半濕潤地區(qū)外源徑流型海綿綠地設計方法研究—以遷安市濱湖東路綠地為例

康嘉奇 戈曉宇

隨著海綿城市建設理念的提出，城市綠地開始承擔“城市海綿”的功能。綠地除了要滿足游憩、生態(tài)、景觀、防災避險等基本功能外，還須具備消納雨水徑流的能力。由此，海綿綠地的概念應運而生[1]。風景園林視角下的海綿綠地指在保證綠地基本功能的前提下，因地制宜地安排雨水利用設施及技術，確保綠地在一定的降雨重現(xiàn)期條件下能基本消納自身的徑流，并能收集外部一定范圍雨水徑流的綠地類型。根據(jù)雨水收集的來源可以分為內(nèi)源徑流型海綿綠地和外源徑流型海綿綠地。內(nèi)源徑流型海綿綠地指在一定的降雨重現(xiàn)期條件下，收集綠地范圍內(nèi)的雨水并對其進行利用的綠地類型；外源徑流型海綿綠地強調(diào)：綠地除了消納內(nèi)部的雨水徑流外，還能適當接納周邊一定范圍內(nèi)的雨水徑流，起到調(diào)蓄城市雨洪的作用[2]7-8。

目前，城市綠色基礎設施作為海綿城市建設的重要載體，能夠發(fā)揮出強大的集雨功能[3]，但是選擇有效的方法研究土地利用變化對暴雨徑流產(chǎn)生的影響仍然是一個重大的問題，最近的研究主要是將經(jīng)驗模型與模擬模型相結合，以計算不同土地覆蓋類型下的雨水徑流量[4]，利用徑流曲線法評估北京市中心城市綠地地表徑流潛在減少量，結果表明城市綠地具有明顯的減緩徑流的潛力[5]。公園綠地本身就是天然海綿體，應以年徑流總量控制率為首要控制目標，在規(guī)劃設計階段全面、定量地把控設計、實施質(zhì)量，最大程度發(fā)揮公園綠地的海綿作用[6]。但是海綿城市概念內(nèi)涵仍在發(fā)展之中，創(chuàng)建具有中國特色的海綿城市設計方法仍任重而道遠[7]。

在海綿綠地營建過程中，風景園林設計師如何統(tǒng)籌考慮低影響開發(fā)（LID）設施功能類型、空間布局和景觀效果以及如何在設計中平衡海綿城市建設與綠地基本功能的關系成為海綿綠地設計的難點，特別是在占國土面積15%、年降雨量在400～800 mm之間，同時降雨量年際變化大，冬春干旱少雨，夏季雨量集中且短時降雨量大的半濕潤地區(qū)，如何保證綠地基本功能的同時最大程度發(fā)揮綠地的調(diào)蓄作用也成為本研究探討的重點。

1 研究背景

1.1 研究區(qū)域區(qū)位情況

2014年12月，住建部、財政部、水利部三部委聯(lián)合啟動了全國首批海綿城市建設試點城市申報工作[8]，河北省遷安市成功入選，成為河北省乃至京津冀地區(qū)唯一首批入選的城市。研究區(qū)域（包括26.745 hm2的設計場地和242.100 hm2的外部匯水面）位于遷安市中心城區(qū)，屬于典型的半濕潤地區(qū)氣候，總面積為268.845 hm2。設計場地（以下稱濱湖東路綠地）位于惠民大街與惠昌大街之間的帶狀空間，南北長約2 500 m，東西寬50～60 m，面積為26.745 hm2。

1 內(nèi)、外部匯水面范圍及雨水徑流方向Inner and outer source catchment range and rainwater runoff direction

1.2 研究區(qū)域上位規(guī)劃解讀

根據(jù)《遷安市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃（2011—2030）》的要求，濱湖東路綠地用地性質(zhì)為G1類公園綠地，是遷安市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中重要的綠道、城市功能區(qū)聯(lián)系主軸，同時也是“灤河生態(tài)景觀區(qū)”中至關重要的一環(huán)①，需要滿足周邊居民戶外休閑、游憩的需求。

在海綿城市建設方面，濱湖東路綠地不僅要解決內(nèi)部匯水面（26.745 hm2）的雨水徑流，還要消減來自濱湖東路、阜安大街、惠興大街以及周邊各類城市用地，共計242.100 hm2的外部匯水面雨水徑流（圖1）。按照《遷安市城市建設項目雨水收集和徑流控制管理辦法》對研究區(qū)域年徑流總量控制率目標（設計降雨量）所提出的要求，外部匯水面徑流控制率目標為85%（設計降雨量為42.6 mm），內(nèi)部匯水面（濱湖東路綠地）為76%（設計降雨量為29.6 mm）②。

2 總體設計

2.1 設計定位

濱湖東路綠地是在滿足綠地基本功能上的、以消納內(nèi)部徑流和外部徑流為目的的、兼具雨洪調(diào)蓄和水資源利用的海綿綠地。

2.2 總體設計策略

首先，濱湖東路綠地東西兩側(cè)的阜安大街和濱湖東路缺少綠化隔離帶，人行道狹窄，民眾步行和騎行缺乏安全感和舒適感，設計師通過構建并行、分行、存在高低變化的人行道和自行車道構建占據(jù)全園面積11.556%的慢行體系來緩解此類問題。其次，慢行體系也用于連接堤、島形態(tài)的景觀游憩空間，充分滿足周邊居民游憩、娛樂的需求。最后，基于《海綿城市建設技術指南：低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建（試行）》（建城函〔2014〕275號，以下簡稱《海綿城市建設技術指南》）和遷安市年徑流總量控制率要求，利用綠地和景觀游憩節(jié)點中的邊緣空間布置點、線、面結構的LID設施，形成占據(jù)全園面積17.516%的LID體系，以充分發(fā)揮綠地的調(diào)蓄功能（表1）。

表1 濱湖東路綠地各類型用地面積及用地比例Tab.1 Area and proportion of green open space in Binhu East Road

2 雨水徑流流程圖及LID設施功能類型和設計策略Rainwater runoff flow chart and LID facility function type and design strategy

3 LID體系設計

遷安市濱湖東路綠地的LID體系設計在總體規(guī)劃設計中占據(jù)主要地位。在設計時經(jīng)過多次方案推演，最后確定LID體系設計需經(jīng)過計算綠地調(diào)蓄水量—確定LID設施功能類型—確定LID設施調(diào)蓄水量—景觀化處理LID設施—運用XPdrainage情景模擬的循證優(yōu)化設計流程。

3.1 建立LID體系

3.1.1 確定LID體系的功能類型

首先，根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中所指出的，海綿城市建設應采用源頭消減、中途傳輸、末端調(diào)蓄等手段，結合滲、滯、蓄、凈、用、排等技術實現(xiàn)城市水文的良性循環(huán)[9]6。在設計標準確定的情況下場地所需要解決的徑流量是恒定的，徑流的下滲滯留和儲存利用之間存在一定的重合關系。分析場地所面臨的雨洪問題，研究場地的土壤條件對判斷LID設施的功能類型、規(guī)模容量以及LID體系的空間布局至關重要。根據(jù)地勘顯示濱湖東路綠地下層的土壤表層是層厚約為0.5 m的素填土；第二層是層厚約為0.6 m中砂；第三層是層厚約為0.7 m的稍密卵石；第四層為密實卵石。表層耕土呈現(xiàn)松散狀態(tài)，下層土壤滲透性能較好，因此下滲是LID設施的主導功能。

其次，濱湖東路綠地東西兩側(cè)用地的條件大不相同，東側(cè)的用地性質(zhì)復雜且面積較大，因此東側(cè)的大量徑流采用錯峰調(diào)蓄的方法。東側(cè)的雨水徑流通過管網(wǎng)進入綠地內(nèi)的調(diào)蓄池進行暫時儲存，在無雨天氣時將儲存的徑流通過工程措施重新導入LID設施進行凈化下滲和儲蓄利用，這樣可以避免東側(cè)大量徑流瞬時沖入綠地而產(chǎn)生的沖擊與影響；而西側(cè)攜帶著大量污染物的徑流主要來自濱湖東路，需經(jīng)過生物滯留池、凈化臺層等LID設施凈化后再與內(nèi)部徑流一起進行滯留下滲和儲蓄利用的過程，因此凈化、儲蓄和利用是LID設施所具備的附屬功能（圖2）。

最后，根據(jù)徑流污染特點和濱湖東路綠地土壤特性，確定綠地內(nèi)的LID設施應以下滲為主導功能，兼具下滲、滯留、儲蓄、凈化、利用的功能。

3.1.2 確定綠地設計調(diào)蓄容積和LID設施規(guī)模容量

根據(jù)《海綿城市建設技術指南》要求，LID設施以徑流總量和徑流污染為控制目標進行設計時，其設計調(diào)蓄容積須滿足“單位面積控制容積”的指標要求[9]49。設計調(diào)蓄容積一般采用容積法，如公式（1）所示[10]。

式中，V為設計調(diào)蓄容積，單位m3；H為設計降雨量，單位mm；φ為綜合雨量徑流系數(shù)；F為匯水面積，單位hm2。

根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中提供的各匯水面雨量徑流系數(shù)φ的取值范圍，綠地取值為0.15，非鋪砌的土路面取值為0.30、混凝土或瀝青路面及廣場取值為0.80。計算得出在設計降雨條件下（濱湖東路綠地設計降雨量為29.6 mm，外部匯水面設計降雨量為42.6 mm），內(nèi)部匯水面（濱湖東路綠地）徑流量為1 185.480 m3，外部匯水面徑流量為38 885.340 m3，濱湖東路綠地共需要調(diào)蓄40 070.820 m3的徑流量（表2）。

綠地內(nèi)的下沉式綠地、生物滯留池、碎石植被床等各項LID設施通過以上計算過程確定規(guī)模容量（表3），其中綠地內(nèi)雨水儲存設施以植物單次灌溉量作為其容量標準，下沉式綠地對徑流起到集中下滲的作用，生物滯留池對徑流起到緩速和沉淀的作用，碎石植被床用于凈化外部徑流。

3.1.3 確立LID體系的空間布局

LID體系的空間布局與綠地空間尺度、豎向條件以及“源頭—過程—末端”的雨洪控制理論[2]134密不可分。依據(jù)豎向設計，在綠地源頭利用線形卵石溝渠、植草溝串聯(lián)點狀下沉式綠地及生物滯留池，對雨水進行凈化，形成源頭消減面狀結構；中途通過線性植草溝串接下沉式綠地，滯留并減緩徑流流速，形成中途傳輸線狀結構；末端為豎向條件最低處，承接所有徑流并進行儲存利用，形成末端調(diào)蓄。LID設施的布局最大限度地利用綠地內(nèi)的邊緣空間，而優(yōu)質(zhì)中心空間則用于游憩、休閑等功能，在空間上平衡了LID體系和綠地基本功能的關系（圖3）。

表2 濱湖東路綠地設計調(diào)蓄容積Tab.2 Binhu East Road green open space designed regulation and storage volume

表3 LID設施規(guī)模容量Tab.3 LID facility storage capacity

3 濱湖東路綠地平面圖和LID設施平面圖Binhu East Road green open space plan and LID facility plan

4 石籠花田實景圖Stone cage flower field reality images

5 耐候鋼板實景圖Weathering steel plate reality images

6 廢棄鋼材雕塑實景圖Abandoned steel sculpture reality images

7 雨水花境景觀Rainwater flower scene

3.2 LID設施的景觀化策略

濱湖東路綠地在設計中通過挖填的方式平衡場地內(nèi)土方量，形成自然集雨地形，結合LID設施進行雨水收集。

場地內(nèi)利用以廢料填充的石籠和能體現(xiàn)遷安鋼城特色的耐候鋼板來勾勒LID設施的邊界，保證設施側(cè)面滲透的前提下為游人提供停坐休憩的空間，實現(xiàn)打造低成本風景園林的目的（圖4～6）。

在海綿綠地設計過程中，植物是LID設施生態(tài)功能表達和景觀展示的主要承擔者[11]，對LID設施的景觀化起著至關重要的作用。在進行植物選擇時，由于下沉式綠地的強滲透性，研究區(qū)域選用了既耐旱又耐短期水淹，夏季生長旺盛的植物營造雨水花境景觀[12]，如千屈菜（Lythrum salicaria）、蒲葦（Cortaderia selloana）和大花萱草（Hemerocallis hybrida）等。在凈化濕地內(nèi)選用具有凈化作用的水生植物，如金魚藻（Ceratophyllum demersum）、菹草（Potamogeton crispus）、黑藻（Hydrilla verticillata）等（圖7）。

3.3 XPdrainage軟件情景模擬

利用XPdrainage軟件對LID設施調(diào)蓄雨洪的能力進行情景模擬驗證，分析濱湖東路綠地設置低影響開發(fā)設施前后24 h降雨時間下LID設施對徑流總量，峰值流量，峰現(xiàn)時間的控制、消減、延遲效果，為建設可持續(xù)管護運營的風景園林提供參考。

XPdrainage軟件構建模型進行情景模擬時需要對匯水區(qū)進行信息的提取和概化，對LID設施需進行布置及參數(shù)設置；而進行模擬時則需要地區(qū)降雨數(shù)據(jù)作為支撐。

3.3.1 模型構建

3.3.1.1 降雨數(shù)據(jù)分析

模擬降雨采用短時間系列。短時間系列即根據(jù)遷安暴雨強度公式得到1、2、3、5、10年一遇歷時6 h的降雨量③，通過芝加哥雨型④對其進行拆解。

表4 LID設施參數(shù)Tab.4 LID facility parameter

表5 生物滯留池模型參數(shù)設置Tab.5 Bioretention pool model parameter settings

表6 重現(xiàn)期出口徑流模擬結果Tab.6 Simulation results of outlet runoff in recurrence period

8 不同重現(xiàn)期降雨條件下24 h降雨出水口徑流曲線Runoff curve of 24-hour rainfall outlet under the condition of rainfall in different recurrence periods8-1 1年一遇Once-in-a-year8-2 2年一遇Once-in-two-years8-3 3年一遇Once-in-three-years8-4 5年一遇Once-in-five-years8-5 10年一遇Once-in-ten-years

3.3.1.2 匯水區(qū)及LID設施概化

根據(jù)綠地自身特征及周邊市政管網(wǎng)分布情況，將研究區(qū)域概化為45個匯水區(qū)和15個子匯水分區(qū)，4段排水網(wǎng)管段，1個末端出水口。根據(jù)施工方案，將LID設施在已劃分的匯水區(qū)域內(nèi)進一步概化。

3.3.1.3 參數(shù)設置

結合遷安地區(qū)土壤特性及XPdrainage模型原理，外部匯水面中的硬質(zhì)、裸地和綠地下墊面采用Time of Concentration徑流模型來計算徑流下滲及進入系統(tǒng)流動的時間，各表面粗糙系數(shù)采用XPdrainage模型中的恒定數(shù)值，鋪面、裸露土壤為0.015，綠地為0.060，LID設施各項系數(shù)設置根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》和《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范》中的要求進行設置（表4、5）。

3.3.2 模型結果分析

1）在年徑流總量控制率目標及1、2、3、5、10年一遇的降雨條件下，濱湖東路綠地內(nèi)部通過利用45 359.500 m3LID設施和1 000.000 m3蓄水設施解決了40 070.820 m3的徑流量。

2）海綿城市試點建設在1、2、3、5、10年一遇的降雨條件下，濱湖東路綠地在開發(fā)前（傳統(tǒng)開發(fā)模式）、后（低影響開發(fā)模式）的徑流消減量對比顯著（表6）。

根據(jù)研究區(qū)域地勘文件測量得到場地下層基層土壤為卵石層，場地內(nèi)徑流下滲量較大，10年一遇（133.95 mm）的部分雨水徑流通過LID設施的下滲作用進行了消納。根據(jù)《雨水控制與利用工程設計規(guī)范》中對滲透設施滲透量的計算要求，如公式（2）：

式中，Ws為滲透量，單位m3；α為綜合安全系數(shù)，一般可取0.5～0.8；K為土壤滲透系數(shù)，單位m/s；J為水力坡降，一般可取J=1.0；As為有效滲透面積，單位m2；ts為滲透時間，單位s。

據(jù)公式（2）計算可得，LID設施在10年一遇的降雨條件下可下滲7 200.000 m3的雨水徑流。

在添加LID設施后，研究區(qū)域出水口在1、2、3、5、10年一遇的降雨強度下徑流總量分別 消 減93.71%、80.68%、68.85%、65.63%、60.96%。

3）對比LID模式和傳統(tǒng)開發(fā)模式數(shù)據(jù)，研究區(qū)域在不同重現(xiàn)期降雨強度下，峰值流量分別消減95.24%、82.37%、64.23%、60.2%、49.74%；峰現(xiàn)時間分別推遲92、76、54、47、32 min（圖8）。

4 結論

筆者依據(jù)遷安市上位規(guī)劃提出的雨洪調(diào)蓄要求，結合半濕潤地區(qū)的降雨特征和濱湖東路綠地的土壤特征，按照年徑流總量控制率目標所提出的要求，利用XPdrainage作為工具輔助，對濱湖東路綠地進行開發(fā)前、后的情景模擬，根據(jù)定量數(shù)據(jù)進行分析對比，總結半濕潤地區(qū)外源徑流型海綿綠地的設計方法，為海綿城市建設提供理論支持及實踐經(jīng)驗。

4.1 設計方法總結

在設計半濕潤地區(qū)的海綿綠地時首先要對半濕潤地區(qū)的降雨特征以及其所帶來的雨洪問題，綠地內(nèi)的土壤特性和周邊的用地性質(zhì)、下墊面性質(zhì)進行研究分析，以此來確定半濕潤地區(qū)和LID體系的功能類型。其次，要根據(jù)《海綿城市建設技術指南》中對LID設施調(diào)蓄容積的要求，計算得到綠地需要調(diào)蓄的徑流總量以此確定LID設施的規(guī)模容量。再次，經(jīng)過以上研究分析和計算后，LID設施須結合綠地內(nèi)的豎向設計、植物景觀和景觀節(jié)點進行空間布局和景觀化的處理。最后，為了驗證LID設施所發(fā)揮的調(diào)蓄功能，需要利用XPdrainage對場地開發(fā)前、后LID設施所能消減的徑流量和所能推遲的洪峰時間進行量化及可視化的情景模擬驗證。

4.2 分析情景模擬結果

通過XPdrainage進行情景模擬所得的數(shù)據(jù)結果分析可知，位于半濕潤地區(qū)的濱湖東路綠地在消減徑流總量和峰值流量以及推遲峰現(xiàn)時間方面具有一定的作用，LID設施在不同降雨條件下可分別消減93.71%、80.68%、68.85%、65.63%、60.96%的徑流量，可分別推遲92、76、54、47、32 min的峰現(xiàn)時間。但是隨著降雨強度的增大，后期地表徑流在超過LID設施承載能力后，消減徑流總量逐漸減少。消減峰值流量曲線漸趨平緩，LID設施調(diào)蓄作用開始逐漸減弱。

5 結語

風景園林視角下的海綿綠地需要融合園林形式的藝術美與內(nèi)涵的科學性，其設計的過程是科學性與藝術性高度統(tǒng)一的過程。綠地的藝術美是內(nèi)在科學性的表達形式，而內(nèi)在的科學性則是表現(xiàn)形式藝術美的內(nèi)涵。 在設計過程中，設計人員通過XPdrainage軟件對LID設施進行情景模擬所得結果還須與后期徑流檢測結果相校核，才能保證模擬結果的精確程度，但是由于當前設備條件所限，本研究未能進行數(shù)據(jù)校核，希望在未來的研究中能夠逐漸深入和完善。

注釋(Notes)：

① “G1類公園綠地”及“灤河生態(tài)景觀區(qū)”為《遷安市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃（2011—2030）》中規(guī)劃圖CQ-G-09和規(guī)劃圖CQ-G-02對濱湖東路綠地的定位。

② 濱湖東路綠地內(nèi)徑流控制率目標依據(jù)《遷安市城市建設項目雨水收集和徑流控制管理辦法》規(guī)定。

③ 短時間系列降雨歷時為《遷安市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃（2013—2030）》規(guī)定。

④ 芝加哥降雨雨型是由Keifer和Chu提出的基于暴雨強度公式和雨峰系數(shù)的非恒定降雨情景合成方法。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～3由IFLA-AAPME報獎項目組成員葛韻宇、康嘉奇、盧靖、李婷繪制；圖4～7由戈曉宇拍攝并提供；圖8由康嘉奇利用XPdrainage軟件進行情景模擬得出的結果；表1、3為康嘉奇利用濱湖東綠地文件測繪數(shù)據(jù)進行計算整理所得；表2為康嘉奇根據(jù)《海綿城市建設技術指南：低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建（試行）建城函[2014]275號》要求進行計算整理所得；表4、5為康嘉奇根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》和《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范》中的要求進行整理所設置；表6為康嘉奇根據(jù)XPdrainage模擬結果整理所得。