濟南市城市下凹式綠地建設研究

趙 瑩，周士勇，耿靈生 (山東省水利科學研究院山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東濟南250013)

隨著城市建設的飛速發(fā)展，城市地面不透水面積快速增加，排水管網(wǎng)取代了綠地、溝道、池塘等天然的雨洪調(diào)蓄系統(tǒng)。濟南市多年平均降雨量為654 mm，年際變化大，在豐水年和枯水年所形成的水資源量可相差2～4倍;年內(nèi)降雨分布不均，近75%的降雨量集中在夏季，且多為短歷時暴雨，不適合建設大的雨水蓄積池直接利用;大部分雨水直接形成地面徑流流出市境;部分地區(qū)地下水嚴重超采。由于雨水資源的大量流失，造成地下水位下降，泉水無法噴涌;由于地勢南高北低，造成雨水徑流順流瀉在市區(qū)北部并積蓄，水澇災害頻發(fā)，市政排水系統(tǒng)遭受前所未有的考驗。因此，以“泉城”聞名于世的濟南，加快雨水利用既是當務之急，又是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、創(chuàng)造良好生存空間的長遠之計。

下凹式綠地是一種高程低于周圍路面的公共綠地，也稱低勢綠地。與“花壇”相反，其理念是利用開放空間承接和貯存雨水，下雨時就能形成一個天然的“蓄水池”，從而達到補充地下水、調(diào)節(jié)徑流、滯洪及削減徑流污染物的作用［1］。該技術十分適合解決濟南地下水位下降、坡度大難以蓄水、排水系統(tǒng)壓力大、水質(zhì)差等實際問題，在實現(xiàn)排水減壓的同時，也使城市的自然生態(tài)循環(huán)重新“復活”。

1 下凹式綠地研究進展

雨水利用已成為國際上普遍重視的課題，如果能將流失的雨水進行有效收集和利用，必將成為解決城市水資源短缺的有效措施之一［2］。德國的MR系統(tǒng)(又稱水洼滲透渠組合系統(tǒng))是近十年發(fā)展起來的流行雨水處理技術，該措施是通過雨水在低洼草地中短期儲存和在滲渠中長期儲存，以保證盡可能多的雨水得以下滲［3］。美國的LID系統(tǒng)應用在小流域內(nèi)，將徑流控制在源頭的措施包括滲透、過濾、蓄存、揮發(fā)和滯留等。澳大利亞的WSUD是通過天然的洼地蓄水和減少不透水地表比例來降低下游流量峰值［4］。國內(nèi)學者也進行了大量研究。劉蘭嵐等通過計算分析下凹式綠地和景觀水體調(diào)蓄徑流的可行性［5］。俞紹武等介紹了小區(qū)、道路等幾種下凹式綠地形式，認為對綠地結構進行調(diào)整就能實現(xiàn)雨水利用，不需增加建設資金和運行能源的消耗［6］。王金輝等通過試驗測試了下凹式草坪雨水利用以及節(jié)約灌溉水量方面的影響因素和效果，結果表明在匯水面積比為1、2、3，下凹100 mm，下凹式草坪實際利用雨水量比普通草坪分別增加27.16%、68.84%、89.72%［7］。王立存等在天津濱海新區(qū)某建筑區(qū)采用下凹式綠地人工濾層過濾儲水技術用作綠地灌溉用水和景觀水體補充水，運行效果良好［8］。北京市在下凹綠地技術方面做了嘗試，地方標準《城市雨水利用工程技術規(guī)程》、《建筑、小區(qū)及市政雨水利用工程設計規(guī)范》陸續(xù)實施，提出住宅小區(qū)的綠地中，至少要有50%作為用于滯留雨水的下凹式綠地，下凹深度一般是50～100 mm。綠地內(nèi)的植物則應選擇耐旱耐淹的品種。

由此可見，利用源頭控制措施來蓄集雨水，達到雨水就地下滲、消減洪峰、回補地下水等目的是現(xiàn)代雨水利用的理念，下凹式綠地是實現(xiàn)城市雨水管理可持續(xù)發(fā)展的可選擇措施之一。

2 濟南市城市開發(fā)建設項目下凹式綠地設計計算

關于城市區(qū)域產(chǎn)流計算模型，根據(jù)城市的特點，可以將城市分為水面部分(水面產(chǎn)流模型)、城市綠地部分(透水層的產(chǎn)流模型)、建筑物及道路部分(不透水層的產(chǎn)流模型)以及經(jīng)過處理的廣場和開闊地部分(具有填洼的不透水層的產(chǎn)流模型)［9］。張麗等認為我國北方平原地區(qū)城市綠地部分可采用透水層的產(chǎn)流模型，產(chǎn)流計算時多采用初損后損法［10］。該方法把損失分為兩部分，產(chǎn)流前的損失稱為初損，產(chǎn)流后的損失稱為后損，后損為產(chǎn)流歷時內(nèi)平均下滲強度和產(chǎn)流歷時的乘積與后期不產(chǎn)流的雨量之和。任樹梅等通過產(chǎn)流過程分析，對北京城區(qū)不同水平年不同集水面積和不同下凹深度的綠地雨水蓄滲效果進行了分析和計算［11］。張煒等基于水量平衡原理建立等式關系，在滿足實際應用精度的基礎上進行合理假設和簡化，運用水力計算得出下凹式綠地的設計計算公式，以設計計算圖簡單形式作為下凹式綠地設計應用界面［12］。劉蘭嵐等對某場降雨時段內(nèi)下凹式綠地對雨水徑流蓄滲率的計算，反映下凹式綠地對雨水的蓄滲效應［5］。

由以上研究可見，關于下凹式綠地調(diào)蓄計算，下凹深度和綠地面積是設計過程中的兩個主要控制參數(shù)，其取值需綜合綠地服務匯水面面積、土壤滲透系數(shù)，設計暴雨重現(xiàn)期、綠地布置情況、植物的耐淹時間等多種影響因素。在已建成地區(qū)，綠地面積率、位置均已確定，可根據(jù)其他設計因素確定綠地的下凹深度，經(jīng)過試算，滿足雨水不外排的要求。對于新建項目來說，涉及凹式綠地服務匯水面劃分，應考慮綠地面積率相等或相差不大，充分發(fā)揮下凹式綠地的蓄滲能力。

針對濟南市玉蘭花園新建小區(qū)項目，采用已有研究中簡化的計算方法［12］，以雨水不外排為目標，計算不同綠地面積率，不同暴雨重現(xiàn)期條件下，下凹式綠地的設計深度。當項目所在地超過最小設計深度時，設計溢流雨水外排或收集回用，為濟南市新建小區(qū)凹式綠地的設計提供依據(jù)。

根據(jù)雨水滲透的水量平衡原理，計算時段內(nèi)下凹式綠地的水文要素之間存在如下關系:

Q+U’=S+Z’+Z+U+P (1)式中，Q為計算時段內(nèi)進入下凹式綠地的雨水徑流量;U’為計算時段開始時下凹式綠地的蓄水量;S為計算時段內(nèi)下凹式綠地的雨水下滲量;Z為計算時段內(nèi)下凹式綠地的雨水蒸發(fā)量;Z’為計算時段內(nèi)下凹式綠地的植物蒸騰量;U為計算時段結束時下凹式綠地的蓄水量;P為計算時段內(nèi)下凹式綠地的雨水溢流外排量。

采取假設和簡化:降雨歷時一般較短，Z’、Z可忽略;由于綠地植物的淹水時間不宜過長，所以假設降雨開始時下凹式綠地內(nèi)無蓄水，即U’=0，同時忽略植物截流、土壤含水率等影響雨水下滲的因素，設計暴雨重現(xiàn)期下的雨水徑流全部滲透利用，不產(chǎn)生外排，即P=0。

因此，式(1)可簡化為:

式中，F(xiàn)為實際匯水面積;F’為綠地面積;q為設計暴雨強度;φ為匯水面綜合徑流系數(shù);Z’為土壤滲透系數(shù)，即穩(wěn)滲率;h為綠地下凹深度;J為計水力坡度，垂直下滲取1;T為計算時段。

濟南市設計暴雨強度公式為:

式中，P為設計重現(xiàn)期;t為降雨歷時。

把式(3)～(6)代入式(2)，可計算出h。

按照設計暴雨強度公式，在不同土壤滲穩(wěn)滲率、重現(xiàn)期、綠地面積比條件下，計算出綠地最小下凹深度h的結果。由表1可知，同等土壤入滲率、降雨強度條件下，下凹綠地面積比的增加，設計下凹深度減小;在較大入滲率為5×10－6m/s，較大綠地面積比為40%以上時，即便不采用下凹蓄水，也可以實現(xiàn)雨水全部利用。隨著降雨強度越大，下凹綠地面積不變，設計下凹深度要求也越大。根據(jù)我國城市規(guī)劃的標準，一般要求綠地率不小于30%，新建城區(qū)或舊區(qū)改造綠地率不小于35%，國家園林城市標準對綠地率的要求是38%。通過計算可知，該小區(qū)在最小綠地率30%，在較小入滲率1×10－6m/s情況下，該小區(qū)采用75 mm以上深度的下凹式綠地(P=5a)，就可以實現(xiàn)雨水不外排。在75 mm深度時，植物的耐淹時間為20.8 h，也小于北方植物的耐淹程度，不影響植物的生長［13］。濟南城區(qū)土質(zhì)入滲能力一般較好，植物的耐淹程度為1～3 d，所以綠地下凹深度50～100 mm就能對暴雨起到削峰、攔蓄作用。

表1 不同設計條件下的綠地下凹深度

根據(jù)《濟南市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃(2010～2020年)》，至2020年，中心城內(nèi)公園綠地規(guī)劃面積達到4 757 hm2;生產(chǎn)綠地面積達到1 000.5 hm2;防護綠地面積達1 380 hm2;附屬綠地面積達到8 535 hm2。若濟南市上述面積中，有一半采用下凹綠地，即采用本計算中75 mm以上深度的下凹式綠地(P=5a，綠地面積率30%，土壤穩(wěn)滲濾1×10－6m/s)，次降雨過程就可以增加補給地下水588萬m3。這對于恢復泉水長年噴涌、保護城市水環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3 濟南城市綠地建設存在問題及對策

(1)現(xiàn)有小區(qū)依舊按照傳統(tǒng)的方式，將路面修得較低，道路兩側(cè)綠化用地內(nèi)的雨水在路面上匯集后流入雨水口再排至區(qū)外。不僅減少了綠地水分的入滲量，還會使綠地的土壤養(yǎng)分隨徑流流失。所以因地制宜將城市公園、草坪、苗圃、公路綠化帶等現(xiàn)有綠地改造成良好的入滲場地，是城市綠地建設急需解決的問題。

(2)下凹式綠地是一種新型雨水利用技術，國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的設計標準?！督ㄖc小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范》中，對下凹式綠地工程設計算法作出簡化和應用，只是將下凹式綠地視為一種削減雨水徑流量的措施。而對大部分項目來說，只需對綠地采取下凹式整理，并對排水系統(tǒng)進行適當調(diào)整，區(qū)域就基本可達到雨水不外排的要求。在設計及運行后的管理上缺少依據(jù)。所以，作為對城市規(guī)劃改革的一種探索，迫切需要制定相關標準、技術規(guī)范、專項規(guī)劃等。

(3)下凹綠地的實際設計過程中，多受景觀規(guī)劃等限制，綠地面積往往是預留好的，在設計時無法最大限度保持相對均勻的綠地分布，進而無法達到最好的蓄水效果。所以，經(jīng)深入調(diào)查，科學制定綠地指標，合理安排空間布局，促進城市可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)對現(xiàn)有城市綠地規(guī)劃方法的創(chuàng)新。

(4)已有措施主要局限在小區(qū)域范圍，對較大區(qū)域，如機場、碼頭等，在節(jié)省水源，改善城市水循環(huán)等方面的研究和實踐還不夠，應加強該方面的理論研究，從而提供技術支撐。

(5)城區(qū)垃圾太多也是影響下凹式綠地措施實施的原因，降雨使垃圾很容易被沖進綠地中，讓綠地變成垃圾帶。所以，增加環(huán)保宣傳，提高居民素質(zhì)，增強居民的文明意識對于城市健康穩(wěn)定發(fā)展也十分必要。

4 結語

下凹式綠地具有補水、滯洪、減污的作用，作為一種簡單的雨水利用措施，對節(jié)約水資源、保護水環(huán)境及促進水資源可持續(xù)利用有積極作用。目前濟南市下凹式綠地措施采用率還很低，建設潛力很大。經(jīng)計算，到2020年，濟南市綠地中假使一半面積采用75 mm以上深度下凹綠地，次降雨過程就可以增加補給地下水588萬m3。事實證明實施下凹式綠地在經(jīng)濟、技術、實踐等多方面都是可行的，應盡快編制相關標準及專項規(guī)劃，在以后的小區(qū)建設和道路改造中加大下凹綠地建設力度，取代傳統(tǒng)的路沿石;同時加強宣傳，提高居民愛護環(huán)境的積極性，把濟南建設成綠草如茵的花園城市。

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