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构建城市绿色海绵——生态雨洪调蓄系统规划研究

构建城市绿色海绵——生态雨洪调蓄系统规划研究

近年来,涝灾已成为困扰着中国各大城市的新城市病,北京、西安、武汉、长沙、广州等诸多大城市都陷入了雨季逢雨必涝、内陆“看海”的无奈境地,造成城市基木机能的瘫痪和市民生活的极大不便;而另一方面,城市缺水问题同样突出,中国被联合国认定为“水资源紧缺国家”,全国有400余座城市供水不足,其中110个严重缺水。造成这种两难局面的原因,一方面是由于传统的城市开发方式建设了大面积的不透水地面,导致地表径流增加,聚集时间缩短,给雨洪调蓄带来了巨大压力;另一方面,绝大部分城市应对暴雨的指导思想都是以排为主,要求雨水短时间内通过市政管网排入受纳水体,导致雨水管道和雨水泵站等排水设施不堪重负的同时,雨水资源也得不到合理利用,造成水资源的大量流失。

“使雨水尽快远离城市”的传统“防水”理念已经无法满足现代城市的雨洪管理要求,国内很多学者开始倡导雨洪资源化管理的思路。与洪水为友,将雨水视为资源进行调蓄利用,对于城市防洪减灾、缓解水资源危机、净化水质和补偿生态环境等方面都具有着重大意义。然而,目前雨水利用尚未纳入城市规划的正式体系,雨洪调蓄设施的规划建设得不到保障,往往滞后于城市发展;因此,木文希望在总结国内外先进雨洪管理理念的基础上,从城市规划前期开始介入,针对北京市亦庄经济技术开发区南拓片区的开发规划,将雨洪调蓄系统与城市生态基础设施进行整合,将工程技术与景观生态设计相结合,以绿地水系等自然要素构建城市“绿色海绵”,探索适应我国大城市雨洪管理要求的雨水资源化景观途径。

 

1.国内外雨洪调蓄理念与实践

雨洪调蓄是雨水调节和雨水储存的总称。从20世纪80年代开始,越来越多的国家和学者开始认识到雨洪调蓄的作用和重要意义,开始探索和应用新的雨洪管理理念对雨水进行统筹管理调度和资源化利用。

美国是最早开始雨洪调蓄研究的国家之一,关注雨水的收集、储存和净化,以提高天然入渗能力为宗旨,注重与植物、绿地、水体等自然景观结合的生态设计。从20世纪80年代起,美国就对所有新开发区强制实行“就地滞洪蓄水”,改建或新建项目的雨水径流不能超过开发前的水平。从最佳管理实践(Best Management Practice, BMP)发展到低影响开发(LowImpact Development, LID ),雨洪调蓄的焦点从大流域转向小流域,借助场地中的景观要素,通过渗透、过滤、蓄存、挥发和滞留等天然的水文控制措施,将径流控制在源头,减少了暴雨径流集中管理的需要,且成本更低、具有更好的景观效应。如今在美国很多地区,如俄勒冈州、华盛顿州、马塞诸塞州、弗吉尼亚州、马里兰州的一些城市都有雨洪调蓄的景观工程,包括雨水塘、雨水湿地、绿色屋顶、雨水花园、街道浅沟等。

德国在20世纪80年代开始逐步建立和完善雨洪调蓄技术、行业标准与管理条例。1989年《雨水利用设施标准》标志着第一代雨水利用技术的成熟。各州法规都规定除特定情况外降水不能直接排放到公共管网中,城市开发要实现“排放量零增长”。技术措施方面主要是采用下凹绿地、植被渗沟等方式,也利用景观水体收集调蓄雨水。

澳大利亚的水敏性城市设计(WSUD)是在应对长期十旱的情况下提出的对传统开发措施的改进,强调通过城市规划设计的整体分析来减少对自然水循环的负面影响和保护水生生态

系统的健康,强调将暴雨径流和天然河道作为资源进行利用而不是在暴雨时尽快将雨水排出。其主要思想包括:保护城市中的天然水系,并使其充分发挥作用;在控制暴雨径流的同时考虑景观效应,将城市中的雨水管理、生物栖息、公共休闲和视觉景观等不同功能用地进行整合;通过天然的洼地蓄水和减少不透水地表比例降低城市的雨水径流量和高峰径流量;最小化排水基础设施建设的费用。

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日本建设省于1980年就曾通过推广雨水贮留渗透计划来鼓励雨水资源的收集利用,致力于补充涵养地下水、复活泉水和恢复河川基流。该计划得到了民间的广泛支持,1988年成立的“旧木雨水贮留渗透技术协会”,吸引了包括住友、大成、日产和三井等84家著名企业参加。1992年颁布的“第二代城市下水总体规划”正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分。

相较而言,我国的雨洪调蓄研究和实践还处于起步阶段,多限于城市小区尺度,以工程设施的探讨为主,相对缺乏以雨洪管理、水质保护和景观综合效应为目的宏观尺度雨洪管理规划。但仍有部分学者的研究开启了整体和多目标解决雨洪问题的尝试,如董淑秋等人对北京首钢工业改造区进行的雨水利用综合规划,俞孔坚等人从生态景观视角对城市雨洪管理系

统的研究及城市湿地公园设计实践等等。

 

2.研究区慨况

北京是一个旱涝并存的典型城市,每年的供水缺口在10亿m3以上,但其降水总量少且年内分布不均,约85%的降水集中在汛期并常以暴雨形式出现,造成频繁而严重的城市内涝;同时大量雨水通过排水系统直接排放出境,得不到充分利用,每年约有66%的雨水资源白白流失。

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本文研究区北京市亦庄经济技术开发区南拓片区位于北京市东南部大兴区境内,六环路与七环路之间,是待开发的城市新区。研究团队接受委托,对这一地区进行总体规划前期研究。场地面积约1822.5hm2,主要为分散的乡村地带,有大面积农田和数条河流沟渠分布。经过调研发现,该地区位于北京市的自然排水方向,地势低洼,易发洪涝灾害;同时,该区地下水可供给量又远小于需求,形成了大面积超采区。作为北京市亦庄经济技术开发区的扩展地带,米来对该地区进行城市开发后,大面积的乡村和自然基底向城市建成区转化所带来的水系统结构和下垫面的变化,将给雨洪调蓄带来更大压力;而城市化后人口和用水量的增加,又将增大对水资源的需求。因此,需要前瞻性地分析雨洪资源化调蓄利用的方向,通过雨洪利用和景观生态设计结合的手段综合解决场地的水危机问题。

 

3.生态雨洪调蓄系统规划理念

3.1理念概述

生态雨洪调蓄系统作为城市的“绿色海绵”,把雨水直接外排的传统排水模式向就地滞洪蓄水转变,利用透水铺装、植被渗沟、下凹绿地和湿地水体等景观要素,重建接近自然的水循环过程,将雨水分散蓄留、逐步净化和缓慢吸收,一方面增强城市对暴雨的适应能力,一方面利用雨洪水恢复湿地系统,营造具有多种生态服务的城市生态基础设施。

3.2技术路线

木规划从场地的生态安全格局分析出发,判别在城市开发过程中需保护和维护的关键斑块和景观廊道,再结合生态基础设施布局制定雨洪调蓄系统的宏观空间骨架;进一步配合城市道路定线和小区地块划分,逐层细化雨水管理区的结构和雨水控制指标,并对系统的雨水承载容量进行验证。

3.3格局构建

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景观生态安全格局理论认为,景观中有某种潜在的空间格局,被称为生态安全格局(简称SP ),它们由景观中的某些关键性的局部、位置和空间联系所构成,对维护或控制某种生态过程有着异常重要的意义。根据生态安全格局理论,建立阻力面,对场地进行雨洪过程分析、风沙过程分析、生物过程分析和游憩过程分析,叠加生成场地的综合生态安全格局(图3 );以生态安全格局中优先保护的高安全格局为主体,结合场地主要林网水系强化生态网络的连通性,形成以生态廊道为核心的场地生态基础设施(图4);从雨洪管理要求出发,以生态廊道为骨架,布置汇水廊道、水系和储水绿地,构建出场地雨洪管理设施空间格局(图5)。

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3.4系统设计

在生态雨洪调蓄系统中,设定以三个层次的雨洪管理区分别对应三个层级的雨水控制要求:三级管理区控制36mm/h(一年一遇)降雨;二级管理区控制45mm/h(两年一遇)暴雨;

一级管理区控制5Omm/h(三年一遇)暴雨。在各级管理区配备相应设施,形成从地表径流源头开始层层滞蓄、逐级消减的雨洪调蓄体系。

根据现状场地地形、道路及林网沟渠分布,考虑米来城市开发对地块分割的要求,进行集水区划分。由于实际情况差异,场地中集水区面积大小不一,为便于后期核算,将其作近似化处理,得系统中共含9个一级管理区;每个一级管理区下辖4个二级管理区,共36个;每个二级管理区下辖8个三级管理区,共288个。

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3.5用地指标

一二级雨洪管理设施主要依托新城公共绿地进行建设,依据城市规划建设用地标准和生态廊道宽度设置要求,设定一级雨水设施占地11%,二级雨水设施占地4%,共计15%;刨去区域道路广场用地占地约15%后,三级管理片区共占地约70%。三级雨洪管理设施依托小区内绿地进行建设,而北京市相关规定要求小区绿地面积不少于30%,故设定三级管理区内

部雨洪管理设施占地30%,不透水地面占45%,透水铺装地面占25%。

 

4.生态雨洪调蓄系统容量分析

4.1暴雨拦蓄能力

4.1.1计算方法与关键参数

(1)产流分析

根据生态雨洪调蓄系统的运作原理,三级管理区中,径流由铺装地面向绿地汇集;三级管理区超量溢流和邻近道路广场地面径流向二级雨水设施汇集;二级管理区超量溢流和邻近

道路广场地面径流向一级雨水设施汇集。径流量计算采用公式Qr=0.001ΨAH,式中平为径流系数,A为集雨面积(m2),H为降雨量(mm)。

(2)径流系数

降雨径流过程主要受降雨过程和下垫面变化的影响按照城市地区土地利用的性质,将研究区下垫面进行概化,分为不透水地面、透水铺装和绿地三类,其径流系数分别为

0.9, 0.38和0.15。得到各类地面单一径流系数后,采用公式Ψ=ΣΨ i x ( Si/S)可计算各区域综合径流系数,其中Ψ i为i类地面单一径流系数,Si/S为i类地面占总面积的比重。

(3)集水区面积

根据生态雨洪调蓄系统用地构成,计算得单个三级管理区集水区面积为4.43hm2,单个二级管理区集水区面积为39.49hm2,单个一级管理区集水区面积为202.5hm2

(4)降雨历时

城区雨水具有流程短、汇流速度快的特点,因此,不同于水利河道防洪计算中所采用的6h, 24h甚至7h的长历时降雨过程,城市水文学计算中所采用的降雨历时一般不超过6h。根据北京城区暴雨积水的相关报道和实际经验,木文选择1h降雨历时进行分析。

(5)下凹绿地深度

蔡剑波等人的研究表明,下凹绿地可以显著降低短期强降雨条件下地面的径流深度和径流系数。但城区低洼绿地深度一般不超过150 mm,否则高差过大,积水比过深,容易影响植物生长和居民活动。

 

(6)蒸发与下渗

一般在降雨过程中,蒸发蒸腾量很少,可以忽略不计。土壤下渗方面,根据武敏等人在木文研究区上进行的土壤水分入渗试验,研究区地块的砂质壤土稳定入渗率为85.8mm/h 。

4.1.2系统雨洪调蓄指标

由于生态雨洪调蓄系统要成为“绿色海绵”,实现就地消减和滞蓄雨水,所以进行系统雨洪调蓄指标估算时,将传统城市建设情境下各级雨水管理区所产生的径流作为“绿色海绵”所需吸收的容量,以实现开发前后径流“零增长”的目标。因此,依据场地雨洪过程分析和各级雨洪管理区设置的雨量控制等级,得出系统雨洪调蓄指标如下:116

一级管理区内“绿色海绵”的构造主体为大型沟渠。场地内大型沟渠总长约为30km,现状水位很低,部分为十渠,河道宽度在5m-8m之间,占地面积约在0.8%-1.3%之间。若充水后水位上涨lm,则沟渠可容纳水量为120000 m3-210000m3,大于一级管理区要求的消减径流总量,不需要新增建设。

二级管理区内“绿色海绵”的构造主体为湿地坑塘。若采取深一米的蓄水湿地形式进行建设,在场地内占地比重约需1%-1.5%,低于4%的原始设定指标。

从径流源头分散控制和消减总量的目标来看,三级管理区是整个“绿色海绵”构造的核心。

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4.1.3三级管理区设计方案比较

三级管理区对应的是城市支路划分的街区地块,在新区开发过程中可能会采取分块出让的形式。由于街区用地性质、建设条件和景观要求的不同,其内部绿地的占地比重和布置形式将存在一定的差异。因此,为了使三级雨洪调蓄设施的布置更具弹性和适用性,对不同设计条件下三级管理区的暴雨拦蓄能力进行比较。

首先,在设定的30%绿地率不变的前提下,对不同的下凹绿地率条件下三级管理区的暴雨拦蓄能力进行分析。可见,绿地布置过程中下凹绿地比重应达到35%左右才能满足三级管理区设计降水标准36mm/h下的暴雨拦蓄要求;当下凹绿地比重高于35%这一门槛值时,将极大提高三级管理区的暴雨拦蓄能力。

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其次,在部分有条件地区或重点防护地区,绿地率可能高于30%(设绿地率提高时,不透水地面比率减低,透水铺装比率不变),继续对不同绿地率条件下三级管理区暴雨拦蓄能力进行分析。可见,随着绿地率的提高,三级管理区内地表径流逐渐减少,绿地可拦蓄水量持续增加,同样能使三级管理区暴雨拦蓄能力显著提高。

最后,对极限条件下三级管理区暴雨拦蓄能力进行分析。设绿地率30%的条件下,将绿地全部以下凹形式进行建设,逆推估算得到三级管理区可抵御降水标准将可提高到85mm/h ,

相当于北京市50年一遇的降雨;将绿地率提高到40%,仍将绿地100%以下凹形式建设,此时三级管理区抵御降水标准可达到115m/h,超过北京市100年一遇的降水标准。

绿地率和下凹绿地比重的灵活变化给三级雨洪管理区的设计带来了较大的空间。在建筑密度较高、绿地建设空间受限的地区,可以通过提高下凹绿地的比重来满足雨洪调蓄要求;在绿地景观要求较高、部分种植品种耐水程度较弱,或者绿地上人类活动较密集、不希望大面积积水的地区,可以通过提高绿地面积、降低下凹绿地比重的方式来满足雨洪调蓄要求。

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4.2雨水利用潜力

生态雨洪调蓄系统将传统开发模式下产生的大量雨水径流就地拦蓄,在减轻市政雨水管网和外围区域河道排水压力的同时,极大提高了雨水的利用程度。在系统设定的原始目标下,北京市一年一遇强度36mm/h、历时1小时的单次降雨,三级雨洪管理区可以实现径流零外排,总共可集蓄约25.3万m3的水量两年一遇强度45mm/h、历时1小时的单次降雨,二级雨洪管理区可以完全拦蓄雨水径流,在二、三级管理区内总共可集蓄约34.4万m3水量。这些雨水可以直接通过绿地的天然入渗和净化能力回补地下水,也可以作为景观用水或生活杂用水的水源,资源储量十分可观。当提高三级管理区内绿地率或下凹绿地比重时,可拦蓄利用的雨水量还将继续增加。

 

5.结语

生态雨洪调蓄系统作为城市的“绿色海绵”,转变了传统的雨水治理思路,在有效减轻城市排水负担的同时,将雨水资源化利用,是解决我国城市当前旱涝并存困局的有益探索。系统的多功能性和可调整性使其不但适用于城市新区开发,同样也有望逐步融入到中心城区的改造中,有效提高原有市政排水设施抵御暴雨的能力,恢复城市地表的天然入渗过程。“绿色海绵”的构建,摆脱了单一工程化的视角,与城市生态安全格局相结合,从较为宏观的城市尺度整体性和多目标地解决雨水问题,探索了一条更为生态的景观设计途径,符合生态环境保护及低碳生态城市发展的趋势,具有良好的应用前景。

 

作者: 阿普贝思 日期 2015年01月30日

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