西北地區(qū)基于低影響開發(fā)理念的城市雨水花園設(shè)計(jì)

張亞洲，廖偉彪，李 彬(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

西北地區(qū)基于低影響開發(fā)理念的城市雨水花園設(shè)計(jì)

張亞洲，廖偉彪，李 彬
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

特殊的氣候條件造成了西北地區(qū)干旱少雨的現(xiàn)狀，雨水花園作為海綿城市建設(shè)的內(nèi)容之一，以低影響開發(fā)為理念，有效的控制地表徑流、收集并儲(chǔ)存雨水。這些新理念新措施在一定程度上緩解了西北地區(qū)城市普遍缺水的問題，并起到涵養(yǎng)水源、改善城市生態(tài)環(huán)境的作用。通過對(duì)定西昌林花苑小區(qū)的雨水花園從用水結(jié)構(gòu)，降雨特征及雨水利用設(shè)計(jì)深入剖析，提出雨水花園通過空間和景觀營造雨水花園集水體系設(shè)計(jì)，雨水收集利用等具體措施，以期對(duì)我國西北地區(qū)景觀設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和借鑒。

低影響開發(fā)；雨水花園；定西市

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化率也由1978年的17.92%提高到2015年的56.1%。城鎮(zhèn)過度開發(fā)造成了水資源短缺、水污染嚴(yán)重、內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)、環(huán)境惡化等生態(tài)問題。調(diào)查顯示，城市地區(qū)70%以上的降水形成徑流被排放。雨水資源流失、徑流污染增加、城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響了人們生活和城市的有序運(yùn)行[1]。目前，我國正全力構(gòu)建海綿城市，海綿城市的試點(diǎn)工作已在全國14個(gè)城市展開。我國西北地區(qū)水資源匱乏氣候水文條件獨(dú)特，許多城市用水主要依賴于地下水資源，而城市中大面積的“灰色”材料和壓實(shí)土導(dǎo)致大量自然降水不能滲入地下，只能以地表徑流的形式從城市地下管網(wǎng)中白白流失，不僅給陳舊的城市排水系統(tǒng)帶來了壓力，并導(dǎo)致城市內(nèi)澇等現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重破壞了城市水資源循環(huán)系統(tǒng)的平衡，地下水位逐年下降。西北地區(qū)各大中小城市的生態(tài)均面臨前所未有的考驗(yàn)。研究通過對(duì)定西昌林花苑雨水花園設(shè)計(jì)深入剖析，從項(xiàng)目場地分析、花園面積的確定、集水體系設(shè)計(jì)、鋪裝設(shè)計(jì)及和雨水花園植物配置等方面闡述在西北地區(qū)利用LID工程技術(shù)的方法，理清雨水花園設(shè)計(jì)脈絡(luò)，以期為我國西北地區(qū)景觀設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和借鑒。

1 低影響開發(fā)與雨水花園

1.1低影響開發(fā)理念的提出

低影響開發(fā)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，美國馬里蘭州喬治王子縣(Prince George's County)環(huán)境資源部提出解決郊區(qū)雨水管理問題的方法——低影響開發(fā)(Low Impact Development，LID)[2]。LID旨在通過采用一定的景觀與工程技術(shù)措施保證場地在開發(fā)后其水文功能仍保持開發(fā)前的狀態(tài)，其功能包括地下水補(bǔ)給、滲透、控制徑流頻率和體積流量。美國住房和城市發(fā)展部發(fā)展政策研究室將LID定義為，低影響開發(fā)(LID)是綜合土地規(guī)劃、設(shè)計(jì)實(shí)踐以及工程技術(shù)的土地開發(fā)方法，同時(shí)節(jié)約和保護(hù)自然資源系統(tǒng)，減少基礎(chǔ)設(shè)施成本[3]。近年來，低影響開發(fā)理念逐漸受到國人的關(guān)注，以“海綿城市”的理念出現(xiàn)并為人們所熟知。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用。2014年10月頒布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中指出，實(shí)現(xiàn)海綿城市的建設(shè)目標(biāo)，需要依靠低影響開發(fā)理念的雨水系統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)[4]。

1.2雨水花園

雨水花園也被稱為生物滯留區(qū)域(Bioretention Area)，是指在園林綠地中種有樹木或灌木的低洼區(qū)域，由樹皮或地被植物作為覆蓋。通過將雨水滯留下滲來補(bǔ)充地下水并降低暴雨地表徑流的洪峰，并通過吸附、降解、離子交換和揮發(fā)等過程減少污染，是一種生態(tài)可持續(xù)的雨洪控制與雨水利用設(shè)施[5]。

雨水花園最初形成于20世紀(jì)90年代美國馬里蘭州喬治王子縣的一名地產(chǎn)開發(fā)商建住宅區(qū)的時(shí)候，希望用一個(gè)生態(tài)滯留與吸收雨水的場地來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雨洪最優(yōu)管理系統(tǒng)(BMPs)。在該郡環(huán)境資源部的協(xié)助下，該區(qū)每棟住宅都配建了30～40 m2的雨水花園。建成后數(shù)年的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示雨水花園平均減少了75%～80%地面雨水徑流量，高效而又節(jié)能[6]。雨水花園如今作為低影響開發(fā)的主要設(shè)計(jì)手法，已延展出了多種形式。狹義的雨水花園僅為規(guī)模有限、結(jié)構(gòu)簡單的淺凹綠地，適用于小區(qū)或宅院綠化；而廣義的雨水花園則可囊括具有調(diào)蓄和凈化雨水徑流能力的下沉式綠化設(shè)施[7]。

2 項(xiàng)目概況及區(qū)位分析

2.1項(xiàng)目概況

昌林花苑位于定西市安定區(qū)，西鄰南環(huán)路，呈南北走向，定臨路將其一分為二(A、B兩區(qū))，小區(qū)內(nèi)包括住宅、商業(yè)設(shè)施、休閑廣場、羽毛球場、公共綠地等，交通便捷，基礎(chǔ)設(shè)施齊備，是一個(gè)綜合性的中高檔小區(qū)(圖1)。項(xiàng)目總占地面積128 000 m2，其中雨水花園總面積為640 m2，小區(qū)景觀綠化面積約32 000 m2，人行道路、廣場等占地19 310 m2，非機(jī)動(dòng)車道占地約5 737 m2，機(jī)動(dòng)車道占地11 132 m2，綠地率25%，建筑密度24.6%。

圖1 區(qū)位分析Fig.1 Location analysis

2.2定西用水結(jié)構(gòu)分析

定西市用水結(jié)構(gòu)為農(nóng)田灌溉用水、林牧漁畜用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、居民生活用水和生態(tài)環(huán)境用水。其中，居民用水所占比重最大。定西水資源匱乏，城市用水主要依賴地下水，隨著城市化進(jìn)程加快，逐年增加的地下水開采量已大于天然補(bǔ)給量，匱乏的水資源成為制約定西可持續(xù)發(fā)展的不利因素。

2.3降水特征及雨水利用潛能

定西市地處西北干旱地區(qū)，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，年降水量400～600 mm，年均降水量456 mm，全年52%的降水集中在6～8月，并呈西南向東北遞減趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，定西市全年雨水資源總量約0.85億m3，相當(dāng)于定西市居民用水和市政用水總和，利用潛力巨大[8-9]

3 昌林花苑場地設(shè)計(jì)

3.1場地分析

從豎向看，昌林花苑A區(qū)西北低，東南高，高差在7 m；B區(qū)南高北低，高差5 m；小區(qū)整體場地與西側(cè)道路高差0.5～1.0 m。場地現(xiàn)狀為場地內(nèi)土壤為濕陷性黃土，滲透系數(shù)介于3.0×10-4～6.0×10-4m/s。根據(jù)《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)國標(biāo)(GB50400-2006)》，雨水入滲系統(tǒng)的土壤滲透系數(shù)宜為10-6～10-3m/s。場地滲透系數(shù)雖然符合要求，由于場地土質(zhì)為濕陷性黃土，在黃土處于干燥的條件下，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。土體的含水量增加，并達(dá)到一定程度后，土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞，強(qiáng)度大幅減弱，易造成建筑物的塌陷及道路的沉陷。因此，在定西市采用LID工程技術(shù)措施時(shí)，必須先對(duì)場地地基做濕陷性消除，采用三七灰土墊層法、沖擊壓實(shí)法和強(qiáng)夯法。在建筑小區(qū)內(nèi)采用LID工程技術(shù)措施還必須與建筑保持適宜的距離(表1)。

表1 低影響開發(fā)設(shè)施與建筑物的防護(hù)距離

3.2雨水花園類型的選擇和面積計(jì)算

根據(jù)2013年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，定西市一年一遇日暴雨量45.3 mm，兩年一遇日暴雨量95.8 mm，10年一遇日暴雨量200.4 mm?；跀?shù)據(jù)和現(xiàn)場分析，首先對(duì)場地進(jìn)行匯水分區(qū)，并根據(jù)小區(qū)節(jié)水的要求，將雨水花園定位為收集型雨水花園，共設(shè)計(jì)6處雨水花園，A區(qū)共設(shè)5處，B區(qū)設(shè)1處，分別位于A-5和A-6、A-7和A-8、A-10和A-11、A-13和A-14之間以及B-12北側(cè)的空地內(nèi)。為達(dá)到小區(qū)內(nèi)控制雨水徑流和收集雨水的目的，調(diào)蓄能力按照兩年一遇日暴雨量設(shè)計(jì)。雨水花園面積按匯水面積進(jìn)行粗略估算[13]，得出SA5-6=90 m2，SA7-8=90 m2，SA10-11=110 m2，SA13-14=130 m2，SA11=130 m2，SB12=90 m2，雨水花園總面積為640 m2。

3.3雨水花園設(shè)計(jì)

3.3.1 雨水花園空間和景觀的營造 昌林花苑雨水花園應(yīng)結(jié)合置石、石籠、旱溪、木質(zhì)平臺(tái)、干池和植物景觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，花園形狀根據(jù)小區(qū)建筑、場地和周邊道路靈活布置，形成多種空間組合。

昌林花苑作為居住小區(qū)，是小區(qū)居民日常生活和閑暇休閑娛樂的場所，設(shè)計(jì)應(yīng)保持人的尺度，創(chuàng)造出介于公共和私密之間的半開放空間。以各匯水分區(qū)間結(jié)合高差，利用道路、擋墻、木質(zhì)平臺(tái)和植被等景觀元素創(chuàng)造一系列風(fēng)格統(tǒng)一而形式多樣的半開放空間，成為居民進(jìn)入公共空間或私密空間的過渡地帶，同時(shí)也成為半開放的活動(dòng)場所。

3.3.2 雨水花園集水體系設(shè)計(jì) 雨水花園通過一系列的旱溪、干池、小疊水、串聯(lián)式水池、下沉式綠地、擋墻以及雨水收集裝置的做法，減緩暴雨時(shí)地表徑流的速度。擋土墻結(jié)合綠地的做法減緩了原有的地形高差，作為雨水流入雨水花園的緩沖地帶。每個(gè)水池邊設(shè)有溢水口，水池中必須積滿水后才能通過水池邊設(shè)置的溢水口流入下一水池。同時(shí)，由暴雨沖刷進(jìn)入雨水中的雜物可以穩(wěn)定的沉淀到水池中。這一系列相互聯(lián)結(jié)的水池降低了徑流速度，不僅起到蓄水作用，也為雨水下滲提供了充足的時(shí)間。干池內(nèi)設(shè)置具有地方文化特色的小品，平時(shí)作為居民休閑活動(dòng)場所，暴雨季節(jié)作為臨時(shí)蓄水設(shè)施(圖2)。

3.3.3 雨水收集利用 雨水的收集過程包括初期棄流、沉淀過濾、凈化儲(chǔ)存和回收利用[14-15]，完成這個(gè)雨水收集過程的系統(tǒng)便稱為雨水收集系統(tǒng)。雨水收集利用的技術(shù)流程為：收集管道——初期棄流裝置——雨水儲(chǔ)存設(shè)施——溢流管道——除污凈化系統(tǒng)——消毒和升壓設(shè)備——回收利用[16]。小區(qū)內(nèi)的給水設(shè)備與雨水花園相結(jié)合，收集的雨水用于小區(qū)綠化澆灌等方面(圖3)。

圖2 昌林花苑雨水花園布局Fig.2 Rain garden layout of Changlin residential area

圖3 雨水收集利用工藝流程Fig.3 Process of rainwater collection and utilization

西北地區(qū)水資源匱乏，氣候水文條件獨(dú)特，許多城市用水主要依賴于地下水資源，小區(qū)內(nèi)道路和廣場的鋪裝設(shè)計(jì)充分考慮了保護(hù)場地透水地面面積，減少地面徑流和積水，減輕市政排水壓力，達(dá)到保持水土、涵養(yǎng)水源的目的。因此，設(shè)計(jì)時(shí)首先對(duì)小區(qū)道路結(jié)構(gòu)做了重新設(shè)計(jì)，由土基、墊層、基層、過濾層、透水面層等五部分組成(圖4)。

不同的透水磚根據(jù)使用環(huán)境的不同有不同的特性，透水磚的種類包括，聚合物纖維混凝土透水磚、彩石復(fù)合混凝土透水磚、混凝土透水磚、生態(tài)砂基透水磚，其中生態(tài)砂基透水磚和彩石復(fù)合混凝土透水磚價(jià)格較貴，不適合小區(qū)大面積使用。因此，小區(qū)內(nèi)大部分道路采用透水混凝土鋪裝，生態(tài)停車場車位均使用植草格進(jìn)行鋪砌，其他通過性場地和小型休閑場地均采用具有較強(qiáng)滲透能力的聚合物纖維混凝土透水磚或者混凝土透水磚作為鋪設(shè)材料，過濾層鋪20厚1∶4干硬性砂漿，基層鋪200～250厚級(jí)配石。按照綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，小區(qū)內(nèi)透水地面面積占室外地面總面積的比例應(yīng)不低于40%的綠色節(jié)能要求[17]。

圖4 透水鋪裝的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of permeable pavement

3.3.5 雨水花園的植物選擇 雨水花園以天然降水為唯一水源，且花園面積有限，花園中的水流速度和水量與自然降水息息相關(guān)，雨期花園中雨水充沛，水流速度較快，有較強(qiáng)的沖刷作用；降水過后花園中的水體處于平穩(wěn)的滲透、蒸發(fā)階段，水體的水平流動(dòng)停止，隨著時(shí)間推移局部區(qū)域出現(xiàn)干枯現(xiàn)象；干旱季節(jié)花園中水體滲透、蒸發(fā)殆盡，露出花園地表及種植層。因此，雨水花園中的植物選擇了適宜本地生長的花葉水蔥[18]、千屈菜、鳶尾、美人蕉、燈心草、黃菖蒲、細(xì)葉針茅、蒲葦、花葉燕麥草等。這些花卉植物生長在花園中、水池邊、礫石溝的縫隙中，給花園增添了綠色，使其更顯生動(dòng)活潑，也可以防止因雨水沖刷而引起的水土流失。此外，選用的這些植物還可起到過濾雨水殘?jiān)?、吸收有害污染物的作用，如美人蕉?duì)COD和銨態(tài)氮去除效果明顯[19]。

4 雨水收集效益分析

4.1生態(tài)環(huán)境效益

(1)通過對(duì)小區(qū)應(yīng)用海綿城市模式前后的雨水徑流進(jìn)行對(duì)比，可以反映出小區(qū)截流雨水的能力，以分析海綿城市應(yīng)用的環(huán)境效益。

由于不同區(qū)域有不同的雨水徑流系數(shù)，首先計(jì)算各區(qū)域下墊面的面積(Fi)分別為：

屋頂面積=總占地面積×建筑密度=128 000×24.6%=31 540 m2

下沉綠地=總占地面積×綠地率=128 000×25%=32 000 m2

透水鋪裝=廣場+非機(jī)動(dòng)車道=19 310+5 737=25 047 m2

瀝青和混凝土路面=機(jī)動(dòng)車道=11 132 m2。

(2)計(jì)算出區(qū)域綜合徑流系數(shù)

ψ=∑(Fi×ψi)/F[20]

式中：ψ為綜合徑流系數(shù)；F為建筑小區(qū)的總占地面積，hm2；Fi為不同類型的下墊面面積，hm2；ψi為不同類型下墊面的徑流系數(shù)(表2)。

表2 常用材料徑流系數(shù)參照表

通過表2可知各種區(qū)域的徑流系數(shù)分別為：ψ下沉綠地=0.1；ψ透水鋪裝=0.55；ψ硬屋面=0.9；ψ混凝土瀝青路面=0.9；ψ傳統(tǒng)綠地=0.15。

將各區(qū)域徑流系數(shù)代入公式，得出該區(qū)域綜合雨量徑流系數(shù)在傳統(tǒng)開發(fā)模式下：

綜合徑流系數(shù)=(31540×0.9+32000×0.15+25047×0.9+11132×0.9)÷128000=0.51

在低影響開發(fā)模式下：

綜合徑流系數(shù)=(31540×0.9+32000×0.1+25047×0.55+11132×0.9)÷128000=0.43

通過利用雨水花園的技術(shù)措施，小區(qū)的雨水徑流系數(shù)變小，說明小區(qū)能夠保留雨水的能力也大大的增加了。小區(qū)內(nèi)透水鋪裝的使用減少了雨水的流失，同時(shí)集水設(shè)備的使用還增加了雨水的使用量，降低了維護(hù)小區(qū)綠化灌溉所需的成本。小區(qū)內(nèi)土壤含水量的增加讓綠色植被的種類和數(shù)量增多，對(duì)于小區(qū)的生態(tài)環(huán)境有著很大的幫助[21]。

4.2雨水收集效益分析

小區(qū)可收集雨水量公式：W=αβψHA

式中：W為小區(qū)能夠收集的雨水量，m3；α為季節(jié)折減系數(shù)；β為棄流系數(shù)；H為平均降水量，mm；ψ為綜合徑流系數(shù)；A為匯水面積，m2；

式中：季節(jié)折減系數(shù)采用蘭州數(shù)值0.83，初期棄流系數(shù)俘根據(jù)降水和水質(zhì)資料定為0.84，定西市年平均降水量為465 mm。

表3 北方典型城市季節(jié)折減系數(shù)

屋頂可收集雨水：

W=0.83×0.84×0.465×0.4×31540=4 090 m3

透水鋪裝可收集雨水：

W=0.83×0.84×0.465×0.55×2 5047=4 271 m3

道路可收集雨水：

W=0.83×0.84×0.465×0.9×11 132=13 758 m3

共收集雨水：

4 090+4 271+13 758=22 119 m3

按照定西市商業(yè)用水價(jià)格3.1元/m3計(jì)算，將為小區(qū)每年節(jié)約22 119×3.1=68 570元。

4.3社會(huì)效益

項(xiàng)目采用了以雨水花園為具體措施的低影響開發(fā)模式，能夠很大程度的降低小區(qū)對(duì)市政管網(wǎng)的雨水排放量，有效減緩降水期間市政管網(wǎng)的壓力，降低了城市部分路面積水甚至產(chǎn)生內(nèi)澇的可能性，收集的雨水還可以凈化后進(jìn)行再利用，不僅節(jié)省用水費(fèi)用，而且可以提高居民節(jié)水意識(shí)。

定西氣候條件較差，人們渴望綠色生態(tài)的居住環(huán)境，但是高額的植物養(yǎng)護(hù)費(fèi)只能讓人望而退步，如果合理利用海綿城市理論來建設(shè)小區(qū)，有望獲得一個(gè)綠色高端的居住環(huán)境，這將繼續(xù)推動(dòng)更多的小區(qū)進(jìn)行海綿城市的改造和修建，隨著海綿城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，定西不但會(huì)恢復(fù)原來的自然生態(tài)環(huán)境，甚至?xí)饾u成為一個(gè)有山有水有景有綠的生態(tài)宜居的城市。

5 結(jié)語

西北地區(qū)的城市建設(shè)和新農(nóng)村建設(shè)發(fā)展迅速，在快速建設(shè)中應(yīng)該吸收過去城市建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，積極探索新的理念和方法，雨水花園無疑為城市生態(tài)建設(shè)提供了理論依據(jù)和實(shí)踐方向。其低成本、低影響、低技術(shù)的景觀途徑，對(duì)我國西北眾多城市的老舊城區(qū)在解決雨洪內(nèi)澇問題的策略選擇方面頗具啟發(fā)意義[22]。

在中國城市大規(guī)模更新?lián)Q代的今天，人類歷史在不斷進(jìn)步，工程技術(shù)也在不斷更新，新思潮、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)必然取代舊的思潮和技術(shù)。在城市內(nèi)澇不斷加劇的背景下低影響開發(fā)理念應(yīng)運(yùn)而生，雨水花園技術(shù)可以有效解決當(dāng)今城市建設(shè)和環(huán)境之間對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系。人們面對(duì)當(dāng)今城市建設(shè)中存在的諸多問題，希望在未來營造出更適合人類居住的具有青山綠水、雨水自然回收利用的城市生活環(huán)境，雨水花園的建造方法和技藝將不只在新的城市建設(shè)中被理解和應(yīng)用，也必然使城市中舊的街區(qū)、小區(qū)、校園、辦公場所以及公園重新煥發(fā)生機(jī)與活力。

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LowimpactdevelopmentdesignofurbanraingardeninnorthwesternChina

ZHANG Ya-zhou，LIAO Wei-biao，LI Bin

(CollegeofHorticulture,GansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070,China)

Special climate condition has caused the drought situation of northwestern China.Rain garden is one of sponge city construction measures.Based on low impact development concept,the rain garden could effectively control surface runoff,collect and store rainwater.To some extent,these measures can alleviate the common problem of water shortage in northwestern China,and play an effective role for water conservation,the urban ecological environment improvement.The water usage,rainfall characteristics and rainwater utilization in the rain garden of Changlin residential area were analyzed in details and put forward the measures of designing rainwater collection system in order to provide the relevant guidence.

low impact development;rain garden;Dingxi City

X 703

A

1009-5500(2017)05-0053-06

2017-02-25；

2017-04-25

國家自然科學(xué)基金(31560563)；蘭州市科技局科技攻關(guān)項(xiàng)目(2011-1-29 )資助

張亞洲(1991-)，男，甘肅武山人，在讀碩士。

E-mail：WOAILUO.ZYZ@hotmail.com

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