老旧小区屋顶花园承洪韧性预测——以长春市为例

赵彦博,赵 珩，齐伟民

(吉林建筑大学，吉林 长春 130119)

随着建筑用地逐渐增加，城市不透水面积也迅速扩展，雨水内涝成为影响人们生活的重要难题。2021年6月2日8时至20时，长春市平均降水量38.7毫米，对居民生活环境产生巨大影响。暴雨来临时，老旧小区的排水设施较差，使得人们出行极不方便，严重影响了日常生活。此次研究则在雨水降落到屋顶产生径流时进行滞留。

一、研究目的

目前，长春市老旧小区排水设施严重损坏，雨水排放不及时，对于暴雨无缓冲及滞留是造成老旧小区内涝的主要原因之一。所以居住区的雨洪问题成为老旧小区改造的重大难题。因此，对此部分小区应采取分散的小规模的雨水滞留并利用的方式。同时，在滞留雨水的基础上设立相关设施可以弥补老旧小区生态环境不足，缓解雨洪内涝问题的压力，为此进行以下研究。

二、研究方法

(一)研究思路

基于长春市暴雨强度公式为前提，将降雨强度的重现期分别设为10a、20a和50a一遇，长春市雨峰时刻为69.5min[3]，所以设定降雨历时分别为60min和90min，计算分析不同重现期不同降雨历时的屋顶花园雨水滞留量及滞留时间，探究改造完成之后的雨水滞留量。而屋顶花园的核心，即有效滞留雨水功能的设施为土壤基质层与植被基质层，计算出土壤基质层的滞留量与植被基质层的滞留量方可预测出对雨水的吸收能力。最后将一栋老旧小区的屋顶花园雨水滞留量扩大到整个小区范围内，可粗略估算出此小区改造完毕可滞留多少雨水。

(二)相关理论综述

1.承洪韧性理论。韧性(resilience)的概念最早源于工程领域。指在经济、环境、生态等领域中发生灾害时，不被受到的冲击摧毁并能自主恢复到原来的状态。本文中，研究目标为屋顶花园，当城市面对暴雨冲击时，屋顶花园可发挥自身功能减少雨水径流量、延长雨水径流时间，缓解雨洪压力，体现其承洪韧性。

2.海绵城市理论。海绵城市是将城市比喻为一块海绵。在多雨时期，为避免雨水过多而带来的灾害，将雨水进行过滤及净化并收集起来。当发生贫水情况时，再通过其他途径将所存水分释放出来[1]。

低影响开发(Low Impact Development, LID)的技术理念是在海绵城市建设当中的重中之重[2]。依靠着不同低影响开发的技术手段，有效完成雨水资源利用及雨水径流控制，其主要有绿色屋顶、透水铺装等相关措施，根据不同地理环境及需求进行设计。

(三)相关计算公式

1.计算暴雨强度。长春市暴雨强度公式：

式中：q——设计暴雨强度[L/(s·hm2)]；

t——降雨历时(min)；

P——设计重现期(a)；

按照长春市暴雨强度公式计算可知[3]，长春市雨峰时刻为69.5min，选择降雨历时分别为60min和90min，重现期分别为10a一遇、20a一遇、50a一遇。分别计算降雨强度。

2.当发生降雨时，部分雨水会产生径流，直接从表面流走，此时产生的径流量为：

公式(二)：Qs=qφF

式中：QS——雨水径流流量(L/s)；

q——设计暴雨强度[L/(s·hm2)]；

φ——径流系数；

F——汇水面积(hm2)。

屋顶花园的地面主要包括基质、路面和地被，而大部分主要为土壤基质及地被，径流系数约为0.45。

3.屋顶降雨总流量：

公式(三)：Q1=qs

式中：Q1——屋顶降雨总流量(L/s)；

q——设计暴雨强度[L/(s·hm2)]；

s——屋顶汇流面积(hm2)。

4.土壤基质层可滞留的最大雨量公式：

公式(四)：Q2=H·θ·Sg

式中：Q2——土壤基质层的滞水量(m3)；

H——基质厚度(m)；

θ——体积有效含水率(%)；

Sg——绿化面积(m2)。

基质厚度H见表3，土壤有效含水量分为4类：饱墒、适墒、黄墒和干土，其中饱墒意为土壤有效含水率18.5%～20%，为适耕上限，土壤有效含水量最大，所以此次研究取体积有效含水率为20%，屋顶绿化面积设计为屋顶面积的60%计算。

5.植被层蓄水量计算公式：

式中：Q3——植被层蓄水量(m3)；

Li——植物叶面积指数(LAI)；

Ki——单位面积截留容量(mm或g/m2)；

Ai——植物冠层覆盖面积(m2)。

关于植被层蓄水能力，有学者已测得多种植物降雨截留能力，在植物选择中，要考虑植物的适宜性，选择适宜东北地区的植物，因乔木体积及重量较大，不宜在屋顶种植，宜种植灌木及地被。

6.土壤层和植被层滞留雨水至饱和状态所需时间公式：

公式(六)：Q2+Q3=(Q1-QS)×T

式中：Q2——土壤基质层滞水量(L)；

Q3——植被基质层蓄水量(L)；

Q1——屋顶降雨总流量(L/s)；

Qs——雨水径流流量(L/s);

T——土壤层和植被层滞留雨水至饱和状态所需时间(s)。

(四)以长春市红旗花园小区为例，进行预测

1.区域概况。长春市位居中国东北部，是东北地区的天然地理中心。位于北纬43°05′～45°15′，东经124°18′～127°05′。根据长春市朝阳区人民政府网站发布的信息，2021年朝阳区将对42个老旧小区进行改造，而红旗花园小区是重点改造区域。

红旗花园小区建成于2005年5月，具有老旧小区的代表性。经测量，红旗花园小区总占地面积为52388.6m2，屋顶总面积为13563.71m2，9号楼屋顶面积为1134.06m2。此次研究先通过预测计算红旗花园小区9号楼在最大暴雨强度下土壤基质层与植物基质层的雨水滞留量，再从一栋楼扩大至一个小区。

三、计算及分析

(一)土壤基质层雨水滞留量分析

在饱墒背景下，土壤最大有效含水率为20%，设计屋顶绿化面积为60%。在设计绿化时，由于乔木重量较大，在屋顶种植具有风险，所以，设计灌木占地面积为30%，地被占地面积为30%。土壤的选择可分为3种类型，分别为田园土、改良土和无机复合种植土，不同植物种植对应着不同的土壤土厚度。由于老旧小区在建造初始没有考虑在屋顶进行设施建设，所以田园土吸水后较重，不宜使用；而轻质无机基质的造价较高，只适合部分重要场所，不宜大面积使用，因此将选择改良土作为土壤基质层。本次改良土的选择为田园土、草炭及松针土混合配置而成，土壤基质厚度设定见表3，灌木层种植土厚度为300mm～400mm，地被植物层种植土厚度为100mm～150mm。计算时，土壤厚度分别取最大值和最小值分别代入公式，计算出土壤滞水量范围，将相关数据代入公式(四)可知，土壤基质层滞水量范围约为27.21m3～37.41m3。

(二)植被基质层雨水滞留量分析

有学者研究植被层对于径流量的减少和吸收雨水效果并不显著，它的作用更多是净化雨水和减缓径流速度。由表4可知，选用红端木、大叶黄杨等几种植物进行计算，覆盖面积可自由设计，将数据代入公式(五)可知，植被基质层蓄水体积约为4.97m3。

(三)不同重现期和降雨历时下基质层达到饱和状态时雨水滞留时间

1.计算不同时间下暴雨强度及相关数据。有学者研究得出长春市暴雨强度公式，将重现期为10a一遇、20a一遇和50a一遇以及降雨历时为60min和90min带入公式中，计算得出不同的暴雨强度。当降雨发生时，部分雨水未被吸收沿着屋面产生径流，此时通过公式(二)可算出未被吸收产生的径流量。通过公式(三)计算得出屋顶总降雨流量，见表1。

表1 不同条件下屋顶径流量计算

2.计算基质层达到饱和状态下所需时间及相关数据。由3.1计算可知，土壤基质层可滞水量最小为27.21m3，最大为37.41m3，植被基质层滞水量约为4.97m3。将土壤基质层滞水量Q2；植被基质层蓄水量Q3；不同降雨历时和重现期的屋顶降雨总流量Q1和雨水径流流量Qs分别代入公式(六)，可得出在不同时间条件、不同土壤基质层厚度影响下，基质层达到饱和状态所需最小时间及最大时间。吸收雨水并极大延长雨水滞留时间，减缓雨峰出现，见表2。

表2 不同条件下基质层达到饱和状态所需时间

表3 不同植物类型所需种植土的厚度

表4 不同植物的蓄水总滞留容量

四、结论及建议

(一)结论

通过对长春市朝阳区红旗花园小区进行屋顶花园雨水滞留预测分析得出以下结论。

1.由于土壤基质层厚度不同，会极大影响屋顶花园滞留雨水的雨水量及滞留时间。以红旗花园小区9号楼为例，当地被层土壤厚度设计为100mm，灌木层土壤厚度设计为300mm时，此时雨水滞留效果不理想，可滞留雨水量为32.18m3；当地被层土壤厚度设计为150mm，灌木层土壤厚度设计为450mm时，此时雨水滞留效果最好，可滞留雨水量为42.38m3。

2.在不同降雨历时和不同重现期下，滞水量不同的基质层达到饱和时间不相同，所滞留雨水时间也不同。当降雨历时为60min、基质层滞水量范围从最小到最大且重现期为10a一遇、20a一遇和50a一遇时，基质层达到饱和状态所需时间范围分别为52～69min，44～59min和38～50min；当降雨历时为90min、基质层滞水量范围从最小到最大且重现期为10a一遇、20a一遇和50a一遇时，基质层达到饱和状态所需时间范围分别为67～88min，57～75min和49～65min。在降雨历时、基质层滞水量一定时，重现期越大，基质层达到饱和时间越小。

3.以红旗花园小区9号楼为例，可预测整个红旗花园小区雨水滞留量。经测量可知，红旗花园小区屋顶总面积为13563.71m2，9号楼滞水量范围为32.18～42.38m3，计算可知1m2滞水量范围为2.83*10-2～3.73*10-2m3，所以整个红旗花园小区改造屋顶花园完毕后，可滞留雨水范围为383.85～505.93m3。极大减少雨水径流，缓解雨洪压力问题，体现出其承洪韧性。

(二)建议

一是设计蓄水池储存雨水。防止雨水流失，可建设蓄水池对雨水进行存储；考虑老旧小区屋顶的承重能力。根据实际情况进行改造。二是保护植物，实行经济最小化。屋顶花园建设完毕之后，选择适宜植物；考虑经济可行方案，不得浪费。三是要注意艺术与技术相结合。技术是根本，是屋顶花园的基础，在此基础上要进行环境艺术设计，愉悦心情。