柳州市建筑與小區海綿城市技術研究

□ 閆龍淵 黃武明 周真真

隨著人口城鎮化水平快速提高，廣西常住人口城鎮化率由2010年的40.1%提高到2020年的54.2%，年均提高1.41個百分點，增速高于全國平均水平。但城鎮人口提高的同時，城市建筑與小區數量也急劇上升，導致城市下墊面發生改變，硬化場地不斷增加，造成雨水入滲困難、徑流污染嚴重、地下水位下降等城市問題。

由于我國對建筑與小區環境的要求日益提高，以往直接排入雨水管網的排水防澇措施現已略顯落后。每當出現暴雨時，傳統排水管網的壓力急劇增大，容易無法及時排出雨水產生內澇。因此需要大力推行海綿城市建設，通過其他合理的方案來解決建筑與小區的雨水問題。為了實現城市的可持續協調和綠色發展，柳州市將制定《柳州市海綿城市建設設計導則—建筑與小區》，進一步規范和系統化海綿城市建設。

1 海綿城市的意義及發展

1.1 海綿城市的意義

海綿城市指的是城市像海綿一樣，在應對自然環境時可以做到有一定的“彈性”，即使是在雨量增加的情況下，也能有吸收、積蓄、排出的能力。同時應當在需要用水的時候將蓄水釋放并有效利用，讓雨水在城市中的循環更加“自然”。

建設海綿城市，一是要堅持系統謀劃、藍綠融合、蓄排統籌、水城共融、人水和諧的原則；二是要保證技術先進，經濟合理，安全可靠，結合低影響開發措施，實現雨水回收再利用，方能減少城市建筑與小區雨水排水的問題。通過對城市的規劃建設管理的進一步要求，充分利用自然條件，如綠地、江河等的吸納能力，進一步規范管控城市內雨水徑流，從而實現透、滯、滲、凈、排的目標和環境可持續發展。在海綿城市的建設過程中，還應堅持高效排水、有效儲存水資源、為城市發展提供可持續水資源的原則，同柳州市海綿城市規劃理念結合，達到水資源在城市中的可持續循環利用，建設更加個性化、功能化的建筑與小區。

目前海綿城市尚處于發展探索階段，每個城市的自然環境和經濟條件各有不同，需要對不同種類的低影響開發措施進行充分研究，結合其他城市地區已有案例，探索適宜柳州的低影響開發措施，避免生搬硬套而導致效果不佳，給經濟和環境造成損失。

1.2 建設現狀

2019年，柳州市完成《柳州市海綿城市試評估自評報告》編制工作，已評估175個項目，其中，建筑與小區項目共計44項，道路與廣場項目共計83項（竣工24項，續建59項目），公園綠地項目共計33項，路面積水控制與內澇防治項目共計9項，河流整治項目共計5項，黑臭水體整治項目共計1項，總評估面積為36.05km2。通過技術評估核驗，101個項目（不含續建項目）的年徑流總量控制率均達到70%以上，其總體雨水年徑流總量控制率為77%。

1.3 發展目標

柳州市海綿城市建設的總體目標是：小雨不積水、大雨不內澇、水體不黑臭、熱島有緩解，建設或修復水環境與生態環境，源頭削減外排雨水峰值流量和徑流總量，削減徑流污染，實現雨水的自然入滲和資源化利用。

2 柳州城市排水分析

柳州市地區屬于季風型氣候，從柳州歷年發生城市內澇災害的事件來看，降水多集中在夏秋季節，城市內澇相對集中發生于5—8月。下列對柳州市降雨及排水情況的介紹分析。

2.1 城市降雨量大

由于全球氣候不斷變暖，城市面積的快速拓展，以及城市內部熱島效應，導致水汽較為容易凝結，從而產生降雨。加上柳州地處西南，春夏季常年降雨量較大，覆蓋范圍廣，持續時間長，結合熱島效應，導致強降雨頻率增加，引起內澇。

其中，柳州市2019年年平均降雨量為1528.6mm，一日最大降雨量159.4mm，下雨天數220d。雨季一般始于4月下旬，終于9月上旬初，夏季雨水降水量占全年降水量的70%以上。當雨量增加的同時，降雨天數增加幅度降低，年降雨量與年降雨天數變化波動較大，極端天氣出現概率有增加的趨勢。

2.2 城市排水防澇壓力大

地處柳江下游的柳州市是廣西最大的工業城市，因地形地勢的關系，發生洪災次數比較頻繁。市區內最低街道高程81.5m，大部分街道高程在85m～95m之間。當洪水位達81.5m時，沿江街道便會遭受洪水倒灌，當遇到大于5年一遇的洪水時，就會造成洪災。2016年凌晨，柳州市遭遇特大暴雨襲擊，據氣象臺統計，當日降雨量達到251mm，為柳州市近幾年以來遭遇的最強暴雨。由于暴雨強度大、持續時間較長，市區內部分道路出現不同程度的積水情況，造成市區、汽車城新區以及一些居民區等共44個積水內澇點。

2.3 不透水面積增加

在城市化過程中建設了大量建筑物，由此產生大量的硬化地面，降低了地面粗糙度，導致雨水入滲困難，雨水徑流也隨之增加，導致建筑與小區管網和城市雨水管網的排水壓力陡增，原有排水系統難以滿足需求，而未經處理過的雨水直接排入河流中還會提高河流水位并加大面源污染。

柳州市已建成區擁有大量的城市道路、建筑與小區、廣場、商業區等，植被面積比例低于20%。道路仍為傳統結構，道路綠化高出地面，排水主要依賴于道路排水設施。在建區域仍保留部分裸露土壤，自然滲水地面面積可占20%～70%，雨水排放方式為管道排水和自然入滲。未建區域基本無建筑，主要為散落村莊和農田荒地，雨水排放主要通過自然入滲。

2.4 城市排水體系不完善

柳州市海綿城市建設起步時間較晚，于2017年開展海綿城市建設工作，在新建和改建的建筑與小區、 道路與廣場、公園綠地等項目，均要求建設海綿城市工程設施，各項控制指標按照住房城鄉建設部的《海綿城市建設技術指南》、廣西壯族自治區的《海綿城市規劃設計導則》以及《柳州市海綿城市專項規劃》的要求實施。舊城區排水標準相對較低，存在雨污混接、管道老化、市政條件不完善等問題，城區的排水系統無法滿足城市發展的進一步需求，易造成城市雨水排水困難。

3 建筑與小區海綿城市技術研究

3.1 研究方向

柳州氣候變化較大，極端暴雨的增加會導致設計降雨量統計值偏差較大，在出現強降雨天氣時無法完全利用雨水，導致出現干旱天氣無水可用的情況，投資效益及低影響開發設施利用率不高。由于廣西壯族自治區出臺的《低影響開發雨水控制及利用工程設計規范》，未對雨水綜合利用率提出統一要求，柳州市建筑與小區在此方面的重點應主要放在解決雨水斷接、雨水入滲、雨水滯蓄的問題上，通過降低市區雨水管網排水壓力，從而減少洪澇災害，提高水資源利用率，降低地表徑流污染。

3.2 一般規定

3.2.1 研究范圍

建筑與小區范圍包括民用建筑與小區、工業建筑與廠區的涵蓋項目所在建設用地的紅線范圍。本次課題組所涉及對建筑與小區的研究和規范編寫工作均在此范圍內進行。

3.2.2 低影響開發（LID）

低影響開發是指基于模擬自然水文條件原理，采用源頭控制和延緩沖擊負荷的理念，通過構建微型分散式生態處理技術實現雨水徑流總量和污染控制。開發后的水文特性與開發前的城市規劃與建設模式基本一致。在此基礎上的開發設計還應遵循生態性原則、安全原則、因地制宜原則。

（1）生態性原則，即海綿城市所有的規劃和建設都應建立在保護環境的基礎上，在不影響建筑與小區的使用、安全和美觀的前提下，實現對地表徑流的合理利用與處理，實現水資源的循環利用、自我凈化，補充地表水。

（2）安全原則，即通過低影響開發措施改善城市內澇問題，凈化水資源，不會對環境與建筑小區造成影響，保障城市居民的安全。

（3）因地制宜原則，即為了發揮海綿城市建設在建筑與小區中的最大化利用效果，因地制宜選擇合理有效的低影響開發措施，與原有建筑與小區相配合，實現收集、利用水資源與處理水資源的目的。

3.2.3 年徑流總量控制率與年徑流污染削減率

（1）年徑流總量控制率是指場地內累計全年得到控制的雨量占全年降雨總量的百分比。不同用地性質的項目應考慮實際情況，取值也應有所不同。對于老舊小區存在改建困難、改動范圍小的問題，柳州市應根據自治區規范選擇50%的最低控制率；新建建筑與小區則應≥75%，改建的項目應≥65%。對于綠地率高且建筑密度低的小區，還可以適當提高控制率指標。

（2）年徑流污染削減率是指經過預處理設施和海綿城市設施沉淀、凈化等作用后，場地內累計1年內得到控制的雨水徑流污染物總量占全年雨水徑流污染物總量的比例。削減率的取值可根據自治區、柳州市海綿城市專項規劃確定，結合項目內建設的情況、用地性質、水環境質量要求、徑流污染特征所確定，對于建筑與小區應≥50%。

3.3 研究內容

根據廣西壯族自治區《低影響開發雨水控制及利用工程設計規范》要求，柳州市主城區建筑與小區的低影響措施宜采用雨水滲透、滯蓄系統，通過雨水斷接的方式，切斷硬化面或建筑雨落管的徑流路徑，將徑流合理連接到綠地等透水區域從而實現對雨水徑流的進行控制，減少進入城市雨水管網的雨水量，降低管道系統的壓力，如圖1所示。雨水斷接并非一項具體的LID措施，其需要同后續的LID措施組合使用，方能達到對雨水徑流的控制效果，也是本次研究中雖小卻非常關鍵的步驟和措施[1]。

圖1 雨水斷接的橫向銜接關系圖

滲透設施進水量應按下式計算，且不宜大于日雨水設計徑流總量：

式（1）中：Wc—滲透設施進水量（m3）；

Fy—滲透設施受納的集水面積（hm2）；

F0—滲透設施的直接受水面積（hm2），埋地滲透設施取0；

tc—滲透設施產流歷時（min），不宜大于120min；

qc—滲透設施產流歷時對應的暴雨強度[L/（s·hm2）]，按2年重現期計算。

以下將對這幾種低影響開發系統類型進行分析介紹。

3.3.1 雨水入滲系統

雨水入滲包括綠地入滲、透水鋪裝入滲、綠色屋頂等。

（1）綠地入滲是指雨水通過地表進入土壤形成土壤水的過程，對當代城市具有重要的意義。土壤具有豐富的積蓄雨水的能力，對地表徑流及地下水分的影響巨大。Gill SE等在2007年對英國曼切斯特的研究表明[2]，居民區的綠化面積每增加10%，地表徑流即可減少4.9%。若再次增加10%，地表徑流還可以減少5.7%。由此看來，綠地入滲可以有效減少地表徑流，對建筑與小區內的雨水具有良好的處理效果，緩解了范圍內的雨水積水問題。

由于柳州地質為喀斯特地貌，為了防止綠地入滲對環境造成污染，當采用綠地入滲系統時，土壤滲透系數應在10-6m/s～10-3m/s之間且距離地下水位高差大于1m。醫院、幼兒園、養老院、垃圾站點以及可能含有金屬污染、化學污染的地區，不應設置雨水入滲、收集系統，應將雨水處理達標后再排放。

（2）透水鋪裝入滲是指雨水透過一種多孔介質材料的鋪裝材料下滲，適宜在硬化地面選用，具有降低地面徑流系數、儲水、回補地下水的功能。在趙飛等人對透水鋪裝的研究中表明，采取收集措施后對徑流的削減能力較無措施時提高了10%，但當透水鋪裝使用率低于總面積的1/3時，對雨水徑流的控制能力將明顯降低[3]。結果顯示，透水鋪裝在提高了硬化下墊面的雨水滲透能力的同時，有效地減少了地面積水的問題，為建筑與小區內居民、工人等提供了良好的生活環境，適合在柳州市大力推廣。

（3）綠色屋頂是當前重要的城市暴雨管理措施之一。屋頂作為不透水下墊面，通常占城市不透水下墊面面積的40%～50%，而綠色屋頂一般由植被層、基質層、過濾層、排水層等結構組成，可以有效削減暴雨徑流，改善徑流水質，同時具有景觀作用。李俊生等對南京金陵小學行政樓綠色屋頂項目研究的結果顯示[4]，本項目通過使用綠色屋頂的LID措施，對雨水徑流截流率達62.7%，有效地削減了雨水徑流量和洪峰流量，對延緩徑流發生時間，降低城市雨水管網壓力起到了明顯效果。但綠色屋頂應對較大降雨時的效果不佳，當其滯留能力達到飽和狀態時，截流能力將大幅降低。

與此同時，綠色屋頂對削減徑流污染也起到了關鍵的作用。有研究表明，傳統屋面材質的屋頂徑流中的TN、NH3-N、TP、COD等濃度遠超地表水V類水標準，污染嚴重。Harper等通過9個月的連續監測，結果表明，綠色屋頂對TN、TP以及TOC的去除效果較為良好，污染物濃度從最初的30mg/L、60mg/L、500mg/L降至5mg/L、10mg/L、50mg/L[5]。

3.3.2 雨水滯蓄系統

建筑與小區內可以采用雨水滯蓄系統，主要類型有雨水花園、下凹綠地、蓄水池等，通過依靠種植灌木、樹木、花草等耐水植物以及土壤的吸水作用，將雨水暫存滯留后緩慢滲透入土壤，從而達到減少雨水徑流的目的，同時還可以對雨水起到一定的凈化效果，如圖2所示。

圖2 生物滯留設施結構圖

其中雨水花園是比較常用的類型之一，指由人工開挖的淺凹綠地，通常設置在建筑場區內地勢較低的區域，不需要直接同雨水排水系統結合，可以有效地滲蓄雨水徑流，并且在建筑與小區內兼顧了景觀綠化的作用，一舉兩得。在唐雙成等人的監測研究過程中，經過4年28場降雨的記錄，僅有4場降雨后出現了雨水溢流的情況，且溢流量較低，僅發生在短時間高強度暴雨過程中。記錄中即便出現雨水溢流情況，年徑流削減率依然可達96.8%[6]。研究表明雨水花園可以顯著降低雨水徑流，且兼具美觀實用的功能，但應注意設施滲透性能會隨著使用時間的增加而降低，主要原因是雨水花園內的植物生長會形成土壤大孔隙從而減少滯蓄能力，應做好嚴格的地質勘探，防滲透，防污染。

雖然滯蓄入滲的方式確實起到了增加雨水對地下水的補給作用，但是可能會增加污染物進入地下水的風險，對水質及土壤造成污染。就此問題，賈忠華等人在西安的兩個雨水花園設置多個監測點，對地下水位及水質進行監測，研究表明雨水花園所在地的地下水位有明顯抬高，雨水花園的土壤可以在較長時間內蓄存并緩慢釋水，從而補給地下水[7]。水質指標氨氮（NH4-N）濃度在短期內明顯降低，總氮（TN）及硝態氮（NO3-N）在短期內濃度明顯增加，但長期看無顯著差別，對水質造成的負面影響不大。

3.4 研究分析與討論

根據以上對柳州市雨水排水、低影響開發設施的分析表明，雨水降雨量大的地區應采取適宜的低影響開發措施，這對構建現代化海綿城市具有良好的改善效果和深遠的意義，有助于減少因建筑與小區面積增加所帶來的地表徑流系數下降問題，不僅可以對地下水進行一定的補充作用，還有利于降低整座城市的雨水管網壓力，當遭遇強降雨時可快速排出城市雨水，減少內澇發生的概率。但同時應該注意對場地內土壤和地下水位的勘探，若地下水位距地表過近或土壤滲透系數過小，都可能對地下水質、土壤造成污染，因此不適宜采用雨水入滲系統。

不同類型的低影響開發措施還有著不同的經濟性和景觀效果，應根據場地的需要和經濟條件選擇合理有效的措施，達到經濟效益最大化，如表1所示。

表1 常見的低影響開發設施比選一覽表

同時由于柳州市降雨量變化較大且受限于經濟條件，根據廣西壯族自治區《低影響開發雨水控制及利用工程設計規范》，柳州市建筑與小區主要考慮采用雨水入滲、滯蓄設施，而雨水的收集、利用、處理應根據項目類型和條件予以決定是否采用。收集后的雨水可用于沖廁、景觀補水、灌溉等，促進水資源的高效利用。

4 結語

隨著城市的不斷發展，人們的生活水平不斷提高，除了對良好生活環境的基本訴求外，還逐漸對居住環境提出了更高的要求，不僅需要建筑與小區的美觀與個性并行，還需要擁有更好的使用體驗。海綿城市概念的提出很好地解決了建筑范圍內內澇、積水的問題，還實現了對雨水的回收再利用，節約水資源，利用水資源，最大限度地發揮建筑與小區的生態價值。

對于建筑與小區的海綿城市設計規劃，應從實際出發，盡量維持場地開發前后的水文特征，在建筑方案的階段著手研究，根據土壤環境選擇適合場地使用的低影響開發措施，通過雨水入滲與滯蓄達到削減地表徑流，減少城市雨水管網壓力，消除城市內澇，促進柳州市海綿城市建設和經濟可持續發展。