老舊小區(qū)屋頂花園承洪韌性預(yù)測
——以長春市為例

趙彥博,趙 珩，齊偉民

(吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130119)

隨著建筑用地逐漸增加，城市不透水面積也迅速擴(kuò)展，雨水內(nèi)澇成為影響人們生活的重要難題。2021年6月2日8時(shí)至20時(shí)，長春市平均降水量38.7毫米，對居民生活環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。暴雨來臨時(shí)，老舊小區(qū)的排水設(shè)施較差，使得人們出行極不方便，嚴(yán)重影響了日常生活。此次研究則在雨水降落到屋頂產(chǎn)生徑流時(shí)進(jìn)行滯留。

一、研究目的

目前，長春市老舊小區(qū)排水設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞，雨水排放不及時(shí)，對于暴雨無緩沖及滯留是造成老舊小區(qū)內(nèi)澇的主要原因之一。所以居住區(qū)的雨洪問題成為老舊小區(qū)改造的重大難題。因此，對此部分小區(qū)應(yīng)采取分散的小規(guī)模的雨水滯留并利用的方式。同時(shí)，在滯留雨水的基礎(chǔ)上設(shè)立相關(guān)設(shè)施可以彌補(bǔ)老舊小區(qū)生態(tài)環(huán)境不足，緩解雨洪內(nèi)澇問題的壓力，為此進(jìn)行以下研究。

二、研究方法

(一)研究思路

基于長春市暴雨強(qiáng)度公式為前提，將降雨強(qiáng)度的重現(xiàn)期分別設(shè)為10a、20a和50a一遇，長春市雨峰時(shí)刻為69.5min[3]，所以設(shè)定降雨歷時(shí)分別為60min和90min，計(jì)算分析不同重現(xiàn)期不同降雨歷時(shí)的屋頂花園雨水滯留量及滯留時(shí)間，探究改造完成之后的雨水滯留量。而屋頂花園的核心，即有效滯留雨水功能的設(shè)施為土壤基質(zhì)層與植被基質(zhì)層，計(jì)算出土壤基質(zhì)層的滯留量與植被基質(zhì)層的滯留量方可預(yù)測出對雨水的吸收能力。最后將一棟老舊小區(qū)的屋頂花園雨水滯留量擴(kuò)大到整個(gè)小區(qū)范圍內(nèi)，可粗略估算出此小區(qū)改造完畢可滯留多少雨水。

(二)相關(guān)理論綜述

1.承洪韌性理論。韌性(resilience)的概念最早源于工程領(lǐng)域。指在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)等領(lǐng)域中發(fā)生災(zāi)害時(shí)，不被受到的沖擊摧毀并能自主恢復(fù)到原來的狀態(tài)。本文中，研究目標(biāo)為屋頂花園，當(dāng)城市面對暴雨沖擊時(shí)，屋頂花園可發(fā)揮自身功能減少雨水徑流量、延長雨水徑流時(shí)間，緩解雨洪壓力，體現(xiàn)其承洪韌性。

2.海綿城市理論。海綿城市是將城市比喻為一塊海綿。在多雨時(shí)期，為避免雨水過多而帶來的災(zāi)害，將雨水進(jìn)行過濾及凈化并收集起來。當(dāng)發(fā)生貧水情況時(shí)，再通過其他途徑將所存水分釋放出來[1]。

低影響開發(fā)(Low Impact Development, LID)的技術(shù)理念是在海綿城市建設(shè)當(dāng)中的重中之重[2]。依靠著不同低影響開發(fā)的技術(shù)手段，有效完成雨水資源利用及雨水徑流控制，其主要有綠色屋頂、透水鋪裝等相關(guān)措施，根據(jù)不同地理環(huán)境及需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(三)相關(guān)計(jì)算公式

1.計(jì)算暴雨強(qiáng)度。長春市暴雨強(qiáng)度公式：

式中：q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度[L/(s·hm2)]；

t——降雨歷時(shí)(min)；

P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(a)；

按照長春市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算可知[3]，長春市雨峰時(shí)刻為69.5min，選擇降雨歷時(shí)分別為60min和90min，重現(xiàn)期分別為10a一遇、20a一遇、50a一遇。分別計(jì)算降雨強(qiáng)度。

2.當(dāng)發(fā)生降雨時(shí)，部分雨水會產(chǎn)生徑流，直接從表面流走，此時(shí)產(chǎn)生的徑流量為：

公式(二)：Qs=qφF

式中：QS——雨水徑流流量(L/s)；

q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度[L/(s·hm2)]；

φ——徑流系數(shù)；

F——匯水面積(hm2)。

屋頂花園的地面主要包括基質(zhì)、路面和地被，而大部分主要為土壤基質(zhì)及地被，徑流系數(shù)約為0.45。

3.屋頂降雨總流量：

公式(三)：Q1=qs

式中：Q1——屋頂降雨總流量(L/s)；

q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度[L/(s·hm2)]；

s——屋頂匯流面積(hm2)。

4.土壤基質(zhì)層可滯留的最大雨量公式：

公式(四)：Q2=H·θ·Sg

式中：Q2——土壤基質(zhì)層的滯水量(m3)；

H——基質(zhì)厚度(m)；

θ——體積有效含水率(%)；

Sg——綠化面積(m2)。

基質(zhì)厚度H見表3，土壤有效含水量分為4類：飽墑、適墑、黃墑和干土，其中飽墑意為土壤有效含水率18.5%～20%，為適耕上限，土壤有效含水量最大，所以此次研究取體積有效含水率為20%，屋頂綠化面積設(shè)計(jì)為屋頂面積的60%計(jì)算。

5.植被層蓄水量計(jì)算公式：

式中：Q3——植被層蓄水量(m3)；

Li——植物葉面積指數(shù)(LAI)；

Ki——單位面積截留容量(mm或g/m2)；

Ai——植物冠層覆蓋面積(m2)。

關(guān)于植被層蓄水能力，有學(xué)者已測得多種植物降雨截留能力，在植物選擇中，要考慮植物的適宜性，選擇適宜東北地區(qū)的植物，因喬木體積及重量較大，不宜在屋頂種植，宜種植灌木及地被。

6.土壤層和植被層滯留雨水至飽和狀態(tài)所需時(shí)間公式：

公式(六)：Q2+Q3=(Q1-QS)×T

式中：Q2——土壤基質(zhì)層滯水量(L)；

Q3——植被基質(zhì)層蓄水量(L)；

Q1——屋頂降雨總流量(L/s)；

Qs——雨水徑流流量(L/s);

T——土壤層和植被層滯留雨水至飽和狀態(tài)所需時(shí)間(s)。

(四)以長春市紅旗花園小區(qū)為例，進(jìn)行預(yù)測

1.區(qū)域概況。長春市位居中國東北部，是東北地區(qū)的天然地理中心。位于北緯43°05′～45°15′，東經(jīng)124°18′～127°05′。根據(jù)長春市朝陽區(qū)人民政府網(wǎng)站發(fā)布的信息，2021年朝陽區(qū)將對42個(gè)老舊小區(qū)進(jìn)行改造，而紅旗花園小區(qū)是重點(diǎn)改造區(qū)域。

紅旗花園小區(qū)建成于2005年5月，具有老舊小區(qū)的代表性。經(jīng)測量，紅旗花園小區(qū)總占地面積為52388.6m2，屋頂總面積為13563.71m2，9號樓屋頂面積為1134.06m2。此次研究先通過預(yù)測計(jì)算紅旗花園小區(qū)9號樓在最大暴雨強(qiáng)度下土壤基質(zhì)層與植物基質(zhì)層的雨水滯留量，再從一棟樓擴(kuò)大至一個(gè)小區(qū)。

三、計(jì)算及分析

(一)土壤基質(zhì)層雨水滯留量分析

在飽墑背景下，土壤最大有效含水率為20%，設(shè)計(jì)屋頂綠化面積為60%。在設(shè)計(jì)綠化時(shí)，由于喬木重量較大，在屋頂種植具有風(fēng)險(xiǎn)，所以，設(shè)計(jì)灌木占地面積為30%，地被占地面積為30%。土壤的選擇可分為3種類型，分別為田園土、改良土和無機(jī)復(fù)合種植土，不同植物種植對應(yīng)著不同的土壤土厚度。由于老舊小區(qū)在建造初始沒有考慮在屋頂進(jìn)行設(shè)施建設(shè)，所以田園土吸水后較重，不宜使用；而輕質(zhì)無機(jī)基質(zhì)的造價(jià)較高，只適合部分重要場所，不宜大面積使用，因此將選擇改良土作為土壤基質(zhì)層。本次改良土的選擇為田園土、草炭及松針土混合配置而成，土壤基質(zhì)厚度設(shè)定見表3，灌木層種植土厚度為300mm～400mm，地被植物層種植土厚度為100mm～150mm。計(jì)算時(shí)，土壤厚度分別取最大值和最小值分別代入公式，計(jì)算出土壤滯水量范圍，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(四)可知，土壤基質(zhì)層滯水量范圍約為27.21m3～37.41m3。

(二)植被基質(zhì)層雨水滯留量分析

有學(xué)者研究植被層對于徑流量的減少和吸收雨水效果并不顯著，它的作用更多是凈化雨水和減緩徑流速度。由表4可知，選用紅端木、大葉黃楊等幾種植物進(jìn)行計(jì)算，覆蓋面積可自由設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)代入公式(五)可知，植被基質(zhì)層蓄水體積約為4.97m3。

(三)不同重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)下基質(zhì)層達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)雨水滯留時(shí)間

1.計(jì)算不同時(shí)間下暴雨強(qiáng)度及相關(guān)數(shù)據(jù)。有學(xué)者研究得出長春市暴雨強(qiáng)度公式，將重現(xiàn)期為10a一遇、20a一遇和50a一遇以及降雨歷時(shí)為60min和90min帶入公式中，計(jì)算得出不同的暴雨強(qiáng)度。當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，部分雨水未被吸收沿著屋面產(chǎn)生徑流，此時(shí)通過公式(二)可算出未被吸收產(chǎn)生的徑流量。通過公式(三)計(jì)算得出屋頂總降雨流量，見表1。

表1 不同條件下屋頂徑流量計(jì)算

2.計(jì)算基質(zhì)層達(dá)到飽和狀態(tài)下所需時(shí)間及相關(guān)數(shù)據(jù)。由3.1計(jì)算可知，土壤基質(zhì)層可滯水量最小為27.21m3，最大為37.41m3，植被基質(zhì)層滯水量約為4.97m3。將土壤基質(zhì)層滯水量Q2；植被基質(zhì)層蓄水量Q3；不同降雨歷時(shí)和重現(xiàn)期的屋頂降雨總流量Q1和雨水徑流流量Qs分別代入公式(六)，可得出在不同時(shí)間條件、不同土壤基質(zhì)層厚度影響下，基質(zhì)層達(dá)到飽和狀態(tài)所需最小時(shí)間及最大時(shí)間。吸收雨水并極大延長雨水滯留時(shí)間，減緩雨峰出現(xiàn)，見表2。

表2 不同條件下基質(zhì)層達(dá)到飽和狀態(tài)所需時(shí)間

表3 不同植物類型所需種植土的厚度

表4 不同植物的蓄水總滯留容量

四、結(jié)論及建議

(一)結(jié)論

通過對長春市朝陽區(qū)紅旗花園小區(qū)進(jìn)行屋頂花園雨水滯留預(yù)測分析得出以下結(jié)論。

1.由于土壤基質(zhì)層厚度不同，會極大影響屋頂花園滯留雨水的雨水量及滯留時(shí)間。以紅旗花園小區(qū)9號樓為例，當(dāng)?shù)乇粚油寥篮穸仍O(shè)計(jì)為100mm，灌木層土壤厚度設(shè)計(jì)為300mm時(shí)，此時(shí)雨水滯留效果不理想，可滯留雨水量為32.18m3；當(dāng)?shù)乇粚油寥篮穸仍O(shè)計(jì)為150mm，灌木層土壤厚度設(shè)計(jì)為450mm時(shí)，此時(shí)雨水滯留效果最好，可滯留雨水量為42.38m3。

2.在不同降雨歷時(shí)和不同重現(xiàn)期下，滯水量不同的基質(zhì)層達(dá)到飽和時(shí)間不相同，所滯留雨水時(shí)間也不同。當(dāng)降雨歷時(shí)為60min、基質(zhì)層滯水量范圍從最小到最大且重現(xiàn)期為10a一遇、20a一遇和50a一遇時(shí)，基質(zhì)層達(dá)到飽和狀態(tài)所需時(shí)間范圍分別為52～69min，44～59min和38～50min；當(dāng)降雨歷時(shí)為90min、基質(zhì)層滯水量范圍從最小到最大且重現(xiàn)期為10a一遇、20a一遇和50a一遇時(shí)，基質(zhì)層達(dá)到飽和狀態(tài)所需時(shí)間范圍分別為67～88min，57～75min和49～65min。在降雨歷時(shí)、基質(zhì)層滯水量一定時(shí)，重現(xiàn)期越大，基質(zhì)層達(dá)到飽和時(shí)間越小。

3.以紅旗花園小區(qū)9號樓為例，可預(yù)測整個(gè)紅旗花園小區(qū)雨水滯留量。經(jīng)測量可知，紅旗花園小區(qū)屋頂總面積為13563.71m2，9號樓滯水量范圍為32.18～42.38m3，計(jì)算可知1m2滯水量范圍為2.83*10-2～3.73*10-2m3，所以整個(gè)紅旗花園小區(qū)改造屋頂花園完畢后，可滯留雨水范圍為383.85～505.93m3。極大減少雨水徑流，緩解雨洪壓力問題，體現(xiàn)出其承洪韌性。

(二)建議

一是設(shè)計(jì)蓄水池儲存雨水。防止雨水流失，可建設(shè)蓄水池對雨水進(jìn)行存儲；考慮老舊小區(qū)屋頂?shù)某兄啬芰Α８鶕?jù)實(shí)際情況進(jìn)行改造。二是保護(hù)植物，實(shí)行經(jīng)濟(jì)最小化。屋頂花園建設(shè)完畢之后，選擇適宜植物；考慮經(jīng)濟(jì)可行方案，不得浪費(fèi)。三是要注意藝術(shù)與技術(shù)相結(jié)合。技術(shù)是根本，是屋頂花園的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上要進(jìn)行環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)，愉悅心情。