基于LID和雨水鏈的海綿城市微觀細(xì)胞設(shè)計(jì)

馮峰 馬志坤 靳曉穎

摘 要：針對(duì)海綿城市微觀尺度的高校校園海綿細(xì)胞的設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于LID（低影響開發(fā)）理念，確保海綿細(xì)胞設(shè)計(jì)前后場(chǎng)地的洪峰出現(xiàn)時(shí)間、徑流峰值、徑流時(shí)間等城市水文要素不發(fā)生改變，原場(chǎng)地地質(zhì)、地形不發(fā)生大的改變，植被盡量使用本土植物;引入英國(guó)雨水鏈理念，確保雨水從降落后到被利用整個(gè)管理鏈條科學(xué)合理，在關(guān)鍵措施選配中優(yōu)先使用預(yù)防控制和源頭控制措施，優(yōu)先使用生態(tài)入滲措施，確保其中的每個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)得當(dāng)。根據(jù)黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院海綿細(xì)胞模型計(jì)算結(jié)果，降雨歷時(shí)在120 min時(shí)滲透設(shè)施的積水量達(dá)到峰值34.97 m3，結(jié)合校園場(chǎng)地、建筑物的分布及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了包含“滲、滯、蓄、凈、用、排”等21種關(guān)鍵措施的“水之川”海綿細(xì)胞，并對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行雨水控制效果檢驗(yàn)，場(chǎng)地雨水控制及利用率為88%，滿足開封市所在全國(guó)年徑流總量控制率區(qū)域劃分圖中Ⅲ區(qū)的要求。

關(guān)鍵詞：海綿城市;低影響開發(fā);雨水鏈;微觀尺度;海綿校園

中圖分類號(hào)：TV213.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.013

Abstract： Aiming at the design of sponge cells in campus at the micro-scale of sponge cities， this paper based on the concept of LID （low impact development） ensured proper design of each link. The concept of LID is that the occurrence time of flood peak， runoff peak， runoff time and other urban hydrological factors of the site before and after sponge cell design do not change and the geology and topography of the original site do not change significantly. The concept of rain water chain in Britain is that the whole management chain of rain water from falling to being used is scientific and reasonable. In the selection of key measures， preventive control and source control measures were given priority， while ecological infiltration measures were given priority. According to the results of the sponge cell model， the water volume of infiltration facilities reached a peak of 34.97 m3 after 120 min of rainfall. In combination with the distribution and characteristics of campus sites and buildings， 21 key measures including “infiltration， stagnation， storage， purification， utilization and drainage” were designed. In this paper， the design scheme of rainwater control effect test， get the result is the ground water control and utilization rate of 88% and satisfy the requirements of Kaifeng situated in the zoning map of national total annual runoff control zone III.

Key words： sponge city; Low Impact Development （LID）; rain chain; micro-scale; sponge campus

隨著我國(guó)城市水生態(tài)問(wèn)題日益凸顯，越來(lái)越多的學(xué)者、專業(yè)人士開始在實(shí)踐中探尋解決城市雨水可持續(xù)利用問(wèn)題的方法。2003 年，北京大學(xué)俞孔堅(jiān)教授和李迪華教授共同出版的《城市景觀之路：與市長(zhǎng)交流》一書中最早用“海綿”的概念比喻自然濕地、河流等對(duì)城市旱澇災(zāi)害的調(diào)蓄能力[1]。俞孔堅(jiān)教授及其土人景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了許多雨洪管理實(shí)踐的成功范例。深圳市在2004 年開始率先引進(jìn) LID（低影響開發(fā)）理念，創(chuàng)建光明新區(qū)為全國(guó)低影響開發(fā)雨水綜合利用示范區(qū)。董淑秋等[2]結(jié)合首鋼工業(yè)區(qū)改造規(guī)劃實(shí)踐，于2011年首次明確提出了構(gòu)建“生態(tài)海綿城市”的規(guī)劃概念。國(guó)際著名水文氣象專家林炳章教授[3]在 2013 年10月廈門召開的極端暴雨事件和防洪減災(zāi)國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)上建議，可借鑒美國(guó)經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)一座“海綿城市”。習(xí)近平總書記在2013年12月召開的中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議上發(fā)表講話，提出建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”[4]。2014年2月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部明確提出建設(shè)海綿型城市設(shè)想[5]，10月正式發(fā)布《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》[6]。2014年12月，財(cái)政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于開展中央財(cái)政支持海綿城市建設(shè)試點(diǎn)工作的通知》（財(cái)建 [2014]838號(hào)），組織開展海綿城市建設(shè)試點(diǎn)工作。

海綿細(xì)胞是指微觀尺度的海綿城市，是國(guó)土宏觀尺度水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施在社區(qū)微觀尺度的延伸，例如社區(qū)綠地、寫字樓綠色屋頂、校園建筑集雨區(qū)等[1]。筆者在總結(jié)目前海綿城市設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，基于美國(guó)低影響開發(fā)（LID）和英國(guó)雨水鏈的理念，構(gòu)建海綿細(xì)胞的計(jì)算和評(píng)估模型，并以開封市黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園海綿細(xì)胞為研究實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，完善計(jì)算方法和評(píng)估雨水利用效果，提高其適用性，以期為相關(guān)微觀尺度的海綿細(xì)胞設(shè)計(jì)提供參考。

1 LID和雨水鏈理念

1.1 LID理念

低影響開發(fā)（LID）是在開發(fā)的全過(guò)程中，從設(shè)計(jì)、施工到管理的每個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)周邊環(huán)境的不利影響最小化，特別是對(duì)雨洪資源和分布格局的影響最小化。從某種意義上說(shuō)，低影響開發(fā)與海綿城市建設(shè)是同一個(gè)含義，無(wú)論是從宏觀、中觀層面的海綿城市規(guī)劃，還是流域的海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)，或是微觀層面的小區(qū)、雨水花園的設(shè)計(jì)和施工，都要充分實(shí)現(xiàn)低影響開發(fā)，盡量使用原周邊環(huán)境的有利地形、原生物種、原有設(shè)施等，減小對(duì)周邊水土資源、植被資源等影響和破壞，也盡量保持原有區(qū)域或場(chǎng)地的降雨水文產(chǎn)匯流特征不改變。低影響開發(fā)包含水資源、土地資源、地形、植被等方面的低影響開發(fā)[7]。在海綿城市的設(shè)計(jì)過(guò)程中引入和利用LID理念，確保微觀尺度的海綿細(xì)胞設(shè)計(jì)前后場(chǎng)地的峰現(xiàn)時(shí)間、徑流峰值、徑流時(shí)間等水文要素不發(fā)生改變（見(jiàn)圖1），原場(chǎng)地地質(zhì)、地形不發(fā)生大的改變，并盡量考慮使用本土植物作場(chǎng)地植被。

1.2 雨水鏈理念

英國(guó)雨水鏈理念包含由預(yù)防措施、源頭控制、場(chǎng)地控制和區(qū)域控制4個(gè)等級(jí)構(gòu)成的管理鏈條[8]。其中：預(yù)防措施和源頭控制處于最低等級(jí)，也就是在規(guī)劃中盡量先通過(guò)預(yù)防手段在源頭和小范圍進(jìn)行雨水的截流處理。只有當(dāng)在源頭或小范圍不能處理時(shí)，才將雨水排放至更高一級(jí)的系統(tǒng)中，采取其他控制處理手段。該管理鏈條將各項(xiàng)具體措施組成一個(gè)有等級(jí)次序的一體化方案，是規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。按照對(duì)雨水就地處理的原則，利用沉淀、過(guò)濾、吸附和生物降解等自然過(guò)程，對(duì)地表水進(jìn)行不同程度的處理。在海綿城市的設(shè)計(jì)過(guò)程中引入和利用雨水鏈理念，優(yōu)先使用預(yù)防控制和源頭控制措施以及生態(tài)入滲措施，確保雨水從降落到被利用整個(gè)管理鏈條科學(xué)合理，其中的每個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)得當(dāng)，環(huán)環(huán)相扣，清晰規(guī)范。

2 海綿細(xì)胞相關(guān)措施計(jì)算模型

2.1 源頭減排系統(tǒng)計(jì)算模型[9]

式中：Wz為雨水資源化利用量，m3;α為綜合安全系數(shù)，一般取0.5～0.8;K為土壤滲透系數(shù)，m/s;J為水力坡降，一般取1.0;As為有效滲透面積，m2;ts為滲透時(shí)間，s，一般按1 d計(jì)，滲透池和滲透井宜按3 d計(jì);qi為第i種用戶的最高日用水定額，m3/d;ni為第i種雨水用戶的數(shù)量（雨水用戶種類包括景觀、綠化、循環(huán)冷卻、路面和地面沖洗、沖廁、汽車沖洗、消防用水等）;m為雨水用戶種類數(shù);ty為用水時(shí)間，s，一般取2.5 d。

（3）需配置的入滲面積按式（3）計(jì)算。當(dāng)場(chǎng)地條件有限、入滲面積小，無(wú)法滿足式（3）要求時(shí)，應(yīng)增設(shè)收集回用系統(tǒng)或調(diào)蓄排水系統(tǒng)。對(duì)于下沉式綠地入滲，可以簡(jiǎn)化計(jì)算為每平方米下沉式綠地承擔(dān)1 m3的硬化面雨水。

2.2 源頭減排雨水系統(tǒng)的效果評(píng)估[10]

3 海綿細(xì)胞設(shè)計(jì)案例

3.1 基本概況

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院位于河南省開封市東京大道1號(hào)。開封屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，光照充足，氣候溫和，雨量適中，年平均氣溫14 ℃，年均降水量670 mm，林木覆蓋率高于全國(guó)平均水平。在全國(guó)的年徑流總量控制率區(qū)域劃分圖中，開封屬于Ⅲ區(qū)，控制率為75%～85%，對(duì)應(yīng)的徑流污染控制率也應(yīng)為75%～85%。根據(jù)開封市52 a的統(tǒng)計(jì)資料，年平均降雨次數(shù)76.5次，1 a一遇日降雨量44.7 mm，2 a一遇日降雨量71.2 mm。海綿細(xì)胞位置選擇在校園西北區(qū)域鯤鵬山實(shí)訓(xùn)場(chǎng)西側(cè)，占地面積約450 m2，主要收集周邊實(shí)訓(xùn)樓約1 000 m2樓頂雨水和場(chǎng)地降雨。

3.2 設(shè)計(jì)理念

校園海綿細(xì)胞設(shè)計(jì)成在空中俯瞰時(shí)，整體形狀呈現(xiàn)草書“水”和“川”字的變形，因此將其命名為“水之川”。該設(shè)計(jì)不僅要達(dá)到為專業(yè)和教學(xué)服務(wù)的目的，滿足海綿城市課程教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求，而且要有科研功能，可以開展海綿城市關(guān)鍵措施、植被對(duì)比等研究，同時(shí)也要打造校園的精品水文化，營(yíng)造智慧水利的職業(yè)氛圍，另外還是校園的一處美景。

“水之川”海綿細(xì)胞主要收集利用2號(hào)、3號(hào)實(shí)訓(xùn)樓樓頂及施工實(shí)訓(xùn)大棚頂?shù)挠晁蛥^(qū)域降水（見(jiàn)圖2）。利用原赤道幾內(nèi)亞模型場(chǎng)地，該區(qū)域南側(cè)有4根向2號(hào)實(shí)訓(xùn)樓水利館供水用的大型管道，地下有向水利館供水的地下水庫(kù)。4根管道的上方設(shè)計(jì)成綠色屋頂，兩側(cè)做成透視面。利用原赤道幾內(nèi)亞模型的廢沙，做成中間地下水庫(kù)上面的流動(dòng)雨水花園。根據(jù)雨水鏈的理念，合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)從雨水降落到利用的全過(guò)程鏈，3號(hào)實(shí)訓(xùn)樓樓頂、綠色屋頂?shù)挠晁ㄟ^(guò)雨水花園匯集、凈化、下滲，進(jìn)入下沉式綠地，凈化后進(jìn)入蜂窩狀地下蓄水模塊，沉淀后可用于綠化澆灌、生態(tài)景觀用水等。

3.3 海綿城市關(guān)鍵措施設(shè)計(jì)

利用式（6）、式（5）計(jì)算不同降雨歷時(shí)的雨強(qiáng)qc、滲透設(shè)施進(jìn)水量Wc和滲水量，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可知，在降雨歷時(shí)為120 min時(shí)，滲透設(shè)施的積水量達(dá)到峰值34.97 m3。滲透設(shè)施的有效容積應(yīng)大于積水峰值。根據(jù)開封市相關(guān)參數(shù)，利用式（1）～式（5）計(jì)算相關(guān)水量和參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，對(duì)該海綿細(xì)胞的場(chǎng)地雨水控制利用率為88%，滿足開封市所在全國(guó)年徑流總量控制率區(qū)域劃分圖中Ⅲ區(qū)的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

海綿城市的理念已被越來(lái)越多的人所接受，無(wú)論是宏觀尺度、中觀尺度的海綿城市，還是微觀尺度的海綿細(xì)胞建設(shè)，都需要將各種措施科學(xué)合理地配置使用，充分發(fā)揮自然的力量，“化整為零”地解決城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。以校園海綿細(xì)胞設(shè)計(jì)為例，基于LID和雨水鏈理念，結(jié)合校園場(chǎng)地、建筑物的分布及特點(diǎn)，重點(diǎn)發(fā)揮源頭控制作用，在有限的空間展現(xiàn)了21種海綿城市措施，將教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、科研、科普、展示等多重功能融為一體。通過(guò)海綿細(xì)胞計(jì)算模型驗(yàn)證，海綿細(xì)胞的場(chǎng)地雨水控制利用率為88%，滿足開封市所在全國(guó)年徑流總量控制率區(qū)域劃分圖中Ⅲ區(qū)的要求。此案例可為國(guó)內(nèi)其他海綿細(xì)胞設(shè)計(jì)提供新思路。

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【責(zé)任編輯 張華興】