè)的主要手段和實際的工程實例相結(jié)合，通過設(shè)置雨水入滲和雨水收集回用系統(tǒng)等低影響雨水開發(fā)技術(shù)手段，希望能為福州市海綿城市建設(shè)提供參考。

海綿城市的建設(shè)在我國具有重要現(xiàn)實意義，不僅能在一定程度上改善城市內(nèi)澇的問題，也能大大地改善生態(tài)環(huán)境，提高水資源利用，保護天然水體。海綿城市建設(shè)將是一段漫長的歷史過程，不能一蹴而就，低影響開發(fā)技術(shù)應與建設(shè)城市的自然地理條件、暴雨強度等相結(jié)合，因地制宜，合理開發(fā)利用，最大限度地保護原有自然水文環(huán)境，實現(xiàn)人與自然地可持續(xù)發(fā)展。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.

[2] 弓亞棟. 建設(shè)海綿城市的研究與實踐探索[D].西安:長安大學,2015.

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LowImpactDevelopmentofRainwaterSystemandItsApplicationundertheConceptofSpongeCity

SUN Qiao-lan

(Engineering Institute, Fuzhou Institute of Technology, Fuzhou 350014, China)

The traditional design principle of building rainwater is to rapidly discharge, it meets people's safety and comfort requirements of urban life, but ignores the natural ecological cycle, and this causes frequent water logging and enhanced heat island of the city; Sponge city concept is to adopt low impact development and construction model, give full play of rainwater storage, infiltration and release effect of the city green area, road water and stream, so as to maintain the hydrological characteristics close to that before city development, which effectively alleviate the city water logging, reduce city runoff pollution load and save water resources, protect and improve the ecological environment; under the design concept of the sponge city, construction of rainwater system should be changed from people-oriented to ecological safety.

sponge city; community rainwater; low impact development

TU991

A

1009-7961(2017)05-0068-07

2017-05-06

孫巧蘭(1983-),女，福建福州人，高級工程師，主要從事城市給排水和建筑給排水研究。

(責任編輯：孫文彬)