基于海綿城市理念下的生態(tài)廣場(chǎng)建設(shè)研究

李一凡，劉福勝，李昀騰

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2. 江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000)

改革開放以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工業(yè)化程度不斷提高，城市像海綿吸水一樣，吸引了大量的人口和資金，以致城市規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，而城市抵抗由于氣候變化、環(huán)境污染等引起的災(zāi)害的能力卻不斷削弱。近年來，國(guó)內(nèi)很多城市都出現(xiàn)了由于降雨而引發(fā)的城市內(nèi)澇，并且有愈演愈烈的趨勢(shì)，產(chǎn)生的不利影響日益嚴(yán)重。從表面上看，城市內(nèi)澇問題，是由于城市發(fā)展過快，排水體系建設(shè)滯后，排水設(shè)施供應(yīng)不足，降水不能夠及時(shí)排出，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)跟不上城市發(fā)展的步伐[1,2]。而實(shí)際上，這只是表象，根本的原因卻是由于城市發(fā)展過程中，城市建設(shè)者未注意到人與自然的和諧共處，對(duì)自然環(huán)境干預(yù)過大，破壞了原始的地形地貌，使降水不能夠像以前一樣自然下滲和滯留，地表徑流量增加過大，超過了城市排水系統(tǒng)的處理能力，使我國(guó)的受災(zāi)城市，從數(shù)量上、規(guī)模上、經(jīng)濟(jì)損失程度上，都顯著增大[3]。

1 海綿城市概念

海綿城市，是指當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化和自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，整個(gè)城市就像一個(gè)巨大的海綿體，利用自身具有的良好“彈性”，吸收自然災(zāi)害對(duì)城市產(chǎn)生的沖擊。在下雨時(shí)，整個(gè)城市就像一塊巨大的海綿，大部分的降水都被吸收、貯存在它的內(nèi)部，無需外排，大大減輕了市政排水系統(tǒng)的工作壓力。隨著雨水自然流動(dòng)和在土壤中的滲透，夾帶的污染物會(huì)逐漸沉積，被植物吸收，被土壤中的微生物分解，雨水得到了凈化，被貯存了起來，當(dāng)需要用水時(shí)，蓄存的雨水可以再被“釋放”出來，加以利用。海綿城市建設(shè)應(yīng)遵循生態(tài)優(yōu)先原則，將自然途徑與人工措施相結(jié)合，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化，促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)[4]。

2 建設(shè)項(xiàng)目場(chǎng)地概況

生態(tài)廣場(chǎng)屬于山東某高校新校區(qū)二期工程建設(shè)項(xiàng)目之一，工程地址位于山東省泰安市泰山區(qū)，地處平原。本地春天氣候干燥、多風(fēng)；夏天溫度較高，多降雨；秋天涼爽、晴和；冬天溫度較低，較少降雪。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，7月份是每年氣溫最高的月份，平均可達(dá)26.4 ℃，1月份最低，平均為-2.6 ℃。根據(jù)歷年來的氣象資料可知，歷史最高氣溫為41 ℃，歷史最低氣溫為-27.5 ℃。在地域分布上，同時(shí)間內(nèi)各地氣溫也稍有差異，一般情況下，南部、西部氣溫較高，東部、北部氣溫偏低。

泰安地區(qū)降水偏少。根據(jù)多年來統(tǒng)計(jì)，全市的平均降水量?jī)H為697mm，在半濕潤(rùn)氣候地帶也僅屬于中游。由于受到季風(fēng)氣候的影響，年度內(nèi)降水量相差較大。降水量最大的年份，可達(dá)1 498mm，但降水量最小的年份，只有199mm，差距很大，可達(dá)7.5倍。在地形地貌的影響下，本地東部比西部降水量大，山區(qū)比平原降水量大。在東部山區(qū)的降水量最大，年平均700～750mm，而在西部平原的降水量最小，僅為600～650mm。從總體上看，從東北向西南方向，降水量呈逐步減少趨勢(shì)。降水不僅在地域分布上有差別，在時(shí)間分布上差別更加顯著，更不勻衡。每年夏季是降水最多的時(shí)間段，僅夏季一季的降水就可占到年降水量的65.2%，而冬季僅占到3.6%，為全年最少；一年當(dāng)中，7月是降水量最大的月份，可占到整年的32.1%，而1月則是降水量最小的月份，僅占到全年的0.96%[5]。

由于降水的時(shí)空分布極不均勻，只有夏季時(shí)，降雨量較大，能夠進(jìn)行資源化利用的水量較大，春季、秋季等其他季節(jié)，很難收集到足夠的雨水。因此，雨水和市政供水綜合利用，盡量提高雨水的利用效率，減少對(duì)市政供水的依賴，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)可行的辦法。

3 生態(tài)廣場(chǎng)設(shè)計(jì)原理

海綿型生態(tài)廣場(chǎng)使降雨一部分依次經(jīng)過多孔透水混凝土面層、碎石墊層(疏水層)的孔隙滲透凈化，滲入盲管并匯入集水模塊儲(chǔ)存回用。一部分來不及下滲的雨水匯入下凹式綠地或生態(tài)草溝，通過綠地或草溝進(jìn)行凈化下滲，進(jìn)入集水模塊儲(chǔ)存回用。當(dāng)雨量過大時(shí)，地面雨水積聚過多，不能及時(shí)下滲，多余的雨水可通過溢流設(shè)施排入市政管網(wǎng)中。按照《技術(shù)指南》的規(guī)定，海綿城市的外排率，只要控制在年徑流總量的40%以內(nèi)即可。本項(xiàng)目中的海綿型生態(tài)廣場(chǎng)工程主要由兩大結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成：①雨水凈化下滲系統(tǒng)；②雨水收集存儲(chǔ)系統(tǒng)。

雨水凈化下滲系統(tǒng)主要由透水混凝土面層、碎石墊層、下凹式綠地或生態(tài)草溝和生態(tài)樹池等設(shè)施組成。下滲的雨水先滲入面層，再滲過墊層，通過多重的過濾和凈化，大量的污染物能夠得到有效去除，水質(zhì)得到了凈化。在透水鋪裝的邊緣，可根據(jù)地形地貌以及空間大小，分別設(shè)置下凹式綠地、生態(tài)草溝，利用這類生態(tài)設(shè)施，能夠凈化和入滲部分雨水。由于面層、墊層中存在一定的空隙，這些空隙在利于雨水下滲的同時(shí)，還可以對(duì)雨水進(jìn)行儲(chǔ)存和疏導(dǎo)，能夠?yàn)橛晁拇尜A提供大量的地下空間，為雨水的流動(dòng)提供通道，有效地延長(zhǎng)了雨水下滲的時(shí)間，達(dá)到了滯蓄雨水、緩慢入滲的效果，有效地減緩了地表徑流的形成，推遲甚至避免了洪峰在下游出口的出現(xiàn)時(shí)間。即使下游洪峰出現(xiàn)，也可以對(duì)洪量進(jìn)行有效地縮減，對(duì)涵養(yǎng)本地水資源、提高區(qū)域內(nèi)澇的防治能力、提高城市的防洪排水能力，都具有十分重要的意義。

雨水收集存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由透水毛細(xì)管、透水盲管、下凹式綠地或生態(tài)草溝、雨水收集池等設(shè)施組成。雨水首先從透水面層滲入后，再滲入到透水墊層中，經(jīng)過密布在透水墊層中的豐富的透水毛細(xì)管，匯集到透水盲管之中，再經(jīng)由透水盲管排入雨水收集池。透水鋪裝邊緣設(shè)置的下凹式綠地或生態(tài)草溝收集來不及下滲的地面徑流，然后匯入雨水收集池中。通過回用泵，存儲(chǔ)在收集池內(nèi)的雨水可流入灌溉系統(tǒng)，或注入水體補(bǔ)水系統(tǒng)，為綠地澆灌和水體補(bǔ)水提供水源[6]。海綿城市如圖1所示。

圖1 海綿城市示意圖

4 生態(tài)廣場(chǎng)技術(shù)措施

4.1 透水混凝土地面

廣場(chǎng)地面采用透水混凝土澆筑而成。在工程實(shí)踐中，透水混凝土名稱還未統(tǒng)一，也有稱為無砂混凝土或透水地坪的，但作法相似，都是由骨料、水泥和水拌制而成，硬化后，形成多孔、輕質(zhì)的混凝土。此種混凝土內(nèi)，不含細(xì)骨料，僅由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿彼此黏結(jié)而構(gòu)成，孔穴均勻分布，內(nèi)部呈蜂窩狀布局，透氣，透水，重量輕，散熱快。由于內(nèi)部孔隙多，呈蜂窩狀，因此它能讓雨水通過內(nèi)部的孔隙迅速流入地下，有效地補(bǔ)充了地下水源，能夠緩解城市由于過度抽取地下水而造成的地下水位急劇下降等等的一些生態(tài)環(huán)境問題，并能通過雨水的下滲，帶走積聚于地面上的油類化合物等，在緩慢的下滲過程中，自然界中各類繁多的微生物可對(duì)很多化合物進(jìn)行分解，降低其對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害，有效地對(duì)環(huán)境進(jìn)行了保護(hù)。因此，透水混凝土地面的使用，能夠?qū)Φ叵滤M(jìn)行涵養(yǎng)和保護(hù)，促進(jìn)地表水循環(huán)，維護(hù)生態(tài)平衡；生態(tài)廣場(chǎng)地面孔隙的存在，能夠使靠近地面的熱空氣和地面以下的孔隙內(nèi)的涼爽空氣對(duì)流，降低地面的溫度，緩解城市熱島效應(yīng)，有利于人類生存環(huán)境的良性發(fā)展及城市雨水管理與水污染防治[7]。

透水混凝土地面作法，共分為3層，上層是20cm透水混凝土層，中層是30cm碎石墊層，下層是素土夯實(shí)。土方夯實(shí)時(shí)，不能過于密實(shí)，只要達(dá)到90%～95%的密實(shí)度即可，否則雨水難于滲透[4]。

墊層中碎石分3層攤鋪，每層厚度100mm，鋪完最下一層后鋪盲管，盲管鋪設(shè)完畢后再攤鋪中層和上層碎石。

盲管，既可以采用定型產(chǎn)品，也可以采用管徑為100mm的PVC波紋管現(xiàn)場(chǎng)制作而成。采用手持式切割機(jī)，在波紋管的頂面和側(cè)面，沿波紋方向均勻地切割出條形孔，孔長(zhǎng)約10mm。盲管按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)，當(dāng)設(shè)計(jì)無要求時(shí)，可按5m間距排布，盲管末端應(yīng)伸至集水模塊處，便于將雨水引入蓄水池中。鋪設(shè)時(shí)，管道坡度要平順，盲管與承接管道要順接。盲管接口處，要用透水土工布嚴(yán)密包裹[8]。

生態(tài)廣場(chǎng)采用的透水混凝土地面如圖2所示。

圖2 透水混凝土地面

4.2 下凹式綠地

下凹式綠地應(yīng)符合《建設(shè)技術(shù)指南》要求：①下凹深度。下凹式綠地應(yīng)低于相鄰地面，根據(jù)綠地上種植植物的耐淹性能以及綠地內(nèi)土壤的滲透性，確定下凹式綠地的具體的下凹深度，通常為100～200mm。②溢流口設(shè)置。暴雨時(shí)，由于單位時(shí)間內(nèi)水量積聚過多，雨水不能及時(shí)下滲，需要溢流排放。下凹式綠地內(nèi)通常設(shè)置有溢流口，其頂部標(biāo)高應(yīng)高于綠地地面標(biāo)高，具體尺寸可根據(jù)需要的蓄水深度而定，通常為50～100mm。下凹式綠地如圖3所示。

圖3 下凹式綠地構(gòu)造

4.3 植草溝

植草溝，是指表面有植被覆蓋的地表溝渠，雨水可通過它進(jìn)行蓄積、輸送和排放，雨水在溝中蓄積和流動(dòng)時(shí)，可被溝中的植被凈化。

植草溝應(yīng)符合《建設(shè)技術(shù)指南》要求：①斷面形式。植草溝深度較淺，斷面可采用多種形式，梯形、三角形或倒拋物線形均可。②邊坡坡度。植草溝的邊坡，坡度不宜過大，(垂直：水平)不應(yīng)超過 1∶3，為減緩雨水的流動(dòng)速度，增大雨水滯留時(shí)間，縱坡坡度較緩，應(yīng)不超過 4%。如因客觀條件限制，縱坡較大，不能按要求坡度設(shè)置時(shí)，可將植草溝沿長(zhǎng)度方向設(shè)置為階梯形，或在中途每隔一定距離，設(shè)置消能臺(tái)坎，以減緩雨水流速。③流速。植草溝中匯集的雨水流速不應(yīng)過大，應(yīng)小于0.8m/s，曼寧系數(shù)宜為 0.2～0.3。④植被高度。溝內(nèi)應(yīng)種植低矮植物，高度不宜過大，在100～200mm之間為宜。植草溝如圖4所示。

圖4 植草溝構(gòu)造

4.4 生態(tài)樹池

生態(tài)樹池，樹池內(nèi)表面用透水混凝土鋪裝而成，樹池表面雖有混凝土，但水分能夠透過，空氣也能夠自由流動(dòng)，很好地避免了泥土的板結(jié)，保證了池內(nèi)泥土的透水透氣性，當(dāng)樹池內(nèi)采用彩色透水混凝土鋪設(shè)時(shí)，不但樹坑美觀，而且容易保持干凈和整潔。

生態(tài)樹池的優(yōu)點(diǎn)：①具有較高的透水性、透氣性，可以鎖住水分，增加水的利用率，同時(shí)可緩解城市熱島效應(yīng)。②承載力較高。樹池內(nèi)的透水混凝土，整體澆筑而成， 與小塊透水磚拼鋪而成的透水地面相比，其抗沉降性能較強(qiáng)。③高透水率：15%～25%的空隙率，透水率達(dá)到270L/(m2·min)，可充分滿足樹木的呼吸要求并使地面具有優(yōu)良的降噪性能。④降低噪聲。由于透水混凝土內(nèi)部具有較多的孔隙，當(dāng)行駛的車輛通過時(shí)，大量的路面噪聲能夠傳入孔隙內(nèi)，被其吸收，為整個(gè)城市創(chuàng)造了安寧、舒適的交通環(huán)境。⑤不積水，不結(jié)冰。下雨時(shí)，降水能夠迅速下滲，不存在積水現(xiàn)象。冬天下雪時(shí)，透水混凝土由于內(nèi)部存在孔隙，不易積雪，表面又不存水，不易結(jié)冰。⑥美化環(huán)境。它能夠根據(jù)周圍的自然環(huán)境，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膱D案，并且可以采用多種色彩方案，與周圍的景色融為一體，又由于它自身具有的混凝土材質(zhì)，能夠體現(xiàn)出天然石材的質(zhì)感。

生態(tài)樹池，由于采用了彩色透水混凝土，具有透氣、透水、環(huán)保等特點(diǎn)，既起到了美化城市環(huán)境的作用，又能夠保證植物攝取水分和健康成長(zhǎng)的需要。生態(tài)樹池如圖5所示。

圖5 生態(tài)樹池

4.5 集水模塊

集水模塊，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)慕M合形成蓄水池(見圖6)，能夠?qū)⒒貪B的雨水收集起來，過濾和凈化后，再進(jìn)行利用。在滿足蓄水功能要求的同時(shí)，蓄水池內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)獨(dú)特，承壓能力較強(qiáng)，可設(shè)置于廣場(chǎng)、綠化帶等各種場(chǎng)地之下，無需占用地面。因?yàn)椴捎昧四K化單元，組合便利，裝配簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。雨水儲(chǔ)存在模塊內(nèi)部的腔體內(nèi)，需要用水時(shí)，通過水泵抽取儲(chǔ)存在內(nèi)部的雨水進(jìn)行使用。

圖6 集水模塊蓄水池

5 結(jié) 語

長(zhǎng)期來看，我國(guó)城市建設(shè)必然要走與自然和諧共存的道路，以減少城市發(fā)展對(duì)氣候變化、生態(tài)環(huán)境等方面帶來的不利影響，減少或減弱城市發(fā)展帶來的各類災(zāi)害的發(fā)生。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，城市也能夠自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù)，將自然

災(zāi)害對(duì)公共安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來的不利影響降低到最小的程度。進(jìn)行海綿城市建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)低影響開發(fā)，是現(xiàn)在我國(guó)大力推廣的新型建設(shè)模式，我們應(yīng)該在實(shí)踐中積極主動(dòng)地應(yīng)用海綿城市建設(shè)理論和建設(shè)方法，以增強(qiáng)人類適應(yīng)環(huán)境的能力、與自然和諧共處的能力。

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