海綿城市建設在天津某生態(tài)城建筑小區(qū)的探索與實踐

文/王金成、史靜孌 中國市政工程華北設計總院有限公司 天津 300381

隨著工業(yè)化進程加快，每年約有一千多人涌入城區(qū)，城市化發(fā)展擾亂了原有生態(tài)平衡，城市原有地理景觀逐漸改變，我國新建建筑約占世界總建筑量的1/2，硬化材料在吸收太陽輻射熱后被反射回大氣，導致產生溫室效應。硬質化面積增加導致地面徑流系數增大，降雨徑流總量增大，雨水成為城市排水的負擔。攜帶地表污染物的初期雨水及下水道污染物迅速流入河網，對水體造成嚴重污染，傳統(tǒng)的城市地下管道雨水管理方式不能避免洪澇災害的損失。隨著城市化率，城市需水總量不斷增長，雨水可利用量不斷增加，充分利用雨水資源，構建城市雨水系統(tǒng)，能環(huán)節(jié)城市雨水帶來的水體污染，改善城市生態(tài)系統(tǒng)。歐美國家設計師在城市設計中貫徹對雨水的操作管理，深圳等大城市內澇頻發(fā)推動對城市排水系統(tǒng)設計的探討，習近平總書記在2013年中央城鎮(zhèn)化工作會議中要求建設海綿城市，指出城市發(fā)展應遵循順應自然的低影響開發(fā)模式，將初期雨水徑流中的污染物削減，緩解目前極端氣候引發(fā)的城市保安與內澇及水污染現象，2014年住建部頒布《海綿城市建設技術指南》，海綿城市開始在我國各地進行試點工作。

1、海綿城市的研究

海綿城市是指城市像海綿一樣，讓雨水在城市的利用中更加便利，在降雨中雨水可以通過吸收下滲及處理凈化等方式積蓄，需要使用時用以灌溉、補充景觀水體等，海綿城市能壓縮恢復，應對自然災害，防洪減災。海綿體包括小區(qū)建筑物的屋頂、園林綠化等相配套設施，及城市各種水系。傳統(tǒng)的城市規(guī)劃未考慮雨水的可持續(xù)利用，只是利用雨水口，雨水泵站等設施收集排出雨水，盲目開發(fā)使得雨水無法及時下滲利用，海綿城市可以有效解決城市內澇問題，對保持生態(tài)平衡具有重要意義【1】。

雨水產生的洪澇災害等造成經濟損失與人員傷害巨大，很多發(fā)達國家重視城市雨洪的控制，出臺了系列可行的政策，有效理收集利用雨水。美國環(huán)保局在70年代提出BMP 的概念，重點利用雨水解決水質的問題，BMP 措施在德國、新西蘭等國家地區(qū)廣泛應用，美國暴雨研究專家進行景觀控制的微觀探討，提出低影響開發(fā)的觀點，日本的管理政策，英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)等在發(fā)達國家雨洪控制管理利用中起到了良好效果。

2、海綿城市技術模式

城市化進程不斷發(fā)展，對城市環(huán)境造成了惡劣影響，雨水管理不力導致多個城市發(fā)生澇災，2013年，習近平總書記提出建設自然凈化的海綿城市。建設海綿城市宗旨是使城市充分吸收雨水，傳統(tǒng)城市雨水處理造成大量雨水被排走，城市綠地灌溉加劇了水資源短缺問題。雨水是缺水城市中寶貴的資源，如能高效利用雨水可以緩解用水壓力，城市雨洪管理理念是雨水消納，讓雨水就地資源化【2】。

傳統(tǒng)路面多由瀝青混合料鋪裝成，路面排水要引導雨水流入排水管道，對排水系統(tǒng)造成很大的壓力，可滲透路面擁有諸多優(yōu)點，包括吸收車輛行駛噪音，增加土壤含氧量等?？梢员苊鈧鹘y(tǒng)路面對水資源浪費的問題。透水路面分為縫隙與自透水，縫隙透水主要材料為不透水磚，將相鄰磚塊留出空隙填充砂粒，縫隙透水以較低的造價獲得廣泛的應用，其路面坑洼的特點導致行人車輛難以通暢，多用于住宅小區(qū)邊沿綠地鋪裝。自透水路面包括混凝土及瀝青路面，雨水降落在路面后，順材料孔隙下滲到基層，可以極大程度的補給地下水，改善雨天人行路積水的現狀，自透水路面承載能力不強，目前多用于停車場，人行道等。

城市綠地在城市道路旁、廣場及公園等很多地方，如果城市內綠地覆蓋率降低，通過排水系統(tǒng)排出雨水，我國綠地建植更多為改善空氣，提升景觀品質，很多綠地每天需要養(yǎng)護澆水，下凹式綠地的特點是高程低于道路，可賦予綠地更多空間雨水。下凹式綠地要求植物有一定耐水淹能力，對當地土壤排水能力有一定要求，雨水積存可能導致植物被淹死，可以種植耐水淹的牛鞭草，楓楊等草木，將道路設計成中間高兩邊低的形態(tài)，設置管道使雨水流入綠地中，保證暴雨時徑流排放。

濕地具有很好的接納雨水能力，當前某些水系發(fā)達的城市由于有良好的濕地較少受澇災影響，城市規(guī)劃中需保留城市中的河流，池塘等，對受到破壞的城市水體等，使其水文循環(huán)特征逐步恢復。可以采用表流與潛流結合方式建設濕地，表流濕地為淺水體與濕地植物結合，可帶來更多景觀視覺享受，其利用植物根系凈化效率較低，表流濕地可建在地勢較高的地方，潛流濕地可以充分利用植物根系的微生物吸附作用，無表面水，潛流濕地實用性較強，在凈化污染水體中應用廣泛【3】。

建設濕地公園中可引入雨水花園設計理念，在地勢低的區(qū)域設置植物工程設施，縱向由蓄水層，種植土層及礫石組成，礫石層中穿孔管經滲濾凈化的雨水浸入，雨水花園需要定期清理內部植物產生的掉落物。

廣義上的綠色屋頂指各類建筑物等頂層上種植樹木花卉，可以削減屋面雨水徑流量，通過屋頂植被層截留部分天然雨水，利用種植基質土壤滲透凈化雨水中的污染物。綠色屋頂是將低影響開發(fā)理念應用到建筑物上，雨水部分由植物蓄存，部分經簡單處理用于建筑內部用水。

3、海綿城市設計原則

海綿城市建設中需要遵循一定的設計原則，才能發(fā)揮海綿城市的有效作用。海綿城市設計中應堅持以生態(tài)水文條件為場地開發(fā)主要設計元素，實行源頭生態(tài)型微管理手段，促進多專業(yè)全方位融合，實行源頭控制措施，雨水利用措施多管齊下。

傳統(tǒng)城市排水理念是將雨水快速排出場地，海綿城市建設理念是通過規(guī)劃工具保護原有自然水文功能，從規(guī)劃到施工管理全方位調控，減少對開發(fā)自然生態(tài)環(huán)境的破壞。首先要全面分析影響區(qū)域水文狀況的自然條件，如氣候特征，地形地貌等。界定保護城市的生態(tài)敏感區(qū)，雨季易發(fā)生泥石流等地質災害，應注重水土保持，城市建筑系統(tǒng)等各項要素在場地開發(fā)布局規(guī)劃中必須與自然環(huán)境協(xié)調，推廣生態(tài)交通網絡的實施，如道路等應建設在土壤滲透性較差的區(qū)域，必要的不透水區(qū)域需分散隔開，將屋面雨水引入植草溝中，阻斷城市的不透水面。

微管理手段主要包括控制區(qū)域大小，控制暴雨強度，自然水文功能是均勻分布在場地中，場地開發(fā)后均衡被打破，通過傳統(tǒng)設施發(fā)揮場地生態(tài)水文功能的較為困難，應從減少影響的源頭做起。在小集雨區(qū)內設施源頭微管理手段，在場地中分散布置小型生態(tài)措施達到降雨的雨水滯留目的，減少暴雨對地下排水管網帶來的壓力。源頭生態(tài)微管理手段是最經濟的暴雨管理策略，采用傳統(tǒng)的某段口直策略很不經濟，國外傳統(tǒng)暴雨控制措施需要與生態(tài)管理技術結合，減少工程材料的使用率，使用原生植物對雨水管理時，與場地景觀結合【4】。

源頭生態(tài)控制措施是針對高頻率的降雨事件提出，分散式源頭微管理技術不能滿足強降雨徑流量的控制，必須與雨水利用措施配合，如建設行洪通道，多功能景觀水池等，加強建筑系統(tǒng)的雨水回用技術應用，才能應對高強度下的雨水管理，減少暴雨對城市帶來的危害。傳統(tǒng)城市規(guī)劃中，各子系統(tǒng)之間系統(tǒng)協(xié)調性差，海綿城市理念提供更合理的模式，將子系統(tǒng)有機聯系對城市暴雨進行管理。將雨水資源利用與城市道路系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等緊密結合，使暴雨徑流在源頭得到控制，通過大型防澇設施得到有效的調蓄利用，通過多層次的協(xié)調配合，使屋頂，停車場，人行道等城市場所能夠具備基本功能，具備滲透雨水的附帶功能。

4、天津市水資源環(huán)境現狀

4.1 天津市地理環(huán)境概況

海綿城市建設以雨洪控制為出發(fā)點，不同地區(qū)具有各自的自然社會特征，要想構建城市生態(tài)雨水系統(tǒng)，必須充分了解地區(qū)的特殊情況，結合天津生態(tài)城地處鹽堿區(qū)的特征來分析相關技術措施的適應性，針對性的規(guī)劃海綿城市設計。

天津地處華北平原北部，位于海河下游，北部有低山丘陵，地貌總輪廓為西北高東南低。天津地跨海河，大部分地區(qū)為沖擊平原，海河是華北最大的河流，中游附近匯合永定河、子牙河，在天津金剛橋附近三岔口匯合成海河干流，有獨流減河等6 條人工河道，二級河道有79 條，海河水鹽堿度較高，不用于飲用。過去天津地下水蘊藏量豐富，北部山區(qū)礦化度低，近年來地下水長期超采，導致產生地面沉降，地下水污染等嚴重的負面效應，天津人均水資源占有量不足全國人均占有量的1/7.

天津地勢低洼，容易發(fā)生內澇，天津毗鄰渤海，經常受海風暴潮的襲擊，天津市特殊的地理位置決定必須承擔防洪澇海潮的任務，水體系主要由各小區(qū)內排水管網，泵站組成，境內瀝水主要由小區(qū)內雨污水管網系統(tǒng)收集，排入一級河道，部分雨水通過渠道排入蓄水設施，如遇特大暴雨易在市內形成積水，天津年均降水量約542.9mm，繼續(xù)建立吸納雨水的城市系統(tǒng)分擔排水系統(tǒng)壓力【5】。

天津生態(tài)城試點位于生態(tài)合作區(qū)南部，試點年均降雨量為500-600MM，區(qū)內原始下墊面層類型主要包括鹽堿皇帝，廢棄鹽田，及少量村莊耕地等，目前雜件區(qū)面積近9km2，生態(tài)城試點區(qū)面臨的重要問題是原始地形排水不暢，水體嚴重惡化，土壤條件不利。生態(tài)城地貌地形為海積低平原區(qū)，存在部分地市低洼地帶，受上游來水，自身地形限制等因素影響，試點區(qū)原始條件下排水不暢。生態(tài)城土壤類型主要以黏土為主，水平垂直滲透系數在1 ×107cm/s 地下水埋深較淺，礦化度較高，土壤鹽堿化程度高，城市綠化建設難度大。

4.2 天津市水資源環(huán)境中的問題

天津水資源環(huán)境目前存在的主要問題是水資源短缺，河流制排水就雨污水管道混接。天津市人均水資源量為104.49m3/人，為國家北方典型資源缺水型城市，地下水環(huán)境脆弱，主要靠地表水補給，地區(qū)分布不均，枯水年份與豐水年份差別大，南部地區(qū)中心城區(qū)是水資源需求大的區(qū)域，天津市年引灤水量達5.458 億m3。

經流天津市內的河道眾多，天津境內有19條I 級河道總長度1095.1km，天津持續(xù)加大水體環(huán)境治理改善工作，通過美麗天津工程項目，河道水體污染得到緩解，但整體污染形勢依然嚴峻。對全市43 條河流進行水質監(jiān)測，采用《地表水環(huán)境質量標準》評價，劣質水河占72.7%，II 類水河占評價河長4.7%，V 類水河占14.4%。檢測結果顯示主要污染指標為氨氮、高猛酸鹽指數。我國《室外排水設計規(guī)范》有7 版進行修訂，規(guī)范歷次的修訂是在深入總結排水工程建設特點，主要技術設備變化進行，逐步提升雨水管道設計標準，2014 版規(guī)范中對雨水重現期P 等作了較大調整，補充規(guī)定徑流污染控制雨水調蓄池容積計算公式等，增加內澇防治設計重現期規(guī)定等。天津市中心城區(qū)建水管道1806km，雨水管網普及率84.4%，但多數管網設計標準偏低，一些地區(qū)雨水系統(tǒng)設計重現期達不到2016 室外排水規(guī)范中的規(guī)定，雨水管道排水能力有限，不能滿足日益提高的排水要求【6】。

自1958年實現海河清濁分流以來，實現雨污分流是排水設施建設的宗旨，在排水規(guī)劃修編中確立為基本目標，中心城區(qū)范圍仍有合流管道386km，市中心城區(qū)合流制地區(qū)片區(qū)面積減少到21.88km2，成片合流制地區(qū)分布于市中心城區(qū)的和平區(qū)，河北區(qū)，南開區(qū)。雨污水管道混接是城市道路建設雨污水管道，雨污水管道存在連接現象，產生問題的原因復雜，導致城市主干管網建設不同步，為防止雨季積水淹泡產生混接現象，導致有大量污水混同雨水排入附近河道內。天津市排水管理處對城區(qū)內市屬管網進行調查，雨水系統(tǒng)中服務片區(qū)內有雨污水干管網混接185處，居民區(qū)支管錯接市政干管接入4378 處。造成天津市中心城區(qū)河道污染的主要原因是排水管網合流，中心城區(qū)每年汛期向一二級河道排放合流水5700 萬m3。相當于城區(qū)22 天污水排放的COD，水體污染物嚴重超標項目主要為總磷，BOD5，致使每年汛期河道經常爆發(fā)大規(guī)模藍藻。

5、天津市某生態(tài)小區(qū)海綿城市建設

5.1 項目概況

天津某生態(tài)城是住建部在2014年批準推動建立的示范項目，試點面積約2 平方公里，項目總面積47179.4m2，配套公建及地下車庫，建筑包括4 棟8 層住宅，6 棟6 層住宅，11 棟2層住宅。生態(tài)城位于天津市濱海新區(qū)東北部，年均降雨天數為64-73 天，夏季降雨量占全年的80%,降雨總量不大，為體現資源約束下減少生態(tài)城市的示范意義，選址于自然條件較差，植被稀少，生態(tài)脆弱的地區(qū)。

項目設計理念是生態(tài)為本，安全為重。天津某生態(tài)城以海綿城市理念引領城市建設，構建完善的排水防澇系統(tǒng)，水生態(tài)環(huán)保系統(tǒng)，低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)，致力于建設北方濱海地區(qū)海綿城市示范區(qū)。確定區(qū)域年徑流量控制率指標。根據城海綿城市規(guī)劃要求，設計降雨量為24.4mm，別墅區(qū)每戶設置雨水桶。

根據項目整體情況分析，項目綠化程度高，有大面積綠地，無額外增加屋頂綠化必要性，小區(qū)道路兩側路緣石高于路道路，地塊道路內多為小型機動車使用，對場地內的人行道等進行透水鋪裝設計，部分綠地區(qū)域設計為下凹式綠地。部分道路周邊綠地進行下凹設計，場地內設置雨水花園，調整部分道牙，便于鋪裝徑流流入其中【7】。

建筑屋面雨水排水，采用外排水系統(tǒng)排入市政雨水管網，項目紅線范圍內地形整體平坦，川博路設置出入口，出入口設計地面標高4.84m,.無市政雨水倒灌危險，出入口設計地面標高高于市政道路標高，雨水可排至市政道路。生態(tài)城位于濱海新區(qū)北部，近代沉積厚度達1000m 以上，地層以海相層軟土地基為主，地質構造孕育以海河斷裂帶為代表的構造帶，土壤為近代河流中積物，土層深厚，結構簡單，土壤粘重呈黃色。沼澤主要分布于營城水庫周圍，巖土主要分布于沿海地區(qū)，土壤中小于0.01mm 的物理性粘粒含量在45%以上，土壤結構不良，非毛細管空隙少，根據土壤可熔鹽分析結果，土壤含鹽量600-2000mg/100g 土樣，區(qū)域土壤鹽漬化作用強烈。場地植物種植前需進行排鹽，排水通過軟式透水管接入排鹽檢查井，排入市政雨水管網，周邊鋪裝的地方采用土工布包裹，淋水層間采用無紡布隔離，根據植物確定種植深度。

工程地下水為第四系表層空隙潛水，地下水主要接受大地降水的垂直入滲補給，河水的滲漏補給，主要以向下游徑流及少量農業(yè)用水等方式排泄，喝水總硬度為極硬，水化學類型為氯-鈉鉀型，地下水微咸-鹽水，中性-弱堿性，局部水樣為氯-鈉鉀·鎂型，根據場地地下潛水水位巖土勘察報告，初見水位埋深1.2-2.5m,靜止水位埋深0.7-1.7m,表層地下水為潛水類型，主要以蒸發(fā)方式排泄，年變幅在0.5-1.0m.

5.2 生態(tài)小區(qū)海綿城市設計方案

海綿城市是統(tǒng)籌解決城市水安全，水生態(tài)的系統(tǒng)工程，是多目標，多手段的復雜體系，生態(tài)城建設在濱海鹽堿地典型新區(qū)，試點堅持以管控為基本原則，確定分區(qū)控制的海綿城市規(guī)劃建設方案，結合主要目標，構建科學合理的城市水系統(tǒng)，將城市集中建設區(qū)劃分為若干排水分區(qū)，開展地塊，設施等海綿城市建設。

構建有效的城市排水系統(tǒng)，試點區(qū)通過規(guī)劃保留現狀故道河，新開挖慧風溪，作為雨水調蓄空間，靜湖以雨水調蓄為主，慧風溪以排水為主。水系總面積為363.5hm2，汛期來臨時通過水量外排降低水位，雨水調蓄能力可滿足20年一遇暴雨下整體蓄排平衡，城市排水系統(tǒng)通過規(guī)劃管控納入藍線保護范圍，嚴禁城市建設隨意侵占。

分區(qū)控制雨水徑流，通過規(guī)劃豎向管控，確保排水通暢，規(guī)劃試點區(qū)豎向抬高1m,地塊控制高程比道路標高0.2m,使地塊雨水順利排入管網系統(tǒng)。完善雨水管網系統(tǒng)，結合大排水系統(tǒng)分部，劃分4 個排水分區(qū)，生態(tài)島為自排區(qū)，按標準建設雨水管網，重要地區(qū)主干管達到3年一遇標準，規(guī)劃建設合建泵站，中部泵站雨水泵站，確保各排水分區(qū)雨水順利排入城市大排水系統(tǒng)。

設計重點是以控為主，主要控制雨水外排量，結合項目周邊用地性質，水域面積率等條件，確定低影響開發(fā)設施，將雨水控制與景觀結合。項目綠化種植形式豐富，海綿專項設計時，充分利用現有綠地，硬質地面設計以保障工能性為主，采用透水混凝土材質設置人行步道，在道路與綠地接壤處設施植草溝，雨水口作相應挪移，發(fā)揮綠地凈化作用，采用帶有截污功能的滲透性雨水口。

海綿設計以容積法計算，計算公式為v=10HφF，H 為設計降雨量mm，F 為匯水面積，φ為綜合雨量徑流系數，V 為設計調蓄容積。海綿設施計算，依據計算結果需調蓄容積為665.38m3，地塊徑流量664.88m3，滿足徑流總量控制率75%的要求。項目設置低影響開發(fā)設施有下凹綠地等，地面徑流雨水經過控污雨水口收集進入雨水管網，設置雨水花園收集雨水進行凈化處理，設置透水鋪裝起到雨水徑流的截污作用。設施雨水桶收集處理屋面雨水。屋面SS產生濃度約200mg/L，人行路約為180mg/L，排水分區(qū)污染物SS 去除率合計為50.73%。

下凹綠地承接雨水就地入滲，透水鋪裝設計下滲排水設施，雨水用于小院內綠化灌溉，路面沖洗等，過濾凈化需滿足《城市污水再生利用雜質水水質》中相應要求。每戶生活用水量按120L/（人·d）,道路澆灑用水量為0.35L/（m2·次），根據生態(tài)城典型年逐日降雨量設計，年雨水用量為546m3，雨水資源利用率1%。項目設計對年徑流總量控制目標進行海綿設施設計，采用透水鋪裝，下凹式綠地等海綿設施，對項目采用海綿設施投資估算。

結語：

本文對天津市某生態(tài)城小區(qū)的海綿城市建設為例，解決小區(qū)內澇災害，合流排水溢流對河道污染等問題，分析城市居住區(qū)，道路等雨水系統(tǒng)設計方法，提出已建區(qū)域排水改造技術標準。海綿城市是我國城鎮(zhèn)開發(fā)建設中倡導的新型模式，政府鼓勵房產項目執(zhí)行綠色建筑標準，海綿城市雨水系統(tǒng)建設讓房產項目滿足綠色建筑評價標準獲得政府支持，增加房產企業(yè)的口碑，海綿城市雨水系統(tǒng)為房產項目帶來了很好的生態(tài)效益，雨水可循環(huán)用于園林灌溉，可以節(jié)約大量資金，節(jié)約建設成本。