基于海绵城市建设设计的 LID 技术探究

朱一铭，许丽华，张高锋，刘慧慧，黄 云，陈镁芬（.中节能绿建环保科技有限公司，浙江 杭州 300；.中节能实业发展有限公司，浙江 杭州 300）

制约我国城市生态发展的核心因素之一是城市雨洪灾害和水污染管理[1]。其产生的主要原因是城市地表硬质铺装面积比例急剧增大、雨水下渗量减少、地表径流增加及市政排水系统的负荷加重[2－3]。此外，初期雨水中的污染物直接排入水体，使受纳水体的水质受到极大的威胁[4]。在 20 世纪 70 年代，国外很多研究就已经对准了大量损失的雨水情况，20 世纪 80 年代美国专家在雨水花园上提出低影响开发（Low Impact Design or Develop-ment，LID）设计理念，这一理念主要就想通过植物自然下渗的办法让雨水自然地进入地底。2000 年，有相关研究院出版了对应的理论文章，第一次对 LID 进行了定义，称其是一种以保持或再现场地开发前的水文形态作为目标的一个设计策略。我国也对 LID 这一技术进行了长时间的研究，并在“2012 低碳城市与区域发展科技论坛”中首次提出了“海绵城市”这一概念，即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的“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。海绵城市建设一方面能有效降低城市降雨洪水危害，缓解市政基础设施排水压力；另一方面，还能够有效净化处理收集到的雨水资源，实现回收再利用，达到节约资源、保护生态环境的目的。

1 海绵城市 LID 技术

海绵城市 LID 技术根据其在雨水控制与管理功能方面的不同，可分为增加雨水渗透量与蒸发量、削减洪峰流量与径流量，以及延长峰现时间 3 方面[5]。

1.1 增加雨水渗透量与蒸发量

传统城市场地开发以“灰色设施”为主，增加了不透水地表的面积，改变原有场地的水文条件，导致场地蒸发渗透径流比例发生重大改变，蒸发蒸腾量与渗透量降低，地表径流量增加。径流系数变大，蒸发蒸腾量与渗透量下降，最终形成大面积地表径流，一旦超过城市排水系统负荷就会导致城市内涝。海绵城市 LID 技术有较多技术可以在源头就复原其三者比例，特别是增加渗透量，如雨水花园、下凹式绿地、生态树池等。在有湖泊、河流、湿地等景观水体的场地，合理规划雨水径流路线，使雨水流入湖泊、河流等，以增加渗透量。还有透水铺装、植草砖等可增加道路底部的雨水渗透量。

LID 中的设施有很多具有增加蒸发的性能。主要可分为 3 种：第 1 种利用植被来增加蒸发量，如下凹式绿地、绿色屋顶、植草沟等；第 2 种表面有蓄水水面，如景观水景、湿地、干塘湿塘等；第 3 种采用多孔设备，如透水砖、透水混凝土等。

1.2 削减洪峰流量与径流总量

通过在场地开发规划阶段就加入海绵城市 LID 技术，对场地雨水径流路径进行合理设计，在不影响场地使用功能的前提下减少各雨水汇集集中程度，使雨水分散地汇入，增加雨水流经时间，从而降低洪峰流量。LID 技术中生物滞留池、下凹式绿地和透水铺装可以明显削减洪峰流量。

在削减雨水径流量方面，几乎所有 LID 设施均具备这个功能。其可分为 3 种：第 1 种包括雨水花园、低绿地、生态树池等，主要储存雨水使其下渗来实现；第 2 种如砂滤池、透水铺装等，主要通过增加渗透型来降低地表径流量；第 3 种包括蓄水模块、调蓄池等，是通过将雨水储存起来不排放或少排放的形式来达到减少径流量的目的。

1.3 延长峰现时间

植草沟、渗透盲沟等 LID 设施均是利用延长地表径流通路来延长汇流时间，从而延长峰现时间。植草沟，不仅可以代替部分雨水传输管道，同时还可以通过植物及土壤等对水体进行净化去污，达到雨水利用和面源污染控制的双重目的。

2 工程实例

2.1 工程介绍

昆山低碳主题公园 B 2 地块办公项目距离昆山中心区 5～6 Km，总用地面积 91 455.10 m2，总建筑面积 104 141.86 m2，绿地率达到 35.01%，共有两期。本次研究对象为二期，该区域由 58 幢 3 层办公楼组成，总用地面积为 63 017.73 m2，总建筑面积为 46 225.78 m2，地上建筑面积 28 353.16 m2，地下建筑面积为 17 872.62 m2，容积率为 63.00%，绿地率为 35.14%。本地块位于昆山低碳主题公园内，北侧为 A 1 住宅片区，东临玉湖，南侧为产业园区。整个主题公园以活跃的中心湖为生态核，公园内的水域分为内湖、南湖和西湖 3 个部分：南湖水面面积为 80 798.00 m2，北湖水面面积为 194 776.00 m2，西湖水面面积为 31 746.00 m2，共计水面面积为 307 311.00 m2，平均水深为 3.00 m。

2.2 昆山市气候情况

昆山属北亚热带南部季风气候区，气候温和湿润，四季分明，雨量充沛，年平均气温 16.5℃。年平均降水量 1 093.41 mm，最多年降水量 1 522.4 mm，最少年降水量 826.10 mm，年平均降水日数 124 d，最多年降水日数 144 d，最少年降水日数 99 d。年平均日照时数 1 974.8 h，最多年日照时数 2 307.4 h，最少年日照时数 1 643.4 h，年平均日照百分率 45%。年平均相对湿度 79%。年平均风速 3.1 m/s，冬季盛行东北风-西北风，夏季盛行东南风，年最多风向为东南风。

2.3 确定城市的内涝防治设计重现期和径流系数

根据《省政府办公厅转发省住房城乡建设厅关于加强全省城市排涝设施建设管理意见的通知》（苏政办发〔2011〕20 号文件)，昆山市开展了设计暴雨强度公式和设计雨型研究项目，并于 2017 年 4 月 25 日启用新的暴雨强度公式和设计雨型，适用范围为昆山市市域。根据排水防涝及海绵城市规划设计的实际需求，采用皮尔逊 Ⅲ 型分布曲线形成的昆山市暴雨强度公式，适用于降雨历时 ＜1 440 min 的情况，以指导城市排水防涝设计计算。计算公式见式（1）。

式中： i —设计暴雨强度，mm/min；

t —降雨历时，min；

TM—重现期，y。

根据暴雨强度公式，昆山 20 年一遇、30 年一遇、50 年一遇、100 年一遇设计雨量分别为 233.6 mm、247.3 mm、264.6 mm、288.1mm[6]。

2.4 年径流总量控制率选取

收集建设地逐日降雨资料，将多年的降雨量日值按雨量大小分类，扣除 ＜2.0 mm 的降雨量，将降雨量日值由小到大进行排序，统计出每年小于某一降雨量数值的降雨总量。小于该数值的取真实雨量进行累计计算，大于该数值的取该降雨量数值累计计算，计算得出两个降雨总量，两个降雨总量之和与年总降雨量的比值即为年径流总量控制率。此比率对应的降雨量即为设计降雨量[7]。

根据如上统计方法，得到昆山市年径流总量控制率与设计降雨量关系，见表 1。

表1 昆山市年径流总量控制率与设计降雨量对应关系

我国大陆地区海绵城市建设大致分为 5 个区，各区年径流总量控制率 α 的最低和最高限值为： I 区（85.0%≤α≤90.0%）、II 区（80.0%≤α≤85.0%）、Ⅲ 区（75.0%≤α≤85.0%）、IV 区（70.0%≤α≤85.0%）、V 区（60.0%≤α≤85.0%）。昆山市属海绵城市建设分区的Ⅲ区，其年径流总量控制率取值宜为 75.0%～85.0%。另外本项目将地块分为 86 个汇水区，对 86 个汇水区的年径流量控制率取平均值，该值为 75.4%。综合考虑指南建设要求、昆山市功能需求及地块要求等因素，本项目建设用地年径流总量控制率需达到 75.4%，对应设计降雨量 22.5 mm。

2.5 雨水设施选择

通过对大量海绵城市专项设计方案及施工图设计资料调研发现，新建项目海绵设施占绿地总面积的比例 ≤15% ，不会对原有景观方案造成太大影响，且由于在原有方案中植入海绵理念，丰富了景观多样性，实现了绿地的综合功能。通过数据分析，场地绿地率和对应最佳可实现的年径流总量控制率的相关关系，如表 2 所示。当场地绿地率达到 30.0% 时，它对应最佳可行实现的年径流量总控制率可达到 75.0%；当场地绿地率达到 35.0% 时，对应最佳可行实现的年径流量总控制率可达到 80.0%。当绿地率 ≤15.0%时，单纯依靠绿地内海绵设施场地将难以较好地实现雨水径流控制，需考虑雨水初期弃流、污染物拦截器、雨水调蓄利用装置等工程设施的应用。

表2 绿地率及最佳可行实现年径流总量控制率相关关系

昆山低碳主题公园 B 2 地块二期绿地率 35.0%，将海绵设施与绿地融合完全可以达到年径流量控制率 75.0% 的目标。综合考虑各海绵设施的适用性、功能性、经济性、景观效果，以及项目场地的径流组织、竖向设计、工程实践、维护成本及景观要求，按先绿色后灰色、先地上后地下的原则，拟订如下方案：建筑、道路周边及部分景观绿地采用下凹式绿地、生物滞留池、溢流井、前置塘与调蓄池等设施；人行道路采用透水砖铺装；地面停车位全部采用生态停车位。

2.6 海绵设施体积计算

2.6.1 场地综合径流系数计算

(1) 计算公式见式（2）

式中： ψz—径流系数；

F —汇水面积，m2；

Fi—汇水上各类下垫面面积，m2；

Ψi—各类下垫面的径流系数。

(2) 以汇水分区 16 为例，计算过程如下。

汇水分区 16 的总面积为 676 m2，其中硬质屋面占 155 m2，沥青路面占地面积 107 m2，花岗岩铺装占地面积 176 m2，绿化占地面积 191 m2，水体占地面积 47 m2。根据《海绵城市建设技术指南》得知，硬质屋面雨量径流系数为 0.90，沥青路面雨量径流系数为 0.90，花岗岩铺装雨量径流系数为 0.50，绿地雨量径流系数为 0.15，水体雨量径流系数为 1.00。

则按式（2）得场地综合径流系数为：

(3) 以此类推计算其他区域，得出结果见表 3。

表3 场地综合径流系数计算结果

2.6.2 降雨量与设计径流量计算

(1) 计算公式：

降雨量计算：

式中： Q —降雨量，m3；

hy—设计降雨量，22.5 mm；

F —汇水面积，m2。

设计控制径流量计算：

式中：W—设计控制径流量。

(2) 以汇水分区 1 6 为例，计算过程如下。汇水分区 1 6 的总面积为 6 7 6 m2，则降雨量 Q =6 7 6 m2×22.5 mm/1 000=15.21 m³，设计径流量 W=15.21 m3×0.59=8.97 m³。

(3) 以此类推计算其他区域，得计算结果见表 4。

表4 设计调蓄容量与实际调蓄容量计算结果

2.6.3 海绵设施实际调蓄体积

渗透设施的有效渗透面积应按下列要求确定。

(1) 水平渗透面按投影面积计算；

(2) 竖直渗透面按有效水位高度的 1/2 计算；

(3) 斜渗透面按有效水位高度的 1/2 所对应的斜面实际面积计算；

(4) 地下渗透设施的顶面积不计。

设计图生物滞留池（图 1、图 2）为水平渗透面，有效渗透面积按投影面积算，其设施深度为 0.49 m；下凹式绿地（图 3）包含水平渗透面与斜渗透面，有效渗透面积按投影面积与有效水位高度的 1/2 所对应斜面实际面积计算，其设施深度为 0.15 m。

以汇水区 1 6 为例，海绵设施实际调蓄体积为 V=51×0.49=24.99 m³≥设计调蓄体积 8.97 m³，符合要求。其他区域计算结果如表 3 所示。

图1 生物滞留池及溢流井剖面图

图2 庭院内生物滞留池剖面示意图

图3 下凹式绿地剖面图

2.6.4 海绵设施的成本与施工

昆山低碳主题公园 B 2 办公地块项目总投资为 25 094.00 万元，分两期开发，其中一期建安投入为 7 856.31 万元，二期建安投入为 15 070.00 万元。项目工程费用主要包括土建、安装、设备、幕墙以及室外工程等，其中海绵设施投资约为 400.00 万元。

工程实施详细步骤：根据图纸的相关要求进行滞留池的挖掘工作，挖掘好后把土壤夯实起来→进行排水管道安放（安放前铺上防渗漏膜，注意防水措施）→进行材料的填充→结合汇水点，在生物滞留池周围进行景观石摆放。

注意事项：① 挖掘沟槽的形状呈倒梯形，以便更好地收集更多的降水；② 回填的相关混合料一定要进行充分的搅拌，混合材料越是均匀对于过滤水的效果越好；③ 在进行回填之前一定做好试验，避免回填后出现问题加大整体施工难度。

该项目的施工难点一是对其他管道避让；另一是对于生物滞留池周边的装饰景物搭配方面，需要考虑雨水排放、美观、植物存活等因素。

3 结 语

LID 建设实质上就是从源头上对雨水进行控制，尽可能将整个降雨过程还原到场地开发前的水平。海绵城市的建造必须系统化地进行，通过了解实际的地形地貌，并对排水系统进行合理的布控，同时在设施的选择方面也要结合具体要求以及相关设施的功能情况、场地水文地貌及经济因素统筹分析。积累的理念经验用到实际城市，进行海绵城市的建设才能更好地对雨洪进行管控，从而对城市的生态环境进行改善。

LID 技术让城市能够像海绵一样，在应对环境交化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，在需要时将存蓄的雨水“释放”并加以利用。海绵城市建设一方面能有效降低城市降雨洪水危害，缓解城市市政基础设施排水压力；另一方面，还能够有效净化处理收集到的雨水资源，实现回收再利用，达到节约资源和保护生态环境的目的；而且，LID 技术的开发是自然地控制排水和存储水，在成本的投入方面是相对低一些的。