住区低影响开发雨水管理措施构建探析

■ 朱 钊 Zhu Zhao

快速城市化很大程度上是以人工取水、用水、排水等社会水循环取代自然水循环，以此带来的水环境负向滞缓效应，表现在硬化下垫面阻碍了水的自然下渗，并压缩了水的产汇流空间，单一排水与防洪工程改变了水文时空过程的强度、容量及水质，在一定地域范围内超出了自然调节能力，使水资源供需矛盾、水质污染、暴雨内涝及洪灾等一系列城市水问题凸显[1][2]。住区建设量在城市化带来的巨大城市建设量中所占近半，不仅是城市雨水排放的起端，也关乎城市雨水控制利用工程的成效，然而现今住区雨水管理模式仍以管道、侧石和排水沟等“灰色”基础设施组织径流为主，末端高昂的雨水收集工程措施也缺乏弹性应对暴雨事件及过量荷载能力[3][4]。在建设海绵城市的时代背景下，低影响开发（Low Impact Development, LID）雨洪管理理念日益得到推广，强调以“慢排缓释”和“源头分散”为核心设计理念，优先利用植草沟、雨水花园、低势绿地等“绿色”措施组织径流排放，减少雨水工程性排放设施[5]。住区因其汇水涵盖大且建筑集中，利于低影响开发雨洪管理体系规划与改造，但现今仍然缺乏相应的设计方法，导致住区雨水管理实施难度大、成效低，因此，住区低影响开发雨水管理措施构建值得深入探讨。

1 住区雨水管理技术体系及衡量系数

《建筑与小区雨水利用工程技术规范》、《民用建筑节水设计标准》、《室外排水设计规范》等多部国家标准就住区雨水控制利用方面作出了相应的规范支撑。在《海绵城市建设技术指南》指引下，住区低影响开发雨水管理体系不仅对城市排水防涝系统作了有效补充，对维持场地开发前的水文情势（径流量、径流频率与汇流时间、峰值径流量、水质等）也尤为重要，促使雨水管理技术体系目标由“末端调节”渐趋向“源头滞蓄”转变，其目的在于拦截利用住区硬化覆盖产生的地表雨水径流增量，吸收暴雨前期的大部分雨水量直至饱和，再将溢流雨水排入城市市政管网，以减缓城市径流量及峰值流量，对城市低影响开发雨水体系构建起到了正向推动功效[6]。径流系数是场地汇水面积地表径流量（mm）与降雨量（mm）的比值，是反映雨水管理水平的综合指标，可根据住区不同覆盖情况，由单一下垫面的径流系数按面积加权计算，如下式[7]：

式中，ψ是场地综合径流系数，ψi是单一下垫面的径流数值(表1，参照GB 50014—2006《室外排水设计规范》)，Fi是各下垫面覆盖占住区规模的比例，F1指景观水体，F2指绿地，F3指渗透覆盖，F4指硬质铺装，F5指普通屋面，F6指绿化屋面。

可见径流系数的影响因子包括雨水下渗措施（绿地、屋顶绿化、渗透铺装等）、具备调蓄排水功能的景观水体等，因此作为城市雨水体系的子系统，住区雨水管理体系通常可归纳为雨水存储、渗透、调蓄以及处理（截污弃流、净化）4个环节，针对住区不同的作用对象与使用功能，分别有不同的工程技术设施以及LID雨水管理措施(图1)[7][8]，就解决雨洪问题而言，LID措施通常被理解为水文学及给排水专业对降雨、产汇流、土壤下渗以及排水竖向设计等方面分析综合而来的雨洪管理技术措施，作为绿色基础设施发挥削减暴雨径流、处理径流面源污染等环境功效。

2 住区LID措施优选

表1 各类下垫面的雨量径流系数

2.1 LID措施适建性评价

图1 住区雨水管理技术体系

LID措施的适建性主要提取了土壤、地形、地下水位（建造深度）、距离建筑地基距离以及占地面积几方面因子进行对比评价（表2）。由土壤渗透率及土壤类型可直接反映出土壤渗透性能（渗透系数，常用m/s计），并以此推断土壤层下渗、过滤功能对降雨径流的迟滞与污染物控制能力[9]，依据措施对土壤的要求选择相应的建造区域。坡度决定了降雨径流的流速及渗漏量，一般来说沟类措施（如入渗沟、植草浅沟）优先设置于有坡度地势以减少场地找平工程，池类措施（如砂滤池、延时滞留塘）则适宜平地以保证功效发挥[10]。地下水位过高显然会阻止径流下渗过程，那么以过滤、渗透、滞留功能为主的措施（如湿塘、雨水花园）需注意适宜的建造深度，并且避开高地下水位区以免在影响措施性能的同时产生地下水污染状况[11]。LID措施吸收径流量使得土壤直至饱和状态，这样土壤隐存的坍塌、滑坡等危险极易威胁到附近建筑物、构筑物、地基（地下室）及其他地面设施的安全，因此保持一定距离是必要的考虑因素。除此以外，随着城市土地成本的不断攀升，住区用地资源宝贵，开发商也不愿花费较高土地成本建造占地面积较大的LID措施。因此，住区适宜选择一些占地面积较小的措施，部分占地较大的（如湿塘洼地、雨水花园）可结合住区内的景观设施（水体、绿地等）建造。

2.2 LID措施效益-成本比对

除LID措施适建性因子决定外，其环境-经济效益以及生命周期内成本投入是实施的重要影响因素，根据不同的生态功效目标，结合成本预算选取针对性的LID措施往往起到事半功倍之效（表3）。LID雨水体系结合场地生态要素设置集雨绿地、生态渗透池等相互连通的系统来取代构筑的排水沟与管道，通过雨水收集系统削减径流峰值流量，雨水渗透与调蓄系统减少径流量并降低径流速度，并延缓径流峰值时间，雨水处理系统控制径流污染物扩散，净化径流，并借助渗透及收集系统补充土壤水分和地下水，以分散的、小规模的源头对雨水与集中径流进行收集储存、滞留渗透，把暴雨排水控制和雨水收集结合，实现水的分散就地处理和涵蓄净化，减少环境负荷与雨洪管理的建设成本投入（洪泛成本、合流制溢流控制成本、过滤技术成本等）[6]。在提供环境效益的同时，LID措施本身的成本投入需要考虑到的是初期的建造成本、使用中运营维护、管理成本以及使用周期，初期建造成本取决于场地条件、汇水涵盖大小、降雨量及人工实施费用，后建设行为中的运营维护与管理成本（如人工、材料、设备维护、构筑物维护、控制措施、沉积物清理费用等）是确保LID措施的实施成效关键[12]。但目前国内关于LID措施成本数据积累相当有限，并且其与土地使用状况、气候降雨分区、当地人力材料费用等多方面因素息息相关（如雨水花园在暴雨地区修建需额外承担地下排水管道及铺设成本），因此LID措施实施还需因地制宜、比选择优。

表2 部分典型LID措施的适建性分析

3 住区LID雨水体系设计

3.1 新旧住区雨水控制目标及设计

经验表明场地开发带来的产汇流时间、径流峰值流量及污染物总量等水文情势的异化均与径流体积增加相关，且LID措施的设计规模也便于用体积表达，因此美国已采用径流体积控制实现雨水管理目标，并通过地形、植被、土壤下渗特性等量化数据获得，这些信息的获取需借助水文模型（SWMM等）模拟计算[13][14]。

表3 部分典型LID措施的效益-成本清单（成本仅供参考）

已建住区多位于中心城区，建筑密度高、硬化覆盖大、地下市政管线等设施错综复杂，管理权属等问题也难以协调，LID设计目标可适当降低，但年径流总量控制率应不低于50%，且排入已建雨水管网系统的设计雨水量（峰值流量）不能超出下游已建雨水管网排水能力[14]，在建造LID体系过程中也应尽量减少工程投入，宜采用地上分散雨水集蓄利用系统（雨水花园、集水装置等），步行路面可更换为透水性铺装，并沿道路铺设雨水渗透暗渠增加径流渗透机会，同时利用绿地对道路污染径流截污处理后下渗，建筑周边可增设花草溢流池（渗透能力大、吸附净化力强的土壤填埋）接纳屋面雨水的初期弃流，溢流径流汇入地下人工渗透措施，最后排入市政排水管网（图2）[8]。

新建住区可利用植被、绿地、地形等因素对年均降雨总量85%～90%的下渗率，并考虑到经济效益以及水文情势的维持，其年径流总量控制率宜为85%，且不降低市政排水系统设计的重现期标准[13]，无景观水体设计的住区则可依据LID措施的适建性以及效益-成本比选，结合场地生态要素设计雨水管理体系，并与市政排水管网衔接，当住区规划有水景时，则可优先考虑结合景观水体及其补水来设计LID雨水管理体系（图3）。

3.2 LID措施的景观设计范式

图2 已建住区LID雨水管理措施改造

图3 新建住区LID雨水管理措施利用

LID措施除雨水控制利用作用外，在住区景观设计下亦可与各类场地绿色要素结合，形成因地制宜、独具观赏价值的景观要素，成为住区景观系统的有机组成部分[9]。在住区层面可用于景观设计的LID措施主要归纳两个层级：建筑空间层级可利用屋顶绿化、花草溢流槽等对雨水进行收集储存与再利用（冲厕、浇灌、洗车等），同时满足景观审美；开放空间层级可利用雨水花园、植草沟、滞留塘等构建的植被、水体对雨水进行渗透、滞留与处理，同时美化空间环境[15]。雨水花园在景观设计中应用较为广泛，根据调蓄设计要求（一般调蓄1～2年一遇24h暴雨情况），在建筑空间、道路及住区公共空间，结合置石、旱溪、木平台及植物景观等，利用植被、土壤及砾石对雨水的迟滞、储存、净化功能，消纳处理住区硬化覆盖产生的径流增量，形成住区内分散的LID景观化雨水管理措施[16]。植草沟系统（植草皮浅沟利用喜湿性草皮，铺卵石浅沟利用卵石、碎石）因实施简易且造型美观，也渐趋得到推广，其通常布置在住区开放空间汇水线上承载雨水径流的滞蓄与渗流功效[17]。LID措施的具体景观化设计要点可见表4[17-19]，这些设计手段与常规住区规划相比，既能强化生态功能又可凸显景观效果（图4）。

4 结语

目前国内住区建设量庞大，住区可收集利用的雨水量多且水质好，建筑相对集中紧凑，开放空间功能分明，便于雨水体系的设计实施与管理，是当前推动海绵城市建设的重点。文章提出根据LID措施的适建性及效益成本分析，因地制宜、比选择优，依据低影响开发的设计目标，针对新旧住区提出了不同的雨水体系构建思路，并结合LID景观化措施丰富住区景观系统。住区低影响开发雨水体系是贯穿规划设计、实施技术乃至后期运营管理的全过程，由于现今住区雨水管理体系尚未真正纳入住区规划中，规划设计人员的水文生态学基础尚且薄弱，需要多专业、多管理方、多参与者的协同努力方能推动住区低影响开发建设。

表4 部分典型LID措施的景观化设计要点

图4 住区开放/建筑空间的LID景观化措施设计对比

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