基于區域雨洪調控的中央公園海綿系統設計方法研究
——以灃西新城大西安中央公園為例

達周才讓

牛 萌

何俊超

白偉嵐*

鄒 舟

1 中央公園的解讀

1.1 中央公園的起源

19世紀中期，美國紐約中央公園為解決人地矛盾、環境污染、公共空間不足等一系列城市病而建設，在其建成后的一個多世紀，以其設計理念的創新性和前瞻性，被尊為現代公共空間的典范，深刻影響了城市規劃思想的發展[1]。

中央公園通常位于城市核心區域，功能綜合，具有一定規模，以綠色開放空間為基礎，是城市中重要的綠色基礎設施，對于優化城市空間結構、促進城市發展、保障城市生態安全起到積極作用。

1.2 中央公園設計理念的演變

有別于紐約中央公園建設的時代背景，中國城市的主要問題除了人地矛盾、環境污染外，還有復雜宏觀的區域性矛盾，城市生態環境、城市安全格局面臨嚴峻挑戰[2]。為了應對這些變化，在滿足公園景觀、游覽、生態、教育功能的前提下，保障城市安全成為大型中央公園的新職責[3]，隨著海綿城市、韌性城市等城市發展理念的提出，多專業融合的規劃設計成為指導城市可持續發展的重要手段。當今的中央公園應當從生態系統重塑、城市功能耦合、區域雨洪調蓄及水資源系統構建等多角度著手，構建藍綠灰協同的城市基礎設施。

1.3 中國中央公園海綿系統設計概況

自20世紀90年代初設立國家級新區開始，我國開啟了大規模的造城運動，目前90%的地級市營建了新城新區，眾多大型公園應運而生[4]。隨著生態文明建設思想的不斷豐富和完善，“綠地先行、公園先建”成為新城新區建設的新理念[5]。據不完全統計，“十四五”規劃期間我國將新建50余個百公頃以上的大型中央公園，如上海浦東中央公園、深圳光明新區中央公園、濟南中央公園和昆明巫家壩片區中央公園等[6]。大型公園的優先落地，為構建城市安全體系和生態安全格局打下了堅實基礎。

1.4 公園綠地海綿系統設計方法概述

目前我國對于海綿系統設計的研究大多集中于市政道路、住宅小區和城市區域規劃等方面，針對公園綠地的定性研究較多，涉及定量化設計雨洪調控型綠地的研究較少。康嘉奇等[7]以遷安市濱湖東路綠地為研究對象，提出了半濕潤地區外源徑流型海綿綠地的低影響開發體系設計及效能量化模擬等；李錚等[8]以宿遷市橋頭公園為研究對象，系統總結徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制和雨水資源化利用等措施對綠地的貢獻；李舟雅等[9]以晉中市社火公園為研究對象，提出基于自身雨水消納能力展開設施類型選擇、徑流控制計算、空間布局設計和效能量化模擬的技術路線。基于已有研究和國家海綿城市試點建設實踐，筆者結合大西安中央公園的設計經驗，總結了基于區域雨洪調控的中央公園海綿系統設計方法。

2 中央公園的區域雨洪調蓄功能

城市雨洪調控的根本目的是通過雨水設施截留、儲存地表徑流，減少進入城市排水管道系統的雨水徑流量，起到錯峰排洪、緩解城市內澇、降低下游洪水峰值流量的作用。綠地是市政公用設施的重要組成部分，根據綠地規模、位置的不同，其承擔的海綿功能主要分為“源頭減排、中途傳輸、末端調蓄”3個層面。相較于傳統綠地，中央公園具有透水下墊面大、綠色空間比例高、與城市水系統關系緊密等優勢，將其作為區域調蓄空間，消納不同設計降雨條件下的雨水徑流，與城市其他排水防澇設施共同構成城市雨洪調控系統，應是更好發揮中央公園綜合功能的重點。

3 中央公園海綿系統設計

3.1 中央公園海綿系統目標

中央公園所承擔的區域雨洪調控職能是通過構建公園海綿系統完成水安全、水生態、水環境、水資源4個目標而實現的。

3.1.1 水安全目標

中央公園的設計應與排水防澇規劃、海綿城市專項規劃相協調，采用灰綠結合的調蓄系統，承接周邊匯水區域內的雨水徑流，充分發揮其區域雨洪調蓄功能。

3.1.2 水生態目標

中央公園要充分發揮下墊面優勢，降低雨水徑流的流速及流量[10]，明確海綿城市相關規劃提出的區域徑流總量控制指標，實現綠地對中小型降雨控制的同時，最大限度地收納公園外部徑流。

3.1.3 水環境目標

中央公園應對收納的周邊區域客水進行預處理，保證進入公園的雨水徑流水質；充分發揮綠色雨水設施的凈化功能，有必要的應增加人工濕地，保證公園排入下游管渠或河流的水質達標。

3.1.4 水資源目標

中央公園的海綿系統設計應最大限度地收集和利用公園自身徑流、外部客水，以及利用中水等非常規水資源，減少外調用水。依托公園調蓄水體，結合濕地等凈化設施，實現水系循環凈化，保障公園的持續性水源。

3.2 中央公園海綿系統設計內容

3.2.1 雨水徑流控制設計

中央公園的雨水徑流控制應抓住豎向設計這一關鍵手段，通過地形和水景營造，控制自身雨水徑流，保證中小型降雨條件下公園內的雨水不外排。以匯水分區為單元，采用容積法或模型計算法分解徑流控制指標[11]，通過設置與景觀相結合的綠色基礎設施，實現雨水徑流消納。

3.2.2 雨水徑流傳輸設計

中央公園的豎向設計要與周邊場地豎向條件銜接，保證公園周邊雨水管渠和外部場地的雨水有效匯入。將公園潛在的集水區設置成具備蓄滯功能的景觀水體，結合豎向設計布局傳輸型雨水設施，利用自然匯流導入集水區，最大限度地減少雨水管網的使用。

3.2.3 雨水徑流調蓄設計

中央公園的調蓄空間一般與主要景觀水體結合，核心在于水量核算與水位設計：根據上位規劃給出的溢流管網標高確定調蓄水體的極限水位；通過公園承接的最大極限蓄水量計算調蓄深度和豐水位；通過模擬管渠設計重現期下的降雨量計算匯入公園的調蓄水量，最終得出公園調蓄水量和水系常水位。

3.2.4 水系凈化系統設計

中央公園的水系凈化系統旨在保障入園和園區的水質，包括外部客水、地表雨水徑流和園區水系循環凈化處理：通過預處理設施，凈化公園收納的外部客水；通過生態傳輸設施，凈化公園自身產流；設置人工濕地，凈化用于水系補水的再生水。

4 中央公園海綿系統設計——以大西安中央公園為例

4.1 區域條件分析

4.1.1 建設背景

2015年西咸新區被確立為國家首批海綿試點城市，灃西新城是海綿城市建設試點區。西咸新區總體規劃和海綿城市專項規劃中明確提出，中央綠廊為灃西新城最大的城市綠核和雨洪調蓄空間，要圍繞中央綠廊打造世界級城市的中央生態區。大西安中央公園位于灃西新城中央綠廊的中心位置，占地面積達148hm2。

4.1.2 場地條件

灃西新城屬西北干旱半干旱氣候區，年均降雨量520mm，年均蒸發量1 289mm，雨量集中在7—9月，月均蒸發量明顯大于降水量。土壤基層以風積黃土為主，黃土濕陷性等級偏低；土壤滲透性較好，滲透系數在10-6～10-5m/s。區域水資源豐沛，西側有渭河、東部有灃河，南側有沙河。公園位于渭河一級階地強富水區，淺層地下水位平均埋深一般在10～15m。

中央公園周邊以高密度的商務區和居住區建設為主，要求中央公園結合排水管網規劃發揮雨洪調蓄功能(圖1)。

圖1 大西安中央公園區位圖

4.2 大西安中央公園海綿系統設計目標

4.2.1 水安全目標

對接上位海綿城市建設和城市雨水工程的相關規劃，協調消納接入場地的12處市政雨水排口的客水。海綿系統設計還需滿足內澇防治標準，承接周邊地塊50年一遇內的超標雨水徑流。

4.2.2 水生態目標

以《灃西新城中心綠廊海綿城市系統方案》確定的源頭減排指標為依據，通過場地豎向設計公園場地內年徑流總量控制率達到90%的控制目標。

4.2.3 水環境目標

充分考慮上位水系規劃，構建中央公園的水質保障措施，建立徑流滯蓄凈化、客水預處理、再生水凈化和水系循環等水質保障系統，促使水系連通，提高水系自凈能力，保障公園水系水質滿足地表水Ⅳ類標準。

4.2.4 水資源目標

收集公園自身徑流，將客水、再生水作為公園水系生態補水的主要水源。確定中央調蓄湖體作為公園綠地灌溉和道路澆灑的水源，實現雨水資源利用量不低于17萬m3/年的目標。

4.3 不同層級雨水控制系統設計

在灃西新城建設初期啟動大西安中央公園的設計，使公園建設與新城開發統籌協調。為充分發揮中央公園的雨洪調蓄功能，以中央綠廊匯水分區為單元，結合上位規劃統籌區域海綿系統，分別從雨水管網標準(應對3年一遇降雨)、內澇防治標準(應對50年一遇內降雨)和超標雨水溢流標準(大于50年一遇降雨)3個層級，銜接綠廊水系、市政雨水總排口客水、道路行泄通道超標雨水，建立中央綠廊地區雨洪滯蓄系統(圖2)，構建區域“大海綿體”。

圖2 大西安中央公園客水匯水分區(作者改繪自《灃西新城中心綠廊海綿城市系統方案》)

4.3.1 雨水管網設計條件下的徑流控制

在雨水管網標準條件下(3年一遇降雨)，將公園接入新城核心區的12個雨水排口管底標高設計為384.5m，低于公園地面平均標高388.0m。設計方案綜合考慮安全與景觀效果，將雨水排口通過自流、溢流提升和水泵提升3類銜接方式，引入公園調蓄水體。公園自身雨水徑流通過優化場地豎向設計，依地勢布置傳輸型植草溝、旱溪、凈化渠等綠色雨水設施替代雨水管網，設施過水能力滿足3年一遇降雨標準，最大限度將雨水徑流引入中心水體補充水源。

4.3.2 內澇防治目標下的徑流控制設計

在內澇防治條件下(50年一遇降雨)，公園將承接216.18hm2匯水區內的20.4萬m3超標雨水(圖3)。按照過水斷面計算旱溪規模，在公園內部設置寬4m、深0.8～1.5m的旱溪，有效對接周邊道路的行泄通道，引導超標雨水匯至公園水系。

圖3 中央公園行泄通道超標雨水匯水范圍

4.3.3 超標雨水溢流條件下的應對設計

在超標雨水溢流條件下(大于50年一遇降雨)，公園將通過天府路、天雄東路的DN1500mm退水管渠，將超過內澇防治條件的超標雨水通過退水管排至東側灃河，保障城市排澇安全。

4.4 以豎向為主導的雨水傳輸系統設計

中央公園現狀地勢平坦，場地南北距離1 200m，最大高差僅為10m，坡度不足1%，豎向設計需打破現有平坦的地勢變化，營造關中地區“大山大水”的山水格局。與傳統公園地形高于周邊場地不同，在環丘地形外部設置一圈低洼地帶，以保證公園綠地低于市政路，外部徑流可自流進入公園。基于ArcGIS軟件對公園內部徑流進行分析，識別公園內的集水區和潛在積水點，通過多次修正復核，構建合理的山水空間。

通過豎向核算，將整個公園以環丘山脊線為界，分為直接匯入和間接匯入2個匯水區域：直接匯入區面積為87.42hm2，占整個匯水分區的59.1%，地表徑流都可以通過自流匯入公園水系；間接匯入區面積為60.58hm2，占整個匯水分區的40.9%，需要通過傳輸設施匯入水系，或在區域內解決自身雨水徑流。

根據上位規劃確定公園自身的源頭減排雨水系統下的年徑流總量控制率為90%，對應的設計降雨量為24.1mm。在2個大的匯水區框架下，劃分出11個子匯水片區，以各個片區為單元，采用容積法分解計算各子匯水片區的徑流控制目標(園區可滯蓄徑流總容積為7.0萬m3)，并設置對應調蓄容積的源頭減排設施(圖4)：按照地表生態雨水組織路徑和徑流分布，沿山體道路邊側布置凈化渠，對山體雨水徑流凈化輸送；沿公園道路及鋪裝場地外圍設置植草溝對雨水進行匯集、輸送和初步凈化；在植草溝低點設置下凹綠地，將雨水徑流進一步滯留、下滲、凈化，削減地表徑流污染物；通過溢流管道將下凹綠地內的超標雨水排至公園水系，經過生態駁岸和濱水濕地的過濾凈化后，最終匯入河道及中心調蓄湖體。

圖4 中央公園豎向設計(4-1)、徑流分析(4-2)和匯水分區(4-3)劃定

4.5 基于水位計算的雨水徑流調蓄系統設計

中央公園作為灃西新城最重要的雨洪調蓄空間，需確定不同雨水控制條件下的水位高程，預留足夠的調蓄空間(圖5)。

圖5 中央公園水位設計

1)極限水位。

根據《灃西新城雨水工程專項規劃》設定的50年一遇溢流管道標高386.1m，確定公園調蓄水體的極限水位為386.0m，保證公園50年一遇降雨條件下的雨水不外排。

2)豐水期水位。

通過計算公園50年一遇降雨條件下的超標雨水量，可得出極限水位與豐水位的水位差，進而確定公園的豐水位。超標雨水量包括客水匯入量和場地匯入量，計算公式如下：

式中，V客為匯入公園水系的客水徑流量(m3)；H設為50年一遇設計降雨量(127.7mm)；H控為20年一遇設計降雨量(104.9mm)；F客為公園周邊地塊匯水面積(hm2)。經計算，公園周邊地塊匯水面積為216.18hm2，通過行泄通道匯入中央公園的超標雨水量為4.93萬m3。

式中，V場為場地徑流量(m3)；H設為50年一遇設計降雨量(127.7mm)；H控為場地源頭的年徑流總量控制率88%所對應的設計降雨量(21.8mm)；F匯為公園場地匯水面積(hm2)；F水為公園水系面積(hm2)。經計算，公園匯水面積為109.63hm2，水系面積為31.58hm2，公園內地表徑流匯入中央公園水系的徑流量為15.64萬m3。

在滿足50年一遇設計降雨條件時，按照以下公式計算公園水系的調蓄空間：

雨季不考慮公園內綠地灌溉、道路澆灑的雨水利用量和湖底滲漏量。經計算，公園水系在該工況下的蓄水空間為20.41萬m3，水位高度為1.4m，因此豐水位為384.6m。

3)常水位。

計算中央公園3年一遇雨水管網條件下的調蓄水量，可得出豐水位和常水位的水位差，進而確定公園的常水位。調蓄水量等于12個雨水排口的客水匯入量與公園自身的徑流量之和減去蒸發量和滲漏量，計算公式如下：

式中，V徑為公園場地徑流匯入量(m3)；H設為3年一遇設計降雨量(45mm)；H控為公園場地源頭年徑流總量控制率90%對應的設計降雨量(24.1mm)；F場為公園場地匯水面積(hm2)；F水為公園水系面積(hm2)。經計算，公園客水匯入量為9.8萬m3，公園自身徑流為4.0萬m3，蒸發量為1 647m3，湖底滲漏量取1 142m3(按10-7m/s的滲透系數計)，則調蓄水量為13.50萬m3，對應公園水系豐水期淹沒水深為0.6m，計算得出常水位為384.0m，低于市政雨水總排口384.5m的管底標高，可保證雨水正常匯入。

4)枯水期水位。

根據水量平衡計算，公園一年需要在3和11月進行2次補水。北園從3月集中補水后，直至6月底水體損耗量約16.31萬m3；南園從11月集中補水后，直至2月底水體損耗量約2.62萬m3，分別為一年2次補水中的最不利條件，由此計算得出最不利枯水條件下的水位下降為1.0m，因此枯水位為383.0m。

5)水底標高。

綜合考慮中央公園湖體的景觀、生態及海綿功能，設定湖體的基流水深為2.0m，計算得出水底標高為381.0m，高于地勘得出的374.0～380.0m地下水深度，滿足建設條件。

4.6 生態科學的水系凈化系統設計

根據公園水系設計及場地條件，建立生態科學的水質保障體系，從客水排口凈化、濕地凈化和水系循環3個層面，系統構建公園水質保障方案，保證公園水體水質。

4.6.1 客水排口凈化

針對管渠高程過低的市政雨水總排水口，利用截流井對初期雨水進行棄流處理，設定徑流深度5mm的棄流量，棄流部分匯至蓄水設施，利用泵站排至市政污水管網。管渠高程適宜的雨水總排口利用豎向協調方式，分別通過自流、溢流提升和水泵提升，將完成棄流處理的客水匯入地表生態凈化渠進一步凈化并最終匯入湖體(圖6)。

圖6 客水凈化處理設施設計流程

4.6.2 濕地凈化

考慮西北半干旱地區缺水及水污染問題，公園制定了水系補水和濕地凈化的保障措施。凈化濕地主要用于公園再生水補水水源和公園自身水系循環水的凈化。

中央公園遠期通過再生水補水，北園日均補水量4 000m3/d，南園日均補水量1 000m3/d。北園為水系核心區，在夏季溫度較高時，若維持中心湖體水質滿足要求，需通過內部循環過濾措施，15d循環換水一次，最大循環水量2.5萬m3/d；南園同樣通過內部循環，15d循環換水一次，最大循環水量2 500m3/d。參照北京奧林匹克森林公園補水濕地設計經驗，根據人工濕地的速率系數設計計算法，確定南、北園分別布設0.9和4.5hm2的功能型凈化濕地(50%垂直潛流濕地和50%水平潛流濕地)(圖7)，濕地出水水質達到地表Ⅳ類水標準后可進入公園中心水系。

圖7 中央公園雨水排口處理設施分布

4.6.3 水系循環

為了保障水系的流動性，避免富營養化，達到“流水不腐”的要求，在水環境系統設計中，制定了外部循環、內部循環和局部小循環3套循環凈化方案(圖8)：通過外部再生水補水，銜接公園東西兩側綠廊水源補給，達到綠廊水系整體循環的效果；在水系死角分布位置，設置提升水泵和暗管，利用功能型濕地循環凈化措施構建水系內部循環路徑。公園將在15d完成一次內部循環換水，維持水系內部自凈能力；局部布置曝氣裝置，保持水系局部水體的自凈能力。

圖8 中央公園水系循環凈化布置

5 結語

本文基于我國新城建設過程中，大型中央公園在城市生態安全格局中作用突顯，而風景園林專業在量化設計方法上與水專業協同不足的現實問題，探討了中央公園雨洪調控的技術路徑，將污水廠處理后的中水作為公園水系重要的補水水源，使中水通過公園濕地、綠地再凈化，回到自然水系統循環，這也是我國面對水資源短缺而采取的重要舉措。以大西安中央公園為例，總結歸納了中央公園海綿系統設計在不同降雨條件下應達到的目標，從徑流過程著手提出雨水徑流“控制-傳輸-調蓄-凈化”流程設計的通用技術方法，構建以區域雨洪調控為核心，中水再利用回歸自然循環為主線，依托基礎數據和科學模型的海綿系統，最終實現保障區域水安全、凈化水環境、優化水生態、節約水資源的風景園林理水目標(圖9)。

圖9 中央公園海綿系統結構

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。

致謝：誠摯感謝大西安中央公園項目組全體成員對于本文的支持。