濟南市城市下凹式綠地建設研究

趙 瑩，周士勇，耿靈生 (山東省水利科學研究院山東省水資源與水環境重點實驗室，山東濟南250013)

隨著城市建設的飛速發展，城市地面不透水面積快速增加，排水管網取代了綠地、溝道、池塘等天然的雨洪調蓄系統。濟南市多年平均降雨量為654 mm，年際變化大，在豐水年和枯水年所形成的水資源量可相差2～4倍;年內降雨分布不均，近75%的降雨量集中在夏季，且多為短歷時暴雨，不適合建設大的雨水蓄積池直接利用;大部分雨水直接形成地面徑流流出市境;部分地區地下水嚴重超采。由于雨水資源的大量流失，造成地下水位下降，泉水無法噴涌;由于地勢南高北低，造成雨水徑流順流瀉在市區北部并積蓄，水澇災害頻發，市政排水系統遭受前所未有的考驗。因此，以“泉城”聞名于世的濟南，加快雨水利用既是當務之急，又是貫徹可持續發展戰略、創造良好生存空間的長遠之計。

下凹式綠地是一種高程低于周圍路面的公共綠地，也稱低勢綠地。與“花壇”相反，其理念是利用開放空間承接和貯存雨水，下雨時就能形成一個天然的“蓄水池”，從而達到補充地下水、調節徑流、滯洪及削減徑流污染物的作用［1］。該技術十分適合解決濟南地下水位下降、坡度大難以蓄水、排水系統壓力大、水質差等實際問題，在實現排水減壓的同時，也使城市的自然生態循環重新“復活”。

1 下凹式綠地研究進展

雨水利用已成為國際上普遍重視的課題，如果能將流失的雨水進行有效收集和利用，必將成為解決城市水資源短缺的有效措施之一［2］。德國的MR系統(又稱水洼滲透渠組合系統)是近十年發展起來的流行雨水處理技術，該措施是通過雨水在低洼草地中短期儲存和在滲渠中長期儲存，以保證盡可能多的雨水得以下滲［3］。美國的LID系統應用在小流域內，將徑流控制在源頭的措施包括滲透、過濾、蓄存、揮發和滯留等。澳大利亞的WSUD是通過天然的洼地蓄水和減少不透水地表比例來降低下游流量峰值［4］。國內學者也進行了大量研究。劉蘭嵐等通過計算分析下凹式綠地和景觀水體調蓄徑流的可行性［5］。俞紹武等介紹了小區、道路等幾種下凹式綠地形式，認為對綠地結構進行調整就能實現雨水利用，不需增加建設資金和運行能源的消耗［6］。王金輝等通過試驗測試了下凹式草坪雨水利用以及節約灌溉水量方面的影響因素和效果，結果表明在匯水面積比為1、2、3，下凹100 mm，下凹式草坪實際利用雨水量比普通草坪分別增加27.16%、68.84%、89.72%［7］。王立存等在天津濱海新區某建筑區采用下凹式綠地人工濾層過濾儲水技術用作綠地灌溉用水和景觀水體補充水，運行效果良好［8］。北京市在下凹綠地技術方面做了嘗試，地方標準《城市雨水利用工程技術規程》、《建筑、小區及市政雨水利用工程設計規范》陸續實施，提出住宅小區的綠地中，至少要有50%作為用于滯留雨水的下凹式綠地，下凹深度一般是50～100 mm。綠地內的植物則應選擇耐旱耐淹的品種。

由此可見，利用源頭控制措施來蓄集雨水，達到雨水就地下滲、消減洪峰、回補地下水等目的是現代雨水利用的理念，下凹式綠地是實現城市雨水管理可持續發展的可選擇措施之一。

2 濟南市城市開發建設項目下凹式綠地設計計算

關于城市區域產流計算模型，根據城市的特點，可以將城市分為水面部分(水面產流模型)、城市綠地部分(透水層的產流模型)、建筑物及道路部分(不透水層的產流模型)以及經過處理的廣場和開闊地部分(具有填洼的不透水層的產流模型)［9］。張麗等認為我國北方平原地區城市綠地部分可采用透水層的產流模型，產流計算時多采用初損后損法［10］。該方法把損失分為兩部分，產流前的損失稱為初損，產流后的損失稱為后損，后損為產流歷時內平均下滲強度和產流歷時的乘積與后期不產流的雨量之和。任樹梅等通過產流過程分析，對北京城區不同水平年不同集水面積和不同下凹深度的綠地雨水蓄滲效果進行了分析和計算［11］。張煒等基于水量平衡原理建立等式關系，在滿足實際應用精度的基礎上進行合理假設和簡化，運用水力計算得出下凹式綠地的設計計算公式，以設計計算圖簡單形式作為下凹式綠地設計應用界面［12］。劉蘭嵐等對某場降雨時段內下凹式綠地對雨水徑流蓄滲率的計算，反映下凹式綠地對雨水的蓄滲效應［5］。

由以上研究可見，關于下凹式綠地調蓄計算，下凹深度和綠地面積是設計過程中的兩個主要控制參數，其取值需綜合綠地服務匯水面面積、土壤滲透系數，設計暴雨重現期、綠地布置情況、植物的耐淹時間等多種影響因素。在已建成地區，綠地面積率、位置均已確定，可根據其他設計因素確定綠地的下凹深度，經過試算，滿足雨水不外排的要求。對于新建項目來說，涉及凹式綠地服務匯水面劃分，應考慮綠地面積率相等或相差不大，充分發揮下凹式綠地的蓄滲能力。

針對濟南市玉蘭花園新建小區項目，采用已有研究中簡化的計算方法［12］，以雨水不外排為目標，計算不同綠地面積率，不同暴雨重現期條件下，下凹式綠地的設計深度。當項目所在地超過最小設計深度時，設計溢流雨水外排或收集回用，為濟南市新建小區凹式綠地的設計提供依據。

根據雨水滲透的水量平衡原理，計算時段內下凹式綠地的水文要素之間存在如下關系:

Q+U’=S+Z’+Z+U+P (1)式中，Q為計算時段內進入下凹式綠地的雨水徑流量;U’為計算時段開始時下凹式綠地的蓄水量;S為計算時段內下凹式綠地的雨水下滲量;Z為計算時段內下凹式綠地的雨水蒸發量;Z’為計算時段內下凹式綠地的植物蒸騰量;U為計算時段結束時下凹式綠地的蓄水量;P為計算時段內下凹式綠地的雨水溢流外排量。

采取假設和簡化:降雨歷時一般較短，Z’、Z可忽略;由于綠地植物的淹水時間不宜過長，所以假設降雨開始時下凹式綠地內無蓄水，即U’=0，同時忽略植物截流、土壤含水率等影響雨水下滲的因素，設計暴雨重現期下的雨水徑流全部滲透利用，不產生外排，即P=0。

因此，式(1)可簡化為:

式中，F為實際匯水面積;F’為綠地面積;q為設計暴雨強度;φ為匯水面綜合徑流系數;Z’為土壤滲透系數，即穩滲率;h為綠地下凹深度;J為計水力坡度，垂直下滲取1;T為計算時段。

濟南市設計暴雨強度公式為:

式中，P為設計重現期;t為降雨歷時。

把式(3)～(6)代入式(2)，可計算出h。

按照設計暴雨強度公式，在不同土壤滲穩滲率、重現期、綠地面積比條件下，計算出綠地最小下凹深度h的結果。由表1可知，同等土壤入滲率、降雨強度條件下，下凹綠地面積比的增加，設計下凹深度減小;在較大入滲率為5×10－6m/s，較大綠地面積比為40%以上時，即便不采用下凹蓄水，也可以實現雨水全部利用。隨著降雨強度越大，下凹綠地面積不變，設計下凹深度要求也越大。根據我國城市規劃的標準，一般要求綠地率不小于30%，新建城區或舊區改造綠地率不小于35%，國家園林城市標準對綠地率的要求是38%。通過計算可知，該小區在最小綠地率30%，在較小入滲率1×10－6m/s情況下，該小區采用75 mm以上深度的下凹式綠地(P=5a)，就可以實現雨水不外排。在75 mm深度時，植物的耐淹時間為20.8 h，也小于北方植物的耐淹程度，不影響植物的生長［13］。濟南城區土質入滲能力一般較好，植物的耐淹程度為1～3 d，所以綠地下凹深度50～100 mm就能對暴雨起到削峰、攔蓄作用。

表1 不同設計條件下的綠地下凹深度

根據《濟南市城市綠地系統規劃(2010～2020年)》，至2020年，中心城內公園綠地規劃面積達到4 757 hm2;生產綠地面積達到1 000.5 hm2;防護綠地面積達1 380 hm2;附屬綠地面積達到8 535 hm2。若濟南市上述面積中，有一半采用下凹綠地，即采用本計算中75 mm以上深度的下凹式綠地(P=5a，綠地面積率30%，土壤穩滲濾1×10－6m/s)，次降雨過程就可以增加補給地下水588萬m3。這對于恢復泉水長年噴涌、保護城市水環境，實現可持續發展具有重要意義。

3 濟南城市綠地建設存在問題及對策

(1)現有小區依舊按照傳統的方式，將路面修得較低，道路兩側綠化用地內的雨水在路面上匯集后流入雨水口再排至區外。不僅減少了綠地水分的入滲量，還會使綠地的土壤養分隨徑流流失。所以因地制宜將城市公園、草坪、苗圃、公路綠化帶等現有綠地改造成良好的入滲場地，是城市綠地建設急需解決的問題。

(2)下凹式綠地是一種新型雨水利用技術，國內還沒有統一的設計標準。《建筑與小區雨水利用工程技術規范》中，對下凹式綠地工程設計算法作出簡化和應用，只是將下凹式綠地視為一種削減雨水徑流量的措施。而對大部分項目來說，只需對綠地采取下凹式整理，并對排水系統進行適當調整，區域就基本可達到雨水不外排的要求。在設計及運行后的管理上缺少依據。所以，作為對城市規劃改革的一種探索，迫切需要制定相關標準、技術規范、專項規劃等。

(3)下凹綠地的實際設計過程中，多受景觀規劃等限制，綠地面積往往是預留好的，在設計時無法最大限度保持相對均勻的綠地分布，進而無法達到最好的蓄水效果。所以，經深入調查，科學制定綠地指標，合理安排空間布局，促進城市可持續發展，實現對現有城市綠地規劃方法的創新。

(4)已有措施主要局限在小區域范圍，對較大區域，如機場、碼頭等，在節省水源，改善城市水循環等方面的研究和實踐還不夠，應加強該方面的理論研究，從而提供技術支撐。

(5)城區垃圾太多也是影響下凹式綠地措施實施的原因，降雨使垃圾很容易被沖進綠地中，讓綠地變成垃圾帶。所以，增加環保宣傳，提高居民素質，增強居民的文明意識對于城市健康穩定發展也十分必要。

4 結語

下凹式綠地具有補水、滯洪、減污的作用，作為一種簡單的雨水利用措施，對節約水資源、保護水環境及促進水資源可持續利用有積極作用。目前濟南市下凹式綠地措施采用率還很低，建設潛力很大。經計算，到2020年，濟南市綠地中假使一半面積采用75 mm以上深度下凹綠地，次降雨過程就可以增加補給地下水588萬m3。事實證明實施下凹式綠地在經濟、技術、實踐等多方面都是可行的，應盡快編制相關標準及專項規劃，在以后的小區建設和道路改造中加大下凹綠地建設力度，取代傳統的路沿石;同時加強宣傳，提高居民愛護環境的積極性，把濟南建設成綠草如茵的花園城市。

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