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基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究

基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究

近年来很多地区频发干旱和内涝等灾害,引发我们对城市水危机的深刻思考。水资源短缺和洪涝灾害并发的一个重要原因是雨水资源没有得到合理利用,而是通过排水系统排走,但排水设施的设计标准较低且城市排涝标准体系的缺失造成了暴雨时节严重积水,产生洪涝灾害,加剧了城市缺水,水污染以及生态环境恶化等问题。通过雨水资源化解决水危机及洪灾问题一直是很多学者关注的重点,它对于缓解水资源危机,补偿城市生态环境及防洪减灾等方而具有重大社会、经济和环境效益。

现有关于雨水资源化的研究大多从工程设计方而入手,但实际上应整体和多目标的解决雨水问题,而非单一工程的解决方式,在城市发展的规划层面需前瞻性的分析雨水资源化的方向,构建雨水利用及生态安全格局,发达国家己从单纯的工程技术层面走向与景观生态设计紧密结合。城市规划及城市景观规划设计理应为解决环境问题提供可操作的平台,而传统的城市规划,主要是将雨水通过管网排除或收集至污水厂进行处理解决点源污染,却导致排水设施压力增加,且雨水径流的而源污染得不到控制,威胁城市的安全。目前城市雨水利用尚未纳入城市规划的考虑范围,造成雨水利用设施建设随意性较大;未来城市规划需充分认识雨水资源的价值,在规划中积极引入雨水资源化的理念,通过雨洪利用和景观生态设计等手段解决城市水危机。

本文针对北京首钢工业改造区进行雨水利用规划研究,将雨水作为地区景观设计的重要元素,将雨水利用纳入城市规划体系中,构建雨水利用“生态海绵”地区。初步优化探讨“生态海绵”地区雨水利用的综合效益,并在此基础上提出雨水利用构建技术和评价指标体系,以期为后续土地一、二级开发及雨水利用工程设计提供参考。

1.项目概述

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2007年,北京市城市规划设计研究院完成了《首钢工业区改造规划》,根据区域发展要求并落实北京城市总体规划,首钢主厂区及其协作发展区应作为北京城市西部的综合服务中心;作为中国钢铁工业改造转型的典范,应走出一条特色工业资源与现代科技文化相结合的发展之路,成为后工业文化创意产业区。根据区域发展要求并落实北京城市总体规划,按照总规要求创新规划理念和方式方法,在该规划中探索低碳生态的规划设计指标体系。

工业区地形坡度大,现状雨水通过人民渠排除,但是河道断而狭窄,过水能力低;现状月季园和晾水池两处水域都采用自来水补水,因无雨水收集设施及地势等影响,雨水无法流入湖内补充水体,现状雨水利用几乎处于空白。

根据工业区改造建设低碳生态城市的目标,对雨水利用提出一些要求:第一,必须保障防洪安全;第二,以节约利用水资源为目标,构建以雨水利用为主的景观;第三,通过雨水利用恢复规划区水生态系统,保障规划区生态安全格局;第四,雨水利用规划与土地开发、景观设计、竖向规划及其他涉水专项规划协同编制,确保规划能够实施。

2.“生态海绵”规划理念

  1. 1理念概述

本规划结合“生态排水+管网排水”雨水排除新模式,融合雨水开发应用领域最新的可持续发展及低影响开发等理念,构建“生态海绵”雨水利用地区的规划理念。

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“生态海绵”地区要求改变传统雨水排放的模式,它要求采用与自然相近的雨水管理方法,尽可能不让雨水外排,而是分散的蓄留和初步净化。整个规划区应该像海绵一样,将进入的雨水短暂的存储起来,再利用或缓慢下渗,构建生态海绵地区规划理念,强调雨水可持续利用,把雨水“排水量零增长”的概念形象表达出来,这种理念符合生态环境保护及低碳生态城市发展的要求。

  1. 2综合目标

本规划兼顾城市用地和空间开发宏观指引,制定雨水综合利用的空间分布、分类及技术措施等;微观上进行雨水利用规划设计的要点控制,确定具体利用技术,控制指标及相关配套政策等。期望能够从宏观和微观相结合的层而上进行雨水利用综合规划,进而实现调蓄减排、水资源保护、雨水利用、水污染控制、水景观及微气候改善等综合效益。

 

  1. 3评价指标

针对规划构建的“生态海绵”地区从经济、资源环境等角度出发提出三类指标,具体见表1。

雨水利用强度类指标反映雨水利用的程度,其中年雨水排放率指该地区进行雨水利用改造后排入市政管网的雨水量占全年总降雨量的比例,零排放降雨量和零排放重现期指可被规划区滞留的降雨量和该降雨量对应的重现期。经济类指标反映雨水利用设施的建设及管理成本,资源环境类指标反映雨水资源化程度及环境污染的控制情况。根据规划区的实际情况制定各类指标的限制值,可控制和指导土地开发利用过程中雨水设施用地的预留和建设,指标体系也可用来预测及验证规划方案实施后的实际效果。本文构建的指标体系主要为本规划效益评价服务,期望后续继续完善雨水利用指标体系,为雨水利用相关管理控制措施及法规的制定提供帮助。

  1. 4技术体系

构建“生态海绵”地区的技术体系由雨水净化系统、雨水渗透系统和雨水蓄集利用系统组成。规划方案以绿地改造利用技术为核心技术,联合其他以绿地为主要空间的雨水综合利用技术,进而实现雨水的生态海绵吸收渗透方式。

屋顶:以屋顶绿化和屋顶花园改造为主,综合径流系数设计为0. 2。广场道路:采取透水铺装改造。绿地:地块内绿地主要以低势绿地、雨水花园等生物滞留系统为主,并结合渗透沟和植物沟渠渗透系统,整个系统以细粉砂的渗透系数为标准(取1 x 10-5m/s)蓄水深100 ~ 200mm;公共绿地以生态湿地、景观池等雨水集中利用设施改造为主,并配套相应蓄水池,蓄水深200~5OOmm ;道路绿化带采取绿色街道的改造建设,蓄水深200mm。后续详细规划设计计算,都将按照相关技术的设计标准进行计算分析。

3.方案设计计算100

  1. 1综合方案(图2)

研究针对规划区的地质、环境、水文和气象等条件进行分析,论证了雨水利用的可行性,确定雨水利用的主要途径为下渗补充地下水,部分补充景观水系。

宏观上,将整个规划区按照现有水域和绿地分布分为南北两区,不同汇水而雨水经初期截污措施后优先下渗补充地下水源,多余雨水以重力流方式汇集至南北两区的水系中。其中北区以现有晾水池为调蓄池接纳未渗透的雨水,南区以现有景观湖泊为调蓄池,并在水系周边的公共绿地

由表2可见,屋顶绿化改造比例的提高,对提高地块零排放降雨量的作用较小,且随改造比例增加所有经济指标都相应增加,因此需适当降低屋顶绿化比例以节省成本。

(2)固定绿地改造和屋顶绿化比例分别为20 %和10%、考察透水铺装和设计零排放降雨量对经济中建设生态湿地景观,构造亲水空间,起到美化环境和净化水质的双重功效。发生暴雨时溢流雨水通过防洪渠排除。

微观上,将位于长安街两侧的地块作为示范区,对其进行雨水利用详细规划设计,其中示范区1为综合商业用地,示范区2为商业和公共绿地组合用地(该区域内含有景观水体),通过对典型地块的优化设计,探讨全区雨水利用的技术体系及控制指标。

3.2设计计

3.2. 1综合渗透系统

示范区1为综合商业用地,汇水而由屋而、绿地、道路和广场组成,区域内无大而积水域,无景观补水需求,因此本区雨水利用系统设计为“屋顶绿化+高位花坛+透水铺装+低势绿地+植被浅沟、渗透沟”的雨水综合渗透利用系统。屋而径流经屋而绿化截留净化后再流经高位花坛(内填渗透性能好、净化能力强的人工混合土)进行渗透净化。道路雨水一部分经透水铺装直接渗透,一部分与屋而雨水一起通过低势绿地,流入渗透浅沟;雨量较大时,雨水沿着浅沟进入渗透沟下渗;超过渗透能力的雨水排入市政雨水管网。

为确定雨水利用措施的最佳方案,综合北京市己有的工程设计经验,分析屋顶绿化改造比例、绿地改造比例、渗透铺装比例以及设计零排放降雨量对经济成本的影响。具体优化分析计算如下。

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(1)固定绿地改造和铺装改造比例分别为20%和30%、考察屋顶绿化和设计零排放降雨量对经济成本的影响,结果见表2。

由表2可见,屋顶绿化改造比例的提高,对提高地块零排放降雨量的作用较小,且随改造比例增加所有经济指标都相应增加,因此需适当降低屋顶绿化比例以节省成本。

(2)固定绿地改造和屋顶绿化比例分别为20 %和10%、考察透水铺装和设计零排放降雨量对经济成本的影响。结果表明,与屋顶绿化相似,透水铺装改造比例的提高,对提高地块零排放降雨量的作用不明显,且随改造比例增加所有经济指标都相应增加。

(3)固定透水铺装和屋顶绿化比例分别为30%和10%、考察绿地改造和设计零排放降雨量对经济成本的影响,结果见表3。

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由表3可见,与屋顶绿化和透水铺装不同,绿地改造比例的提高,对提高地块设计零排放降雨量的作用明显,且随改造强度增加,吨水综合利用和吨水维护成本有所降低,表明提高绿地改造比例可提高零排放降雨量和降低经济成本。本结论从蓄水量及经济最优方而验证了学界关于绿地是城市雨水利用最佳效益获取场所的论述。

通过对三种影响因素及各种经济指标的综合分析,针对示范区的雨水利用综合渗透系统,绿地改造 25%左右、设计零排放降雨量35mm左右是最佳雨水利用改造措施方案。

3.2.2以景观水体为核心的综合利用系统

示范区2是公共绿地和商业综合用地,区内有景观水体,因此规划构建“以景观水体为核心的综合利用系统”。屋而雨水先经屋顶绿化截留净化后再流经建筑物周边雨水花坛等设施进行渗透净化。净化后的雨水再流经设置于景观水池中的人工湿地,出水水质可符合景观水体的水质要求,经湿地处理后排入景观水池。多余雨水通过绿地渗透系统进行下渗补充地下水。

与综合渗透系统一样,采取同样方式优化分析最佳方案,结论与综合渗透系统一致:屋顶绿化和透水铺装改造比例的提高不能提高零排放降雨量且增加经济成本,绿地是最经济的雨水利用场所。

经济性分析表明:总净增造价、年折旧费用、单位而积净增造价、吨水投资折旧和年维护费用都按照改造比例增加而增加,但吨水维护费用和吨水利用综合成本随改造比例的提高变化曲线如图3和图4所示。103 104

综上分析,针对“以景观水体为核心的综合利用系统”,绿地改造11%左右、设计零排放降雨量40mm左右是最佳雨水利用改造方案。

3.2.3规划区综合方案计算

以示范区的设计计算结论为依据,规划全区雨水利用方案,按照雨水利用强度等级,提出4种方案,具体见表4。针对4种方案进行经济性及滞留雨水量分析,结果见表5。

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按照4种方案考察不同利用方案情况下,全区可滞留的降雨量、零排放标准及雨水利用率等指标,方案3为最佳方案。后期土地一级和二级开发利用需以此改造比例为标准进行不同性质地块雨水利用设施建设。

4.“生态海绵”效益分析

上文己构建了“生态海绵”地区评价指标,利用这一指标体系进行规划方案的综合效益分析,4种规划方案的经济性分析见表5,最佳方案3时,规划区可滞留98mm降雨量,相当于规划区3年重现期以上的降雨量都可被“海绵”吸收,雨水利用率可达90%(表6)。

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结合全区水域的调蓄和渗透补充地下水,方案3实施后可节约水资源量202. 47万m3m,雨水经绿地渗透和生态湿地等雨水利用设施净化,大大减轻了雨水中污染物对环境的污染,根据北京市雨水污染物浓度的监测值和净化设施净化能力,预计方案3实施后可减少COD外排量101万t,这对生态环境的保护具有重大意义。

5.结语

长期以来,城市涉水规划中雨水排除与利用规划均未被以单项规划进行,且雨水利用规划与其他专项规划之间缺少有机联系。将雨水资源化思想融入城市规划、水系统规划、环境规划及综合防灾等规划中,对未来城市健康、可持续的发展具有重要意义。

未来可以“生态海绵”地区构建为借鉴,创新雨水利用规划理念,进一步完善雨水利用规划的法规、管理政策、尽可能将雨水利用规划由非传统规划改变为法定规划,引导社会认识雨水利用的重要性,加大相关研究和实践的投入,从法律、经济和教育等方而提供保障,创造适合我国雨水利用的技术和艺术。

 

 

 

作者: 阿普贝思 日期 2015年01月29日

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