西北半干旱地区老旧小区海绵化改造研究—以西宁试点区湟水花园为例

沈敏 王沛永 贾海花 阳烨

1 湟水花园现状竖向及管网图Vertical and pipe network map of Huangshui Garden

改革开放以来，中国城市建设取得了飞速发展，但高强度的开发，也造成了水文特征的改变和生态环境的破坏，导致了水环境污染等问题，末端治理雨水的传统城市排水思路已经与城市的发展不相匹配。从海绵城市建设理念出发，将末端治理转变为“源头减排，过程控制，系统治理”，其技术措施由原来的“快排”转化为“渗、滞、蓄、净、用、排”多种手段。居住用地是城市主要的用地类型，是实现海绵城市建设目标的重要载体[1-2]。老旧小区的海绵化改造具有较大的难度，突出体现在人口密度与建筑密度较高、管网陈旧、配套设施缺失、可利用的绿地面积较少[3-8]。以往老旧小区的更新改造大量使用灰色设施，通过排水管网系统快速解决易涝易堵问题，造成影响面广、投资大，甚至对老旧小区现状摸排不够准确，盲目建设，造成新的问题。西宁市作为第二批海绵试点城市，结合西北半干旱区域条件，打破传统灰色模式治理方式，利用地表组织径流并结合低影响开发设施，综合解决老旧小区雨污合流污染、停车场地及绿化不足等问题，改善人居环境。笔者以老旧小区湟水花园的改造过程为例，结合降雨数据及实际监测数据分析，总结老旧小区海绵化改造方法，以期为西北半干旱地区的海绵城市建设提供借鉴。

1 现状基本情况

1.1 项目概况

湟水花园小区位于试点区城北区，按上位规划分属11-2排水分区，小区北侧紧邻海西西路，南侧紧靠湟水河绿道，东与海西干休所相连，西邻海湖路。小区于1985年完工，占地面积约为3.13 hm2，小区居住约610户，2 100余人。除2栋高层外，其他均为多层建筑。

1.2 自然条件

西宁市属于大陆性高原半干旱气候，具有海拔高、气压低、太阳辐射强、昼夜温差大等特点[9]，根据西宁市降雨量统计数据，市内降雨量周期性变化明显，夏季多发，年均降雨量410 mm[10]。市区降雨周期变化明显，逐年平均降水量最大出现在7—8月；最少为12月，降雨主要集中在汛期5—9月。全年基本以中小雨为主，超过25 mm的年均日降雨量天数为1.4 d，超过50 mm的年均日降雨量天数仅为1 d。

表1 小区下垫面类型及面积Tab. 1 Type and area of underlying surface单位：m2

根据西宁市气象局2018年最新编制的《西宁市暴雨强度公式编制与设计暴雨雨型分析》，西宁短历时设计降雨采用120 min芝加哥雨型，雨峰系数γ=0.2，长历时设计降雨采用1 440 min同频率设计雨型，雨峰系数γ=0.17。降雨多以单一前锋雨型为主。

1.3 场地条件

1.3.1 地质条件

据小区岩土工程勘察报告，地质构造属于湿陷性中等偏弱区，表层土壤构造以黄土状土和粉质黏土为主，土壤渗透系数均大于5×10-6m/s[11]，符合低影响开发设施的建设标准。

1.3.2 竖向与管网条件

小区整个地势东、西方向高于中心区域，北高南低，在小区南侧形成最低点，雨季时容易形成小区内涝积水区域。绿地、道路雨水径流以地表漫流的形式汇入主环路东西两侧布设的污水管网，最终接入南侧市政污水管网。场地无雨水管网，采用雨污合流制排水系统（图1）。

1.3.3 建筑屋面排水组织

小区多层建筑屋面排水，均采用雨落管外接就近散排于路面或附近污水管网中，2栋高层建筑屋面雨水使用了建筑内排水，直接接入外围市政雨水管网。

1.3.4 其他条件

小区环形道路破损严重，下雨易积水；停车位全部为地上，年久失修，随着小区车辆逐年增加，车位严重不足；小区绿地率为28.75%，在11-2排水分区中绿地条件相对较好，但植物景观表现欠佳，居住环境较差。

2 海绵化改造方案设计

2.1 改造目标要求

在试点区《西宁市海绵城市试点区建设系统化方案》中，要求本小区应统筹片区与排水分区的指标控制，结合场地改造前的各种条件解决小区雨污合流问题；同时应因地制宜地加大雨水调蓄，减少雨水外排，起到源头促渗、截流作用，确定小区年径流总量控制率为79.2%（对应的设计降水量为10.6 mm），年径流污染物悬浮颗粒物（Suspended Solid，简称SS）总量削减率不低于60.3%；削减径流峰值流量，实现3年一遇暴雨峰值削减，提高场地排涝标准达到50年一遇；完善公共服务设施，达到改善小区居民生活环境的目标。

2.2 设计流程

2.2.1 设计总径流控制量

利用小区不同类型下垫面的投影面积，分别统计出小区下垫面覆盖情况（表1）。

根据《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》中各类下垫面雨量径流系数，采用加权平均法计算小区综合径流系数，得出综合径流系数为0.62，利用容积法，得出本小区总设计雨水控制量为206 m³，公式如下[12]。

式中，V为目标调蓄容积（m³）；H为设计降雨量（mm）；Ψ为综合雨量径流系数；F为汇水面积（hm2）。

2.2.2 汇水分区划分

结合现场竖向条件，依据地形及管网布置情况，遵从地表自然汇流原则，对道路关键控制点进行竖向设计调整，使小区地表径流组织更加合理、顺畅。结合设计后的竖向条件，对小区进行地表汇流的水文分析，将湟水花园小区分为8个汇水分区（图2，表2），并进一步结合低影响开发措施的布置，将小区细分为85个排水分区。

2.2.3 雨水消纳技术流程

2 汇水分区图Catchment area map

3 雨水消纳技术流程图Flow chart of rainwater absorption technology

4 径流组织及LID设施布置图Runoff organization and LID facility layout

表2 汇水分区Tab. 2 Catchment area

综合小区基础条件，结合地区降雨量少且时空分布不均匀特点，在小区海绵化建设中：1）通过铣刨原有破损主道路系统，重新铺设沥青路面，调整路面标高以消除原有道路的内涝积水区域。2）利用铺装路面竖向调整，引导截流雨水，快速进入区域低影响开发设施，封堵雨水进入污水管网的通道，改变小区雨污合流的状况，实现地下污水地表雨水的雨污分流模式。3）结合场地和停车场改造，增加绿地和车位，同时也使停车场具有调蓄雨水功能。4）多层建筑雨落管断接，将屋面雨水通过截流沟、导流管、植草沟等设施，引导至生态停车场、下凹绿地、雨水花园中。5）绿地改造中，在原有植物的基础上，增加当地特色植物，营造景观，同时核心手段是营造植草沟，打通带状的疏水通道，与局部管网系统串联出整个小区的雨水径流通道，在小区雨水汇集最低点通过布设雨水管将超标雨水溢流至湟水河，满足流量控制目标（图3）。

2.2.4 分区详细设计

结合雨水消纳技术流程，着重雨水的“渗、滞、蓄”，在削减径流量的同时去除污染物，达到“多用少排”的目标。结合汇水分区与排水分区的分布，在低点布置低影响开发设施如雨水花园、下凹绿地等，通过低影响开发设施调蓄雨水；打通围绕主环路的带状绿地，形成传递雨水的植草沟，并与道牙开口相结合，充分发挥雨水管网的作用；超量雨水通过小区末端两处雨水花园的汇集后，利用埋设的管网溢流至湟水河。小区利用地表径流和管沟组合，最终形成海绵化改造系统（图4）。

2.2.5 分区径流控制计算

以A、B、C汇水分区为例详细解析分区径流的计算方法。A区位于西入口，地势高差大，下垫面主要类型有建筑、道路、硬质铺装、绿地等，在汇水分区低点结合减速带设置截流沟，将区域内雨水引入道路南侧绿地雨水花园内进行净化和调蓄，由于A区绿地空间不足，利用溢流口与其相邻的C区串联进行雨水消纳，完成区域指标的消解。

A区：依据《海绵城市建设技术指南》，考虑其渗透量的影响，计算公式如下：

式中，Vs为设施存水量，V为设施进水量，WP为设施降雨过程中的入渗量。

该处雨水花园设计蓄水深度为0.35 m，有效蓄水面积为22 m2，故雨水花园径流控制量为V=7.7 m3。降雨期间的土壤渗透量计算公式如下：

式中，WP为设施降雨过程中的入渗量（m3）；K为土壤（原土)饱和渗透系数（m/h）；J为水力坡度，一般取值为1；As为有效渗透面积（m2），按雨水设施占地面积的35%计算。ts为降雨过程中的入渗历时，可取12 h；因此A区可实施控制容积（Vs）为11.15 m3。

C区：生态停车场（下凹绿地）上层为蓄水空间，设计留有0.06 m的蓄水深度，有效面积按60%计算，其实际调蓄量为70.4 m3。在C区设置的导流沟将此区域断接的屋面雨水、道路广场雨水及A区溢流雨水均引导至生态停车场，导流沟按3年一遇降雨设计标准，其截面尺寸为200 mm×200 mm。超标雨水也利用导流沟传导至下一个排水分区进行调蓄。

B区：利用道路坡向引导雨水进入该区的生态停车场（下凹绿地）进行调蓄，其实际调蓄量为15 m3，B区的屋面雨水利用导流沟引至F区下凹绿地内消纳。

表3 各分区径流控制计算表Tab. 3 Calculation of runoff control in different catchment divisions

5-1 生态停车场结构作法（单位：mm）Construction method of ecological parking lot（unit: mm）

5-2 生态停车场实施效果Implementation scene of ecological parking lot

对各汇水分区径流控制量进行计算（表3）。由于小区受分区用地类型和现状条件的限制，部分低影响开发设施径流控制量不能满足控制要求。因此沿地表径流的每个分区之间整体协调，通过导流沟、植草沟等设施传输至相邻分区内消纳。

对汇水分区径流控制量的计算进行达标评估，得到小区完成指标后的综合径流系数为0.595，小区雨水年径流总量控制率为80.1%，高于上位规划79.2%的年径流总量控制率指标，符合设计要求。

3 设施节点设计

在湟水花园小区海绵化改造中，结合当地气候特点，针对设施节点采用新方法、新工艺，改进设施类型，为海绵指标的完成起到了良好的效果。

3.1 生态停车场

海绵建设中生态停车场多为嵌草砖，在本地采用嵌草砖其功效和景观效果不佳，究其原因嵌草砖底部为不透水的混凝土垫层，种植孔隙土层薄，草坪长势不佳，加之降雨少缺乏养护管理，易出现斑秃、塌陷等现象。在生态停车场设计中采用下凹绿地与结构层蓄水相结合的方式，利用级配砂砾换填整个停车区域，碾压后，停车荷载区域采用局部混凝土垫层与高强度C30混凝土预制大板平铺组成，非荷载区采用高强度玻璃钢纤维格栅板下面铺20 cm的沙土，播种草籽，成型后形成良好的景观效果。同时，种植区利用格栅板60 mm深的空隙调蓄场地雨水。场地在沙砾层中埋设盲管与外围导流沟或导流管相通，消纳道路和屋顶等外围雨水[13]（图5-1、5-2）。

3.2 雨水花园

雨水花园是海绵城市建设中的重要低影响开发设施，在当地的建设中仍沿用标准做法，改造中对雨水花园的填料层进行了适当优化（图6-1、6-2）。效果对比，树枝碎屑与细沙拌和的填料蓄水效果最好，单位面积调蓄雨水量增加11%；使用陶粒回填层的雨水花园蓄水量略高于标准雨水花园，单位面积调蓄雨水量增加2.2%，但造价高于标准雨水花园。在雨水花园的建设中利用本土化的材料优化填料材质，节约建设成本，发挥更大的雨水调蓄功能，而不应拘泥于雨水花园固化的模式和做法，这也是海绵城市建设不断创新发展的根本。

3.3 截流槽、导流沟（导流管）

针对降雨量特点，采用U型钢槽（宽6 cm×深3 cm）布设在低点、道路转弯处等雨水汇集区域，将雨水进行拦截引导进入低影响开发设施。导流沟（导流管）按3年一遇雨水设计标准，截面尺寸为200 mm×200 mm，采用现浇混凝土与铸铁花式篦子相结合，在地表形成串联绿地和穿越道路的雨水连接设施（图 7）。

4 植物运用

西北半干旱地区植物种类比其他试点城市少，受降雨量少蒸发量大的影响，在低影响开发设施植物选择上优势明显，不必刻意选择既耐旱又耐涝的植物，针对植物习性和环境充分体现当地植物特色，是景观表现的重点。

4.1 植草沟

围绕输水通道植草沟，在植物选择上放弃管理成本高、养护代价大的草坪，采用当地丰富的宿根花卉资源。在覆盖地面强、管理粗放、生长高度不宜过高、观赏价值高、越冬能力强等方面进行了选择，达到了省工省时省资金的目标，彰显了地方特色。如C、F汇水分区宽50 cm的植草沟中栽植鸢尾，植物两年来表现长势旺，开花季节长，除冬灌和春灌外，整个生长季节靠雨水渗透，形成了一条靓丽的花带（图8）。

4.2 下凹绿地、雨水花园

6-1 雨水花园一做法详图（单位：mm）Detailed drawing of rainwater garden I (unit: mm)

6-2 雨水花园二做法详图（单位：mm）Detailed drawing of rainwater garden II (unit: mm)

7 截流槽Intercepting channel

8 植草沟实景Grass-planting ditch

9 雨水花园建成效果Rainwater garden after construction

表4 植物名录Tab. 4 List of plants

下凹绿地、雨水花园是低影响开发设施的重要组成，是小区景观提升的核心点。设计结合设施的自然地形变化，提出“占中、打底、衬边”的植物配置方法。“占中”运用浅根性小乔木山杏、暴马丁香等，花灌木连翘、小叶丁香等种植于设施低点区域，保证了小乔木、花灌木生长的覆土深度要求；“打底”采用当地宿根花卉蓍草、景天等成片成区域种植于低影响开发设施中，对裸露土地进行了覆盖，丰富了视觉感受；“衬边”利用常绿树如云杉等，在设施周边的地形高点成组团进行配置，形成良好的背景效果，能够在寒冷的冬季体现不同的植物景观。树种选择适应性强，苗源充足，景观效果好的乡土树种，改变当地低影响开发设施中沿用栽植草坪、湿生植物的局限思维，运用乔木、灌木、宿根花卉等，打造多品种、多层次的配置方式，形成丰富的景观效果（表4）。结合实践来看，树种生长良好，景观效果明显。为西北半干旱地区的低影响开发设施植物配植提供了新思路（图9）。

5 建设成效

经过小区海绵化改造，通过场地改造和铺装路面竖向调整，增加不同类型的低影响开发设施，局部管渠与绿带结合的输水通道，形成完整的地表汇流系统，收集和引导雨水，解决了小区雨污合流的问题和小区低点积水问题。项目实施后改善了人居环境，增加了停车位等公共设施，改善出行条件，提高居民生活质量，提升了小区宜居度和整体形象品质。通过2018—2019年实际监测的7场降雨验证，海绵化改造后的小区设施发挥了较好的控制作用（表5）。其中2019年6月15日西宁出现连续强降雨，日降雨量为25.5 mm，小区场次径流控制率达到81.6%，路面基本无积水。

6 模拟与监测绩效评估

6.1 模型的建立与模拟

6.1.1 模型构建与参数率定

为了验证上述设计方案的合理性，得到更准确的数据评估分析，则需要进一步建立SWMM（Storm Water Management Model）模型。模型划分了85个子汇水区，末端排水口C1、C2共计2个，其中A、C、D、G和H汇水区的雨水排至C1排水口，B、E、F汇水区的雨水排至C2排水口。

模型的基础特征参数通过基础资料数据概化计算而获取；设定的海绵设施结构参数根据实际设计规格和试验测定值而设定（表6）；模型其他参数需要根据模型手册给出的参数范围设定初始值，根据小区排放口在2018年8月2日的降雨监测数据进行模型参数的调试及率定（图10-1、10-2）。模型验证的误差检验方法采用纳什（Nash-Sutcliffe，简称NSE）系数来评价模拟结果与监测结果的吻合程度，通过小区排放口在2018年8月20日的降雨数据进行模型验证（图10-3），结果发现模拟流量与监测结果吻合程度较高，NSE系数为0.62，满足模型参数率定与验证要求（最低NSE系数≥0.5）。

表5 湟水花园小区2018—2019年7场降雨径流控制效果Tab. 5 Effect of 7 rainfall runoff control in Huangshui Garden community (2018-2019)

表6 小区海绵设施设计参数Tab. 6 Design parameters of sponge facilities in community

10-1 8月2日降雨小区C1排水口模拟流量与监测流量对比曲线图Comparison curve between simulated discharge and monitored discharge of C1 drainage outlet of rainfall plot on August 2

10-2 8月2日降雨小区C2排水口模拟流量与监测流量对比曲线图Comparison curve between simulated discharge and monitored discharge at C2 drainage outlet of rainfall plot on August 2

10-3 8月20日降雨小区C1排水口模拟流量与监测流量对比曲线图Comparison curve between simulated discharge and monitored discharge at C1 drainage outlet of rainfall plot on August 20

水文模型中，透水和不透水地表曼宁粗糙系数分别选用0.5和0.013，透水和不透水洼蓄量分别选用6.0、1.27 mm，无低洼地不透水区比例选用25%，管道和明渠曼宁粗糙系数为0.013和0.025，入渗模型选用Horton模型，最大、最小入渗率分别为40、6 mm/h，衰减系数为4 h-1，干燥时间为7 d。汇流模型采用非线性水库模型，研究区采用动态波模拟[14]。6.1.2 年径流总量控制评估

本研究利用2018年全年降雨监测对湟水花园小区进行SWMM模型的长系列连续模拟，用于评估上述设计方案是否满足设计年径流总量控制率的要求。

采用2018年连续降雨数据进行模型模拟，湟水花园小区模型模拟结果显示：2018年全年降雨总量为449.5 mm，降雨时段总蒸发量为96.1 mm，入渗和调蓄量为274.7 mm，产流量为78.7 mm。由此可知，在2018年连续降雨模拟下的年均径流总量控制率为82.5%，能够达到79.2%的设计年径流总量控制率指标。

6.1.3 径流峰值控制评估

本研究采用3年一遇重现期下历时2 h的短历时设计降雨（降雨量20.85 mm），对小区进行改造前后排水口流量的模拟分析，用于评估径流峰值流量的削减和延长效果[15]。

从模拟结果可知（图11、12），在改造前后，C1和C2排水口的产流流量出现了明显变化，海绵设施的建设使得小区绿地消纳雨水的能力增强。在3年一遇降雨条件下，海绵改造前C1和C2排水口的峰值流量分别为295 L/s、159 L/s，峰现时间分别为第46 min、47 min；而改造后C1和C2排水口的峰值流量分别为165 L/s、78.9 L/s，峰现时间分别为第51、50 min。因此，小区海绵改造后，2个排水口流量峰值分别降低了44.07%、50.38%，峰值时间延迟了5、3 min，起到了一定的削峰延时效果。

6.1.4 内涝积水控制评估

笔者采用50年一遇重现期下历时24 h的长历时设计降雨（降雨量53.5 mm），对小区进行改造前后内涝积水情况进行模拟分析，用于评估超过15 cm深度积水面积的削减程度[16]。

对比分析可知（图13），在改造前后，场地内部内涝积水范围出现了明显变化，海绵设施及转输设施的建设使得小区强降雨条件下排水能力增强。海绵改造前，小区50年一遇降雨条件下存在较大面积内涝积水风险。而改造后相同降雨条件下0.27～0.50 m、0.50～0.70 m、＞0.70 m深度范围内积水面积削减率均为100%，0.15～0.27 m深度范围积水面积削减率达到99.9%，小区基本无内涝风险。

7 结论

湟水花园的小区海绵化改造项目从2017年开始，截至2018年完成，通过理论模型验证和实际两年7场降雨（6.0～25.5 mm）的监测检验，都证明该项目是成功的，尤其是2种来源数据相互验证，更增强了项目建设成效的可信性。

湟水花园小区海绵化改造的实现，解决了小区雨污合流的现象，使以往单一的雨水管网建设模式得到了改进，达到了老旧小区改造的目的，为西宁地区以及其他高海拔半干旱地区的海绵城市建设提供了良好的范例，总结其建设的经验，可以得出：在西北半干旱降雨条件下，结合场地的竖向与足够的绿地空间，合理布设绿地调蓄雨水，以植草沟代替雨水管网，利用地表组织径流通过低影响开发设施调蓄雨水，最终以溢流的方式实现老旧小区雨污分流是可行的，利用竖向高差引导雨水，节约管网投资，提升小区景观环境，是可以实现的。

通过项目实践，以增绿为基础，增加小区低影响开发设施2 883 m2，海绵设施占地占比9.2%，径流控制率80.1%。原有总投资为280万元，改造后，降为250万元，节约了资金，采用“截流、引导、蓄存”的方法，恢复绿色生态，改善人居环境，将有限的雨水通过绿地渗透至土壤或在末端的低影响开发设施中进行合理使用，减少水资源的浪费，将集中的降雨曲线衍生为相对平缓的用水曲线，可以在西北半干旱地区形成以集雨利用为核心的水资源利用系统。

在老旧小区的海绵城市建设中，应改变仅采用透水砖、透水混凝土等透水材料的单一建设模式，通过生态停车场、轻荷载人行铺装等新工艺、新做法，既让雨水充分接触土壤发挥调蓄作用，又实现设施的服务功能。

11 3年一遇重现期下小区海绵改造前后C1排水口流量对比曲线图Flow comparison curve of discharge of C1 drainage outlet before and after sponge reconstruction under 3-year recurrence period

12 3年一遇重现期下小区海绵改造前后C2排水口流量对比曲线图Flow comparison curve of discharge of C2 drainage outlet before and after sponge reconstruction under 3-year recurrence period

13 改造前后50年一遇内涝风险积水图Waterlogging risk ponding map under 50-year recurrence period before and after reconstruction

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

文中图表均由作者绘制或拍摄。