西北地區基于低影響開發理念的城市雨水花園設計

張亞洲，廖偉彪，李 彬(甘肅農業大學 園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

西北地區基于低影響開發理念的城市雨水花園設計

張亞洲，廖偉彪，李 彬
(甘肅農業大學 園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

特殊的氣候條件造成了西北地區干旱少雨的現狀，雨水花園作為海綿城市建設的內容之一，以低影響開發為理念，有效的控制地表徑流、收集并儲存雨水。這些新理念新措施在一定程度上緩解了西北地區城市普遍缺水的問題，并起到涵養水源、改善城市生態環境的作用。通過對定西昌林花苑小區的雨水花園從用水結構，降雨特征及雨水利用設計深入剖析，提出雨水花園通過空間和景觀營造雨水花園集水體系設計，雨水收集利用等具體措施，以期對我國西北地區景觀設計提供理論指導和借鑒。

低影響開發；雨水花園；定西市

改革開放以來，我國經濟高速發展，城鎮化率也由1978年的17.92%提高到2015年的56.1%。城鎮過度開發造成了水資源短缺、水污染嚴重、內澇災害頻發、環境惡化等生態問題。調查顯示，城市地區70%以上的降水形成徑流被排放。雨水資源流失、徑流污染增加、城市內澇災害頻發，嚴重影響了人們生活和城市的有序運行[1]。目前，我國正全力構建海綿城市，海綿城市的試點工作已在全國14個城市展開。我國西北地區水資源匱乏氣候水文條件獨特，許多城市用水主要依賴于地下水資源，而城市中大面積的“灰色”材料和壓實土導致大量自然降水不能滲入地下，只能以地表徑流的形式從城市地下管網中白白流失，不僅給陳舊的城市排水系統帶來了壓力，并導致城市內澇等現象頻發，嚴重破壞了城市水資源循環系統的平衡，地下水位逐年下降。西北地區各大中小城市的生態均面臨前所未有的考驗。研究通過對定西昌林花苑雨水花園設計深入剖析，從項目場地分析、花園面積的確定、集水體系設計、鋪裝設計及和雨水花園植物配置等方面闡述在西北地區利用LID工程技術的方法，理清雨水花園設計脈絡，以期為我國西北地區景觀設計提供理論指導和借鑒。

1 低影響開發與雨水花園

1.1低影響開發理念的提出

低影響開發出現在20世紀90年代中期，美國馬里蘭州喬治王子縣(Prince George's County)環境資源部提出解決郊區雨水管理問題的方法——低影響開發(Low Impact Development，LID)[2]。LID旨在通過采用一定的景觀與工程技術措施保證場地在開發后其水文功能仍保持開發前的狀態，其功能包括地下水補給、滲透、控制徑流頻率和體積流量。美國住房和城市發展部發展政策研究室將LID定義為，低影響開發(LID)是綜合土地規劃、設計實踐以及工程技術的土地開發方法，同時節約和保護自然資源系統，減少基礎設施成本[3]。近年來，低影響開發理念逐漸受到國人的關注，以“海綿城市”的理念出現并為人們所熟知。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災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。2014年10月頒布的《海綿城市建設技術指南》中指出，實現海綿城市的建設目標，需要依靠低影響開發理念的雨水系統工程經驗[4]。

1.2雨水花園

雨水花園也被稱為生物滯留區域(Bioretention Area)，是指在園林綠地中種有樹木或灌木的低洼區域，由樹皮或地被植物作為覆蓋。通過將雨水滯留下滲來補充地下水并降低暴雨地表徑流的洪峰，并通過吸附、降解、離子交換和揮發等過程減少污染，是一種生態可持續的雨洪控制與雨水利用設施[5]。

雨水花園最初形成于20世紀90年代美國馬里蘭州喬治王子縣的一名地產開發商建住宅區的時候，希望用一個生態滯留與吸收雨水的場地來代替傳統的雨洪最優管理系統(BMPs)。在該郡環境資源部的協助下，該區每棟住宅都配建了30～40 m2的雨水花園。建成后數年的監測結果顯示雨水花園平均減少了75%～80%地面雨水徑流量，高效而又節能[6]。雨水花園如今作為低影響開發的主要設計手法，已延展出了多種形式。狹義的雨水花園僅為規模有限、結構簡單的淺凹綠地，適用于小區或宅院綠化；而廣義的雨水花園則可囊括具有調蓄和凈化雨水徑流能力的下沉式綠化設施[7]。

2 項目概況及區位分析

2.1項目概況

昌林花苑位于定西市安定區，西鄰南環路，呈南北走向，定臨路將其一分為二(A、B兩區)，小區內包括住宅、商業設施、休閑廣場、羽毛球場、公共綠地等，交通便捷，基礎設施齊備，是一個綜合性的中高檔小區(圖1)。項目總占地面積128 000 m2，其中雨水花園總面積為640 m2，小區景觀綠化面積約32 000 m2，人行道路、廣場等占地19 310 m2，非機動車道占地約5 737 m2，機動車道占地11 132 m2，綠地率25%，建筑密度24.6%。

圖1 區位分析Fig.1 Location analysis

2.2定西用水結構分析

定西市用水結構為農田灌溉用水、林牧漁畜用水、工業用水、城鎮公共用水、居民生活用水和生態環境用水。其中，居民用水所占比重最大。定西水資源匱乏，城市用水主要依賴地下水，隨著城市化進程加快，逐年增加的地下水開采量已大于天然補給量，匱乏的水資源成為制約定西可持續發展的不利因素。

2.3降水特征及雨水利用潛能

定西市地處西北干旱地區，屬典型的大陸性季風氣候，年降水量400～600 mm，年均降水量456 mm，全年52%的降水集中在6～8月，并呈西南向東北遞減趨勢。據統計，定西市全年雨水資源總量約0.85億m3，相當于定西市居民用水和市政用水總和，利用潛力巨大[8-9]

3 昌林花苑場地設計

3.1場地分析

從豎向看，昌林花苑A區西北低，東南高，高差在7 m；B區南高北低，高差5 m；小區整體場地與西側道路高差0.5～1.0 m。場地現狀為場地內土壤為濕陷性黃土，滲透系數介于3.0×10-4～6.0×10-4m/s。根據《建筑與小區雨水利用工程技術國標(GB50400-2006)》，雨水入滲系統的土壤滲透系數宜為10-6～10-3m/s。場地滲透系數雖然符合要求，由于場地土質為濕陷性黃土，在黃土處于干燥的條件下，土體結構穩定。土體的含水量增加，并達到一定程度后，土體的結構遭到破壞，強度大幅減弱，易造成建筑物的塌陷及道路的沉陷。因此，在定西市采用LID工程技術措施時，必須先對場地地基做濕陷性消除，采用三七灰土墊層法、沖擊壓實法和強夯法。在建筑小區內采用LID工程技術措施還必須與建筑保持適宜的距離(表1)。

表1 低影響開發設施與建筑物的防護距離

3.2雨水花園類型的選擇和面積計算

根據2013年監測數據顯示，定西市一年一遇日暴雨量45.3 mm，兩年一遇日暴雨量95.8 mm，10年一遇日暴雨量200.4 mm。基于數據和現場分析，首先對場地進行匯水分區，并根據小區節水的要求，將雨水花園定位為收集型雨水花園，共設計6處雨水花園，A區共設5處，B區設1處，分別位于A-5和A-6、A-7和A-8、A-10和A-11、A-13和A-14之間以及B-12北側的空地內。為達到小區內控制雨水徑流和收集雨水的目的，調蓄能力按照兩年一遇日暴雨量設計。雨水花園面積按匯水面積進行粗略估算[13]，得出SA5-6=90 m2，SA7-8=90 m2，SA10-11=110 m2，SA13-14=130 m2，SA11=130 m2，SB12=90 m2，雨水花園總面積為640 m2。

3.3雨水花園設計

3.3.1 雨水花園空間和景觀的營造 昌林花苑雨水花園應結合置石、石籠、旱溪、木質平臺、干池和植物景觀進行設計，花園形狀根據小區建筑、場地和周邊道路靈活布置，形成多種空間組合。

昌林花苑作為居住小區，是小區居民日常生活和閑暇休閑娛樂的場所，設計應保持人的尺度，創造出介于公共和私密之間的半開放空間。以各匯水分區間結合高差，利用道路、擋墻、木質平臺和植被等景觀元素創造一系列風格統一而形式多樣的半開放空間，成為居民進入公共空間或私密空間的過渡地帶，同時也成為半開放的活動場所。

3.3.2 雨水花園集水體系設計 雨水花園通過一系列的旱溪、干池、小疊水、串聯式水池、下沉式綠地、擋墻以及雨水收集裝置的做法，減緩暴雨時地表徑流的速度。擋土墻結合綠地的做法減緩了原有的地形高差，作為雨水流入雨水花園的緩沖地帶。每個水池邊設有溢水口，水池中必須積滿水后才能通過水池邊設置的溢水口流入下一水池。同時，由暴雨沖刷進入雨水中的雜物可以穩定的沉淀到水池中。這一系列相互聯結的水池降低了徑流速度，不僅起到蓄水作用，也為雨水下滲提供了充足的時間。干池內設置具有地方文化特色的小品，平時作為居民休閑活動場所，暴雨季節作為臨時蓄水設施(圖2)。

3.3.3 雨水收集利用 雨水的收集過程包括初期棄流、沉淀過濾、凈化儲存和回收利用[14-15]，完成這個雨水收集過程的系統便稱為雨水收集系統。雨水收集利用的技術流程為：收集管道——初期棄流裝置——雨水儲存設施——溢流管道——除污凈化系統——消毒和升壓設備——回收利用[16]。小區內的給水設備與雨水花園相結合，收集的雨水用于小區綠化澆灌等方面(圖3)。

圖2 昌林花苑雨水花園布局Fig.2 Rain garden layout of Changlin residential area

圖3 雨水收集利用工藝流程Fig.3 Process of rainwater collection and utilization

西北地區水資源匱乏，氣候水文條件獨特，許多城市用水主要依賴于地下水資源，小區內道路和廣場的鋪裝設計充分考慮了保護場地透水地面面積，減少地面徑流和積水，減輕市政排水壓力，達到保持水土、涵養水源的目的。因此，設計時首先對小區道路結構做了重新設計，由土基、墊層、基層、過濾層、透水面層等五部分組成(圖4)。

不同的透水磚根據使用環境的不同有不同的特性，透水磚的種類包括，聚合物纖維混凝土透水磚、彩石復合混凝土透水磚、混凝土透水磚、生態砂基透水磚，其中生態砂基透水磚和彩石復合混凝土透水磚價格較貴，不適合小區大面積使用。因此，小區內大部分道路采用透水混凝土鋪裝，生態停車場車位均使用植草格進行鋪砌，其他通過性場地和小型休閑場地均采用具有較強滲透能力的聚合物纖維混凝土透水磚或者混凝土透水磚作為鋪設材料，過濾層鋪20厚1∶4干硬性砂漿，基層鋪200～250厚級配石。按照綠色建筑評價標準的要求，小區內透水地面面積占室外地面總面積的比例應不低于40%的綠色節能要求[17]。

圖4 透水鋪裝的結構Fig.4 Structure of permeable pavement

3.3.5 雨水花園的植物選擇 雨水花園以天然降水為唯一水源，且花園面積有限，花園中的水流速度和水量與自然降水息息相關，雨期花園中雨水充沛，水流速度較快，有較強的沖刷作用；降水過后花園中的水體處于平穩的滲透、蒸發階段，水體的水平流動停止，隨著時間推移局部區域出現干枯現象；干旱季節花園中水體滲透、蒸發殆盡，露出花園地表及種植層。因此，雨水花園中的植物選擇了適宜本地生長的花葉水蔥[18]、千屈菜、鳶尾、美人蕉、燈心草、黃菖蒲、細葉針茅、蒲葦、花葉燕麥草等。這些花卉植物生長在花園中、水池邊、礫石溝的縫隙中，給花園增添了綠色，使其更顯生動活潑，也可以防止因雨水沖刷而引起的水土流失。此外，選用的這些植物還可起到過濾雨水殘渣、吸收有害污染物的作用，如美人蕉對COD和銨態氮去除效果明顯[19]。

4 雨水收集效益分析

4.1生態環境效益

(1)通過對小區應用海綿城市模式前后的雨水徑流進行對比，可以反映出小區截流雨水的能力，以分析海綿城市應用的環境效益。

由于不同區域有不同的雨水徑流系數，首先計算各區域下墊面的面積(Fi)分別為：

屋頂面積=總占地面積×建筑密度=128 000×24.6%=31 540 m2

下沉綠地=總占地面積×綠地率=128 000×25%=32 000 m2

透水鋪裝=廣場+非機動車道=19 310+5 737=25 047 m2

瀝青和混凝土路面=機動車道=11 132 m2。

(2)計算出區域綜合徑流系數

ψ=∑(Fi×ψi)/F[20]

式中：ψ為綜合徑流系數；F為建筑小區的總占地面積，hm2；Fi為不同類型的下墊面面積，hm2；ψi為不同類型下墊面的徑流系數(表2)。

表2 常用材料徑流系數參照表

通過表2可知各種區域的徑流系數分別為：ψ下沉綠地=0.1；ψ透水鋪裝=0.55；ψ硬屋面=0.9；ψ混凝土瀝青路面=0.9；ψ傳統綠地=0.15。

將各區域徑流系數代入公式，得出該區域綜合雨量徑流系數在傳統開發模式下：

綜合徑流系數=(31540×0.9+32000×0.15+25047×0.9+11132×0.9)÷128000=0.51

在低影響開發模式下：

綜合徑流系數=(31540×0.9+32000×0.1+25047×0.55+11132×0.9)÷128000=0.43

通過利用雨水花園的技術措施，小區的雨水徑流系數變小，說明小區能夠保留雨水的能力也大大的增加了。小區內透水鋪裝的使用減少了雨水的流失，同時集水設備的使用還增加了雨水的使用量，降低了維護小區綠化灌溉所需的成本。小區內土壤含水量的增加讓綠色植被的種類和數量增多，對于小區的生態環境有著很大的幫助[21]。

4.2雨水收集效益分析

小區可收集雨水量公式：W=αβψHA

式中：W為小區能夠收集的雨水量，m3；α為季節折減系數；β為棄流系數；H為平均降水量，mm；ψ為綜合徑流系數；A為匯水面積，m2；

式中：季節折減系數采用蘭州數值0.83，初期棄流系數俘根據降水和水質資料定為0.84，定西市年平均降水量為465 mm。

表3 北方典型城市季節折減系數

屋頂可收集雨水：

W=0.83×0.84×0.465×0.4×31540=4 090 m3

透水鋪裝可收集雨水：

W=0.83×0.84×0.465×0.55×2 5047=4 271 m3

道路可收集雨水：

W=0.83×0.84×0.465×0.9×11 132=13 758 m3

共收集雨水：

4 090+4 271+13 758=22 119 m3

按照定西市商業用水價格3.1元/m3計算，將為小區每年節約22 119×3.1=68 570元。

4.3社會效益

項目采用了以雨水花園為具體措施的低影響開發模式，能夠很大程度的降低小區對市政管網的雨水排放量，有效減緩降水期間市政管網的壓力，降低了城市部分路面積水甚至產生內澇的可能性，收集的雨水還可以凈化后進行再利用，不僅節省用水費用，而且可以提高居民節水意識。

定西氣候條件較差，人們渴望綠色生態的居住環境，但是高額的植物養護費只能讓人望而退步，如果合理利用海綿城市理論來建設小區，有望獲得一個綠色高端的居住環境，這將繼續推動更多的小區進行海綿城市的改造和修建，隨著海綿城市規模的不斷擴大，定西不但會恢復原來的自然生態環境，甚至會逐漸成為一個有山有水有景有綠的生態宜居的城市。

5 結語

西北地區的城市建設和新農村建設發展迅速，在快速建設中應該吸收過去城市建設的經驗教訓，積極探索新的理念和方法，雨水花園無疑為城市生態建設提供了理論依據和實踐方向。其低成本、低影響、低技術的景觀途徑，對我國西北眾多城市的老舊城區在解決雨洪內澇問題的策略選擇方面頗具啟發意義[22]。

在中國城市大規模更新換代的今天，人類歷史在不斷進步，工程技術也在不斷更新，新思潮、新技術的不斷涌現必然取代舊的思潮和技術。在城市內澇不斷加劇的背景下低影響開發理念應運而生，雨水花園技術可以有效解決當今城市建設和環境之間對立統一關系。人們面對當今城市建設中存在的諸多問題，希望在未來營造出更適合人類居住的具有青山綠水、雨水自然回收利用的城市生活環境，雨水花園的建造方法和技藝將不只在新的城市建設中被理解和應用，也必然使城市中舊的街區、小區、校園、辦公場所以及公園重新煥發生機與活力。

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LowimpactdevelopmentdesignofurbanraingardeninnorthwesternChina

ZHANG Ya-zhou，LIAO Wei-biao，LI Bin

(CollegeofHorticulture,GansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070,China)

Special climate condition has caused the drought situation of northwestern China.Rain garden is one of sponge city construction measures.Based on low impact development concept,the rain garden could effectively control surface runoff,collect and store rainwater.To some extent,these measures can alleviate the common problem of water shortage in northwestern China,and play an effective role for water conservation,the urban ecological environment improvement.The water usage,rainfall characteristics and rainwater utilization in the rain garden of Changlin residential area were analyzed in details and put forward the measures of designing rainwater collection system in order to provide the relevant guidence.

low impact development;rain garden;Dingxi City

X 703

A

1009-5500(2017)05-0053-06

2017-02-25；

2017-04-25

國家自然科學基金(31560563)；蘭州市科技局科技攻關項目(2011-1-29 )資助

張亞洲(1991-)，男，甘肅武山人，在讀碩士。

E-mail：WOAILUO.ZYZ@hotmail.com

李彬為通訊作者。