基于雨洪管理理念的廢棄砂石坑改造

李丹雄，武亞南，胡 雪

(北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100083)

基于雨洪管理理念的廢棄砂石坑改造

李丹雄，武亞南，胡 雪

(北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100083)

雨洪管理；廢棄砂石坑；坑塘；鷲峰國家森林公園

對國內(nèi)外關(guān)于雨洪管理的理念及資源化實踐經(jīng)驗進行了梳理，在此基礎(chǔ)上分析了北京市鷲峰國家森林公園內(nèi)廢棄砂石坑的水資源現(xiàn)狀及植被景觀特點，并計算了廢棄砂石坑現(xiàn)狀匯水量及容積。基于雨洪管理的先進理念提出廢棄砂石坑改造設(shè)計，具體措施有清淤、防滲處理、生態(tài)護岸、植物配置，將昔日公園廢棄砂石坑改造成坑塘，使其在發(fā)揮蓄水功能的同時能夠凈化水質(zhì)，而且還具有觀賞價值。

近年來，隨著城市化進程的加快，人們對于周邊環(huán)境的要求越來越高，尤其是像北京這種超大型城市在發(fā)生“7·21”暴雨之后，對雨洪管理和利用的程度越發(fā)重視。隨后，一大批綠地重建、河道修復(fù)、濕地恢復(fù)等生態(tài)環(huán)境工程不斷被納入北京市的城市建設(shè)當(dāng)中，為北京市的生態(tài)安全筑起了一道道屏障。

將廢棄砂石坑改造成坑塘是濕地恢復(fù)的一種形式。坑塘是指人工開挖或天然形成的儲水洼地，包括養(yǎng)殖、種植塘及湖泊、河渠形成的支汊水體[1]。相對于其他雨洪調(diào)蓄工程，坑塘具有較大的存蓄空間，能夠顯著降低流域進入臨近地表水體的氮源負荷。坑塘的類型有廢棄窖坑、廢棄魚塘、廢棄荷塘等[2]。廢棄砂石坑通過改造設(shè)計，能夠成為既具有蓄水功能又具有景觀價值的坑塘。

1 國內(nèi)外雨洪管理與資源化利用的理論與實踐

1.1 雨洪管理與資源化利用理論

1.1.1 最佳管理措施

最佳管理措施(Best Management Practices，簡稱BMPs)由美國于1972年提出，其主要宗旨是減少地表徑流總量，延長地表滯留時間，并對非點源污染進行有效控制，從而形成一個基于生存環(huán)境保護和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的雨洪管理體系[3]。BMPs的主要內(nèi)容包括工程措施和非工程措施，其中工程措施主要為雨水濕地、植被淺溝、生物滯留池等。但是BMPs在空間相對狹小、建筑密集的區(qū)域，難以建設(shè)大規(guī)模的調(diào)蓄設(shè)施[4]。

1.1.2 低影響開發(fā)體系

低影響開發(fā)體系(Low Impact Development，簡稱LID)是美國馬里蘭州環(huán)境保護署于1990年提出的一種在BMPs基礎(chǔ)上發(fā)展起來的更為合理全面的新型雨洪管理措施體系，強調(diào)通過對場地的低強度開發(fā)，以減少不透水鋪裝面積，還原土壤滲透能力，以植物栽植降低地表徑流速度并過濾掉徑流攜帶的污染物，以模擬自然水文過程方式，從源頭上降低開發(fā)所導(dǎo)致的水文變化及雨水徑流對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。LID不需要大面積的土地就可以實現(xiàn)雨水的回滲，同時還能營造出豐富而良好的景觀效果，特別適合在城市公園、廣場、居民區(qū)和校園的建設(shè)中進行推廣應(yīng)用，具有成本低、適用性強、維護簡單等優(yōu)點[5-6]。

1.1.3 可持續(xù)排水系統(tǒng)

1999年英國政府建立了可持續(xù)排水系統(tǒng)(Sustainable Urban Drainage Systems，簡稱SUDS)來解決洪澇災(zāi)害和水環(huán)境污染。該體系具體內(nèi)容包括鼓勵雨水就地下滲，有效補給地下水；控制地表徑流，預(yù)防雨洪災(zāi)害；生物措施過濾雨水，減少非點源污染；將雨洪管理設(shè)施的應(yīng)用融于景觀設(shè)計，呈現(xiàn)宜人的景觀效果；為動物提供安全適宜的生存環(huán)境。SUDS體系雨洪管理主要特點是通過源頭控制、中端控制、末端控制3種方法來實現(xiàn)，它更加注重通過雨洪管理來呈現(xiàn)生態(tài)價值。和美國的BMPs、LID體系相似，SUDS體系也是通過工程措施和非工程措施的配合來完成整個雨洪管理鏈條[5-6]。

1.2 國內(nèi)外雨洪管理實踐

近20年來，美國、德國、日本等發(fā)達國家在應(yīng)對城市雨洪管理的理念上發(fā)生了根本改變，從傳統(tǒng)的以“排”為主轉(zhuǎn)向了發(fā)展復(fù)合型綠色生態(tài)雨洪管理網(wǎng)絡(luò)的思路，從城市規(guī)劃建設(shè)、建筑設(shè)計到城市、公園、校園、居住區(qū)等空間的景觀設(shè)計與營造，形成了完整的城市雨洪利用技術(shù)體系，制定了比較完善的城市雨洪利用法律法規(guī)和政策保障措施[5-6]。例如波特蘭會議中心西南面的“雨水花園”，德國漢諾威市康斯伯格城區(qū)的道路與場地景觀等[5-6]。

我國對雨洪資源化利用研究開展得比較晚。“海綿城市”是我國最新的雨洪管理理念，與美國的LID和英國的SUDS相一致，是國際化城市雨水管理理念在國內(nèi)的創(chuàng)新和發(fā)展。2014年10月，住建部發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》，2015年1月國家開始啟動建設(shè)嘉興、廈門等16個海綿城市試點工程[4]。海綿城市的建設(shè)目的是使城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用[7]。除了“海綿城市”的建設(shè)理念外，坑塘也是雨洪管理與利用的一種形式，在我國實踐運用較為廣泛。坑塘是我國平原區(qū)農(nóng)村重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施[1]，例如朝陽區(qū)黑莊戶鄉(xiāng)萬子營村的廢棄藕塘、魚塘等按照濕地設(shè)計的方法增強了非點源污染物處理效果，使坑塘水質(zhì)得到明顯改善[2]。

2 案例背景及現(xiàn)狀分析

2.1 案例背景

北京鷲峰國家森林公園位于北京城西大西山風(fēng)景區(qū)中部，是距離京城最近的國家森林公園，園內(nèi)最高峰海拔1 153 m，鷲峰主峰海拔465 m，森林覆蓋率達96.4%。公園前身為北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)實驗林場，從1992年開始進行教學(xué)實習(xí)、科普教育等活動，集登山健身、休閑度假、會議培訓(xùn)和科普拓展為一體，2016年公園被水利部認定為國家水土保持科技示范園。為了充分發(fā)揮公園的科技支撐、典型示范、水土保持相關(guān)知識宣傳教育等功能，在分析、調(diào)查園區(qū)現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上進行總體規(guī)劃，補充水土保持元素，增強園區(qū)水土保持科普功能。

園區(qū)樹木園旁現(xiàn)有一不規(guī)則廢棄砂石坑(圖1)，深1～2 m，占地920 m2，園區(qū)內(nèi)雨水大部分匯流至此，再通過下游涵洞排出園區(qū)。規(guī)劃設(shè)計人員通過詳細勘查廢棄砂石坑及上下游情況，進行相關(guān)水文計算并結(jié)合園區(qū)實際情況，將此廢棄砂石坑改造成坑塘，使其成為一集雨水收集和游憩相結(jié)合的場地。

圖1 廢棄砂石坑現(xiàn)狀

2.2 現(xiàn)狀分析

(1)水資源現(xiàn)狀。廢棄砂石坑位于鷲峰山腳，匯集上游坡面來水。現(xiàn)狀因上游排水口未做沉沙措施，砂石坑內(nèi)已淤滿泥土和石塊(圖2)。現(xiàn)狀底部高程72.33 m，出水涵洞高程72.38 m，出水口高于廢棄砂石坑底部，坑內(nèi)淤積相當(dāng)嚴重，不利于雨水排出。現(xiàn)狀砂石坑不存水，目前不具有雨水調(diào)蓄利用功能。

圖2 上游排水口

(2)植被景觀現(xiàn)狀。廢棄砂石坑周圍散生幾株榆樹，以及禾本科、菊科等草本植物，且長勢不良，觀賞性極差，生態(tài)功能低。

(3)休閑設(shè)施現(xiàn)狀。廢棄砂石坑四周無任何休閑設(shè)施，不具備休閑娛樂的功能，達不到國家級森林公園的標(biāo)準(zhǔn)。

3 水文計算

3.1 坑塘匯水量計算

根據(jù)土地利用類型及當(dāng)?shù)氐钠骄杲涤炅坑嬎憧犹羺R水量。考慮到多場降雨中，降雨量小的不會形成地面徑流，特別是非雨季的降雨，因此要引入一個季節(jié)折減系數(shù)。采用以下公式計算

W=α·β·H·A

(1)

式中：α為季節(jié)折減系數(shù)，取0.85；β為集流面徑流系數(shù)；H為多年平均降雨量，mm；A為匯水面積，m2,W為坑塘匯水量，m3。

項目區(qū)內(nèi)多年平均降雨量669 mm，由于集流面為土石質(zhì)山地，徑流系數(shù)取0.2。實測集雨面積12 000 m2。根據(jù)式(1)，求得匯水量W=0.85×0.2×0.669×12 000=1 365 m3。

3.2 坑塘容積計算

根據(jù)下面公式計算坑塘蓄水容積

(2)

式中：V為坑塘蓄水容積，m3；h為坑塘深度，m；S上為坑塘上口面積，m2；S下為坑塘底面積，m2。

根據(jù)當(dāng)?shù)靥峁┑馁Y料及坑塘斷面設(shè)計圖可知：坑塘深度h= 2 m，有效蓄水面積S上=650 m2、S下=650 m2，則該坑塘蓄水容積V=1 300 m3。考慮到塘壩處截流所引入的雨水，選取坑塘復(fù)蓄次數(shù)為3次，則坑塘全年可集蓄水量V=3×1 300=3 900 m3。

4 廢棄砂石坑改造設(shè)計

4.1 清淤、防滲處理

針對園區(qū)現(xiàn)實情況，對現(xiàn)有廢棄砂石坑進行清淤，廢棄砂石坑底部做防滲設(shè)計。根據(jù)實地踏測計算，砂石坑防滲面積約為920 m2。防滲材料選用復(fù)合土工膜，其與基底承力層、保護層和覆蓋材料基面一起組成復(fù)合土工膜防滲體(圖3)。施工時先夯實基礎(chǔ)底層，并將基底整平，然后鋪復(fù)合土工膜，鋪設(shè)時預(yù)留一定的變形褶皺，土工膜上再鋪5 cm厚細沙作為保護層，最后覆黏土50 cm作為覆蓋基面，便于水生植物扎根生長。

圖3 復(fù)合土工膜防滲體結(jié)構(gòu)

在防滲工程中，土工膜是關(guān)鍵材料。其厚度的控制范圍在0.3～0.6 mm，幅寬為4～6 m。厚度小于0.3 mm 的土工膜在焊接過程中不易控制，容易破壞。從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)選用0.5 mm 厚的為宜。在本方案設(shè)計中，選用規(guī)格為一布一膜即0.5 mm的復(fù)合土工膜。基底是防滲的基礎(chǔ)，將雜物清理干凈后，采用振動碾壓實，一般碾壓2～3遍后具備鋪設(shè)條件。土工膜的鋪設(shè)以人工為主，在鋪設(shè)過程中預(yù)留搭接余量，接頭采用膠粘，接縫寬50 mm。

4.2 生態(tài)護岸

為了減少施工成本，利用現(xiàn)有砂石坑淤泥，并增加周邊景觀特色，使其與周邊自然和諧一致。砂石坑周邊采用土工石籠袋防護(圖4)，土工石籠袋尺寸500 cm×700 cm×500 cm，沿溝底錯層碼放5層，土工石籠袋內(nèi)裝坑塘清淤土。

4.3 植物選擇

植物選擇要符合“以鄉(xiāng)土植物為主，選擇生長力強、凈化能力強的物種”等原則。坑塘內(nèi)適宜栽植水生植物。水生植物是營造城市雨水景觀的功能性植物，其能夠利用自身光合作用、呼吸作用及根系分泌物給雨水收集凈化系統(tǒng)生境內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)提供能量和載體，豐富水生生態(tài)系統(tǒng)多樣性以達到雨水凈化目的[8]。

圖4 土工石籠護岸

案例中，坑塘淺水區(qū)栽植菖蒲(AcoruscalamusL.)、千屈菜(LythrumsalicariaL.)、蘆葦(Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.)等北京市常見野生水生植物，配合生態(tài)護岸形式,增加景觀效果。菖蒲主要以觀葉為主，葉片柔軟，呈黃褐色至淺綠色；千屈菜以觀花為主，花色呈紫色至紫紅色；蘆葦可觀賞花絮及枝葉，枝干直立柔軟。這3種植物成片狀交替、高低錯落有致地分布。此外，這些植物均具有較強的去污能力。其中，當(dāng)雨水停留時間為6 d時，菖蒲的COD去除率和TP去除率均在80%以上[9]，TN去除率達到70%以上[10]；千屈菜的COD去除率在40%以上，TP去除率在70%以上，TN去除率在30%以上[11]；蘆葦?shù)腡P去除率在70%以上，COD去除率和TN去除率均在50%以上[10]。詳見表1。

4.4 旅游休閑

為了給游人提供更多的親水空間，在坑塘周邊沿岸設(shè)置仿木樁汀步，汀步寬1 m，用素土夯實，鋪50 mm厚沙土作為基層，上鋪60 mm厚圓形仿木樁。圓形汀步間距61～280 mm，不規(guī)則布置，仿木樁半徑250 mm或410 mm，汀步間栽植委陵菜進行綠化點綴。

5 結(jié) 語

通過清淤、防滲、生態(tài)護岸、植物配置等改造設(shè)計，將昔日公園廢棄砂石坑改造成坑塘，使其在發(fā)揮蓄水功能的同時能夠凈化水質(zhì)，而且還具有觀賞價值，能夠為旅游者及城市居民提供更大的旅游休閑空間，是今后同類廢棄砂石坑改造設(shè)計的工程典范，也為雨洪管理提供成功經(jīng)驗。

表1 坑塘淺水區(qū)植物種選擇

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(責(zé)任編輯 孫占鋒)

S26

A

1000-0941(2017)07-0037-04

李丹雄(1989—)，女，廣西欽州市人，助理工程師，碩士，主要從事小流域治理、水土保持方案編制等工作。

2017-03-15