我國南方城市建設(shè)項(xiàng)目雨水集蓄利用措施及其配置模式

孔東蓮，田 露，袁普金，王夢瑤，侯 琨

(1.水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100053；2.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

隨著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)改革的不斷深入，我國正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的關(guān)鍵階段，城市人口快速增長，特別是長三角、珠三角、京津冀和長江中游城市群等大型城市群落不斷擴(kuò)張。伴隨城市化進(jìn)程的加快，大量的地面硬化和生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目使得城市不透水下墊面面積不斷增加，城市缺水與內(nèi)澇的矛盾日益凸顯。如何將雨水有效集蓄利用，最大限度地恢復(fù)城市水文自然進(jìn)程已成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。目前，國外發(fā)達(dá)國家的雨水集蓄與利用措施體系已逐漸完善并趨近成熟，而我國城市水土保持中雨水集蓄與利用方面的經(jīng)驗(yàn)仍存在明顯不足。我國于21 世紀(jì)初提出了建設(shè)具有中國特色的海綿城市的思路，2015—2016年住建部共選取30個(gè)城市開展海綿城市試點(diǎn)建設(shè)，對(duì)推動(dòng)我國城市建設(shè)項(xiàng)目的雨水集蓄與利用、規(guī)范技術(shù)應(yīng)用和工程實(shí)踐起到了積極的推動(dòng)作用[1-3]。

城市雨水徑流控制工程建設(shè)目標(biāo)受雨水量、地形、城市水環(huán)境等條件影響[4]。我國幅員遼闊，南方城市與北方城市對(duì)城市雨水管理控制工程的建設(shè)需求和目標(biāo)不同：南方城市天氣溫暖潮濕，雨水量大而持續(xù)時(shí)間長，下雨頻率高，其海綿城市規(guī)劃建設(shè)重點(diǎn)是防洪排澇和提升城市水環(huán)境品質(zhì)；北方城市通常天氣寒冷干燥，雨水量小而持續(xù)時(shí)間短，下雨頻率低，城市雨洪管理重點(diǎn)偏重緩解城市缺水和提升城市水環(huán)境[5]。筆者以武漢、蘇州、杭州等為研究對(duì)象，將雨水集蓄利用措施分為雨水徑流集蓄、入滲利用、集蓄入滲結(jié)合和凈化四大類，闡述南方典型城市建設(shè)項(xiàng)目各類雨水集蓄利用措施的構(gòu)成及特點(diǎn)，分析其不同的雨水集蓄利用措施體系功能，并提出南方典型城市建設(shè)項(xiàng)目雨水集蓄利用措施配置模式。

1 南方城市雨水集蓄利用措施的分類與特點(diǎn)

一般來說，以雨水集蓄、入滲、集蓄入滲結(jié)合和凈化四種方式對(duì)城市天然雨水進(jìn)行收集、利用。雨水集蓄措施有雨水罐和調(diào)節(jié)塘；雨水入滲措施有透水鋪裝、綠色屋頂、生態(tài)樹池、滲透塘；入滲集蓄結(jié)合措施主要有下沉式綠地、植草淺溝、生物滯留設(shè)施、雨水濕地四種；雨水凈化主要有植被緩沖帶、初期雨水棄流設(shè)施兩種。以下分別簡述這12種雨水集蓄利用措施的構(gòu)成、特點(diǎn)、作用及適用性。

1.1 雨水徑流集蓄措施

(1)雨水罐。雨水罐為地上或地下封閉式的簡易雨水集蓄利用設(shè)施?？捎盟芰?、玻璃鋼或金屬等材料制成，雨水罐多為成型產(chǎn)品，施工安裝方便，便于維護(hù)，但容積較小，雨水凈化能力有限。雨水罐適用于城市建設(shè)中市政、住宅及多功能類項(xiàng)目(適用于單體建筑屋面雨水的收集利用)。雨水罐典型設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 雨水罐典型設(shè)計(jì)斷面示意

(2)調(diào)節(jié)塘。調(diào)節(jié)塘也稱干塘，以削減峰值流量功能為主，一般由進(jìn)水口、調(diào)節(jié)區(qū)、出口設(shè)施、護(hù)坡及堤岸構(gòu)成，也可通過合理設(shè)計(jì)使其具有滲透功能，起到一定的補(bǔ)充地下水和凈化雨水的作用。進(jìn)水口多設(shè)置碎石、消能坎等消能設(shè)施，防止水流沖刷和侵蝕。塘深一般0.6～3 m。塘底設(shè)計(jì)成可滲透時(shí)，塘底滲透面距離季節(jié)性最高地下水位或巖石層不應(yīng)小于1 m，距離建筑物基礎(chǔ)不應(yīng)小于3 m(水平距離)。調(diào)節(jié)塘一般設(shè)計(jì)成多級(jí)出水口形式，以控制調(diào)節(jié)塘水位。調(diào)節(jié)塘典型設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 調(diào)節(jié)塘典型設(shè)計(jì)斷面示意

1.2 雨水徑流入滲措施

(1)透水鋪裝。透水鋪裝是目前城市建設(shè)中常用的一種鋪裝構(gòu)件，其形式分為表面有孔和無孔兩種。有孔的透水鋪裝雨水下滲作用和美化景觀作用大，無孔的透水鋪裝由斷級(jí)配的水泥砂漿組成，雨水下滲作用較小。該措施主要用于城市建設(shè)類項(xiàng)目、平原地區(qū)公路項(xiàng)目等。透水鋪裝典型設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 透水鋪裝典型設(shè)計(jì)斷面示意

(2)綠色屋頂。綠色屋頂一般由排水層、過濾層、土壤基質(zhì)層和植被層構(gòu)成。目前，國際上通行的綠色屋頂分類方法是依據(jù)其基質(zhì)厚度分為拓展型綠色屋頂和密集型綠色屋頂。①拓展型綠色屋頂基質(zhì)層較薄，施工方便，造價(jià)低廉，養(yǎng)護(hù)簡單，主要栽植草坪、地被、小型灌木和攀緣植物。②密集型綠色屋頂基質(zhì)層較厚，造價(jià)較高，養(yǎng)護(hù)要求高，可以支持大灌木和小喬木生長。此外，綠色屋頂對(duì)綠化面積有一定要求，如加拿大多倫多綠色屋頂建設(shè)規(guī)定綠化面積占屋頂面積的20%～60%，而美國要求綠化面積占50%。

綠色屋頂具有延緩達(dá)到徑流峰值所需時(shí)間、削減徑流峰值、延遲產(chǎn)流時(shí)間和削減雨水徑流污染物濃度等作用。其調(diào)控方式主要有以下幾種：①雨水可以被基質(zhì)的空隙吸納或者被基質(zhì)中的吸收劑吸納；②綠色屋頂通過攔截雨水削減屋頂徑流；③一些水分可以滯留在植物表面，通過植物蒸騰或者基質(zhì)蒸發(fā)回到大氣中。綠色屋頂?shù)湫驮O(shè)計(jì)見圖4。

圖4 綠色屋頂?shù)湫驮O(shè)計(jì)斷面示意

(3)生態(tài)樹池。生態(tài)樹池包括通過隔板隔開的種植區(qū)和集水區(qū)，集水區(qū)的上部設(shè)有無縫隙的蓋板，隔板的底部設(shè)有底孔，集水區(qū)的外壁設(shè)有外溢流孔，隔板上設(shè)有內(nèi)溢流孔。種植區(qū)中的樹池填料從下至上依次為礫石層、給水廠污泥與爐渣的混合層、種植土層、陶粒層。內(nèi)溢流孔和外溢流孔的高度與所述種植土層底部的高度平齊。

生態(tài)樹池可以將雨水凈化，并收集凈化后的雨水，可以通過樹木自吸達(dá)到澆灌的效果。適用于道路兩旁綠化帶，并以喬木為主。典型設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 生態(tài)樹池典型設(shè)計(jì)斷面示意

(4)滲透塘。滲透塘是一種用于雨水下滲補(bǔ)充地下水的洼地，具有一定的凈化雨水和削減峰值流量的作用。該措施在南方城市雨水控制工程中較為常見。滲透塘多設(shè)置沉沙池、前置塘等預(yù)處理設(shè)施，去除大顆粒的污染物并減緩流速；有降雪的城市，應(yīng)采取棄流、排鹽等措施防止融雪劑侵害植物。邊坡坡度一般不大于1∶3，塘底至溢流口水位一般不小于0.6 m。底部構(gòu)造一般為200～300 mm 的種植土、透水土工布及300～500 mm 的過濾介質(zhì)層。排空時(shí)間不大于24 h。設(shè)溢流設(shè)施，并與城市雨水管渠系統(tǒng)和超標(biāo)雨水徑流排水系統(tǒng)銜接，外圍應(yīng)設(shè)安全防護(hù)措施和警示牌。滲透塘典型構(gòu)造如圖6所示。

圖6 滲透塘典型設(shè)計(jì)斷面示意

滲透塘可有效補(bǔ)充地下水、削減峰值流量，建設(shè)費(fèi)用較低，但對(duì)場地條件要求較嚴(yán)格，對(duì)后期維護(hù)管理要求較高。滲透塘適用于匯水面積較大且具有一定空間的區(qū)域。該措施在南方多雨城市較為常見。

1.3 入滲集蓄結(jié)合措施

入滲集蓄結(jié)合措施主要包括下沉式綠地、植草淺溝、生物滯留設(shè)施、雨水濕地。

(1)下沉式綠地。下沉式綠地是指具有滯留、蓄存及下滲雨水功能的、低于周邊道牙地表5～10 cm的低洼綠地。既可使雨水直接下滲補(bǔ)給土壤持留水和地下水，也能將部分雨水匯集到集雨式綠地內(nèi)短暫滯留或蓄存，并緩慢入滲補(bǔ)充地下水。在城市開發(fā)建設(shè)中，下沉式綠地作為一種十分有效的雨水集蓄利用措施被廣泛應(yīng)用。下沉式綠地典型設(shè)計(jì)見圖7。

圖7 下沉式綠地典型設(shè)計(jì)斷面示意

(2)植草淺溝。植草淺溝實(shí)為在綠地內(nèi)設(shè)置的為加快綠地內(nèi)雨水下滲的排水溝，主要由反濾織物和透水性材料(級(jí)配砂石)組成。在城市水土保持措施中，大多植草淺溝布設(shè)在集雨式綠地內(nèi)，與集雨式綠地配合共同對(duì)雨水進(jìn)行蓄存與入滲。植草淺溝作為城市雨水收集及利用雨水的一種新型措施，既可有效地增加綠地的雨水入滲效率，使綠地內(nèi)雨水得到充分入滲，有著較強(qiáng)的入滲能力，又可短暫蓄存雨水，是一種較好的雨水蓄存及加速入滲措施。植草淺溝是在集雨式綠地的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)形成的，在集雨式綠地的基礎(chǔ)上繼續(xù)下凹，并在壤土層下鋪設(shè)砂石及粗砂等透水性材料，以加速雨水入滲。植草淺溝典型設(shè)計(jì)見圖8。

(3)生物滯留設(shè)施。生物滯留設(shè)施是在地勢較低的區(qū)域種植植物，通過植物截流、土壤過濾滯留雨水，并可對(duì)處理后的雨水加以收集利用的措施。生物滯留系統(tǒng)是由表面雨水滯留層、種植土壤覆蓋層、植被及種植土層、砂濾層和雨水收集等部分組成。生物滯留設(shè)施適用于道路兩側(cè)的綠化隔離帶，用于收集市政道路雨水。生物滯留設(shè)施典型設(shè)計(jì)見圖9。

圖8 植草淺溝典型設(shè)計(jì)斷面示意

圖9 生物滯留設(shè)施典型設(shè)計(jì)斷面示意

(4)雨水濕地。雨水濕地，也稱人工濕地，是一種人工淺沼澤系統(tǒng)，用來處理城市雨水并控制徑流水量。雨水濕地一般設(shè)計(jì)成防滲型以便維持雨水濕地植物所需要的水量，雨水濕地與濕塘的構(gòu)造相似，一般由進(jìn)水口、前置塘、沼澤區(qū)、出水池、溢流出水口、護(hù)坡與駁岸、維護(hù)通道等構(gòu)成，主要作用是沉淀雨水中大顆粒污染物。主塘一般包括常水位以下的永久容積和儲(chǔ)存容積，永久容積水深一般為0.8～2.5 m，儲(chǔ)存容積一般根據(jù)所在區(qū)域相關(guān)規(guī)劃提出的“單位面積控制容積”確定。雨水濕地應(yīng)滿足以下要求：①進(jìn)水口和溢流出水口應(yīng)設(shè)置碎石、消能坎等消能設(shè)施，防止水流沖刷和侵蝕。②雨水濕地應(yīng)設(shè)置前置塘對(duì)雨水進(jìn)行預(yù)處理。③沼澤區(qū)包括淺沼澤區(qū)和深沼澤區(qū)，是雨水濕地主要的凈化區(qū)，其中淺沼澤區(qū)水深一般為0～0.3 m，深沼澤區(qū)水深一般為0.3～0.5 m，根據(jù)水深不同種植不同類型的水生植物。④雨水濕地調(diào)節(jié)容積內(nèi)的水應(yīng)在24 h內(nèi)排空。⑤出水池主要起防止沉淀物的再懸浮和降低溫度的作用，水深一般為0.8～1.2 m，出水池容積約為總?cè)莘e(不含調(diào)節(jié)容積)的10%。雨水濕地典型構(gòu)造見圖10。

圖10 雨水濕地典型設(shè)計(jì)斷面示意

雨水濕地適用于城市建設(shè)中公建、住宅、多功能及廠房類項(xiàng)目，適用于具有一定空間條件的建筑與小區(qū)、城市道路、城市綠地、濱水帶等區(qū)域。

1.4 雨水凈化措施

(1)植被緩沖帶。植被緩沖帶位于坡度較緩的植被區(qū)，通過植被攔截及土壤下滲作用可減緩地表徑流流速，并去除徑流中的部分污染物。植被緩沖帶規(guī)劃要點(diǎn)：①坡度一般2%～6%，寬度不宜小于 2 m。②不宜布置在坡度較大的區(qū)域，以免降低其雨水凈化效果。宜建造在池塘邊、湖濱帶，也可設(shè)于城市道路兩側(cè)，可作為生物滯留設(shè)施等低影響開發(fā)設(shè)施的預(yù)處理設(shè)施，與市政排水系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)整體。植被緩沖帶典型設(shè)計(jì)見圖11。

圖11 植被緩沖帶典型設(shè)計(jì)斷面示意

(2)初期雨水棄流設(shè)施。初期雨水棄流指通過一定方法或裝置將存在初期沖刷效應(yīng)、污染物濃度較高的雨水初期徑流予以棄除，以降低雨水的后續(xù)處理難度。棄流雨水應(yīng)進(jìn)行處理，如排入市政污水管網(wǎng)(或雨污合流管網(wǎng))由污水處理廠進(jìn)行集中處理等。

雨水棄流裝置按照安裝方式可分為管道安裝式和埋地式，按控制方式又可分為自控棄流裝置和非自控棄流裝置，按照棄流技術(shù)原理可分為容積式、半容積式、切換式、流量式、雨量式初期雨水棄流裝置和其他形式的棄流裝置。棄流形式包括自控棄流、滲透棄流、棄流池、雨落管棄流等。初期雨水棄流設(shè)施典型設(shè)計(jì)見圖12。

圖12 雨水棄流裝置典型設(shè)計(jì)示意

2 南方城市建設(shè)項(xiàng)目雨水集蓄利用措施配置模式及應(yīng)用

南方城市建設(shè)項(xiàng)目雨水集蓄利用措施的截流降污作用主要體現(xiàn)在雨季。北方地區(qū)雨水較少，較強(qiáng)雨水相對(duì)集中，南方地區(qū)的雨季長，雨水量大，雨水破壞力強(qiáng)，城市排水壓力較大。南方城市雨水資源豐富，水環(huán)境容量大，具備規(guī)模利用的潛力，但雨水回收利用項(xiàng)目產(chǎn)生的環(huán)境效益低于北方。與北方資源性缺水相比，南方城市水環(huán)境呈現(xiàn)水質(zhì)性缺水和結(jié)構(gòu)性缺水交互的特點(diǎn)。所以南方雨水集蓄措施主要是以排為主，以凈為輔，以滯滲蓄共用的方式完成城市雨水的控制管理。

在這里將南方城市建設(shè)項(xiàng)目分為市政配套設(shè)施、公建設(shè)施類、居民住宅類、商業(yè)辦公類、工業(yè)廠房類五種類型[6-7]，并對(duì)前面三種建設(shè)項(xiàng)目典型雨水集蓄措施模式進(jìn)行分析。

2.1 市政配套工程

市政配套工程主要包括城市道路、市政管網(wǎng)、公園等市政工程。南方地區(qū)城市雨水控制主要以排為主。雨水集蓄措施布設(shè)應(yīng)根據(jù)道路與周邊綠地場地條件，將車行道雨水排入兩側(cè)下沉式綠地，超標(biāo)雨水通過溢流口排入雨水管網(wǎng)。人行橫道設(shè)置透水鋪裝。主要雨水集蓄措施包括路緣石開口、下沉式綠地、植草溝、透水鋪裝等。常見的市政配置工程雨水徑流管理流程見圖13。

圖13 市政配套工程雨水徑流管理流程

南方城市市區(qū)內(nèi)水系復(fù)雜，考慮臨湖、臨港道路的特殊性，雨水徑流經(jīng)過下沉式綠地等具有凈化措施的雨水集蓄措施后，部分會(huì)被直接排入城市水系和市政管網(wǎng)。A項(xiàng)目位于武漢市漢陽區(qū)，改造區(qū)有較多道路直接臨湖、 臨港。雨水集蓄利用工程采用如下的處理方式：維持現(xiàn)狀機(jī)動(dòng)車道不動(dòng)，對(duì)于人行道(部分含非機(jī)動(dòng)車道)的橫坡進(jìn)行反向調(diào)整，人行道結(jié)構(gòu)改造為透水磚鋪裝結(jié)構(gòu)，同時(shí)在路側(cè)設(shè)置LID下沉式綠地及生態(tài)護(hù)坡，收集經(jīng)由人行道側(cè)匯入的雨水(見圖14)。

圖14 臨湖、臨港道路改造后斷面示意

2.2 公建設(shè)施類

公建設(shè)施類項(xiàng)目多利用其場地條件，將單體建筑屋面匯水、道路徑流引入周圍綠地下滲，利用植草溝或下沉式綠地對(duì)超滲雨水進(jìn)行轉(zhuǎn)輸、滯留；并設(shè)置雨水花園、生物滯留帶等措施對(duì)雨水進(jìn)行凈化、調(diào)蓄。南方城市水系縱橫交錯(cuò)，部分地面徑流會(huì)直接排放至城市河流中。

該類項(xiàng)目的雨水集蓄措施以集蓄與入滲結(jié)合措施和雨水入滲措施為主。常見的雨水措施配置模式見圖15。

圖15 公建設(shè)施工程雨水措施配置模式

2.3 房屋建筑類

房屋建筑類多以居民住宅為主。首先，采用以雨水罐、蓄水池為主的徑流集蓄措施和以植被緩沖帶、初期雨水棄流為主的截污凈化技術(shù)；其次，由于目前居民小區(qū)景觀需求較高，經(jīng)過初期棄流設(shè)施的雨水徑流多匯入雨水花園；再次，輔助以透水磚鋪裝、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施為主的入滲措施和集蓄措施；最后，居民小區(qū)建筑密度大，屋頂面積占比較大，綠色屋頂也是建筑小區(qū)常用的雨水集蓄利用措施之一。常見的居民住宅工程雨水處理措施配置模式見圖16。

圖16 居民住宅工程雨水處理措施配置模式

3 結(jié)論與討論

(1)結(jié)合南方城市降雨徑流和水環(huán)境特點(diǎn)，將雨水集蓄利用單項(xiàng)措施分為徑流集蓄措施、雨水入滲措施、雨水徑流凈化措施、雨水徑流集蓄結(jié)合措施四種類型。以滲透塘等為代表的雨水集蓄措施和以初期雨水棄流裝置等為代表的凈化措施為南方主要典型雨水集蓄措施。

(2)通過實(shí)地調(diào)研和資料分析，對(duì)市政配套設(shè)施、公建設(shè)施類、居民住宅類三種城市建設(shè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的典型雨水處理措施配置模式進(jìn)行的特點(diǎn)分析表明，公建設(shè)施類、居民住宅類等人口密度較大、環(huán)境要求較高的建設(shè)類型多具有“強(qiáng)排為主、凈化并重”的特點(diǎn)。市政配套工程等建設(shè)項(xiàng)目因匯水面積較大，多具有“自排為主，強(qiáng)排為輔，調(diào)蓄并重”的特點(diǎn)。

(3)我國幅員遼闊，氣候、地形和城市水環(huán)境特征差距較大，未來有必要將城市雨水控制工程措施布設(shè)與城市實(shí)際的地質(zhì)水文條件結(jié)合起來，進(jìn)一步優(yōu)化城市雨水配置模式，加強(qiáng)雨水集蓄凈化效果的動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作，提高城市洪澇災(zāi)害防治能力和雨水資源高效利用，進(jìn)一步促進(jìn)城市水系良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 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(shí)踐研究[J].中國軟科學(xué)，2016(1):79-97.

[2] 馮艷，胡繼燕，劉傳龍.基于海綿城市理念的我國鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃問題與策略[J].城市發(fā)展研究，2016，23(11)：19-22.

[3] 何志誠，周洪兵，孫喬治，等.淺析國內(nèi)海綿城市建設(shè)現(xiàn)狀及對(duì)策[J].江西建材, 2016(21):74-75.

[4] 仇保興.海綿城市(LID)的內(nèi)涵、途徑與展望[J].中國勘察設(shè)計(jì)，2015(7):1-7.

[5] 李俊奇，王文亮，車伍，等.海綿城市建設(shè)指南解讀之雨水徑流總量控制目標(biāo)區(qū)域劃分[J]. 中國給水排水，2015(8):6-12.

[6] 舒安平，尤偉，周星，等.北京城市雨水集蓄措施配置模式應(yīng)用案例分析[J].中國水土保持，2016(2):41-43.

[7] 舒安平，尤偉，周星，等.北京城市雨水蓄滲措施分類及配置模式[J].中國水土保持，2015(10)：18-22.