住區低影響開發雨水管理措施構建探析

■ 朱 釗 Zhu Zhao

快速城市化很大程度上是以人工取水、用水、排水等社會水循環取代自然水循環，以此帶來的水環境負向滯緩效應，表現在硬化下墊面阻礙了水的自然下滲，并壓縮了水的產匯流空間，單一排水與防洪工程改變了水文時空過程的強度、容量及水質，在一定地域范圍內超出了自然調節能力，使水資源供需矛盾、水質污染、暴雨內澇及洪災等一系列城市水問題凸顯[1][2]。住區建設量在城市化帶來的巨大城市建設量中所占近半，不僅是城市雨水排放的起端，也關乎城市雨水控制利用工程的成效，然而現今住區雨水管理模式仍以管道、側石和排水溝等“灰色”基礎設施組織徑流為主，末端高昂的雨水收集工程措施也缺乏彈性應對暴雨事件及過量荷載能力[3][4]。在建設海綿城市的時代背景下，低影響開發（Low Impact Development, LID）雨洪管理理念日益得到推廣，強調以“慢排緩釋”和“源頭分散”為核心設計理念，優先利用植草溝、雨水花園、低勢綠地等“綠色”措施組織徑流排放，減少雨水工程性排放設施[5]。住區因其匯水涵蓋大且建筑集中，利于低影響開發雨洪管理體系規劃與改造，但現今仍然缺乏相應的設計方法，導致住區雨水管理實施難度大、成效低，因此，住區低影響開發雨水管理措施構建值得深入探討。

1 住區雨水管理技術體系及衡量系數

《建筑與小區雨水利用工程技術規范》、《民用建筑節水設計標準》、《室外排水設計規范》等多部國家標準就住區雨水控制利用方面作出了相應的規范支撐。在《海綿城市建設技術指南》指引下，住區低影響開發雨水管理體系不僅對城市排水防澇系統作了有效補充，對維持場地開發前的水文情勢（徑流量、徑流頻率與匯流時間、峰值徑流量、水質等）也尤為重要，促使雨水管理技術體系目標由“末端調節”漸趨向“源頭滯蓄”轉變，其目的在于攔截利用住區硬化覆蓋產生的地表雨水徑流增量，吸收暴雨前期的大部分雨水量直至飽和，再將溢流雨水排入城市市政管網，以減緩城市徑流量及峰值流量，對城市低影響開發雨水體系構建起到了正向推動功效[6]。徑流系數是場地匯水面積地表徑流量（mm）與降雨量（mm）的比值，是反映雨水管理水平的綜合指標，可根據住區不同覆蓋情況，由單一下墊面的徑流系數按面積加權計算，如下式[7]：

式中，ψ是場地綜合徑流系數，ψi是單一下墊面的徑流數值(表1，參照GB 50014—2006《室外排水設計規范》)，Fi是各下墊面覆蓋占住區規模的比例，F1指景觀水體，F2指綠地，F3指滲透覆蓋，F4指硬質鋪裝，F5指普通屋面，F6指綠化屋面。

可見徑流系數的影響因子包括雨水下滲措施（綠地、屋頂綠化、滲透鋪裝等）、具備調蓄排水功能的景觀水體等，因此作為城市雨水體系的子系統，住區雨水管理體系通常可歸納為雨水存儲、滲透、調蓄以及處理（截污棄流、凈化）4個環節，針對住區不同的作用對象與使用功能，分別有不同的工程技術設施以及LID雨水管理措施(圖1)[7][8]，就解決雨洪問題而言，LID措施通常被理解為水文學及給排水專業對降雨、產匯流、土壤下滲以及排水豎向設計等方面分析綜合而來的雨洪管理技術措施，作為綠色基礎設施發揮削減暴雨徑流、處理徑流面源污染等環境功效。

2 住區LID措施優選

表1 各類下墊面的雨量徑流系數

2.1 LID措施適建性評價

圖1 住區雨水管理技術體系

LID措施的適建性主要提取了土壤、地形、地下水位（建造深度）、距離建筑地基距離以及占地面積幾方面因子進行對比評價（表2）。由土壤滲透率及土壤類型可直接反映出土壤滲透性能（滲透系數，常用m/s計），并以此推斷土壤層下滲、過濾功能對降雨徑流的遲滯與污染物控制能力[9]，依據措施對土壤的要求選擇相應的建造區域。坡度決定了降雨徑流的流速及滲漏量，一般來說溝類措施（如入滲溝、植草淺溝）優先設置于有坡度地勢以減少場地找平工程，池類措施（如砂濾池、延時滯留塘）則適宜平地以保證功效發揮[10]。地下水位過高顯然會阻止徑流下滲過程，那么以過濾、滲透、滯留功能為主的措施（如濕塘、雨水花園）需注意適宜的建造深度，并且避開高地下水位區以免在影響措施性能的同時產生地下水污染狀況[11]。LID措施吸收徑流量使得土壤直至飽和狀態，這樣土壤隱存的坍塌、滑坡等危險極易威脅到附近建筑物、構筑物、地基（地下室）及其他地面設施的安全，因此保持一定距離是必要的考慮因素。除此以外，隨著城市土地成本的不斷攀升，住區用地資源寶貴，開發商也不愿花費較高土地成本建造占地面積較大的LID措施。因此，住區適宜選擇一些占地面積較小的措施，部分占地較大的（如濕塘洼地、雨水花園）可結合住區內的景觀設施（水體、綠地等）建造。

2.2 LID措施效益-成本比對

除LID措施適建性因子決定外，其環境-經濟效益以及生命周期內成本投入是實施的重要影響因素，根據不同的生態功效目標，結合成本預算選取針對性的LID措施往往起到事半功倍之效（表3）。LID雨水體系結合場地生態要素設置集雨綠地、生態滲透池等相互連通的系統來取代構筑的排水溝與管道，通過雨水收集系統削減徑流峰值流量，雨水滲透與調蓄系統減少徑流量并降低徑流速度，并延緩徑流峰值時間，雨水處理系統控制徑流污染物擴散，凈化徑流，并借助滲透及收集系統補充土壤水分和地下水，以分散的、小規模的源頭對雨水與集中徑流進行收集儲存、滯留滲透，把暴雨排水控制和雨水收集結合，實現水的分散就地處理和涵蓄凈化，減少環境負荷與雨洪管理的建設成本投入（洪泛成本、合流制溢流控制成本、過濾技術成本等）[6]。在提供環境效益的同時，LID措施本身的成本投入需要考慮到的是初期的建造成本、使用中運營維護、管理成本以及使用周期，初期建造成本取決于場地條件、匯水涵蓋大小、降雨量及人工實施費用，后建設行為中的運營維護與管理成本（如人工、材料、設備維護、構筑物維護、控制措施、沉積物清理費用等）是確保LID措施的實施成效關鍵[12]。但目前國內關于LID措施成本數據積累相當有限，并且其與土地使用狀況、氣候降雨分區、當地人力材料費用等多方面因素息息相關（如雨水花園在暴雨地區修建需額外承擔地下排水管道及鋪設成本），因此LID措施實施還需因地制宜、比選擇優。

表2 部分典型LID措施的適建性分析

3 住區LID雨水體系設計

3.1 新舊住區雨水控制目標及設計

經驗表明場地開發帶來的產匯流時間、徑流峰值流量及污染物總量等水文情勢的異化均與徑流體積增加相關，且LID措施的設計規模也便于用體積表達，因此美國已采用徑流體積控制實現雨水管理目標，并通過地形、植被、土壤下滲特性等量化數據獲得，這些信息的獲取需借助水文模型（SWMM等）模擬計算[13][14]。

表3 部分典型LID措施的效益-成本清單（成本僅供參考）

已建住區多位于中心城區，建筑密度高、硬化覆蓋大、地下市政管線等設施錯綜復雜，管理權屬等問題也難以協調，LID設計目標可適當降低，但年徑流總量控制率應不低于50%，且排入已建雨水管網系統的設計雨水量（峰值流量）不能超出下游已建雨水管網排水能力[14]，在建造LID體系過程中也應盡量減少工程投入，宜采用地上分散雨水集蓄利用系統（雨水花園、集水裝置等），步行路面可更換為透水性鋪裝，并沿道路鋪設雨水滲透暗渠增加徑流滲透機會，同時利用綠地對道路污染徑流截污處理后下滲，建筑周邊可增設花草溢流池（滲透能力大、吸附凈化力強的土壤填埋）接納屋面雨水的初期棄流，溢流徑流匯入地下人工滲透措施，最后排入市政排水管網（圖2）[8]。

新建住區可利用植被、綠地、地形等因素對年均降雨總量85%～90%的下滲率，并考慮到經濟效益以及水文情勢的維持，其年徑流總量控制率宜為85%，且不降低市政排水系統設計的重現期標準[13]，無景觀水體設計的住區則可依據LID措施的適建性以及效益-成本比選，結合場地生態要素設計雨水管理體系，并與市政排水管網銜接，當住區規劃有水景時，則可優先考慮結合景觀水體及其補水來設計LID雨水管理體系（圖3）。

3.2 LID措施的景觀設計范式

圖2 已建住區LID雨水管理措施改造

圖3 新建住區LID雨水管理措施利用

LID措施除雨水控制利用作用外，在住區景觀設計下亦可與各類場地綠色要素結合，形成因地制宜、獨具觀賞價值的景觀要素，成為住區景觀系統的有機組成部分[9]。在住區層面可用于景觀設計的LID措施主要歸納兩個層級：建筑空間層級可利用屋頂綠化、花草溢流槽等對雨水進行收集儲存與再利用（沖廁、澆灌、洗車等），同時滿足景觀審美；開放空間層級可利用雨水花園、植草溝、滯留塘等構建的植被、水體對雨水進行滲透、滯留與處理，同時美化空間環境[15]。雨水花園在景觀設計中應用較為廣泛，根據調蓄設計要求（一般調蓄1～2年一遇24h暴雨情況），在建筑空間、道路及住區公共空間，結合置石、旱溪、木平臺及植物景觀等，利用植被、土壤及礫石對雨水的遲滯、儲存、凈化功能，消納處理住區硬化覆蓋產生的徑流增量，形成住區內分散的LID景觀化雨水管理措施[16]。植草溝系統（植草皮淺溝利用喜濕性草皮，鋪卵石淺溝利用卵石、碎石）因實施簡易且造型美觀，也漸趨得到推廣，其通常布置在住區開放空間匯水線上承載雨水徑流的滯蓄與滲流功效[17]。LID措施的具體景觀化設計要點可見表4[17-19]，這些設計手段與常規住區規劃相比，既能強化生態功能又可凸顯景觀效果（圖4）。

4 結語

目前國內住區建設量龐大，住區可收集利用的雨水量多且水質好，建筑相對集中緊湊，開放空間功能分明，便于雨水體系的設計實施與管理，是當前推動海綿城市建設的重點。文章提出根據LID措施的適建性及效益成本分析，因地制宜、比選擇優，依據低影響開發的設計目標，針對新舊住區提出了不同的雨水體系構建思路，并結合LID景觀化措施豐富住區景觀系統。住區低影響開發雨水體系是貫穿規劃設計、實施技術乃至后期運營管理的全過程，由于現今住區雨水管理體系尚未真正納入住區規劃中，規劃設計人員的水文生態學基礎尚且薄弱，需要多專業、多管理方、多參與者的協同努力方能推動住區低影響開發建設。

表4 部分典型LID措施的景觀化設計要點

圖4 住區開放/建筑空間的LID景觀化措施設計對比

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