城市雨洪管理在居住區景觀設計中的實踐研究

李晶晶,李夢娟

(滁州學院,滁州 239000)

一、城市雨洪管理與居住區綠地概述

水資源是生物生存以及人類社會發展的必備資源之一,但水資源的短缺及其在時空上的分布不均現象成為當下社會經濟發展以及城市建設的重要限制因素。隨著人類科學技術的進步以及城市人居環境的不斷更新完善,水資源問題卻并沒有隨之徹底解決。相反,由于城市居住人口增加、各行業經濟生產加速等社會發展階段性現象的出現,人類生存生產對水資源需求的復雜性與日俱增。與此同時,伴隨著城市建設的盲目擴張,城市硬化地表面積急劇上升。這種城市基底的大面積更換,降低了城市地表水的下滲效率,不利于對水資源的自然貯存[1]。一方面,隨著氣候變暖等環境變化,城市短時間內的集中降水增加了城市雨水管網的工作負擔,城市內澇的現象時有發生;另一方面,大量的城市降水因未能及時處理利用而遭到污染,在全球氣候變暖、城市旱情時有發生的背景下,這與綠化灌溉等城市用水資源短缺之間的矛盾陷入一種惡性循環。

面對全球范圍內的城市內澇加劇、干旱嚴重等人居環境建設發展問題,各國專家學者也相應提出一系列的技術措施手段。以美國、德國為代表的西方發達國際對城市水資源統籌管理的相關研究較早,他們相繼提出城市雨洪管理的具體應對措施,包括發揮城市綠地在雨水收集系統構建中的作用,從社會管理實踐層面提出城市水資源的統籌利用,以及加強城市雨洪管理結構設施的建設完善等[2]。

城市綠地是城市用地的重要組成部分之一,居住區綠地是城市居民在日常工作生活中接觸最多的綠地類型。居住區綠地的生態設計效果,有利于創造人與自然和諧共生的人居環境。近年來,無論是在資金投入上,還是從用戶評價體驗而言,我國居住區綠地的景觀設計相關技術運用一直是走在行業的最前列。居住區綠地不僅與城市居民的關系極為密切,其建設面積在城市綠地系統中占比亦較高。居住區景觀營造中雨洪管理體系的引進,正是為了應對該類技術社會背景所提出的行業改進措施。

二、居住區雨洪管理景觀設計

(一)雨洪管理體系的結構設計

1.源頭收集傳輸系統

關于居住區綠地雨洪管理體系的營建技術,西方國家的相關研究實踐較國內更早。居住區綠地內的雨洪管理體系營建技術框架主要包括結構設施設計施工、植物篩選應用、綜合管理模式以及應用后評價等方面。國外關于結構設施的相關技術研究多集中在地表雨水收集系統方面。地表雨水收集系統對建筑物屋頂及道路廣場等硬化地表的降水徑流進行匯集,匯聚后的水資源經動植物等自然凈化后儲存,以作綠化灌溉、道路洗滌等城市用水資源供給[3]。地表雨水收集系統不僅可以緩解城市內澇現象,降低城市給排水系統的工作壓力,還能夠將暫時可利用價值較低的城市降水資源進行貯存再利用,從而極大地緩解了城市水資源在時空上的分布不均問題。Petit等人曾調研比較西班牙加泰羅尼亞和美國加州烏基亞兩個城市的雨水收集系統工作效益,得出城市地表雨水收集系統在高密度城市中表現更佳的結論[4]。城市居住區相較于城市公園等其他用地類型,具有更高的建筑容積率和使用人群密度。居住區綠地內的城市雨洪管理體系的建成,將會更好地發揮地表雨水收集系統功能,從而加速改善城市內澇和城市用水資源短缺等問題。

近年來,隨著行業內技術研發的不斷探索,城市居住區綠地雨洪管理體系的結構形式也越來越多樣化。居住區綠地雨洪管理體系的結構設計主要包括屋頂雨洪管理體系結構和地表雨洪管理體系結構。在深圳、上海等地的屋頂雨洪管理體系建設往往與屋頂綠化等低影響開發技術相結合。利用輕型屋頂綠化中的過濾層、排水層等結構,將經植物種植層等凈化使用后的多余降水、灌溉用水進行過濾回收。屋頂綠化雨洪管理體系結構設計自上至下主要包括植物種植層、過濾層、排水層、防護層、隔水層和結構層。雨水收集系統主要包括綠化種植層、過濾層、雨水收集口等,并通過管道與輸水系統相連接。

除與輕型屋頂綠化技術相結合的屋頂雨水收集系統結構設計外,居住區綠地中地表雨水收集的表現形式更為多樣,常見的包括生態植草溝、透水鋪裝等。生態植草溝的結構設計與綠色屋頂有一定相似性,均為基本的分層式結構設計。不同之處在于,生態植草溝本身底部應具備一定的蓄排水坡度。生態植草溝在平面上具有連續性且呈線性分布,這使得植草溝在進行雨水收集的同時,兼具有地表水資源傳輸功能。生態植草溝主要利用地被植物和土壤將水資源截流收集并進行初步的滲透過濾,有利于削減城市降雨的洪峰時地表徑流量和持續時間,減緩地表雨水的流速及沖刷作用。透水鋪裝根據自身的結構設計又可分為結構性透水鋪裝和材料性透水鋪裝(見圖1)。前者是通過類似于綠色屋頂的分層式結構設計,實現地表鋪裝的透水功能。材料性透水鋪裝是利用透水瀝青等自身具有較好透水性能的材料進行地表鋪裝,從而完成雨洪管理體系源頭階段的雨水滲透收集。

圖1 材料性透水鋪裝

2.終端貯蓄凈化系統

城市居住區綠地雨洪管理結構設計中,除了地表雨水收集系統外,還需要輸水系統和凈水系統的共同作用,部分雨洪管理體系的凈水系統結構可以與雨水收集系統進行一體化設計。城市雨洪管理的凈水系統包括雨水生態塘、雨水花園等常見形式。雨水生態塘是指天然或人工的,既能調蓄雨水又能進行生態凈化的水塘,可分為干塘、濕塘和延時滯留塘[5]。如圖2所示,雨水生態塘不僅可以調控削減城市地標洪峰流量,還可對所蓄水資源進行凈化處理,改善水質和微氣候環境,增加綠地內的物種多樣性,豐富居住區的景觀層次。生態塘的結構設計一般包括進水口、前塘、主塘、出水口和駁岸、護坡等。生態塘的占地面積可大可小,在0.01～0.5hm2范圍內均可,應根據用地具體情況而定。生態塘主要是利用塘內及周邊由水生植物及魚蝦等生物及其環境構成的微型自然生態系統,對水資源進行凈化和貯蓄。

圖2 深圳企業公館人工雨水生態濕塘

(二)雨洪管理體系的種植設計

在城市居住區綠地的雨洪管理體系中,植物起到削峰減流、凈化水體、構建生態系統以及美化人居環境等多重作用。城市雨洪管理體系中的種植設計與一般綠地內植物存在差異,其對植物種類選擇、種植層覆土厚度都有較高的要求。雨水收集系統中,屋頂植被的種植覆土厚度應根據植物種類以及屋頂承載能力而定。一般而言,地下車庫頂板以及屋頂綠化的喬灌木覆土厚度應選擇80～120cm。地被的覆土厚度選擇在滿足植被生長的基本需求下盡可能降低,如輕型屋頂綠化等技術措施可通過植物篩選等手段將種植土層厚度控制在5～8cm,甚至更低。除屋頂種植土的土層厚度設計應盡可能降低其對屋頂荷載的影響之外,在地表植草溝、雨水花園等雨洪管理結構設計中,應注意土層厚度對雨水滲透凈化速率的影響。為此,種植層一般選擇透水透氣性較好、營養含量高且輕質化的土壤,如用泥炭土搭配一定比例的塘泥、中粗沙等混合成專用種植基質。

對于雨洪管理體系中的植物篩選,主要從植物自身的耐旱性、耐澇性以及根系生長分布規律等方面考慮。如圖3所示,綠色屋頂、雨水花園等雨洪管理體系營造手段中,植被生長所蓄的水資源在時間上的分布差異較大。降水較集中時期,種植植株的根莖等器官可能較長時間浸泡在水里。而到了降水較少的旱季,加上屋頂光照強度較大,植株需具備較高的耐旱能力。以華南地區為例,較適宜的植物種類包括喬灌木,如紫薇、鐵冬青、木槿、鵝掌柴、夾竹桃等,地被包括狗尾草、風車草、鋪地錦竹草、牛軛草、假紫萬年青等。

圖3 雨水花園旱季景觀

(三)管理實踐

關于雨洪管理的相關實踐,國內外現多采用建立數字化管理模型的方式進行比較分析研究。21世紀以來,在國內外關于城市雨洪管理的模型分析中,較多的是采用由美國佛羅里達大學建立的SWMM(Storm Water Management Model)分析模型。該模型主要模擬一定區域內的水文水力過程和水質情況,如降水量、地表蒸發量、下滲率、污染數據等。鄧仕虎等人曾在SWMM計算模型基礎之上,將水網評估、動態模擬與GIS空間分析相結合以建立數字化雨洪管理平臺,并對2017年重慶江北區的雨水徑流進行建模實踐,將綠色屋頂、透水鋪裝、植草溝、雨水花園按一定比例進行賦值時,滿足區域徑流雨水不外排的設計要求[6]。景天奕等人將SWMM模型引入居住區雨洪管理實踐中,通過開發低影響開發雨水系統模型,認為其對地表徑流和管道流量具有明顯削減作用[7]。

三、結語

城市雨洪管理是針對當下全球范圍內的城市內澇等階段性建設問題所提出的專業措施,其在對降水的削峰減流以及對城市水資源在時空上的分布均有明顯作用。居住區綠地作為占比較高、城市居民日常接觸最多的綠地類型,應當充分發揮其在城市雨洪管理體系建設中的重要作用。居住區綠地內的雨洪管理體系建設與運營在國內的實施相對較晚,對城市中的雨水資源再利用程度較低[8],關于雨洪管理模式的自主研發尚處摸索階段,而這也將是今后居住區綠地雨洪管理的研究方向。