低影響開發(fā)模式在風(fēng)景園林場(chǎng)地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

林偉斌，林偉光，陳凌艷，何天友，鄭郁善

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院，福建 福州350002； 2.成都賽肯思景觀設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000；

3.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000)

低影響開發(fā)模式在風(fēng)景園林場(chǎng)地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

林偉斌1，林偉光2，陳凌艷1，何天友1，鄭郁善3

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院，福建 福州350002； 2.成都賽肯思景觀設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000；

3.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000)

摘要：快速城市化使城市地區(qū)原來的水文循環(huán)發(fā)生改變，使得城市原有的排水系統(tǒng)無法有效應(yīng)對(duì)極端暴雨天氣，容易發(fā)生嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，最終造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。從場(chǎng)地尺度出發(fā)，使用低影響開發(fā)(Low Impact Development,LID)措施進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化布置，形成上、中、下相互連接的網(wǎng)絡(luò)，并以草溝設(shè)計(jì)為例，將LID措施應(yīng)用于尺寸設(shè)計(jì)上，根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算得出草溝尺寸。最后，以荷蘭鹿特丹水廣場(chǎng)和臺(tái)灣秋紅谷生態(tài)公園為例闡述了場(chǎng)地設(shè)計(jì)中的LID措施的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：海綿城市；低影響開發(fā)；場(chǎng)地設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)化布置；尺寸設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU986.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：2095-4824(2015)06-0099-05

收稿日期：2015-08-10

作者簡(jiǎn)介：林偉斌(1989-),男，福建仙游人，福建農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)碩士研究生。

在中國(guó)城市化進(jìn)程中，大量不透水的道路、建筑、廣場(chǎng)取代了原來透水的森林、農(nóng)地，硬化的地面阻隔了雨水直接滲透到地下，使城市地下水位難以及時(shí)得到補(bǔ)給，直接影響了地表植被的健康[1]。根據(jù)美國(guó)EPA測(cè)算，當(dāng)降雨發(fā)生在自然地表時(shí)，只有10%雨量形成地表徑流，50%雨量形成下滲。而當(dāng)強(qiáng)度降雨發(fā)生在城市建成區(qū)，55%的雨量形成地表徑流，15%形成下滲，導(dǎo)致地表徑流量顯著增加，雨水自然下滲量顯著減少[2]。

根據(jù)住建部2010年對(duì)國(guó)內(nèi)351個(gè)城市專項(xiàng)調(diào)研顯示，2008—2010年間，有62%的城市發(fā)生過不同程度的內(nèi)澇，其中內(nèi)澇災(zāi)害超過3次以上的城市有137個(gè)，在發(fā)生過內(nèi)澇的城市中，57個(gè)城市的最長(zhǎng)積水時(shí)間超過12小時(shí)[3]。其中，2012年1月—2015年6月，我國(guó)主要城市北京、上海、廣州、深圳在暴雨來襲之際，城市現(xiàn)有的排水系統(tǒng)無法應(yīng)對(duì)這種極端天氣，導(dǎo)致城市在暴雨來臨之際發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害，造成了重大的財(cái)產(chǎn)損失和嚴(yán)重的人員傷亡。具體情況見表1[4-6]。

西方城市化的發(fā)展比中國(guó)早，問題出現(xiàn)也比中國(guó)早，許多國(guó)家在應(yīng)對(duì)城市化帶來的問題上提出了先進(jìn)的雨洪管理理念，比較有代表性的有美國(guó)的低影響開發(fā)(Low Impact Development,LID)，英國(guó)的城市可持續(xù)排水系統(tǒng)(Urban Sustainable Drainage System,USDS)，澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(jì)(Water Sensitive Urban Design,WSUD)，新西蘭的低影響城市設(shè)計(jì)與開發(fā))(Low Impact Urban Design and Develoment,LIUDD)等管理理念。

2014年10月中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部組織編制了《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(試行)》，并在2015年4月公布了第一批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)名單，包括遷安、白城、鎮(zhèn)江、嘉興、池州、廈門、萍鄉(xiāng)、濟(jì)南、鶴壁、武漢、常德、南寧、重慶、遂寧、貴安新區(qū)和西咸新區(qū)[7]。這一政策的實(shí)施為低影響開發(fā)在我國(guó)城市發(fā)展建設(shè)中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。本文將從低影響開發(fā)概念出發(fā)，歸納低影響開發(fā)各措施在風(fēng)景園林場(chǎng)地設(shè)計(jì)中網(wǎng)絡(luò)化布置中的功能、位置、尺度和管理措施，并以草溝設(shè)計(jì)為例，根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算得出草溝尺寸，為實(shí)際風(fēng)景園林場(chǎng)的設(shè)計(jì)提供參考。

鄭郁善(1960-)，男，福建永泰人，福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授。

表1　2012年—2013年夏季我國(guó)主要城市暴雨災(zāi)害

1低影響開發(fā)概念

低影響開發(fā)的概念和傳統(tǒng)的雨水管理方式有顯著的不同。傳統(tǒng)方式將雨水盡可能快地排入雨水管網(wǎng)，之后進(jìn)入附近的水體。低影響開發(fā)是1990年由美國(guó)喬治省馬里蘭州(Prince George)環(huán)境資源署提出，是一種運(yùn)用場(chǎng)地設(shè)計(jì)策略，通過一系列的雨水管理設(shè)施實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地開發(fā)后，使水文狀態(tài)盡量保持開發(fā)前的自然狀態(tài)。兩者之間的區(qū)別見表2[8]。

表2　傳統(tǒng)的雨洪管理和低影響開發(fā)的雨洪管理

2海綿城市背景下LID的建設(shè)策略和目標(biāo)

2.1LID的建設(shè)策略

城市化過程導(dǎo)致城市水文變化，場(chǎng)地徑流量和徑流污染物增加。低影響開發(fā)模式采用景觀的手段，利用生態(tài)草溝、植物滲透池等措施阻滯、過濾、吸收、下滲雨水，在不同的建設(shè)場(chǎng)地，根據(jù)土壤類型、空間大小、坡度以及地下水的特征等條件進(jìn)行合理的配置。LID措施建設(shè)的策略主要包括以下七個(gè)方面[9]：

(1)延長(zhǎng)地表徑流的通過時(shí)間。

(2)維護(hù)自然的泄洪通道，盡量分散徑流。

(3)將不透水的區(qū)域(例如路面和屋頂)與排水系統(tǒng)分開，利用透水區(qū)域下滲雨水。

(4)保護(hù)能夠減慢地面徑流速度、過濾污染物、容易下滲的土壤和自然植被。

(5)引導(dǎo)地表徑流通過有植被覆蓋的區(qū)域，以過濾徑流并補(bǔ)給地下水。

(6)提供小尺度的分散式措施，實(shí)現(xiàn)調(diào)控目標(biāo)。

(7)從源頭控制，就地處理污染物。

2.2LID的建設(shè)目標(biāo)

在海綿城市建設(shè)背景下，LID的控制目標(biāo)主要有徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染物控制和雨水資源化利用。在確定不同城市的雨洪控制目標(biāo)時(shí)，應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐恋厥褂脿顩r、水文地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、氣候條件等因素綜合考慮。

目前，面對(duì)極端天氣，我國(guó)多個(gè)城市在強(qiáng)降雨情況下容易發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)澇，因此徑流總量的控制是基本和首要的LID雨洪控制目標(biāo)?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》對(duì)我國(guó)大陸地區(qū)年徑流總量控制率分成5個(gè)區(qū)(見圖1)[10-11]。

圖1　我國(guó)大陸地區(qū)年徑流總量控制率分區(qū)圖

3LID在風(fēng)景園林場(chǎng)地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

低影響開發(fā)模式分為結(jié)構(gòu)性措施和非結(jié)構(gòu)性措施。結(jié)構(gòu)性措施主要通過一系列雨洪管理的具體設(shè)施實(shí)現(xiàn)雨洪管理目標(biāo)，包括綠屋頂、植被過濾帶、生態(tài)草溝、生物滯留池等。非結(jié)構(gòu)性措施主要包括各種管理措施、宣傳教育等非結(jié)構(gòu)性措施。在實(shí)現(xiàn)雨洪管理的目標(biāo)上，結(jié)構(gòu)性措施側(cè)重于減緩雨水徑流和降低雨水中污染物濃度，而非結(jié)構(gòu)性措施側(cè)重于預(yù)防。

3.1LID結(jié)構(gòu)性措施網(wǎng)絡(luò)化布置

在風(fēng)景園林場(chǎng)地設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用LID結(jié)構(gòu)性措施進(jìn)行雨洪控制，主要實(shí)現(xiàn)六個(gè)方面的功能：

(1)通過雨水徑流分流控制徑流流速。

(2)通過阻滯水流延緩徑流生成時(shí)間與洪峰流速。

(3)通過雨水滯留清除各種懸浮顆粒物。

(4)通過各種天然或人工滲透性介質(zhì)過濾雜質(zhì)和污染物。

(5)通過讓雨水滲透過植被、土壤、砂石等介質(zhì)實(shí)現(xiàn)地下水源。

(6)通過微生物分解、植被吸附等實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化。

在LID的各項(xiàng)措施中，有的只具有其中一項(xiàng)功能，有的具有其中多項(xiàng)功能。與單獨(dú)而分散的措施相比，依據(jù)自然狀態(tài)下的水文過程，結(jié)合不同措施進(jìn)行綜合應(yīng)用，形成從降雨源頭控制、水流傳輸、末端處理的綜合LID網(wǎng)絡(luò)，能更好地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)雨洪控制目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)化布置各措施的使用方法主要有如下幾個(gè)方面。

3.1.1貫穿網(wǎng)絡(luò)，控制水流

此類設(shè)施貫穿整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，使用范圍較廣，多布置在道路、綠地周邊等區(qū)域，連接各個(gè)措施，主要用于減少表面徑流和管道排放，但不具備生態(tài)功能。LID貫穿網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施見表3。

表3　LID貫穿網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施

3.1.2LID上游網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施

此類裝置直接接收不透水表面匯集的雨水，對(duì)其進(jìn)行初級(jí)沉淀、過濾，并將雨水徑流導(dǎo)入下一層設(shè)施。LID上游網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施見表4。

表4　上游網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施使用情況

3.1.3LID中游網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施

此類設(shè)施主要通過收集和過濾功能，在最終處理前分流雨水，避免水污染，保障網(wǎng)絡(luò)下游設(shè)施的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。LID中游網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施見表5。

表5　LID中游網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施

3.1.4LID下游網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施

此類設(shè)施通過滲透方式將雨水徑流導(dǎo)入地下，并通過生物方式處理雨水中的污染物，建立動(dòng)植物生態(tài)群落。LID下游網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施見表6。

表6　LID下游網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)措施

3.2LID結(jié)構(gòu)性措施尺寸設(shè)計(jì)

在場(chǎng)地設(shè)計(jì)的后期，LID結(jié)構(gòu)性措施的尺寸設(shè)計(jì)需結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃臄?shù)據(jù)、場(chǎng)地的土壤類型、土地使用狀況、坡度等條件確定。對(duì)于小排水區(qū)(例如不到80公頃)，使用合理化公式計(jì)算尖峰徑流速率，表示為[10]：

(1)

式中：q表示尖峰徑流速率(單位: m3/s,立方米/秒);c表示徑流系數(shù)(介于0～1之間);i表示在指定的設(shè)計(jì)暴雨頻率與集流時(shí)間下之降雨強(qiáng)度(單位:mm/hr,毫米/小時(shí));A表示排水區(qū)之面積(單位:ha,公頃)。

下面以草溝尺寸設(shè)計(jì)為例，介紹尺寸設(shè)計(jì)的具體過程[10]。

某縱向坡度為4%的草溝，必須容納1.5 m3/s的徑流。其土壤易受沖蝕，植被是生長(zhǎng)良好的藍(lán)草,并經(jīng)常修剪保持5 cm的長(zhǎng)度，草溝斷面為拋物線。

根據(jù)設(shè)計(jì)條件中植被覆蓋、縱向坡度、土壤沖蝕性，查閱相關(guān)規(guī)范確定該草溝容許最大流速為1.52 m/s；而其粗糙系數(shù)n取為0.04。

根據(jù)如下連續(xù)方程計(jì)算水流斷面：

q=A×V

(2)

式中：q表示流量(單位: m3/s,立方米/秒);A表示水流斷面(單位:m2,平方米);V表示流速(單位:m/s,米/秒)。水流斷面計(jì)算為：

(3)

(4)

式中：V表示流量(單位:m/s,米/秒);n表示開放式渠道的曼寧粗糙系數(shù);R表示水力半徑(單位:m,米);S表示渠道坡度。

對(duì)于小型拋物線草溝，可取1.5R作為試算深度。本例中R=0.167 m,1.5R=1.5×0.167=0.25 (m)。拋物線斷面的面積公式:

(5)

式中 ：A表示水流斷面(單位:m2,平方米);W表示頂部之寬度(單位:m,米)；D表示中心之深度(單位:m,米)，求得W=6 m。

根據(jù)拋物線型計(jì)算水力半徑：

(6)

式中：R=水力半徑(單位:m,米);W為頂部之寬度(單位:m,米)；D為中心之深度(單位:m,米)，求得R為0.165 m(近似0.167 m)，故設(shè)計(jì)尺寸W=6 m與D=0.25 m符合設(shè)計(jì)要求。

4案例

4.1城市公共空間——水廣場(chǎng)

荷蘭鹿特丹水廣場(chǎng)是由兩位創(chuàng)意人士弗洛里恩·波爾(Florian Boer)及馬可·弗穆倫(Marco Vermeulen)為荷蘭鹿特丹設(shè)計(jì)的一套獨(dú)特的暴雨管理方案。

鹿特丹市在暴雨時(shí)節(jié)降下的雨水，可以經(jīng)過雨水過濾系統(tǒng)排入水廣場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行滯留，設(shè)計(jì)最大的滯留雨水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇暴雨,滯留容量為1 600 m3。一年中大多數(shù)時(shí)候，水廣場(chǎng)都處于干燥的狀態(tài)，只在有大雨的季節(jié)水廣場(chǎng)才會(huì)被注滿水，這時(shí)小溪、細(xì)流和池塘都會(huì)出現(xiàn)。為了保證廣場(chǎng)景觀用水的水質(zhì)，流入下沉廣場(chǎng)內(nèi)的雨水都已經(jīng)過過濾處理，孩子們可以在水周圍或水中玩耍，冬天甚至可以在結(jié)冰的廣場(chǎng)上溜冰。

4.2城市公園——臺(tái)中秋紅谷生態(tài)公園

秋紅谷生態(tài)公園原來為國(guó)際會(huì)議中心建筑用地，原先場(chǎng)地建設(shè)已開挖地下室，深度達(dá)20～21 m,后因工期延宕，就不了了之。臺(tái)中市政府最后決定將此處改建為秋紅谷廣場(chǎng)，將原本因荒廢而顯得荒涼的水洼地，采用回包式擋土墻工法，形成一個(gè)下凹 8 m左右，中央湖水區(qū)最深約12 m，兼具休憩、滯洪功能的新型都市公園。

秋紅谷生態(tài)公園總面積30 000 m2，湖面面積6 200 m2，其中蓄水池面積5 156m2，生態(tài)水池面積1 044 m2，暴雨來臨之際可以容納外來水量約200 000 m3，可以在極端降雨情況下為周邊地區(qū)提供一個(gè)滯留雨水的空間，能有效降低周邊地區(qū)淹水的概率[11]。

5結(jié)語

低影響開發(fā)在場(chǎng)地設(shè)計(jì)的應(yīng)用過程中需要經(jīng)過場(chǎng)地條件的篩選和復(fù)雜的水文計(jì)算。設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮水文、土壤狀況、地形、土地使用等多個(gè)因素，再結(jié)合實(shí)際的經(jīng)濟(jì)投入制定合理的雨洪控制措施。后期的工作需根據(jù)場(chǎng)地的水文資料和雨洪控制目標(biāo)進(jìn)行一系列水量計(jì)算，確保各項(xiàng)措施的尺寸能滿足設(shè)計(jì)的預(yù)定目標(biāo)和要求，這樣才能發(fā)揮LID措施對(duì)場(chǎng)地內(nèi)暴雨的有效管理。

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(責(zé)任編輯：張凱兵)