海绵城市理念下低影响开发雨水系统及应用

孙巧兰

(福州理工学院 工学院,福州 350014)

海绵城市理念下低影响开发雨水系统及应用

孙巧兰

(福州理工学院 工学院,福州 350014)

传统的建筑雨水设计以迅速排放为宗旨，满足人们对城市生活的安全性、舒适性的要求，忽略了自然生态的循环规律，引起城市内涝的频发，城市热岛的增强等；海绵城市的理念是采用低影响开发建设模式，充分发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，使城市开发建设后的水文特征接近开发前，有效缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷、节约水资源、保护和改善城市生态环境。在海绵城市理念下，建筑雨水系统的设计思想应发生根本的变化，从以人为本到注重生态，兼顾安全。

海绵城市；小区雨水；低影响开发

0 引言

近年来，随着我国城镇化进程的加速，带来了经济的快速发展，同时也伴随着一系列的环境问题，在城镇化的过程当中，破坏了原有的天然水体，城市的下垫面面积不断扩大，地面的雨水径流量不断增加，一旦发生短时的暴雨天气，城市原有的排水系统往往无法应对。这种情况下，不但排水系统工作负荷会超标，而且大量的降雨排放不及导致城中看海的局面。同时，对天然水体也会产生一定的污染，另一方面，各种水资源短缺的现象大量存在。如何做好现代的雨洪管理和解决日益短缺的水资源成为了迫在眉睫的问题。针对这些问题，2012年4月，在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》中“海绵城市”的概念首次提出；2013年12月，习近平总书记在中央城镇化工作会议中强调，要优先考虑利用自然的力量，将雨水“留下来”，进一步强调了“海绵城市”的概念。 2014年10月，住房和城乡建设部(住建部)出台了《海绵城市建设指南——低影响开发系统》。在此背景下，海绵城市的建设成为当下的热点。我国正加快海绵城市的建设，全国已有130多个城市制定了海绵城市的建设方案。在美国、日本、澳洲等发达国家，海绵城市的建设已经取得了显著的成效并已实现了对雨水资源的合理利用和排放，我国还处于海绵城市建设的初级阶段，通过研究海绵城市建设的主要手段——低影响开发雨水系统，选取福州市某一小区为样本，提出建设适合小区这种“小海绵”的设计方案，以此为福州市其他小区海绵城市建设提供参考。

1 海绵城市概念与意义

1.1海绵城市

2014年10月，住建部发布的《海绵城市建设指南——低影响开发系统》指出：海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[1]。海绵城市是对城市地下管道排水能力严重不足一个很好的补充，对雨水先进行集蓄并在雨量过后通过径流，蒸发、回用等技术手段回用到大自然中，如图1所示。海绵城市建设遵循了生态优先的原则，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地遵循了自然的发展规律。

图1 海绵城市的概念

1.2海绵城市建设的意义

提高应对短时暴雨的能力，告别“城中看海”的局面。温室效应导致的全球气候变暖，同时短时强降雨的天气发生的频率越来越高。这种天气具有强度大和不定时的特点，同时短时间内会形成大量的地面径流，按城市原有的硬质不透水的地面和原有的排水系统的承受能力，根本无法应对，雨水无法及时排出，就会导致城市内涝和水体的污染。建设海绵城市，在出现强降雨天气时，海绵体可以作为城市原有排水系统的一个很好地补充，通过城市当中设置的海绵体将雨水先储存起来，强降雨过后，雨水再通过自然蒸发、地面径流等方式排放，从而解决短时强降雨带来的城市内涝问题，告别城中看海。

提高城市水资源的利用率,充分利用雨洪资源。当前城镇化的加快导致大量的农田等自然生态变成了城市的硬质路面，水循环系统受到影响，雨水通过径流大量排走，导致了城市地下水的严重不足。同时大量城市存在水资源短缺的现状。在城市当中建设海绵体，降雨时储存大量的水，在干旱缺水季节时，可以将储存的水释放出来，并通过雨水回用系统加以重新回收利用。让城市的水资源进入一个良性循环。

建立良好的水文环境，保护生态系统。“海绵城市”建设十分注重对天然水体的保护利用，最大限度保持城市开发之前的自然水文环境，最大限度地保护原有的河流、湖泊等水系，同时与城市原有的园林、绿地和景观相结合改善城市的生态环境，缓解城市的热岛效应。设置的雨水回用设施可以将雨水处理后再回用到城市杂用水系统，对于城市节水就有客观的经济效益。

2 海绵城市的研究及发展现状

2.1国外海绵城市的发展状况

以美国、英国、澳大利亚等国家为代表的关于雨水利用与管理的实践和研究大量始于20世纪七八十年代，经过20多年的研究和实践已经形成了相当成熟的体系。美国在20世纪70年代就提出了 BMP(最佳管理模式)的概念，在80年代又提出了重视水质管理BMPS的概念，90年代进入了重视源头管理的LID时期[2]。美国通过这些雨水利用体系的实践，已经在各大洲建设了真正意义上的海绵城市，将雨水利用与自然生态和谐统一在一起。英国在1999年建立了SUDS(可持续排水系统)[3]，通过立法等各种措施鼓励在家庭内部设置雨水回用系统。澳大利亚积极开展水敏感城市设计(Water Sensitive Urban Design)的研究与实践[4]，并取得了较为成熟的经验。海绵城市的成功范例，如美国波特兰的绿色街道、英国伦敦的奥林匹克公园，德国的波茨坦广场雨水收集等等。

2.2国内海绵城市的发展状况

我国的海绵城市发展起步较晚，目前还处于初级阶段，2007年4月发布的《建筑与小区雨水利用工程技术规范》(GB50400-2006)是第一部关于雨水利用的规范。这部规范的发布对雨水回收利用等各方面都提供了理论依据和技术支持。2014年10月，住建部编制了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》，为海绵城市的建设提供了指导意见。2015年4月公布了武汉、厦门等16个国内第一批试点城市。2016年4月公布了北京、福州等14个试点城市。海绵城市的建设在国内如火如荼地进行。从大部分国内的文献可以看出，国内关于海绵城市的研究大部分是借鉴国外LID理论结合城市实际情况进行规划设计的。李进丰[5]研究指出海绵城市建设要注意的几个问题，首先要突出规划引领，进行科学建设，其次应重顶层设计，推进建设进程与实施力度，第三要大力开展试点，落实责任主体与经验推广，第四应兼顾雨水径流污染控制目标。张毅等[6]研究指出低影响开发雨水系统的建设应积极采用“PPP”模式，竖向设计、衔接设计和景观设计是低影响开发雨水工程设计的关键环节。李佳颖等[7]在杨凌地区海绵城市的设计思路上，主要通过推行下沉式绿地、建设雨水花园及人工湿地等手段，用以优化城市道路设计，提高公共绿地及居住区绿地的蓄水能力。胡东起等[8]提出了以流域控制为基础，以城市管网及“山水林田湖”等大海绵体为依托，以LID为建设重点，多尺度多学科交叉建设海绵城市的途径。

3 海绵城市的建设与低影响开发雨水系统

低影响开发雨水系统是指通过源头设置一些分散的、小型的控制设备，在不改变原有开发地块的水文环境的基础上，有效地控制雨水径流流量和面源污染。主要通过在源头设置一些雨水管理设施如下凹式绿地、透水铺装、植草沟、雨水花园、绿色屋顶等和其他一些设施来延长汇流时间，削减洪峰流量来实现雨水的渗、蓄、滞、净、用、排。3.1下凹式绿地

下凹式绿地指绿地高程低于周围硬化地面高程约25 cm以内的绿地，广义的下沉式绿地还包括雨水塘、雨水湿地、生物滞留设施等各类雨水设施。由于下凹式绿地与周围路面存在明显高差，将传统的平面绿地转变为下凹式，消化原有地面产生的雨水径流量，下雨时，周边的雨水可以顺高差流到下凹式绿地中，有效地减小了路面的雨水径流量，间接减小了地下雨水管系的排水压力。初期雨水中往往携带较多的污染物，可在下沉式绿地集中入水口前设置截污雨水口等来拦截一部分的初期雨水径流污染，下凹式绿地本身具有雨水下渗的功能，通过下沉式绿地中植被的吸收，土壤的渗透，微生物的作用等一系列物理化学反应，有效地减少污染物，改善环境，还能补充地下水资源不足。下凹式绿地的设计需要与建筑的场地设计结合，同时要与景观设计相协调。同时，为了确保周围路面的雨水能顺利进入下沉式绿地，需要合理地选择雨水口和雨水口的设置方式。

3.2透水铺装

传统的路面基本为硬化路面，阻碍了降雨时直接补给地下水的途径，同时对周围的空气的温度湿度都达不到调节的作用，导致城市热岛效应的产生。暴雨季节，地下雨水管网受限往往排放来不及导致硬化路面造成大量的积水，产生内涝，轻则影响人车同行，严重时还会导致重大经济损失和人员伤亡。透水铺装与传统路面的区别就在于透水两个字，运用孔隙率高，透水性能好的材料来铺设路面，下雨时，雨水可以进入透水铺装的内部或直接从渗透导透水铺装的下部，储存一定的雨水或者通过设置在透水铺装下部的雨水收集和回用设施进行回收再利用。从而达到削减洪峰流量的目的，防止内涝的产生，可以有效补充地下水资源，保护生态平衡，透水铺装还可以有效地降低路面的温度，缓解城市热岛效应的产生。透水铺装还可以大大减少路面的积水，使路面不产生积水或者只有少量的积水，提高了雨季道路的安全性能，保证驾驶人员和行人生命财产安全。

3.3雨水花园

雨水花园是人工挖掘的地势较低的绿地，具有生物滞留和渗透雨水的作用，能大大地减少初期地面雨水径流量，同时又与景观相结合，起到美化环境的作用。目前广泛使用在欧美等发达国家。雨水花园由外而内一般由蓄水层、覆盖层、种植土壤层、砂层和砾石层等五个部分组成，内部设有穿孔管收集雨水，同时设有溢流管用于溢流超过雨水花园设计水位的水。

雨水花园的设计应尽量利用原有的地形地貌，选择合适的土质和植物，确保雨水花园的生物滞留、渗透和净化功能。雨水花园作为低影响开发的一项源头控制技术措施，除了生物滞留和渗透雨水作用以外，对植物根系、土壤起到净化作用，它能够有效地去除各种有机污染物，同时可以调节周围空气温度和湿度，改善环境条件，同时给人以美的享受。

3.4植草沟

植草沟是种有植被的室外地表沟渠，它在传统沟渠的基础上增加了植被，除了能够提高场地的景观环境质量以外，作为低影响开发一项技术措施，还能有效地减缓雨水径流速度，延长雨水的汇流时间，减少积水，同时，沟内的植物还具有初期滞留和生物净化的作用，减少系统的污染，很好地与其他低影响开发技术措施和雨水管渠系统实现衔接。植草沟可分为干式植草沟和湿式植草沟，干式植草沟透水性好，减少了水淹对植被的危害，同时可在植草沟的下部设置雨水收集和转输管渠最大限度地提高了雨水的吸收，渗透和净化功能，较适用于一般建筑小区；湿式植草沟下渗性能不如干式的，同时设置了堰板，植草沟长时间处于湿润或者积水状态，适用于小型停车场排水系统。植草沟的设计同样要与室外场地标高相结合，充分利用重力自流排水，合理划分雨水汇水面积，使雨水量分布均匀，同时与周围的建筑物和景观环境相协调，自然融为一体。

3.5绿色屋顶

绿色屋顶又称为生态屋顶，是指在各类建筑物的屋面种植绿化，营造绿色生态的景观屋顶。绿色屋顶作为低影响开发的又一技术措施，因其径流系数只有传统屋顶的三分之一，大大削弱了雨水径流总量，在一定程度上减小了洪涝灾害。同时，以建筑屋面占小区总面积的四分之一计算，屋顶绿化不但增加了人均绿化面积，还能在一定程度上调节屋面的温度，达到冬暖夏凉的效果，屋顶的植物的光合作用，呼出大量的氧气，通过绿化层的吸附和滞留作用，可大大减少空气中的灰尘，提高空气质量，在视觉上也能给人以美的享受。绿色屋顶适合于平屋面和建筑找坡较小的坡屋面，同时要考虑当地的气候条件，屋顶的承重、防水层等都要充分考虑，厚度要满足屋顶绿色植物的种植，达到雨水减排和净化的目的。

3.6其他技术措施

除了以上常用的低影响开发的技术措施外，还有一些其他技术措施，如设置雨水蓄水池，雨水渗透塘，渗管、渗渠、初期雨水弃流装置等来实现雨洪管理。

4 工程实例

4.1项目概况

工程位于福州市仓山区,由地下二层地下室和地上5栋10层办公楼组成，总用地面积为31864.20 m2，总建筑面积为137837.40 m2，室外绿地总面积为9560.0 m2，道路面积约为5333.9 m2，广场铺地面积约为6303.07 m2，如图2所示。

图2 工程室外总平面图

4.2雨水利用方案

本工程雨水利用方案采用雨水入渗和收集回用两个系统相结合，减少雨水排入市政管网的流量，降低市政雨水管网和水体的负荷。同时收集室外绿化和道路的雨水以及部分的建筑屋面的雨水进行回收利用，通过雨水收集管网收集，收集的雨水先经弃流、缓流、截污、沉淀、过滤等物理工艺去除物理杂质，再通过埋地PP模块水池组收集，经杀毒处理后供给绿地浇灌、道路冲洗等用水；雨水蓄水池处于低水位时采用市政自来水补水，并采取间接补水防止回流污染。本工程充分利用场地空间合理设置绿色雨水基础设施，下凹绿地占绿地总面积约32.1%，实现场地设计控制雨量为22.4 mm；硬质铺装地面均采用透水性铺装，如图3、图4所示。

图3透水砖路面结构断面图图4透水沥青路面(表层排水式)结构断面图

4.3径流系数分析

项目建成后的平均径流系数，见表1。

表1 径流系数分析表

4.4雨水收集量分析

本项目收集建筑屋面、绿化和道路的雨水，经过处理和消毒后用于绿化灌溉、道路浇洒。暴雨强度计算：

q=2136.312(1+0.700LgTe)/(t+7.576)0.711

(1)

其中，q为暴雨强度；Te为暴雨重现期；t为始端积水时间。

设计雨水流量计算:

Q=qφF/10000(L/S)

(2)

其中，Q为设计雨水流量；φ综合径流系数，由表1可以算出综合径流系数为0.746；暴雨重现期：Te=5年，始端集水时间：t=10分钟。根据上述公式可计算出每月可收集到的雨水量，逐月收集雨水量见表2。

表2 逐月收集雨水量表

备注：雨水实际可利用量按可收集量的70%。

4.5雨水回用系统水量平衡分析计算

回用系统的最高日用水量计算如下：室外绿地浇洒水量为2 L/m2，每天总浇洒水量为19.1 m3；路、广场铺地等浇洒水量为2 L/m2，每天总浇洒水量23.3 m3；所有雨水用户最高日用水量42.4 m3。 雨水可回用量的计算如下：收集的总面积为10292.8 m2，综合流量系数为0.443，雨水设计日径流总量237.0 m3，初期弃流流量35.6 m3，雨水可回用量161.1 m3。室外设一个160吨的地埋式PP雨水收集处理池。水量平衡计算详见表3。

表3 雨水收集水量平衡分析表(未注明单位的均为m3)

4.6下凹绿地计算

本工程充分利用场地条件设置低影响雨水设施——下凹绿地，下凹绿地占绿地总面32.1%，具体面积见表4，场地设计控制雨量应不低于20.4 mm，但低于33.9 mm。其中收集回用系统雨水收集池容积为160 m3，下凹绿地滞蓄的体积应大于153.31 m3，且应小于360.65 m3。下凹绿地按下凹深度120 mm，雨水口高出下凹绿地60 mm，下凹绿地储存深度为60 mm。本工程绿地总面积为9560.0 m2，下凹绿地面积为3076.5 m2，下凹深度为120 mm，实现场地设计控制雨量为22.4 mm；另外，硬质铺装地面均采用透水性铺装。

表4 小区绿地面积表

5 结语

我国还处于海绵城市建设的初级阶段，本文通过研究海绵城市建设的主要手段和实际的工程实例相结合，通过设置雨水入渗和雨水收集回用系统等低影响雨水开发技术手段，希望能为福州市海绵城市建设提供参考。

海绵城市的建设在我国具有重要现实意义，不仅能在一定程度上改善城市内涝的问题，也能大大地改善生态环境，提高水资源利用，保护天然水体。海绵城市建设将是一段漫长的历史过程，不能一蹴而就，低影响开发技术应与建设城市的自然地理条件、暴雨强度等相结合，因地制宜，合理开发利用，最大限度地保护原有自然水文环境，实现人与自然地可持续发展。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[2] 弓亚栋. 建设海绵城市的研究与实践探索[D].西安:长安大学,2015.

[3] 车伍,吕放放,李俊奇,等. 发达国家典型雨洪管理体系及启示[J].中国给水排水, 2009(3): 12-19.

[4] 白梅,冀紫钰. 浅谈澳大利亚水敏感城市设计[J].城市设计,2014(3):62-65.

[5] 李进丰. 海绵城市给排水建设需要注意的问题[J].科技创新与应用,2015(24): 171-171.

[6] 张毅,王文亮,李俊奇．低影响开发雨水系统构建的困惑分析[J].水科技,2016(7): 134-137.

[7] 李佳颖,曹宁. 杨凌绿地形态中构建“海绵城市”的思路探析[J].安徽农业科学,2016(26): 136-139.

[8] 胡东起,陈星,张其成,等. 低影响开发在海绵城市建设中的应用[J].水电能源科学,2017(4): 18-20.

LowImpactDevelopmentofRainwaterSystemandItsApplicationundertheConceptofSpongeCity

SUN Qiao-lan

(Engineering Institute, Fuzhou Institute of Technology, Fuzhou 350014, China)

The traditional design principle of building rainwater is to rapidly discharge, it meets people's safety and comfort requirements of urban life, but ignores the natural ecological cycle, and this causes frequent water logging and enhanced heat island of the city; Sponge city concept is to adopt low impact development and construction model, give full play of rainwater storage, infiltration and release effect of the city green area, road water and stream, so as to maintain the hydrological characteristics close to that before city development, which effectively alleviate the city water logging, reduce city runoff pollution load and save water resources, protect and improve the ecological environment; under the design concept of the sponge city, construction of rainwater system should be changed from people-oriented to ecological safety.

sponge city; community rainwater; low impact development

TU991

A

1009-7961(2017)05-0068-07

2017-05-06

孙巧兰(1983-),女，福建福州人，高级工程师，主要从事城市给排水和建筑给排水研究。

(责任编辑：孙文彬)