慈城新城的水敏感城市設(shè)計

■ 嚴(yán)再天 段聞生

慈城新城的水敏感城市設(shè)計

■ 嚴(yán)再天 段聞生

始于 2002年規(guī)劃的寧波慈城新城，參照了慈城古城棋盤式路網(wǎng)布局以及慈湖蓄澇、河街相依的優(yōu)秀規(guī)劃與治水思想，結(jié)合國外生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的理念，在雨水生態(tài)處理、收集利用等方面兼容并蓄，“古為今用、洋為中用”，設(shè)計并建設(shè)了相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。本文以慈城新城為例，介紹了雨水生態(tài)處理設(shè)施的建設(shè)情況，探討了WSUD（水敏感城市設(shè)計）在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用。

慈城古縣城，位于浙江省寧波市江北區(qū)，始建于唐開元二十六年（公元 738年），是目前我國江南地區(qū)保存最完整的千年古縣城。為使慈城古縣城珍貴的歷史遺存得到有效保護(hù)，2001年底，寧波市政府決定在古城南部規(guī)劃慈城新城。通過新城建設(shè)，促進(jìn)古城保護(hù)，新老互動，相得益彰。

圖1 慈城古城和慈城新城

為了使慈城新城本身具備一定的防洪能力，以官山河兩岸為界，結(jié)合外圍道路，采用路堤合一的方式形成圍合，將慈城新城分為官山河以東、以西兩個圍圩區(qū)域。為方便圍圩雨水匯流，在東、西圩區(qū)內(nèi)開挖若干條水道，分別與兩個蓄澇池相連—河西 403 畝的中心湖、河?xùn)| 304 畝的東湖。

慈城新城規(guī)劃水域總面積 808.5 畝，水面率為 10.36%，居民居住、娛樂休閑和生物棲息要求的濱水空間較為豐富。水體質(zhì)量的好壞與城市環(huán)境的相互關(guān)系非常敏感，如何做到保證水體質(zhì)量成了影響城市品質(zhì)優(yōu)劣至關(guān)重要的一環(huán)。

慈城新城WSUD設(shè)計思路

在充分研究慈城自然水文環(huán)境的前提下，2002年由澳大利亞DEM公司和寧波市規(guī)劃院聯(lián)手進(jìn)行慈城新城控制性詳細(xì)規(guī)劃時即考慮了采用 WSUD（Water Sensitive Urban Design，水敏感城市設(shè)計）理念進(jìn)行新城水系規(guī)劃。在借鑒悉尼的水敏感城市設(shè)計理念和成功經(jīng)驗的同時，參考古城200 米 ×200 米的道路間距及路河相依的“棋盤式”路網(wǎng)格局，利用現(xiàn)代城市規(guī)劃手法，形成了新城“窄馬路、密路網(wǎng)”的道路布局。

慈城新城 WSUD設(shè)計的基本思路是：道路和地塊雨水流入設(shè)置在路邊或河邊的生態(tài)濾水帶（Bioretention System），經(jīng)滲透過濾后進(jìn)入濾水帶下部的透水管進(jìn)行雨水收集，之后匯入雨水主管，雨水主管與新城內(nèi)部河道相通，最終匯入中心湖或東湖（見圖 2）。

圖2 慈城新城西南區(qū)域生態(tài)帶布置及地塊排水方向示意圖

新城外圍水系雖然發(fā)達(dá)，但水體污染嚴(yán)重，若與新城水系連通，客水會污染新城水系，從而降低城市品質(zhì)，使新城居民感受不到WSUD 生態(tài)雨水過濾的實際意義和效果；另一方面，每條與外部水系連接的河道需在新城外圍堤線上增設(shè)防洪水閘，引起建設(shè)和后期管理、維護(hù)費用的增加。因此，慈城新城兩個圍圩區(qū)的河道與城外水系不能互連，只能形成各自的獨立水系（見圖 3）。內(nèi)部河道除了輸送沿岸地塊匯流和道路雨水外，還與蓄澇池共同承擔(dān)匯流區(qū)域的蓄洪功能。通過河岸綠化，也為沿河地塊提供舒適的水體景觀空間。

圖3 慈城新城水系圖

路邊生態(tài)濾水帶大都結(jié)合道路綠化帶進(jìn)行布置，但與普通綠化帶地表高于路面不同，為保證雨水流入，濾水帶比路面低 20cm 左右。同時，為避免道路側(cè)石對水流形成阻擋，需采用間斷或留有排水通道的路緣石（見圖 4）。

生態(tài)濾水帶由三層組成，從上到下依次分濾料層、過渡層和排水層（如圖 5所示）。每層的厚度和功能不同，其物料顆粒級配要求也不一樣。最上部的濾料層厚度約 50cm，由嚴(yán)格級配的顆粒及沙土組成，綠化植物生長其中，雨水主要靠該層進(jìn)行滯留和過濾；過渡層是介于濾料層和排水層之間的砂層，其厚度約 10cm，由級配中粗砂組成，其主要功能是防止上部濾料層中較小的有機(jī)質(zhì)和細(xì)土沙顆粒進(jìn)入其下部的排水層而降低滲透能力或阻塞其下部的透水管；排水層厚 25～35cm，由較粗顆粒物和透水管組成，作用是輸送和排放雨水。透水管埋設(shè)在排水層顆粒物之中，顆粒物在透水管周邊形成良好的滲水流動空間，使過濾后的水體進(jìn)入透水管，然后經(jīng)雨水主管流入內(nèi)部河道。

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，直流增益在線測試系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。主要包括多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測試轉(zhuǎn)接盒、電壓補償器、任意波形發(fā)生器、高精度可編程電源、40芯屏蔽雙絞電纜、計算機(jī)顯示終端和數(shù)據(jù)采集分析軟件(用于遠(yuǎn)程獲取雙極晶體管受照射過程中的直流增益信息)。其中，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為硬件設(shè)備提供控制信號，完成對晶體管工作點電壓的實時采集，由數(shù)據(jù)采集分析軟件完成對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、處理、存儲、顯示等功能。

圖4 慈城新城生態(tài)濾水帶路緣石

圖5 生態(tài)濾水帶（Bioretention System）斷面示意圖

WSUD應(yīng)用試驗

雖然WSUD原理并不復(fù)雜，但由于沒有實際案例作參考，在實施前需要進(jìn)行全過程試驗研究，目的是提前搞清在實施過程中可能遇到的問題，并以試驗成果指導(dǎo)實際施工。從 2006年起，筆者進(jìn)行了長達(dá)三年的試驗，內(nèi)容主要包括：按實際應(yīng)用尺寸制作濾水帶試驗?zāi)Ｐ?、各層濾料選擇及配合比試驗、滲透穩(wěn)定性及土體流失試驗、植物生長試驗以及濾料和植物組合后的濾水效果試驗等。

1．試驗?zāi)Ｐ?/p>

濾水帶模型用型鋼和鋼板制作，內(nèi)壁尺寸為 2300mm（寬）×5000mm（長）×1150mm（高），在一側(cè)的中部設(shè)置了寬 800mm 的通高鋼化玻璃用于觀察滲水和植物根系生長情況。沿不同高度設(shè)置玻璃液位管和量尺，用于觀察各層的液位變化和滲透速度等情況（見圖 6）。

圖6 用不同材料進(jìn)行的生態(tài)濾水試驗

2．生態(tài)帶填料

組成濾水帶的三層物料中，濾料層的主要成分是顆粒較小、含有一定有機(jī)質(zhì)的級配砂土。該層是綠化植物生長的土壤和根基，并承擔(dān)雨水的首次過濾，其厚度最大，物料用量也最多。對其物理性能（滲水性、保水性、穩(wěn)定性、含鹽量、pH值、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)）的要求也最高。由于在濾料層需種植須根發(fā)達(dá)且耐旱、耐澇的植物，因此該層物料既要滿足雨水順利滲透的要求，也要滿足植物生長所需有機(jī)質(zhì)的含量和干旱時具有一定保水性的要求。

試驗發(fā)現(xiàn)，即使?jié)M足設(shè)計指標(biāo)的人工級配材料，由于有機(jī)質(zhì)和細(xì)微顆粒含量、不同粒徑顆粒之間的粘結(jié)、附著性能等物理性質(zhì)的差異較大，其濾水和植物成長的效果也明顯不同。這更加強(qiáng)化了進(jìn)行該項試驗的必要性。

理想的濾料層土壤混合物組成比例：沙土（0.05～2mm）50～70%，粉砂土（0.002～0.05mm）5～30%，黏土（＜ 0.002mm）5～15%?；旌衔?pH 值 6～7.5。

過渡層的材料為中粗砂，滿足其級配要求的材料相對容易找到。過渡層材料的級配要求為：

項目 技術(shù)要求篩孔尺寸（mm） 1.4 1.0 0.7 0.5通過質(zhì)量百分率（%） 100 80 44 8.4顆粒級配

排水層為大小過渡均勻的礫石和埋設(shè)于其中的透水管組成。礫石的粒徑在2～10mm之間，透水管直徑在150mm左右。由于當(dāng)時在市場上購買不到符合設(shè)計要求的透水管成品，我們試驗和實際工程應(yīng)用的透水管都用波紋管加工制成。在波紋管上沿環(huán)向開設(shè)寬度不超過 2mm、長度不超過 50mm 的進(jìn)水孔，進(jìn)水孔沿環(huán)向在管壁上均勻布置。在保證透水管強(qiáng)度的前提下，開孔密度、孔洞面積和透水管的數(shù)量由濾水帶的滲流能力經(jīng)計算確定。

圖7 生態(tài)濾水帶濾水效果對比（以奉化砂為例）

在實際工程中，透水管每隔一定間距與雨水主管相連，從而將過濾后的雨水及時引入河道。

通過多組、次的試驗，我們找到了適合做濾料層的浙江某地泥砂，適合做過濾層的寧波本地淡化砂，以及適合做排水層的碎石瓜子片。這些材料經(jīng)過較簡單的級配，就基本能滿足各層物料間相互保護(hù)而不會發(fā)生滲透破壞的性能，以及滿足長時間滲透穩(wěn)定性、保水性、植物生長性等綜合要求（見圖 8）。

圖8 滲透均勻，穩(wěn)定性較好的材料篩分曲線

3．濾水帶植物的選擇

濾水帶的植物選擇也是試驗的重要內(nèi)容。我們選擇了15種植物在三組模型中做了生長試驗，該試驗耗時近三年。

通過試驗?zāi)Ｐ蛡?cè)邊的玻璃觀察窗可直接觀測到植物根系的生長情況和濾水帶各層物料的滲透破壞情況。試驗結(jié)果如下表所示：

試驗證明，滿足生態(tài)帶要求的植物外觀一般都不太美觀（見圖 9），很難滿足城市景觀的要求。因此，只能根據(jù)功能需要進(jìn)行取舍，通過對非濾水帶區(qū)域的景觀營造給予補償。

從綠化層次上分，適宜濾水帶生長的植物有：

下層植物：麥冬（長勢一般）、狼尾草（長勢好，但冬天枯，景觀性差）、繡線菊（長勢好，落葉時間短，景觀性好）、蔥蘭（須根發(fā)達(dá)，長勢一般）；

圖9 濾水帶植物成長試驗

濾水帶試驗生長情況

中層植物：倭竹（長勢好，但通常野生，難以獲得）、紅葉石楠（主根深，不宜多種）、八仙花（主根深，不宜多種）、黃馨（不耐沙地，但耐旱濕）；

上層植物：因濾水帶尺寸有限、材料松散，較大尺寸的灌木和喬木還需能夠抵抗臺風(fēng)，因此，此類植物均不適合在生態(tài)濾水帶中生長。

慈城新城WSUD應(yīng)用

慈城新城官山河以西 2.84 平方公里區(qū)域的主干道和路網(wǎng)，已按照濱水敏感城市設(shè)計（WSUD）要求分別在2009年和 2011年完成了海綿化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)并移交政府管理，成為迄今全國規(guī)模最大的海綿城市建成區(qū)域（如圖10～13 所示）。

慈城新城WSUD系統(tǒng)，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等綜合技術(shù)手段，既有效解決了新城的排水和防澇問題，也使河道、中心湖、東湖等水體得到了凈化，使城市品質(zhì)得到了基礎(chǔ)性保證。

圖10 施工中的慈城新城路邊生態(tài)濾水帶 ：排水層和透水管

圖11 施工中的慈城新城路邊生態(tài)濾水帶

圖12 建成后的慈城新城路邊生態(tài)濾水帶

圖13 已建成的慈城新城中心湖鳥瞰