基于海綿城市建設設計的 LID 技術探究

朱一銘，許麗華，張高鋒，劉慧慧，黃 云，陳鎂芬（.中節能綠建環保科技有限公司，浙江 杭州 300；.中節能實業發展有限公司，浙江 杭州 300）

制約我國城市生態發展的核心因素之一是城市雨洪災害和水污染管理[1]。其產生的主要原因是城市地表硬質鋪裝面積比例急劇增大、雨水下滲量減少、地表徑流增加及市政排水系統的負荷加重[2－3]。此外，初期雨水中的污染物直接排入水體，使受納水體的水質受到極大的威脅[4]。在 20 世紀 70 年代，國外很多研究就已經對準了大量損失的雨水情況，20 世紀 80 年代美國專家在雨水花園上提出低影響開發（Low Impact Design or Develop-ment，LID）設計理念，這一理念主要就想通過植物自然下滲的辦法讓雨水自然地進入地底。2000 年，有相關研究院出版了對應的理論文章，第一次對 LID 進行了定義，稱其是一種以保持或再現場地開發前的水文形態作為目標的一個設計策略。我國也對 LID 這一技術進行了長時間的研究，并在“2012 低碳城市與區域發展科技論壇”中首次提出了“海綿城市”這一概念，即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。海綿城市建設一方面能有效降低城市降雨洪水危害，緩解市政基礎設施排水壓力；另一方面，還能夠有效凈化處理收集到的雨水資源，實現回收再利用，達到節約資源、保護生態環境的目的。

1 海綿城市 LID 技術

海綿城市 LID 技術根據其在雨水控制與管理功能方面的不同，可分為增加雨水滲透量與蒸發量、削減洪峰流量與徑流量，以及延長峰現時間 3 方面[5]。

1.1 增加雨水滲透量與蒸發量

傳統城市場地開發以“灰色設施”為主，增加了不透水地表的面積，改變原有場地的水文條件，導致場地蒸發滲透徑流比例發生重大改變，蒸發蒸騰量與滲透量降低，地表徑流量增加。徑流系數變大，蒸發蒸騰量與滲透量下降，最終形成大面積地表徑流，一旦超過城市排水系統負荷就會導致城市內澇。海綿城市 LID 技術有較多技術可以在源頭就復原其三者比例，特別是增加滲透量，如雨水花園、下凹式綠地、生態樹池等。在有湖泊、河流、濕地等景觀水體的場地，合理規劃雨水徑流路線，使雨水流入湖泊、河流等，以增加滲透量。還有透水鋪裝、植草磚等可增加道路底部的雨水滲透量。

LID 中的設施有很多具有增加蒸發的性能。主要可分為 3 種：第 1 種利用植被來增加蒸發量，如下凹式綠地、綠色屋頂、植草溝等；第 2 種表面有蓄水水面，如景觀水景、濕地、干塘濕塘等；第 3 種采用多孔設備，如透水磚、透水混凝土等。

1.2 削減洪峰流量與徑流總量

通過在場地開發規劃階段就加入海綿城市 LID 技術，對場地雨水徑流路徑進行合理設計，在不影響場地使用功能的前提下減少各雨水匯集集中程度，使雨水分散地匯入，增加雨水流經時間，從而降低洪峰流量。LID 技術中生物滯留池、下凹式綠地和透水鋪裝可以明顯削減洪峰流量。

在削減雨水徑流量方面，幾乎所有 LID 設施均具備這個功能。其可分為 3 種：第 1 種包括雨水花園、低綠地、生態樹池等，主要儲存雨水使其下滲來實現；第 2 種如砂濾池、透水鋪裝等，主要通過增加滲透型來降低地表徑流量；第 3 種包括蓄水模塊、調蓄池等，是通過將雨水儲存起來不排放或少排放的形式來達到減少徑流量的目的。

1.3 延長峰現時間

植草溝、滲透盲溝等 LID 設施均是利用延長地表徑流通路來延長匯流時間，從而延長峰現時間。植草溝，不僅可以代替部分雨水傳輸管道，同時還可以通過植物及土壤等對水體進行凈化去污，達到雨水利用和面源污染控制的雙重目的。

2 工程實例

2.1 工程介紹

昆山低碳主題公園 B 2 地塊辦公項目距離昆山中心區 5～6 Km，總用地面積 91 455.10 m2，總建筑面積 104 141.86 m2，綠地率達到 35.01%，共有兩期。本次研究對象為二期，該區域由 58 幢 3 層辦公樓組成，總用地面積為 63 017.73 m2，總建筑面積為 46 225.78 m2，地上建筑面積 28 353.16 m2，地下建筑面積為 17 872.62 m2，容積率為 63.00%，綠地率為 35.14%。本地塊位于昆山低碳主題公園內，北側為 A 1 住宅片區，東臨玉湖，南側為產業園區。整個主題公園以活躍的中心湖為生態核，公園內的水域分為內湖、南湖和西湖 3 個部分：南湖水面面積為 80 798.00 m2，北湖水面面積為 194 776.00 m2，西湖水面面積為 31 746.00 m2，共計水面面積為 307 311.00 m2，平均水深為 3.00 m。

2.2 昆山市氣候情況

昆山屬北亞熱帶南部季風氣候區，氣候溫和濕潤，四季分明，雨量充沛，年平均氣溫 16.5℃。年平均降水量 1 093.41 mm，最多年降水量 1 522.4 mm，最少年降水量 826.10 mm，年平均降水日數 124 d，最多年降水日數 144 d，最少年降水日數 99 d。年平均日照時數 1 974.8 h，最多年日照時數 2 307.4 h，最少年日照時數 1 643.4 h，年平均日照百分率 45%。年平均相對濕度 79%。年平均風速 3.1 m/s，冬季盛行東北風-西北風，夏季盛行東南風，年最多風向為東南風。

2.3 確定城市的內澇防治設計重現期和徑流系數

根據《省政府辦公廳轉發省住房城鄉建設廳關于加強全省城市排澇設施建設管理意見的通知》（蘇政辦發〔2011〕20 號文件)，昆山市開展了設計暴雨強度公式和設計雨型研究項目，并于 2017 年 4 月 25 日啟用新的暴雨強度公式和設計雨型，適用范圍為昆山市市域。根據排水防澇及海綿城市規劃設計的實際需求，采用皮爾遜 Ⅲ 型分布曲線形成的昆山市暴雨強度公式，適用于降雨歷時 ＜1 440 min 的情況，以指導城市排水防澇設計計算。計算公式見式（1）。

式中： i —設計暴雨強度，mm/min；

t —降雨歷時，min；

TM—重現期，y。

根據暴雨強度公式，昆山 20 年一遇、30 年一遇、50 年一遇、100 年一遇設計雨量分別為 233.6 mm、247.3 mm、264.6 mm、288.1mm[6]。

2.4 年徑流總量控制率選取

收集建設地逐日降雨資料，將多年的降雨量日值按雨量大小分類，扣除 ＜2.0 mm 的降雨量，將降雨量日值由小到大進行排序，統計出每年小于某一降雨量數值的降雨總量。小于該數值的取真實雨量進行累計計算，大于該數值的取該降雨量數值累計計算，計算得出兩個降雨總量，兩個降雨總量之和與年總降雨量的比值即為年徑流總量控制率。此比率對應的降雨量即為設計降雨量[7]。

根據如上統計方法，得到昆山市年徑流總量控制率與設計降雨量關系，見表 1。

表1 昆山市年徑流總量控制率與設計降雨量對應關系

我國大陸地區海綿城市建設大致分為 5 個區，各區年徑流總量控制率 α 的最低和最高限值為： I 區（85.0%≤α≤90.0%）、II 區（80.0%≤α≤85.0%）、Ⅲ 區（75.0%≤α≤85.0%）、IV 區（70.0%≤α≤85.0%）、V 區（60.0%≤α≤85.0%）。昆山市屬海綿城市建設分區的Ⅲ區，其年徑流總量控制率取值宜為 75.0%～85.0%。另外本項目將地塊分為 86 個匯水區，對 86 個匯水區的年徑流量控制率取平均值，該值為 75.4%。綜合考慮指南建設要求、昆山市功能需求及地塊要求等因素，本項目建設用地年徑流總量控制率需達到 75.4%，對應設計降雨量 22.5 mm。

2.5 雨水設施選擇

通過對大量海綿城市專項設計方案及施工圖設計資料調研發現，新建項目海綿設施占綠地總面積的比例 ≤15% ，不會對原有景觀方案造成太大影響，且由于在原有方案中植入海綿理念，豐富了景觀多樣性，實現了綠地的綜合功能。通過數據分析，場地綠地率和對應最佳可實現的年徑流總量控制率的相關關系，如表 2 所示。當場地綠地率達到 30.0% 時，它對應最佳可行實現的年徑流量總控制率可達到 75.0%；當場地綠地率達到 35.0% 時，對應最佳可行實現的年徑流量總控制率可達到 80.0%。當綠地率 ≤15.0%時，單純依靠綠地內海綿設施場地將難以較好地實現雨水徑流控制，需考慮雨水初期棄流、污染物攔截器、雨水調蓄利用裝置等工程設施的應用。

表2 綠地率及最佳可行實現年徑流總量控制率相關關系

昆山低碳主題公園 B 2 地塊二期綠地率 35.0%，將海綿設施與綠地融合完全可以達到年徑流量控制率 75.0% 的目標。綜合考慮各海綿設施的適用性、功能性、經濟性、景觀效果，以及項目場地的徑流組織、豎向設計、工程實踐、維護成本及景觀要求，按先綠色后灰色、先地上后地下的原則，擬訂如下方案：建筑、道路周邊及部分景觀綠地采用下凹式綠地、生物滯留池、溢流井、前置塘與調蓄池等設施；人行道路采用透水磚鋪裝；地面停車位全部采用生態停車位。

2.6 海綿設施體積計算

2.6.1 場地綜合徑流系數計算

(1) 計算公式見式（2）

式中： ψz—徑流系數；

F —匯水面積，m2；

Fi—匯水上各類下墊面面積，m2；

Ψi—各類下墊面的徑流系數。

(2) 以匯水分區 16 為例，計算過程如下。

匯水分區 16 的總面積為 676 m2，其中硬質屋面占 155 m2，瀝青路面占地面積 107 m2，花崗巖鋪裝占地面積 176 m2，綠化占地面積 191 m2，水體占地面積 47 m2。根據《海綿城市建設技術指南》得知，硬質屋面雨量徑流系數為 0.90，瀝青路面雨量徑流系數為 0.90，花崗巖鋪裝雨量徑流系數為 0.50，綠地雨量徑流系數為 0.15，水體雨量徑流系數為 1.00。

則按式（2）得場地綜合徑流系數為：

(3) 以此類推計算其他區域，得出結果見表 3。

表3 場地綜合徑流系數計算結果

2.6.2 降雨量與設計徑流量計算

(1) 計算公式：

降雨量計算：

式中： Q —降雨量，m3；

hy—設計降雨量，22.5 mm；

F —匯水面積，m2。

設計控制徑流量計算：

式中：W—設計控制徑流量。

(2) 以匯水分區 1 6 為例，計算過程如下。匯水分區 1 6 的總面積為 6 7 6 m2，則降雨量 Q =6 7 6 m2×22.5 mm/1 000=15.21 m3，設計徑流量 W=15.21 m3×0.59=8.97 m3。

(3) 以此類推計算其他區域，得計算結果見表 4。

表4 設計調蓄容量與實際調蓄容量計算結果

2.6.3 海綿設施實際調蓄體積

滲透設施的有效滲透面積應按下列要求確定。

(1) 水平滲透面按投影面積計算；

(2) 豎直滲透面按有效水位高度的 1/2 計算；

(3) 斜滲透面按有效水位高度的 1/2 所對應的斜面實際面積計算；

(4) 地下滲透設施的頂面積不計。

設計圖生物滯留池（圖 1、圖 2）為水平滲透面，有效滲透面積按投影面積算，其設施深度為 0.49 m；下凹式綠地（圖 3）包含水平滲透面與斜滲透面，有效滲透面積按投影面積與有效水位高度的 1/2 所對應斜面實際面積計算，其設施深度為 0.15 m。

以匯水區 1 6 為例，海綿設施實際調蓄體積為 V=51×0.49=24.99 m3≥設計調蓄體積 8.97 m3，符合要求。其他區域計算結果如表 3 所示。

圖1 生物滯留池及溢流井剖面圖

圖2 庭院內生物滯留池剖面示意圖

圖3 下凹式綠地剖面圖

2.6.4 海綿設施的成本與施工

昆山低碳主題公園 B 2 辦公地塊項目總投資為 25 094.00 萬元，分兩期開發，其中一期建安投入為 7 856.31 萬元，二期建安投入為 15 070.00 萬元。項目工程費用主要包括土建、安裝、設備、幕墻以及室外工程等，其中海綿設施投資約為 400.00 萬元。

工程實施詳細步驟：根據圖紙的相關要求進行滯留池的挖掘工作，挖掘好后把土壤夯實起來→進行排水管道安放（安放前鋪上防滲漏膜，注意防水措施）→進行材料的填充→結合匯水點，在生物滯留池周圍進行景觀石擺放。

注意事項：① 挖掘溝槽的形狀呈倒梯形，以便更好地收集更多的降水；② 回填的相關混合料一定要進行充分的攪拌，混合材料越是均勻對于過濾水的效果越好；③ 在進行回填之前一定做好試驗，避免回填后出現問題加大整體施工難度。

該項目的施工難點一是對其他管道避讓；另一是對于生物滯留池周邊的裝飾景物搭配方面，需要考慮雨水排放、美觀、植物存活等因素。

3 結 語

LID 建設實質上就是從源頭上對雨水進行控制，盡可能將整個降雨過程還原到場地開發前的水平。海綿城市的建造必須系統化地進行，通過了解實際的地形地貌，并對排水系統進行合理的布控，同時在設施的選擇方面也要結合具體要求以及相關設施的功能情況、場地水文地貌及經濟因素統籌分析。積累的理念經驗用到實際城市，進行海綿城市的建設才能更好地對雨洪進行管控，從而對城市的生態環境進行改善。

LID 技術讓城市能夠像海綿一樣，在應對環境交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，在需要時將存蓄的雨水“釋放”并加以利用。海綿城市建設一方面能有效降低城市降雨洪水危害，緩解城市市政基礎設施排水壓力；另一方面，還能夠有效凈化處理收集到的雨水資源，實現回收再利用，達到節約資源和保護生態環境的目的；而且，LID 技術的開發是自然地控制排水和存儲水，在成本的投入方面是相對低一些的。