基于LID和雨水鏈的海綿城市微觀細胞設計

馮峰 馬志坤 靳曉穎

摘 要：針對海綿城市微觀尺度的高校校園海綿細胞的設計問題，基于LID（低影響開發）理念，確保海綿細胞設計前后場地的洪峰出現時間、徑流峰值、徑流時間等城市水文要素不發生改變，原場地地質、地形不發生大的改變，植被盡量使用本土植物;引入英國雨水鏈理念，確保雨水從降落后到被利用整個管理鏈條科學合理，在關鍵措施選配中優先使用預防控制和源頭控制措施，優先使用生態入滲措施，確保其中的每個環節設計得當。根據黃河水利職業技術學院海綿細胞模型計算結果，降雨歷時在120 min時滲透設施的積水量達到峰值34.97 m3，結合校園場地、建筑物的分布及特點，設計了包含“滲、滯、蓄、凈、用、排”等21種關鍵措施的“水之川”海綿細胞，并對該設計方案進行雨水控制效果檢驗，場地雨水控制及利用率為88%，滿足開封市所在全國年徑流總量控制率區域劃分圖中Ⅲ區的要求。

關鍵詞：海綿城市;低影響開發;雨水鏈;微觀尺度;海綿校園

中圖分類號：TV213.9 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.013

Abstract： Aiming at the design of sponge cells in campus at the micro-scale of sponge cities， this paper based on the concept of LID （low impact development） ensured proper design of each link. The concept of LID is that the occurrence time of flood peak， runoff peak， runoff time and other urban hydrological factors of the site before and after sponge cell design do not change and the geology and topography of the original site do not change significantly. The concept of rain water chain in Britain is that the whole management chain of rain water from falling to being used is scientific and reasonable. In the selection of key measures， preventive control and source control measures were given priority， while ecological infiltration measures were given priority. According to the results of the sponge cell model， the water volume of infiltration facilities reached a peak of 34.97 m3 after 120 min of rainfall. In combination with the distribution and characteristics of campus sites and buildings， 21 key measures including “infiltration， stagnation， storage， purification， utilization and drainage” were designed. In this paper， the design scheme of rainwater control effect test， get the result is the ground water control and utilization rate of 88% and satisfy the requirements of Kaifeng situated in the zoning map of national total annual runoff control zone III.

Key words： sponge city; Low Impact Development （LID）; rain chain; micro-scale; sponge campus

隨著我國城市水生態問題日益凸顯，越來越多的學者、專業人士開始在實踐中探尋解決城市雨水可持續利用問題的方法。2003 年，北京大學俞孔堅教授和李迪華教授共同出版的《城市景觀之路：與市長交流》一書中最早用“海綿”的概念比喻自然濕地、河流等對城市旱澇災害的調蓄能力[1]。俞孔堅教授及其土人景觀規劃設計團隊創造了許多雨洪管理實踐的成功范例。深圳市在2004 年開始率先引進 LID（低影響開發）理念，創建光明新區為全國低影響開發雨水綜合利用示范區。董淑秋等[2]結合首鋼工業區改造規劃實踐，于2011年首次明確提出了構建“生態海綿城市”的規劃概念。國際著名水文氣象專家林炳章教授[3]在 2013 年10月廈門召開的極端暴雨事件和防洪減災國際學術研討會上建議，可借鑒美國經驗，建設一座“海綿城市”。習近平總書記在2013年12月召開的中央城鎮化工作會議上發表講話，提出建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”[4]。2014年2月，住房和城鄉建設部明確提出建設海綿型城市設想[5]，10月正式發布《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》[6]。2014年12月，財政部、住房和城鄉建設部、水利部聯合印發了《關于開展中央財政支持海綿城市建設試點工作的通知》（財建 [2014]838號），組織開展海綿城市建設試點工作。

海綿細胞是指微觀尺度的海綿城市，是國土宏觀尺度水生態基礎設施在社區微觀尺度的延伸，例如社區綠地、寫字樓綠色屋頂、校園建筑集雨區等[1]。筆者在總結目前海綿城市設計方法的基礎上，基于美國低影響開發（LID）和英國雨水鏈的理念，構建海綿細胞的計算和評估模型，并以開封市黃河水利職業技術學院校園海綿細胞為研究實例進行驗證，完善計算方法和評估雨水利用效果，提高其適用性，以期為相關微觀尺度的海綿細胞設計提供參考。

1 LID和雨水鏈理念

1.1 LID理念

低影響開發（LID）是在開發的全過程中，從設計、施工到管理的每個環節，對周邊環境的不利影響最小化，特別是對雨洪資源和分布格局的影響最小化。從某種意義上說，低影響開發與海綿城市建設是同一個含義，無論是從宏觀、中觀層面的海綿城市規劃，還是流域的海綿城市規劃設計和建設，或是微觀層面的小區、雨水花園的設計和施工，都要充分實現低影響開發，盡量使用原周邊環境的有利地形、原生物種、原有設施等，減小對周邊水土資源、植被資源等影響和破壞，也盡量保持原有區域或場地的降雨水文產匯流特征不改變。低影響開發包含水資源、土地資源、地形、植被等方面的低影響開發[7]。在海綿城市的設計過程中引入和利用LID理念，確保微觀尺度的海綿細胞設計前后場地的峰現時間、徑流峰值、徑流時間等水文要素不發生改變（見圖1），原場地地質、地形不發生大的改變，并盡量考慮使用本土植物作場地植被。

1.2 雨水鏈理念

英國雨水鏈理念包含由預防措施、源頭控制、場地控制和區域控制4個等級構成的管理鏈條[8]。其中：預防措施和源頭控制處于最低等級，也就是在規劃中盡量先通過預防手段在源頭和小范圍進行雨水的截流處理。只有當在源頭或小范圍不能處理時，才將雨水排放至更高一級的系統中，采取其他控制處理手段。該管理鏈條將各項具體措施組成一個有等級次序的一體化方案，是規劃的重要基礎。按照對雨水就地處理的原則，利用沉淀、過濾、吸附和生物降解等自然過程，對地表水進行不同程度的處理。在海綿城市的設計過程中引入和利用雨水鏈理念，優先使用預防控制和源頭控制措施以及生態入滲措施，確保雨水從降落到被利用整個管理鏈條科學合理，其中的每個環節設計得當，環環相扣，清晰規范。

2 海綿細胞相關措施計算模型

2.1 源頭減排系統計算模型[9]

式中：Wz為雨水資源化利用量，m3;α為綜合安全系數，一般取0.5～0.8;K為土壤滲透系數，m/s;J為水力坡降，一般取1.0;As為有效滲透面積，m2;ts為滲透時間，s，一般按1 d計，滲透池和滲透井宜按3 d計;qi為第i種用戶的最高日用水定額，m3/d;ni為第i種雨水用戶的數量（雨水用戶種類包括景觀、綠化、循環冷卻、路面和地面沖洗、沖廁、汽車沖洗、消防用水等）;m為雨水用戶種類數;ty為用水時間，s，一般取2.5 d。

（3）需配置的入滲面積按式（3）計算。當場地條件有限、入滲面積小，無法滿足式（3）要求時，應增設收集回用系統或調蓄排水系統。對于下沉式綠地入滲，可以簡化計算為每平方米下沉式綠地承擔1 m3的硬化面雨水。

2.2 源頭減排雨水系統的效果評估[10]

3 海綿細胞設計案例

3.1 基本概況

黃河水利職業技術學院位于河南省開封市東京大道1號。開封屬暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，光照充足，氣候溫和，雨量適中，年平均氣溫14 ℃，年均降水量670 mm，林木覆蓋率高于全國平均水平。在全國的年徑流總量控制率區域劃分圖中，開封屬于Ⅲ區，控制率為75%～85%，對應的徑流污染控制率也應為75%～85%。根據開封市52 a的統計資料，年平均降雨次數76.5次，1 a一遇日降雨量44.7 mm，2 a一遇日降雨量71.2 mm。海綿細胞位置選擇在校園西北區域鯤鵬山實訓場西側，占地面積約450 m2，主要收集周邊實訓樓約1 000 m2樓頂雨水和場地降雨。

3.2 設計理念

校園海綿細胞設計成在空中俯瞰時，整體形狀呈現草書“水”和“川”字的變形，因此將其命名為“水之川”。該設計不僅要達到為專業和教學服務的目的，滿足海綿城市課程教學和實訓教學的需求，而且要有科研功能，可以開展海綿城市關鍵措施、植被對比等研究，同時也要打造校園的精品水文化，營造智慧水利的職業氛圍，另外還是校園的一處美景。

“水之川”海綿細胞主要收集利用2號、3號實訓樓樓頂及施工實訓大棚頂的雨水和區域降水（見圖2）。利用原赤道幾內亞模型場地，該區域南側有4根向2號實訓樓水利館供水用的大型管道，地下有向水利館供水的地下水庫。4根管道的上方設計成綠色屋頂，兩側做成透視面。利用原赤道幾內亞模型的廢沙，做成中間地下水庫上面的流動雨水花園。根據雨水鏈的理念，合理規劃和設計從雨水降落到利用的全過程鏈，3號實訓樓樓頂、綠色屋頂的雨水通過雨水花園匯集、凈化、下滲，進入下沉式綠地，凈化后進入蜂窩狀地下蓄水模塊，沉淀后可用于綠化澆灌、生態景觀用水等。

3.3 海綿城市關鍵措施設計

利用式（6）、式（5）計算不同降雨歷時的雨強qc、滲透設施進水量Wc和滲水量，結果見表1。

從表1可知，在降雨歷時為120 min時，滲透設施的積水量達到峰值34.97 m3。滲透設施的有效容積應大于積水峰值。根據開封市相關參數，利用式（1）～式（5）計算相關水量和參數，結果見表2。由表2可知，對該海綿細胞的場地雨水控制利用率為88%，滿足開封市所在全國年徑流總量控制率區域劃分圖中Ⅲ區的要求。

4 結 語

海綿城市的理念已被越來越多的人所接受，無論是宏觀尺度、中觀尺度的海綿城市，還是微觀尺度的海綿細胞建設，都需要將各種措施科學合理地配置使用，充分發揮自然的力量，“化整為零”地解決城市內澇的風險。以校園海綿細胞設計為例，基于LID和雨水鏈理念，結合校園場地、建筑物的分布及特點，重點發揮源頭控制作用，在有限的空間展現了21種海綿城市措施，將教學、實訓、科研、科普、展示等多重功能融為一體。通過海綿細胞計算模型驗證，海綿細胞的場地雨水控制利用率為88%，滿足開封市所在全國年徑流總量控制率區域劃分圖中Ⅲ區的要求。此案例可為國內其他海綿細胞設計提供新思路。

參考文獻：

[1] 俞孔堅，李迪華.城市景觀之路：與市長們的交流[M].北京：中國建筑工業出版社，2003：144-153.

[2] 董淑秋，韓志剛.基于“生態海綿城市”構建的雨水利用規劃研究[J].城市發展研究，2011，18（12）：37-41.

[3] SLANEY Scott.海綿城市基礎設施雨洪管理手冊[M]. 潘瀟瀟，譯.桂林：廣西師范大學出版社，2017：56-68.

[4] 新華社.中央城鎮化工作會議舉行[EB/OL].（2013-12-14） [2019-04-03]. http：//www.gov.cn/ldhd/2013-12/14/content_2547880.htm.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部城市建設司.關于印發《住房和城鄉建設部城市建設司2014年工作要點》的通知[EB/OL].（2014-02-11） [2019-04-03].http：//www.mohurd.gov.cn/wjfb/201402/t20140214_217084.html.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 海綿城市建設技術指南：低影響開發雨水系統構建（試行）[M].北京：中國建筑工業出版社，2014：10-15.

[7] 伍業鋼.海綿城市設計：理念、技術、案例[M].南京：江蘇鳳凰科學技術出版社，2016：112-125.

[8] 奈杰爾·鄧尼特，安迪·克萊登.雨水園：園林景觀設計中雨水資源的可持續利用與管理[M].周湛曦，孔曉強，譯. 北京：中國建筑工業出版社，2013：78-86.

[9] 中國建筑標準設計研究院.海綿型建筑與小區雨水控制及利用： GB/T 17S705—2017[S].北京：中國計劃出版社，2019：15-25.

[10] 中華人民共和國住房和城市建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.雨水集蓄利用工程技術規范：GB/T 50596—2010[S].北京：中國計劃出版社，2010：18-26.

【責任編輯 張華興】