既有城市社區海綿化升級改造設計方法

盧興超，尹文超,*，劉永旺，劉浚泉，張 衛

(1.中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044；2.北京工業大學城市建設學部，北京 100124)

2015年，國務院辦公廳《關于推進海綿城市建設的指導意見》(國辦發〔2015〕75號)中提出，到2030年，城市建成區80%以上的面積達到目標要求,通過開展系統化全域推進海綿城市示范城市建設和加強城市內澇治理實施工作，將海綿城市建設推向一個新的高度[1-2]。既有城市社區的涉水問題關系著居民的生活福祉，但因歷史建造原因影響，受空間、場地、管網、建筑等限制，加上每個既有社區的問題和需求不同，現有的標準規范無法一一標定覆蓋[3]，需要在一些關鍵要點上給出設計方法和圖示。與此同時，不同的既有社區建設風格有所不同，居民需求也存在差異性，既要實現海綿化改造目標，又要獲得居民的滿意度，需要將技術手段和景觀系統有機融合，營造出具有地域特色強、景觀效果好、建設效果明顯的社區環境。

1 既有城市社區室外涉水問題分析

1.1 滲透能力低、排水不通暢

既有社區存在綠化率低、硬化比例高、排水系統不完善等缺點，產生雨水徑流可滲透量低、匯流路徑長、徑流峰值高、徑流總量大的問題，加之部分既有社區缺乏物業管理，缺少定期清理維護，造成排水管道淤積嚴重，使原本排水能力不足的管道排水能力大大折損。當場地自身消納能力低時，暴雨天氣極易形成道路積水和建筑底層進水，給既有社區居民的日常出行、人身安全和財產造成一定損失。

1.2 面源污染突出、水體污染風險高

既有社區土壤裸露嚴重，地面揚塵較多，在缺乏定期清理的情況下，道路易積存車輛磨損物、油漬、生活垃圾，這些污染物會隨著降雨沖刷初期雨水通過路面散排和管道集中排入景觀水體或低洼場地。水體中的淤泥不斷沉積造成內源污染的持續釋放，加劇水體環境惡化，同時，既有社區的補水系統缺失或老化破損造成清潔水源的補入缺失，在長期的滲漏和蒸發條件下，損害或喪失水體自身修復的功能，綜合多種因素加劇了既有社區水體環境的惡化。

1.3 用水需求大、雨水利用率低

雨水作為非傳統水源，具有污染小、易收集、可回用的特點。既有社區硬化率和雨水徑流產流率高，部分下墊面雨水徑流污染相對較小，但未得到有效利用，導致大量的雨水資源浪費。既有社區日常的道路清洗、植物澆灑的用水水源多以市政中水或自來水為主，需求量較大，產生的費用也較高。在問題與需求之間形成相互對立，提高雨水的回用率，對降低傳統水源的使用具有重要意義。

2 既有城市社區海綿化改造設計方法

2.1 整體設計思路

從既有城市社區室外涉水問題緊迫程度出發，對常見海綿技術措施進行歸類劃分為蓄排、滲滯、凈用三大核心單元(圖1)。其中，蓄排單元側重于社區水安全問題，采用調蓄和排放相結合的方式，降低內澇積水風險；滲滯單元側重于社區水環境和水生態問題，采用雨水就地滲透和滯留相結合的方式，削減面源污染；凈用單元側重于社區水資源問題，采用雨水直接凈化和回用相結合的方式，提高雨水回用效率。借助數學模型手段對每類設施的設計規模、關鍵參數以及進出水方式進行評估優化，提高設計的精準性和科學性。

圖1 整體設計思路Fig.1 Overall Design Idea

2.2 增大蓄排空間、應對超標雨水

2.2.1 設計策略

采用源頭減排、過程控制、系統治理的思路，開展既有城市社區雨水徑流調控(圖2)。首先，優先將普通綠地改造為下凹式綠地，消納自身與周邊雨水徑流，通過抬升低洼路面、新增缺失道路雨水口、改造排水能力不足管道，可消除小雨積水點；其次，調整地面坡向坡度，增設雨水調蓄池，騰出既有水體的調節空間，降低大雨內澇風險；最后，恢復道路、排澇渠、泄洪溝的行泄通道，有效應對超標雨水，針對鄰近山體的社區，沿山腰修建截洪溝，避免山洪暴發沖擊。

圖2 蓄排單元設計策略Fig.2 Design Strategy of Storage and Discharge Unit

2.2.2 設計要點

(1)植草溝

植草溝通常作為建筑落水管段接口與生物滯留池、濕地或高位花壇等海綿設施之間的雨水徑流傳輸渠道。一般縱坡設計坡度不應大于4%，寬度宜為500～1 500 mm，深度在300～450 mm為宜，邊坡坡度不大于1∶3，可根據場地實際條件采用倒拋物線、三角形或梯形，受氣候條件影響較小，適用性較廣。植草溝的設計流速計算如式(1)～式(2)[4]。

(1)

Rs=As/Ps

(2)

其中：v——平均流速，m/s；

Rs——植草溝橫斷面水力半徑，m；

i——植草溝縱向坡度；

n——曼寧系數。

As——植草溝橫斷面面積，m2；

Ps——濕周，m。

(2)下凹綠地

具有下凹形式的綠地均可稱為下凹綠地，通常置于硬化墊面旁，用來收集道路及周邊徑流雨水。下凹深度根據土壤滲透性能、植物耐淹度等因素確定，一般為100～200 mm，雨水溢流口高于綠地50～100 mm。下凹綠地受氣候條件影響較小，可根據場地坡度設置為梯田式、階梯式，不適用于徑流污染嚴重、設施底部距滲透面最高水位小于1 m的區域。當鄰近建筑距離2 m時，需做好防滲措施或增加1.5倍回填土深度外加0.5 m保護距離，或距離建筑安全距離不小于6 m[5]。下凹綠地的滲透量和蓄水量計算如式(3)～式(4)[6]。

S=60KJFg(t2-t1)

(3)

ΔU=HFg×104

(4)

其中：S——下凹綠地下滲量，m3；

K——土壤穩定下滲速率，m/s；

J——水力坡度；

Fg——下凹面積，m2；

t1——前期暴雨徑流量等于綠地滲透量的時刻，min；

t2——后期暴雨徑流量等于綠地滲透量的時刻，min；

ΔU——下凹綠地蓄水量, m3；

H——溢流高差，m。

(3)雨水調蓄池

雨水調蓄池多采用埋地式蓄水池。每1 000 m2硬化屋面面積需配建調蓄容積不小于30 m3的雨水調蓄設施。雨水調蓄池可兼顧回用功能，當有效容積大于雨水回用系統最高日用水量的3倍時，應設置能在12 h內排空雨水的裝置，重力溢流管排水能力應大于50年一遇設計重現期的設計流量。雨水調蓄池的調蓄容積計算如式(5)[7]。

(5)

其中：V——調蓄排放系統雨水儲存設施的儲水量，m3；

Q——調蓄池進水流量，L/s；

Q′——出水管設計流量，L/s；

tm——調蓄池設計蓄水歷時，min，不大于120 min。

(4)雨水管渠

雨水管選用硬聚氯乙烯(UPVC)、混凝土等材質，雨水渠選用高密度聚乙烯(HDPE)、樹脂等材質。管徑或渠高不小于200 mm，最大設計充滿度不小于0.55，水力坡度不低于0.1%。根據位置不同設計重現期有所不同，一般不低于3年。雨水管頂上部最小覆土深度宜為人行道下0.6 m、車行道下0.7 m，且位于冰凍線以下0.2 m。

(5)行泄通道

受場地空間限制，既有城市社區應對超標雨水時除了恢復原有天然調蓄空間、新建雨水調蓄池外，還可以修建行泄通道，恢復既有道路行洪路徑。道路作為行泄通道，與路緣石高差為100～200 mm，道路縱坡不應小于0.3%，道路橫坡應采用1.5%～2.0%，路肩橫坡可比路面橫坡加大1.0%。其設計流量和道路漫幅計算如式(6)～式(7)[8]。

(6)

(7)

其中：Q1——偏溝設計流量，m3/s；

λ——路面粗糙系數；

SX——道路橫坡，m/m；

SL——道路縱坡，m/m；

T——道路漫幅，m。

(6)截洪溝

既有城市社區應對上游山洪雨水時，一般修建排洪溝、截洪溝等攔截洪水并引入下游河道中。截洪溝采用梯形或矩形斷面，溝縱坡不小于1%，坡度很大時設置跌水井或陡槽消能，跌水高度為0.2～0.6 m。截洪溝設計流速按照溝底溝壁材質不同而設置，最小流速為0.4 m/s，最大流速為4.0 m/s。洪水徑流流量計算如式(8)[9]。

Qm=16.67φqF

(8)

其中：Qm——設計洪峰流量，m3/s；

φ——徑流系數；

q——設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度，mm/min；

F——山坡集水面積，km2。

2.3 增強滲滯能力、削減徑流污染

2.3.1 設計策略

根據既有城市社區的屋面、道路、廣場、停車場，以及其他硬化墊面的使用特征、污染程度、可改造性等基礎條件，結合蓄排技術措施，采用綠色屋頂、硬性透水鋪裝、柔性透水鋪裝等海綿技術進行合理布設，可增強下墊面的滲透能力、增大滲透面積、延長徑流滯留時間，實現削減雨水徑流污染目標(圖3)。

圖3 滲滯單元設計策略Fig.3 Design Strategy of Infiltration and Retention Unit

2.3.2 設計要點

(1)透水鋪裝

透水鋪裝結構包括面層、找平層、基層、底基層，其中面層的滲透系數應大于1×10-4m/s。入滲土壤滲透系數應為1×10-6～1×10-3m/s，且滲透面距離地下水位應大于1.0 m。透水鋪裝不適用于自重濕陷黃土、膨脹土和高含鹽土等特殊土壤地質場所，同時，嚴寒和寒冷地區要滿足抗凍要求。其透水系數和蓄滯容積計算如式(9)～式(10)[10]。

k≥imax

(9)

V透≥10A(iave-kn)t

(10)

其中：k——表層透水系數，mm/s；

imax——設計重現期下最大降雨強度，mm/s；

V透——透水鋪裝滯蓄容積，m3；

A——透水鋪裝面積，hm2(1 hm2=1×104m2)；

iave——平均降雨強度，mm/s；

kn——土壤平均透水系數或鋪裝底部排水流量系數，mm/s；

t——降雨持續時間，s。

(2)綠色屋頂

綠色屋頂分為簡易式和花園式，其中簡易式屋面承載力不低于1.0 kPa，種植深度在100～300 mm，花園式屋面承載力不低于3.0 kPa，種植深度在300～600 mm。綠色屋頂的綠化種植應選擇耐曬、耐寒、不需要過多水分、根系不深的植物，且綠色屋頂不適用于坡度大于15°、荷載能力不明、防水性能差的屋面。綠色屋頂的徑流總量控制率計算如式(11)[11]。

η=1-(VQue/Vre)

(11)

其中：η——徑流控制率；

VQue——溢流量，m3/a；

Vre——徑流總量，m3/a。

(3)生物滯留設施

生物滯留設施分為簡易型和復雜型，自上而下敷設種植土壤層、砂層、礫石層，其中，種植土壤層滲透系數應不小于1×10-5m/s，砂層厚度為100 mm，礫石層厚度不小于100 mm。設施面積與匯水面面積之比一般為5%～10%，蓄水層高度一般為200～300 mm，并應設100 mm的超高。生物滯留設施不適用于徑流污染嚴重、設施底部滲透面距離最高水位小于1 m的區域。當鄰近建筑距離2 m時，需做好防滲措施或增加1.5倍回填土深度外加0.5 m保護距離，或距離建筑安全距離不小于6 m。其調蓄容量和面積計算如式(12)～式(13)[12]。

V蓄=γA1H降

(12)

(13)

其中：V蓄——控制調蓄容積，m3；

γ——綜合徑流系數；

A1——匯水面積，hm2；

H降——年降雨總量控制率所對應的設計降雨量，mm；

Af——生物滯留設施面積，m2；

K1——種植土滲透系數，m/s；

t3——降雨時間，min，通常取120 min；

df——土壤層和填料層厚度，m；

h——蓄水層設計平均深度，m；

hm——最大水深，m；

f——淹沒在水中的植物平均體積率，通常取20%；

θ——空隙率，通常取0.3。

(4)滲井和滲管

滲管和滲井的滲透層采用礫石，滲透層外用透水土工布包覆。塑料滲管直徑不應小于200 mm，開孔率在1.0%～3.0%，坡度在1%～2%。塑料滲井直徑不大于滲透管管徑的150倍，井內設0.3 m沉砂室。不適用于地下水位較高、徑流污染嚴重及易出現結構塌陷等不宜進行雨水滲透的區域。

另外，雨水花園和雨水滲透塘也是增強滲滯能力、削減徑流污染的有效措施，其相關參數計算分別如式(14)～式(15)[13]和式(16)～式(17)[14]。

S1=[K雨(d′f+have)A′ft4]/d′f

(14)

Vw=A′f×h′m×(1-fv)×10-3

(15)

其中：S1——雨水花園下滲量，m3；

t4——計算時間，常按120 min計；

K雨——土壤滲透系數，m/s；

have——蓄水層設計平均水深，m；

d′f——雨水花園的深度，一般包括種植土層和填料層，m；

Vw——雨水花園蓄水量，m3；

A′f——雨水花園表面積，m2；

fv——植物橫截面積占蓄水層表面積的百分比；

h′m——最大蓄水高度，m。

Q雨=V雨A雨

(16)

V雨=k1(H1-H2)/L

(17)

其中：Q雨——雨水下滲量，m3/s；

A雨——雨水塘下滲接觸面積，m2；

V雨——雨水塘下滲速率，m/s；

k1——土壤介質的滲透系數，m/s；

H1——雨水塘水位，m；

H2——某一監測地下水水位，m；

L——雨水滲透塘與地下水水位監測點之間的距離，m。

2.4 提高凈用效率、提升使用頻次

2.4.1 設計策略

結合既有城市社區的用水類型、用水總量和用水點位等實際需求，合理布設分散式雨水回用設施(圖4)。針對屋面雨水徑流，宜選用雨水桶、雨水箱進行就地凈化；針對雨水管道內徑流雨水，宜采用“分流-棄流-沉淀-調蓄-過濾-消毒-回用”方式，用于集中式和分散式的非傳統水源用水。

圖4 凈用單元設計策略Fig.4 Design Strategy of Purification and Reuse Unit

2.4.2 設計要點

(1)雨水桶

建筑雨落管斷接后的雨水，一般引至下凹綠地進行收集回用。當采用雨水桶時，需要根據收集量和使用量合理確定大小，同時做好凈化、消毒，需定期使用，防止變臭滋生蚊蟲。

(2)雨水回用系統

根據雨水管網布局選擇雨水分流設施，對高污染雨水徑流直接棄流，低污染收集后經沉淀、貯存、凈化、消毒后進行回用，傳染病區域雨水不回用。雨水回用系統中的清水池大小可按最高日設計用水量的25%～35%計算。當雨水進行綠地澆灑或用作補充景觀水體時，宜采用石英砂過濾器凈化和紫外線消毒。

表1總結了目前常見的集中海綿城市改造設施的示意圖。

表1 常見海綿化改造設施設計圖示Tab.1 Diagrams of Normal Sponge Retrofitting Facilities

2.5 模型輔助海綿化改造設計方法

2.5.1 方法構建

目前，國內多數學者已經開展基于排水模型軟件輔助社區海綿化改造設計的研究[15-16]，根據海綿化改造前后水質水量的變化情況，反饋并優化海綿化設計方案。數學模型可模擬海綿設施對集水區內徑流量和污染物的削減[17-18]。一般采用“基礎數據整理與篩選-初始模型搭建-海綿改造方案設計與比選-海綿改造模型搭建與模擬-結果比較分析-海綿改造方案優化與確定”流程(圖5)。

圖5 模型輔助海綿化改造設計流程Fig.5 Flow Chart of Sponge Retrofitting Design by Mathematical Model Aided

2.5.2 設計要點

(1)改造邊界確定。明確海綿化改造對象，考慮研究對象與上下游的水系統相關性，劃定研究邊界線。

(2)基礎數據收集與篩選。收集邊界范圍內的下墊面類型、土壤滲透系數、坡向坡度、雨水管網設計資料、典型年降雨數據、水量水質監測數據等，并按照數據的優先使用次序進行篩選。

(3)初始模型數據庫建立。降雨數據模塊包括典型年降雨實測數據、高重現期長歷時雨型、低重現期短歷時雨型;“面”數據模塊為各排水分區屬性參數；“線”數據模塊為雨水管段、泵等屬性數據；“點”數據模塊為檢查井、排水口、調蓄池等屬性數據。另外，還需設置模型運行時間步長、下滲模型、管網計算模型、污染物沖刷模型等屬性。

(4)改造方案設計與比選。設計多個改造方案，從經濟性、技術可實施性、居民接受度、目標可達性等方面，對方案進行綜合考量，篩選出最優方案。

(5)改造模型構建與評估。在初始模型基礎上，加入“海綿化改造模塊”，設置相同的運行條件，分別對初始模型和改造模型進行模擬分析，從水質與水量角度，對改造方案進行評估。

(6)改造設計方案優化。結合監測數據對模型參數進行校核，優化海綿設施的設計方案并進行最終確定。

3 既有社區海綿化改造與景觀品質提升融合

3.1 與綠地系統提升融合

綠地系統對雨水具有調蓄、滲透、滯留和凈化作用[19]，綠地系統中的植被應具有適應性、抗逆性、觀賞性和功能性。首先，對已建喬木進行保護性規劃，避免破壞損傷，新建植物以喬木、灌木、水生植物和地被植物等本土化植物為主；其次，植物應具有耐旱、耐淹、抗病蟲、抗污染性強的特性，具有不招蚊蟲、景觀效果好、視覺效果好的明顯優勢；最后，水生植物具有吸附能力強、水質凈化好的優點，地被植物應選擇根系發達、松土性好、凈化能力強、耐陰性突出的多年生植被群落。

3.2 與道路系統提升融合

相對機動車道,人行道荷載要求較低,且與人體接觸較多，宜優先選擇透水鋪磚、彩色透水混凝土、彩色透水塑膠路面等，顏色與道路兩邊的建筑本體和景觀植物的色彩相匹配。機動車道承載力要求較大，可選擇透水瀝青路面和透水混凝土路面。

社區廣場是居民休閑活動重要場所，因與人接觸較多，硬化面宜優先選擇舒適性較好、形式各異、視覺效果豐富的彩色透水塑膠路面[20]。道路系統兩側的下凹綠地具有消納道路雨水的功能,考慮道路雨水徑流污染較大,植被應選擇具有耐淹、抗污染能力強的多年生植物,且具備可觀賞性強和不易滋生蚊蟲的優勢。

停車場荷載要求跟機動車道相似，考慮既有社區本身的綠化率較低，可在非承壓位置選用多年生矮小草本植株[21]，承壓面選擇嵌草磚或透水混凝土路面，可提高社區的綠化率、增加雨水的就地滲透、減少雨水的外排、降低雨水管網的壓力。

3.3 與建筑屋面提升融合

綠色屋頂對降低樓本體的熱量吸收、消納雨水徑流、減少城市熱島效應方面具有重要意義。在進行海綿化改造時，選擇的種植土具有質量輕、養分適度、安全環保等特點，改良土有機材料不宜超過30%，植物多選擇自重較輕、喜陽、耐熱、耐旱、耐寒、抗風性強、抗澇且生長緩慢的淺根性植物為主[22]。

4 結論

本文綜合統籌既有城市社區的關鍵問題、重點需求、基礎條件等因素，以問題為導向、需求為目標，提出了既有城市社區海綿化升級改造設計思路搭建，按問題緊迫程度將設計方法劃分為蓄排、滲滯、凈用三個核心單元，三者之間相輔相成、層層遞進。針對每種核心單元給出了具體設計策略、設計參數和圖示，為有效降低社區洪澇風險、削減初雨徑流污染、提高雨水利用效率提供重要設計依據。為提高海綿化改造設計的科學性，提出基于模型的既有城市社區海綿化改造規劃設計方法、流程和要點。為提高社區環境品質，結合社區整體布局、空間風貌、設施用途等特點，給出了海綿化與景觀化相融合的設計方法。通過開展既有城市社區海綿化升級改造設計研究，以期為新時期系統化全域推進海綿城市建設提供參考與借鑒。