株洲市清水塘生态新城核心区雨洪管理规划及实施方法

吴 昊 袁军营 高 枫

0 引言

低影响开发雨洪管理是区域性生态水环境规划（图1）重要的组成部分，鼓励城市雨洪实现由“排”到“蓄”的转变，通过多种绿色手段实现对雨洪在源头（“源头”在本规划工程中特指控制性详细规划确定的城市开发单元地块）的水量和水质的控制，达到削减洪峰流量、控制面源污染、提高城市水网的自然调节和净化能力、提高再生水利用率、提高生态多样性、节约水资源的综合效益。

在此方面，很多国家和地区都已经开展了多年的研究和实践，许多发达国家已经进入标准化和产业化的阶段[1]。近年来，我国也越来越重视资源性缺水、水环境恶化、城市急速洪涝等城市水问题，已在城市雨洪管理方面开展相关研究，并在城市内涝、雨洪利用等方面取得了一定成果[2-6]，不过真正开始进行技术体系规划和实施的地区还比较少。该规划借鉴发达国家和国内一些城市已开展的雨洪利用工程的先进经验，提出城市整体水环境指标体系和雨洪管理定量目标，制定雨洪管理措施，为我国今后雨洪管理项目从战略到实践提供一定的参考与借鉴。下文将对湖南株洲市清水塘生态新城核心区规划的背景、概况、雨洪管理目标和实施方法展开研究。

清水塘生态新城位于清水塘老工业区，为全国发展循环经济第二批试点地区和“两型社会”示范区。生态新城建设后，硬化面积增加。预计十年一遇暴雨期间，自开发用地汇入城市水系的径流峰值将从约59m3/s增加至135m3/s，通过有效手段削减雨洪流量势在必行。而另一方面，该区域年平均降雨量达1 400mm，雨水资源丰富，有可能结合雨洪管理设施对雨水进行综合处理，实现对雨洪资源的再利用。较传统途径而言，实施生态雨洪管理将为城市水务管理提供一个更广阔的视野和更绿色的解决路径。

图1 城市整体水环境流程

1 规划区概况

1.1 规划范围[7]

清水塘生态新城核心区位于湖南省株洲石峰区南部，规划范围为清水路—建设北路以南、高铁路以东、湘江以北、石峰公园以西区域，规划总用地面积15.38km2（图2），规划人口约17万人口。

图2 规划区位图

1.2 气候与水文

株 洲 位 于 北 纬26 ° 03’05” —28 ° 01’07”， 东 经112 ° 57’30” —114°07’15”间，属亚热带季风性湿润气候，四季分明，雨量充沛，光热充足。全年平均气温在5℃—29℃之间。年平均降雨量达到1 412mm，多年平均蒸发量1 370mm，全年月平均降雨主要分布在4—6月，自7月始降雨量骤降。雨季月份3月—7月，冻季月份12月—次年2月（图3）。年平均相对湿度80%。日照时数为1 629h，年均无霜期286d。

规划范围内有新桥河（高排）、新霞湾港（低排）、霞湾港（高排）、铜塘港水系（地排）等水系与大小湖泊坑塘面积。其中霞湾港为重度污染河流，生态破坏严重，断面水质为Ⅴ类，有时甚至劣于Ⅴ类，是湘江水质最差断面。铜塘港和霞湾港因收纳废水量大、污染物种类多，已失去了天然河港的功能，变成了市区污染最为严重的纳污港。区域内主要水塘中的重金属镉、砷、铜、锌等均已严重超标。

图3 株洲多年平均降水量蒸发量气温图

1.3 地形地貌和用地类型

规划区属丘陵地貌，地势呈北高南低、东西两侧高、中部低的趋势；西部以山丘、农田、菜地为主；北部及东部以城市建设用地为主。用地内最高高程为98m，位于霞湾村内的山体顶部；最低高程为28m左右，位于湘江沿岸区域。

规划范围内现状城市建设用地8.11km2，现状主要为农林绿地，占总面积的29.1%，其次是工业用地约占28.8%，水域面积约为1.14km2。规划后城市建设用地13.4km2，区域交通设施用地0.49km2，非建设用地1.49km2（图4、图5）。

图4 规划区开发前用地图

图5 规划区开发后用地图

2 规划目标和技术标准

2.1 规划目标

核心区规划设计将削减洪峰流量（滞留）和控制面源污染（净化）确定为生态新城水环境控制的核心目标，并形成以滞留和净化为主、再利用为辅的规划方向。

2.2 技术标准

规划在借鉴国内外类似项目经验基础上，对开发后的径流出流峰值、水质净化做出刚性指标控制，对回用效率、设施类型等做出弹性指标控制。规划将技术标准细化为水量标准和水质标准两个方面。

2.2.1 水量标准

水量标准落实至地块内实施时，选用具有合理滞留容积、回用容积的雨洪管理设施及出流控制堰实现雨水限制外排流量，实现源头控制、就地减排和雨水回用。全区范围内，规划遵循以下水量标准：（1）清水塘生态新城开发建设后总综合径流系数不高于现状水平；（2）各子雨洪分区（开发后十年一遇降雨24小时产生外排径流峰值不高于开发后三年一遇降雨10min产生径流峰值；（3）重点地块雨水回用实现的自来水替代率>90%（图6）。

2.2.2 水质标准

径流通过建设地块内雨洪管理设施得到就地净化。水质标准落实至地块内实施时，选用具有合理的净化容积、净化面积的雨洪管理设施以保证雨水达标排放，实现源头控制、水质净化和雨水回用。

考虑当地雨水径流水质和相关规范对再生水、雨水利用的要求，全区范围内，规划遵循以下水质标准：净化后，固体悬浮物去除率≥80%；总磷去除率≥45%；总氮去除率≥45%；重金属去除率≥60%。

图6 排水标准示意图

图7 水文过程示意图

3 雨洪规划指标制定

通过径流系数值控制雨水径流的方式已经广泛被相关实践和规范所采纳。根据生态新城核心区用地现状，确定现状综合径流系数如表1所示。经核算，现状综合径流系数约为0.43，以此作为开发建设后的整体雨洪管理控制目标。规划过程中按照相同原则制定每类地块径流系数。

表1 生态新城核心区现状用地综合径流系数表

表2 生态雨洪管理设施分类表

以雨洪管理控制目标为依据，用Storm &Sanitary Analysis（以下简称SSA）雨洪管理软件分别模拟三年一遇、十年一遇降雨条件下各地块的径流出流，并根据削减目标值应用堰流公式模拟计算各地块径流峰值削减后的出流过程和相应所需径流滞留体积。SSA模型模拟地块内滞留与出流的水文过程如图7所示。

以地块开发后、十年一遇降雨24h过程为输入条件，以地块出流流量不大于三年一遇降雨10min产生径流为限制条件，将出流过程模拟为堰流，模拟研究区产生的雨水径流。在地块内、滞留池均无淹没情况下，调整各个地块滞留池体积参数，使其滞留水深不大于0.5m。当滞留水深最接近0.5m时，可得到各地块所需的最优滞留池容积。

在控制径流系数目标下，SSA模型中各地块雨洪管理的削减出流量及其需要的滞留体积模拟结果如图8所示。某地块内径流量产流和削减出流量的滞留过程见图9所示。

根据水平衡原理，遵循自来水替代率>90%的条件对各地块的雨水回用容积进行优选计算，结果表明重点地块的雨水回用容积均小于滞留容积，可将回用容积所需空间与滞留容积所需空间合并实施。

图8 城市各地块（部分）模拟结果

图9 滞留过程水文图

4 雨洪管理实施策略

基于规划目标和确立的量化指标，雨洪管理措施将围绕地块生态滞留、生态道路排水和雨水再利用3个方面展开。按照以滞留和净化为主、再利用为辅的规划方向，实施力度有所不同。

地块生态滞留：通过在街坊和地块内实施分散的多种形式的滞留设施，提高城市对大雨、暴雨事件的应对能力。可选择以具有生态滞留功能为主的生态洼地、以生态雨水再利用为目的的混凝土蓄水池、雨水模块箱，以及透水铺装和绿色屋顶等。其中，生态洼地是指利用地块内的低洼地表实现滞留、减排和初步净化的设施，广义的生态洼地包括下凹草地、生态滞留沟、生态渗透池/雨水花园、滞留塘4种类型。其滞留和净化能力遵守指标体系制定的标准。

生态道路排水：与部分重点市政道路绿化带相结合，引入下沉式洼地廊道，提高街道径流的排放水质。

雨水再利用：雨水再利用指在重点地块收集雨水进行非饮用水用途使用，如灌溉、景观补水、洗车等，以节约水资源。

共12类生态雨洪管理设施将被引入研究区生态新城，生态雨洪管理设施分类见表2。绿色屋顶、透水铺装和生态工法作为局部的和次要的手段，成为对主要设施的补充。生态滞留布局见图10，生态道路排水布局见图11。

图10 地块内滞留空间平面图（局部）

图11 城市道路街道生态排水平面图（局部）

图12 下凹草沟剖面及其图片

图13 生态滞留沟剖面及其图片

下凹草沟（图12）是最简单的一种洼地形式，使径流得到有限的下渗和净化，充分利用带状绿地下凹的形式，控制调整好路面高程、绿地高程和雨水口高程的关系，便可利用柔和的纵向坡度缓慢地输送径流，蓄满绿地后流入雨水口。规划和布局原则：下凹草沟在新开发区或旧城改建区均能较好地应用，是一种不需增加建设投入而可一举多得的措施。应用范围局限在开敞型的公园、河道附近，更多的时候是作为输水工具来使用，适用于作为预处理手段与下游的湿地和生态滞留系统相衔接。

生态滞留沟（图13）是在下凹草地形式的基础上，结合额外的生态滞留功能而产生。它可以对雨水提供有效的净化处理，并依靠下凹地表和地下砾石层空隙提供的滞留空间对雨水进行暂时性滞留削峰。对设计暴雨条件下雨洪蓄渗及减洪效果的模拟计算结果表明：生态滞留洼地的净化效果和削峰效果都很好。规划和布局原则：可与城市空间中的广场绿地、绿化带、公共绿地或停车带整合为一体，布局可延伸至整个地块的公共空间下部，发展成并联和串联的网络，在有限的空间内实现效益最大化。但在实际处理时需注意结合地质土壤信息，分析是否需要设置防渗层，通常在地基土透水性较大且有径流通过而未彻底治理的污染土壤，需要设置合适的防渗层，以防止引起地下水的污染。

图14 生态下渗池或雨水花园剖面及其图片

图15 滞留塘剖面及其图片

生态下渗池或雨水花园（图14）与生态滞留洼地构造基本相同，主要区别在于其更强调雨水向周围土壤的渗透，雨水不会在若干小时内排空，而是停留在花园里12—48h。雨水花园形态更加灵活，植物种类更加丰富，雨水内所含有的营养物质会被植被和土壤微生物所吸收，污染物去除效率更高。植被在生滤料净化处理过程中起到了关键作用。另外，根据底部卵石层和出流井的设置不同，生态下渗池或雨水花园可达到不同程度的控制效果。规划和布局原则：生态下渗池或雨水花园设置的区域易在流域的上游地区，并需确保当地的地层土壤已经去除重金属的污染。且它不适用于地下空间，下渗设计要求雨水入渗的土壤渗透系数为10—6至10—3m/s，且渗透面距离雨季地下水位大于1m（地表径流实测水质较好时可小于1m，但应大于0.5m）。植被种类的选择必须为能够承受干旱和洪涝交替条件变化的本土植物。其须根需有助于保持过滤基质的通透性，并需具有良好的营养物固定、吸收能力。

滞留塘（图15）是用来暂时或长期储水的低洼区域，用来降低洪害和下游侵蚀。滞留塘根据水的停留时间分为“干塘”和“湿塘”。“干塘”是暂时性储水设施，利用整个库容削峰，雨水在其中停留若干小时至几天不等。“湿塘”具有常水位，利用常水位或汛期水位与最高水位之间的库容来削峰，并且能够作为社区或者公园的水景或者中心湖来使用。足够大的库容和水深有利于固态杂质在塘中的沉淀，减轻径流对下游的污染。规划和布局原则：滞留塘尤其适用于现状具有水塘的地段，在减少土方量的同时保留原来的植被和自然条件。在包含景观湖或水池的开发中，尽量预留相应的浮动水位作为滞留容积。滞留塘的进水区域一般会被加固来避免水流对结构的破坏，并根据需要设置预处理前池，预先对不清洁的径流进行沉淀。

图16 生态道路剖面及其图片

生态道路（图16）包括生物保护、绿色慢行、可再生能源、绿化、管线和生态排水等各个方面。其中生态排水是指通过改变传统道路断面，将绿化隔离带和洼地相结合构成车道表面排水的主要手段。雨水径流通过密集的植被和特定的滤料层（土壤层）进行过滤，并作为一个“独立”的土壤过滤系统与道路景观融为一体。规划和布局原则：将景观绿化重点区道路和生态水系两侧道路作为重点开发对象。生态新城城市道路生态排水根据道路的分级具有3种类型：主干道、次干道和支路对应的排水带。主干道和次干道应对主要机动道路和非机动车道之间的3m绿化隔离带进行设计。支路则沿步行道上的1.2m宽种植带进行设计。这些道路成功应用后可以作为示范，在开发的后期推广至更多的城市道路中。

5 结论

（1）清水塘生态新城雨洪管理采用径流系数和指标体系实现量化控制，合理地确定了排水防涝标准，将传统的直排体系规划演变成综合型的低影响开发体系规划，实现了水量和水质管理的高标准。实施将围绕地块生态滞留、生态道路排水和雨水再利用等方面展开，并按照规划方向，实施力度有所不同。

（2）整个新城将通过雨洪管理设施的实施，提供约49.6万m³的暴雨滞留容积（兼净化和回用功能），可实现规划水量标准、水质标准落地，达到源头控制、水质净化和雨水回用的目的。雨洪规划指标约束新城所有新建改建扩建工程，含各类建筑物、广场、停车场、道路、绿地和其他构筑物等建设工程设施。引入生态水环境指标体系的目的是为了在所有建设项目中落实相关的指标。开发后最大外排径流峰值(限制外排流量)、雨水利用率等具体指标，应与容积率、绿地率等常规指标一并作为用地开发建设指标，纳入建设项目规划审查审批程序，通过市场管理予以落实。

（3）雨洪管理指标体系适用于城市排水分区明确、绿化率较高的新型生态社区或城市区域。雨洪管理措施受开发用地绿化率影响，径流出流模拟精度受水文模型模拟的影响。本阶段的成果用于指导规划阶段指标体系的制定，在工程详细设计阶段需要更精确的水文模型辅助设计，并应重点分析其他地块因素（如自然与现状、技术与经济条件、安全和风险、运行和维护等），以便更细致地确立滞留设施和净化设施的规格和结构。

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