基于海綿城市理念下的生態廣場建設研究

李一凡，劉福勝，李昀騰

(1.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2. 江西理工大學電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000)

改革開放以來，我國經濟發展迅速，工業化程度不斷提高，城市像海綿吸水一樣，吸引了大量的人口和資金，以致城市規模持續擴大，而城市抵抗由于氣候變化、環境污染等引起的災害的能力卻不斷削弱。近年來，國內很多城市都出現了由于降雨而引發的城市內澇，并且有愈演愈烈的趨勢，產生的不利影響日益嚴重。從表面上看，城市內澇問題，是由于城市發展過快，排水體系建設滯后，排水設施供應不足，降水不能夠及時排出，基礎設施建設跟不上城市發展的步伐[1,2]。而實際上，這只是表象，根本的原因卻是由于城市發展過程中，城市建設者未注意到人與自然的和諧共處，對自然環境干預過大，破壞了原始的地形地貌，使降水不能夠像以前一樣自然下滲和滯留，地表徑流量增加過大，超過了城市排水系統的處理能力，使我國的受災城市，從數量上、規模上、經濟損失程度上，都顯著增大[3]。

1 海綿城市概念

海綿城市，是指當環境發生變化和自然災害發生時，整個城市就像一個巨大的海綿體，利用自身具有的良好“彈性”，吸收自然災害對城市產生的沖擊。在下雨時，整個城市就像一塊巨大的海綿，大部分的降水都被吸收、貯存在它的內部，無需外排，大大減輕了市政排水系統的工作壓力。隨著雨水自然流動和在土壤中的滲透，夾帶的污染物會逐漸沉積，被植物吸收，被土壤中的微生物分解，雨水得到了凈化，被貯存了起來，當需要用水時，蓄存的雨水可以再被“釋放”出來，加以利用。海綿城市建設應遵循生態優先原則，將自然途徑與人工措施相結合，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境保護[4]。

2 建設項目場地概況

生態廣場屬于山東某高校新校區二期工程建設項目之一，工程地址位于山東省泰安市泰山區，地處平原。本地春天氣候干燥、多風；夏天溫度較高，多降雨；秋天涼爽、晴和；冬天溫度較低，較少降雪。

據統計，7月份是每年氣溫最高的月份，平均可達26.4 ℃，1月份最低，平均為-2.6 ℃。根據歷年來的氣象資料可知，歷史最高氣溫為41 ℃，歷史最低氣溫為-27.5 ℃。在地域分布上，同時間內各地氣溫也稍有差異，一般情況下，南部、西部氣溫較高，東部、北部氣溫偏低。

泰安地區降水偏少。根據多年來統計，全市的平均降水量僅為697mm，在半濕潤氣候地帶也僅屬于中游。由于受到季風氣候的影響，年度內降水量相差較大。降水量最大的年份，可達1 498mm，但降水量最小的年份，只有199mm，差距很大，可達7.5倍。在地形地貌的影響下，本地東部比西部降水量大，山區比平原降水量大。在東部山區的降水量最大，年平均700～750mm，而在西部平原的降水量最小，僅為600～650mm。從總體上看，從東北向西南方向，降水量呈逐步減少趨勢。降水不僅在地域分布上有差別，在時間分布上差別更加顯著，更不勻衡。每年夏季是降水最多的時間段，僅夏季一季的降水就可占到年降水量的65.2%，而冬季僅占到3.6%，為全年最少；一年當中，7月是降水量最大的月份，可占到整年的32.1%，而1月則是降水量最小的月份，僅占到全年的0.96%[5]。

由于降水的時空分布極不均勻，只有夏季時，降雨量較大，能夠進行資源化利用的水量較大，春季、秋季等其他季節，很難收集到足夠的雨水。因此，雨水和市政供水綜合利用，盡量提高雨水的利用效率，減少對市政供水的依賴，是一個經濟可行的辦法。

3 生態廣場設計原理

海綿型生態廣場使降雨一部分依次經過多孔透水混凝土面層、碎石墊層(疏水層)的孔隙滲透凈化，滲入盲管并匯入集水模塊儲存回用。一部分來不及下滲的雨水匯入下凹式綠地或生態草溝，通過綠地或草溝進行凈化下滲，進入集水模塊儲存回用。當雨量過大時，地面雨水積聚過多，不能及時下滲，多余的雨水可通過溢流設施排入市政管網中。按照《技術指南》的規定，海綿城市的外排率，只要控制在年徑流總量的40%以內即可。本項目中的海綿型生態廣場工程主要由兩大結構系統組成：①雨水凈化下滲系統；②雨水收集存儲系統。

雨水凈化下滲系統主要由透水混凝土面層、碎石墊層、下凹式綠地或生態草溝和生態樹池等設施組成。下滲的雨水先滲入面層，再滲過墊層，通過多重的過濾和凈化，大量的污染物能夠得到有效去除，水質得到了凈化。在透水鋪裝的邊緣，可根據地形地貌以及空間大小，分別設置下凹式綠地、生態草溝，利用這類生態設施，能夠凈化和入滲部分雨水。由于面層、墊層中存在一定的空隙，這些空隙在利于雨水下滲的同時，還可以對雨水進行儲存和疏導，能夠為雨水的存貯提供大量的地下空間，為雨水的流動提供通道，有效地延長了雨水下滲的時間，達到了滯蓄雨水、緩慢入滲的效果，有效地減緩了地表徑流的形成，推遲甚至避免了洪峰在下游出口的出現時間。即使下游洪峰出現，也可以對洪量進行有效地縮減，對涵養本地水資源、提高區域內澇的防治能力、提高城市的防洪排水能力，都具有十分重要的意義。

雨水收集存儲系統主要由透水毛細管、透水盲管、下凹式綠地或生態草溝、雨水收集池等設施組成。雨水首先從透水面層滲入后，再滲入到透水墊層中，經過密布在透水墊層中的豐富的透水毛細管，匯集到透水盲管之中，再經由透水盲管排入雨水收集池。透水鋪裝邊緣設置的下凹式綠地或生態草溝收集來不及下滲的地面徑流，然后匯入雨水收集池中。通過回用泵，存儲在收集池內的雨水可流入灌溉系統，或注入水體補水系統，為綠地澆灌和水體補水提供水源[6]。海綿城市如圖1所示。

圖1 海綿城市示意圖

4 生態廣場技術措施

4.1 透水混凝土地面

廣場地面采用透水混凝土澆筑而成。在工程實踐中，透水混凝土名稱還未統一，也有稱為無砂混凝土或透水地坪的，但作法相似，都是由骨料、水泥和水拌制而成，硬化后，形成多孔、輕質的混凝土。此種混凝土內，不含細骨料，僅由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿彼此黏結而構成，孔穴均勻分布，內部呈蜂窩狀布局，透氣，透水，重量輕，散熱快。由于內部孔隙多，呈蜂窩狀，因此它能讓雨水通過內部的孔隙迅速流入地下，有效地補充了地下水源，能夠緩解城市由于過度抽取地下水而造成的地下水位急劇下降等等的一些生態環境問題，并能通過雨水的下滲，帶走積聚于地面上的油類化合物等，在緩慢的下滲過程中，自然界中各類繁多的微生物可對很多化合物進行分解，降低其對生態環境的危害，有效地對環境進行了保護。因此，透水混凝土地面的使用，能夠對地下水進行涵養和保護，促進地表水循環，維護生態平衡；生態廣場地面孔隙的存在，能夠使靠近地面的熱空氣和地面以下的孔隙內的涼爽空氣對流，降低地面的溫度，緩解城市熱島效應，有利于人類生存環境的良性發展及城市雨水管理與水污染防治[7]。

透水混凝土地面作法，共分為3層，上層是20cm透水混凝土層，中層是30cm碎石墊層，下層是素土夯實。土方夯實時，不能過于密實，只要達到90%～95%的密實度即可，否則雨水難于滲透[4]。

墊層中碎石分3層攤鋪，每層厚度100mm，鋪完最下一層后鋪盲管，盲管鋪設完畢后再攤鋪中層和上層碎石。

盲管，既可以采用定型產品，也可以采用管徑為100mm的PVC波紋管現場制作而成。采用手持式切割機，在波紋管的頂面和側面，沿波紋方向均勻地切割出條形孔，孔長約10mm。盲管按設計要求鋪設，當設計無要求時，可按5m間距排布，盲管末端應伸至集水模塊處，便于將雨水引入蓄水池中。鋪設時，管道坡度要平順，盲管與承接管道要順接。盲管接口處，要用透水土工布嚴密包裹[8]。

生態廣場采用的透水混凝土地面如圖2所示。

圖2 透水混凝土地面

4.2 下凹式綠地

下凹式綠地應符合《建設技術指南》要求：①下凹深度。下凹式綠地應低于相鄰地面，根據綠地上種植植物的耐淹性能以及綠地內土壤的滲透性，確定下凹式綠地的具體的下凹深度，通常為100～200mm。②溢流口設置。暴雨時，由于單位時間內水量積聚過多，雨水不能及時下滲，需要溢流排放。下凹式綠地內通常設置有溢流口，其頂部標高應高于綠地地面標高，具體尺寸可根據需要的蓄水深度而定，通常為50～100mm。下凹式綠地如圖3所示。

圖3 下凹式綠地構造

4.3 植草溝

植草溝，是指表面有植被覆蓋的地表溝渠，雨水可通過它進行蓄積、輸送和排放，雨水在溝中蓄積和流動時，可被溝中的植被凈化。

植草溝應符合《建設技術指南》要求：①斷面形式。植草溝深度較淺，斷面可采用多種形式，梯形、三角形或倒拋物線形均可。②邊坡坡度。植草溝的邊坡，坡度不宜過大，(垂直：水平)不應超過 1∶3，為減緩雨水的流動速度，增大雨水滯留時間，縱坡坡度較緩，應不超過 4%。如因客觀條件限制，縱坡較大，不能按要求坡度設置時，可將植草溝沿長度方向設置為階梯形，或在中途每隔一定距離，設置消能臺坎，以減緩雨水流速。③流速。植草溝中匯集的雨水流速不應過大，應小于0.8m/s，曼寧系數宜為 0.2～0.3。④植被高度。溝內應種植低矮植物，高度不宜過大，在100～200mm之間為宜。植草溝如圖4所示。

圖4 植草溝構造

4.4 生態樹池

生態樹池，樹池內表面用透水混凝土鋪裝而成，樹池表面雖有混凝土，但水分能夠透過，空氣也能夠自由流動，很好地避免了泥土的板結，保證了池內泥土的透水透氣性，當樹池內采用彩色透水混凝土鋪設時，不但樹坑美觀，而且容易保持干凈和整潔。

生態樹池的優點：①具有較高的透水性、透氣性，可以鎖住水分，增加水的利用率，同時可緩解城市熱島效應。②承載力較高。樹池內的透水混凝土，整體澆筑而成， 與小塊透水磚拼鋪而成的透水地面相比，其抗沉降性能較強。③高透水率：15%～25%的空隙率，透水率達到270L/(m2·min)，可充分滿足樹木的呼吸要求并使地面具有優良的降噪性能。④降低噪聲。由于透水混凝土內部具有較多的孔隙，當行駛的車輛通過時，大量的路面噪聲能夠傳入孔隙內，被其吸收，為整個城市創造了安寧、舒適的交通環境。⑤不積水，不結冰。下雨時，降水能夠迅速下滲，不存在積水現象。冬天下雪時，透水混凝土由于內部存在孔隙，不易積雪，表面又不存水，不易結冰。⑥美化環境。它能夠根據周圍的自然環境，設計恰當的圖案，并且可以采用多種色彩方案，與周圍的景色融為一體，又由于它自身具有的混凝土材質，能夠體現出天然石材的質感。

生態樹池，由于采用了彩色透水混凝土，具有透氣、透水、環保等特點，既起到了美化城市環境的作用，又能夠保證植物攝取水分和健康成長的需要。生態樹池如圖5所示。

圖5 生態樹池

4.5 集水模塊

集水模塊，經過恰當的組合形成蓄水池(見圖6)，能夠將回滲的雨水收集起來，過濾和凈化后，再進行利用。在滿足蓄水功能要求的同時，蓄水池內部空間結構獨特，承壓能力較強，可設置于廣場、綠化帶等各種場地之下，無需占用地面。因為采用了模塊化單元，組合便利，裝配簡單，使用壽命長。雨水儲存在模塊內部的腔體內，需要用水時，通過水泵抽取儲存在內部的雨水進行使用。

圖6 集水模塊蓄水池

5 結 語

長期來看，我國城市建設必然要走與自然和諧共存的道路，以減少城市發展對氣候變化、生態環境等方面帶來的不利影響，減少或減弱城市發展帶來的各類災害的發生。當災害發生時，城市也能夠自我調節、自我恢復，將自然

災害對公共安全和國民經濟帶來的不利影響降低到最小的程度。進行海綿城市建設，能夠實現低影響開發，是現在我國大力推廣的新型建設模式，我們應該在實踐中積極主動地應用海綿城市建設理論和建設方法，以增強人類適應環境的能力、與自然和諧共處的能力。

[1] 水利部.中國缺水城市排名名單[EB/OL].中國紙金網，2014-05-13[2014-12-28]. http:∥smesun. com /browser /show. php? itemid = 20479.

[2] 杜雨欣.全國657城中有300多屬嚴重缺水或缺水城市[EB/OL].新華社,2014-05-18[2014-12-28]. http:∥env. people. com. cn/n /2014 /0519 /c1010-25033549. html.

[3] 吳丹潔,詹圣澤,李友華,等.中國特色海綿城市的新興趨勢與實踐研究[J].中國軟科學,2016,(1):79-97.

[4] 住房和城鄉建設部.海綿城市建設技術指南----低影響開發雨水系統構建[Z]．2014.

[5] 泰安市人民政府. 生態環境[EB/OL].泰安市人民政府門戶網站,2013-03-20[2017-12-27].http:∥www.taian.gov.cn/zjta/tagk/201303/t20130320_484100.html.

[6] 余利平.三亞海綿城市建設中低影響開發設計研究----生態停車場[J].智能城市,2016,(7):21.

[7] 王 謙,蘇立超.全透水路面在建設“海綿城市”中的應用研究[J].施工技術,2015,(S2):284-286.

[8] 崔榮兵,曹麗娜,陳衛連.海綿型生態停車場設計、施工及養護技術[J].城市住宅,2016,(11):99-102.