生態(tài)海綿城市下的雨水利用規(guī)劃設(shè)計(jì)分析

張晨，李少堃

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300181）

1 引言

現(xiàn)如今，關(guān)于海綿城市雨水利用的研究，國外主要集中在法律完善、控制排污、水資源管理、生態(tài)技術(shù)開發(fā)等方面，國內(nèi)更多的是探討規(guī)劃設(shè)計(jì)理念、目標(biāo)、完善地方規(guī)范、海綿設(shè)施推廣等。本文以生態(tài)海綿城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)為引導(dǎo)，對(duì)具體地區(qū)項(xiàng)目進(jìn)行分析，簡要分析了控制徑流、降水資源化開發(fā)等內(nèi)容，以豐富水源供給渠道，創(chuàng)新性地從技術(shù)層面，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，分析雨水利用規(guī)劃設(shè)計(jì)的問題。

2 生態(tài)海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)

生態(tài)海綿城市具有時(shí)代特點(diǎn)，總結(jié)起來包含下述幾個(gè)方面：（1）水資源儲(chǔ)存量下降，在各方面需求規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大中，生態(tài)惡化程度加劇。即使已經(jīng)向系能源領(lǐng)域投入較多的建設(shè)資源，但實(shí)際成效還無法彌補(bǔ)消耗速度，更無法從根本上消除威脅。（2）國內(nèi)水系污染問題突出，特別是重工業(yè)，給本就脆弱的水生態(tài)打下一記重拳，大量水體變?yōu)閺U水，而且此種惡劣局面還在繼續(xù)“發(fā)展”。（3）水體利用率不足，使諸多水資源在尚未完全使用的情況下變成廢水。在該種資源環(huán)境下，推動(dòng)雨水利用規(guī)劃設(shè)計(jì)有很明顯的現(xiàn)實(shí)價(jià)值[1]。

建設(shè)生態(tài)海綿城市，應(yīng)當(dāng)有比較健全的設(shè)計(jì)觀念作為基礎(chǔ)。簡單來說，海綿城市可解決常規(guī)雨水利用以及排除方法的缺陷，在保障水體利用率的同時(shí)，還能緩解水源短缺的困境。在生態(tài)海綿城市的理念導(dǎo)向中，雨水利用規(guī)劃存在明顯目的性，在實(shí)地建設(shè)之前，相關(guān)方會(huì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，由此奠定基本的建設(shè)條件。另外，在該理念下，設(shè)計(jì)目標(biāo)也要反映在利用率方面，切實(shí)消除地區(qū)水源緊張的問題。此外，規(guī)劃運(yùn)用目標(biāo)還涉及充分使用現(xiàn)代科技資源，輔助雨水利用設(shè)計(jì)方案能夠順利實(shí)施。

3 雨水利用規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目基本條件

3.1 區(qū)位條件

天津零能耗島為當(dāng)?shù)嘏R海新城整體規(guī)劃格局中比較關(guān)鍵的一項(xiàng)，是天津升級(jí)生態(tài)城市以及創(chuàng)新智慧城市的重點(diǎn)示范區(qū)。該島嶼倡導(dǎo)“零能耗”，力求建設(shè)成低碳、宜居的地區(qū)。此島嶼地處臨海新城的西北部，有兩條主干道貫穿，總用地面積140 hm2。在該區(qū)域的南部和北部，分別建設(shè)一條生態(tài)水系，西部是原有水系，并有濱水綠地環(huán)繞，是天津中獨(dú)立的地區(qū)，基礎(chǔ)生態(tài)環(huán)境較好。

3.2 生態(tài)條件

該島嶼主要的資源缺陷就是淡水，由于此區(qū)域?qū)儆谔詈Ｔ礻?，水系未和天津市相連，使淡水基本上都是通過從島外引水的方式獲取，而天津市本身也存在水資源短缺的問題，近年來引調(diào)水和自有地下水的比例不斷提高，存在較重的引水壓力。另外，海島上尚未建成水廠，無法實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)淡水。天津位于半干旱區(qū)域，年降水量僅有數(shù)百毫升，而且年際波動(dòng)明顯。在該項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)，降水分布明顯失衡，存在春旱夏澇的問題，接近78%的雨水集中在6～9月份，特別是7、8月份，更是的多暴雨，甚至短時(shí)降水可以導(dǎo)致洪澇。此外，由于該項(xiàng)目場地本質(zhì)上是填海造陸，在海洋和陸地之間的交界處，島嶼中地下水有限，而且提高了相連陸地原有地下水被海水污染的風(fēng)險(xiǎn)，令沿岸土壤面臨鹽堿化的問題，威脅原本的水資源體系。

4 雨水利用規(guī)劃設(shè)計(jì)的思路和方案

4.1 設(shè)計(jì)思路

雨水屬于自然補(bǔ)水資源，更是城市生態(tài)系統(tǒng)中重要的淡水來源。以海綿城市為規(guī)劃導(dǎo)向，研究雨水利用的合理模式，加強(qiáng)對(duì)相應(yīng)地表徑流的管控，強(qiáng)調(diào)規(guī)劃指引、生態(tài)首位、安全為重、統(tǒng)籌開發(fā)的原則。實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)以及后期現(xiàn)場施工，主動(dòng)選擇合適的新型物料、機(jī)械、工藝技術(shù)，切實(shí)利用好綠地與交通、樓房等構(gòu)筑物與建筑物容納、緩釋雨水的功能，保障對(duì)雨水徑流的高效管控，做到自然完成滲透、蓄滲。而因?yàn)榈缆?、肥料、垃圾、車輛尾氣等對(duì)既有水源帶來的污染，可以通過技術(shù)處理后投入地表水系中[2]。

根據(jù)基本的設(shè)計(jì)思路，可以確定規(guī)劃設(shè)計(jì)的最終落腳點(diǎn)。首先，優(yōu)化降水利用率，逐漸下調(diào)外部引水的總量。依托于“海綿”設(shè)施保存自然降水，通過排鹽凈化處理后，形成的再生水能用在景觀綠化、沖洗道路等方面，控制由此產(chǎn)生的能耗。其次，下調(diào)徑流系數(shù)，降低洪澇災(zāi)害發(fā)生率。借助建設(shè)綠色屋頂與透水道路，有利于控制雨季留存在地表上的水體，使徑流系數(shù)下降，盡可能規(guī)避內(nèi)澇。最后，補(bǔ)充地下水，預(yù)防海水污染。對(duì)此可設(shè)置植草溝以及透水鋪裝等工藝，使雨水快速滲入地下，可直接補(bǔ)充地下水，阻擋海水侵襲，避免造陸場地發(fā)生明顯沉降。在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)零能耗，全面考量徑流量、峰值、雨水使用等，從整體上建設(shè)、完善雨水系統(tǒng)，在海綿城市觀念的指引下，做好徑流調(diào)節(jié)。

4.2 設(shè)計(jì)方案

4.2.1 調(diào)整受水面材料

受水面主要有河流表面、樓頂與地面等。不同類型的受水面對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)會(huì)有差別。綜合徑流系數(shù)的運(yùn)算公式為：

式中，φz為綜合徑流系數(shù)；Fi為地塊i的匯水面積，hm2；φi為地塊i的徑流系數(shù)；F為總面積，hm2。

按照該島的城市規(guī)劃對(duì)受水面進(jìn)行劃分，共有5種，各類徑流參數(shù)可按照天津市的相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)確認(rèn)。在沒有施加任何海綿城市手段的受水面徑流系數(shù)可參考表1。表格中，雨量徑流系數(shù)就是在特定時(shí)間段中，由于降水帶來的徑流總量和總降水量的比值，這是判斷“海綿”建設(shè)舉措實(shí)施質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。流量徑流系數(shù)主要反映降水高峰期的流量，一般用在確定管道系統(tǒng)尺寸中。為實(shí)現(xiàn)有效利用雨水，應(yīng)當(dāng)改變受水面的材料，以此下調(diào)徑流系數(shù)。根據(jù)天津市該項(xiàng)目的實(shí)際情況，可選擇的建設(shè)方法有：擴(kuò)大綠色屋頂與透水鋪裝的總面積，使降水能快速下滲，控制雨季的地表徑流，預(yù)防洪澇災(zāi)害。

表1 原始受水面徑流系數(shù)

4.2.2 增加海綿設(shè)施

一方面，根據(jù)規(guī)劃場地內(nèi)的實(shí)際情況，統(tǒng)籌降水配置方案。在該設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，年徑流總量的控制率是按照近幾年日降水量記錄計(jì)算出來的，利用自然滲透、人工處理手段，使區(qū)域中全年實(shí)現(xiàn)有效控制的降水量占年降水總量的份額[3]。在此次規(guī)劃設(shè)計(jì)中，要利用有效分配，使該項(xiàng)控制率達(dá)到85%。擬降水量是37.8 mm（見表2）。

表2 擬降水量

根據(jù)項(xiàng)目總體規(guī)劃平面，主要選擇3類海綿設(shè)施，分別是：（1）雨水調(diào)蓄池，負(fù)責(zé)集中收集雨水，待排鹽凈化處理后，可運(yùn)輸?shù)綄ｉT的收集站，擬建11處，滯蓄容積為10 600 m3；（2）生物滯留設(shè)施，主要是就近收集，利用濕地植物凈化水體，共有8處，滯蓄容積是800 m3；（3）下凹綠地，同樣是就近收集，利用植物凈化，總面積建設(shè)面積是3.26 hm2，滯蓄容積有6 500 m3。

海綿設(shè)施的擬調(diào)蓄容積參數(shù)是通過容積法計(jì)算，公式為：

式中，V為擬建設(shè)的調(diào)蓄容積，m3；H為設(shè)計(jì)降水量，mm；φ為綜合雨量徑流系數(shù)；F為總匯水面積，m2。本項(xiàng)目中，結(jié)合相應(yīng)85%的控制率要求，海綿設(shè)施的實(shí)際需求量見表3。

表3 海綿設(shè)施需求量

另一方面，不同區(qū)域海綿設(shè)施的調(diào)蓄水平。按照項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)，整個(gè)場地共有16處分區(qū)，相應(yīng)調(diào)蓄容積以及徑流系數(shù)可按照上文所述公式計(jì)算。結(jié)果為：匯水總面積是73.64 hm2，達(dá)到85%控制率標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)分區(qū)，調(diào)蓄容積之和超過1.08×104m3，而相應(yīng)的海綿設(shè)施容量大于2.15 m3，完全足夠徑流控制需要。

4.2.3 有效配置降水

自然降水在收集后，經(jīng)過排鹽凈化處理后，能用在市政與景觀中，如道路沖洗、綠化澆水、景觀用水。把經(jīng)過專業(yè)處理后的水體，用在上述方面，能就近沖洗道路，減少遠(yuǎn)途運(yùn)輸?shù)哪芎模挥迷诰G化澆水中，不僅能控制再生水的消耗，還能作為地下水的補(bǔ)給；把此類水體用在城市造景中，能降低對(duì)外的水資源依賴度。該地區(qū)的自然降水基本上能滿足以上幾項(xiàng)用水需要。本次規(guī)劃項(xiàng)目主要是景觀用水，設(shè)計(jì)水量達(dá)到200 m3，涵蓋4處地下蓄水池，深度有2.5 m。規(guī)劃區(qū)域內(nèi)所有高于滯留深度標(biāo)準(zhǔn)的水體，均借助溢流井、市政管網(wǎng)集中起來，年度收集總量的計(jì)算可參照上文海綿設(shè)施擬調(diào)蓄容積參數(shù)運(yùn)算公式。此次規(guī)劃項(xiàng)目中，雨水收集量相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 雨水收集量

5 結(jié)語

綜上所述，開發(fā)生態(tài)海綿城市，就不能忽略雨水利用的問題。在現(xiàn)實(shí)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，就要按照當(dāng)?shù)厍闆r選擇合適的海綿設(shè)施，計(jì)算出實(shí)際的調(diào)蓄需求量，比較擬建方案的容量參數(shù)，判斷規(guī)劃結(jié)果是否滿足建設(shè)目標(biāo)以及執(zhí)行要求，由此發(fā)揮出雨水利用的實(shí)效性。在零能耗島的項(xiàng)目中，規(guī)劃設(shè)計(jì)是按照其本身的問題，如淡水資源短缺、水生態(tài)質(zhì)量差以及降水分布不均等，從滯、蓄等方面，落實(shí)生態(tài)海綿規(guī)劃，改善當(dāng)?shù)貙?duì)自然降水的使用率，降低對(duì)外的資源依賴度。而該項(xiàng)目的成功建設(shè)，可以給其他地區(qū)打造海綿城市提供實(shí)踐參考，發(fā)揮出可推廣、能執(zhí)行、可復(fù)刻的技術(shù)效應(yīng)。