趙 瑩，周士勇，耿靈生 (山東省水利科學(xué)研究院山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250013)

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市地面不透水面積快速增加，排水管網(wǎng)取代了綠地、溝道、池塘等天然的雨洪調(diào)蓄系統(tǒng)。濟(jì)南市多年平均降雨量為654 mm，年際變化大，在豐水年和枯水年所形成的水資源量可相差2～4倍;年內(nèi)降雨分布不均，近75%的降雨量集中在夏季，且多為短歷時(shí)暴雨，不適合建設(shè)大的雨水蓄積池直接利用;大部分雨水直接形成地面徑流流出市境;部分地區(qū)地下水嚴(yán)重超采。由于雨水資源的大量流失，造成地下水位下降，泉水無(wú)法噴涌;由于地勢(shì)南高北低，造成雨水徑流順流瀉在市區(qū)北部并積蓄，水澇災(zāi)害頻發(fā)，市政排水系統(tǒng)遭受前所未有的考驗(yàn)。因此，以“泉城”聞名于世的濟(jì)南，加快雨水利用既是當(dāng)務(wù)之急，又是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、創(chuàng)造良好生存空間的長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。

下凹式綠地是一種高程低于周?chē)访娴墓簿G地，也稱低勢(shì)綠地。與“花壇”相反，其理念是利用開(kāi)放空間承接和貯存雨水，下雨時(shí)就能形成一個(gè)天然的“蓄水池”，從而達(dá)到補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)徑流、滯洪及削減徑流污染物的作用［1］。該技術(shù)十分適合解決濟(jì)南地下水位下降、坡度大難以蓄水、排水系統(tǒng)壓力大、水質(zhì)差等實(shí)際問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)排水減壓的同時(shí)，也使城市的自然生態(tài)循環(huán)重新“復(fù)活”。

1 下凹式綠地研究進(jìn)展

雨水利用已成為國(guó)際上普遍重視的課題，如果能將流失的雨水進(jìn)行有效收集和利用，必將成為解決城市水資源短缺的有效措施之一［2］。德國(guó)的MR系統(tǒng)(又稱水洼滲透渠組合系統(tǒng))是近十年發(fā)展起來(lái)的流行雨水處理技術(shù)，該措施是通過(guò)雨水在低洼草地中短期儲(chǔ)存和在滲渠中長(zhǎng)期儲(chǔ)存，以保證盡可能多的雨水得以下滲［3］。美國(guó)的LID系統(tǒng)應(yīng)用在小流域內(nèi)，將徑流控制在源頭的措施包括滲透、過(guò)濾、蓄存、揮發(fā)和滯留等。澳大利亞的WSUD是通過(guò)天然的洼地蓄水和減少不透水地表比例來(lái)降低下游流量峰值［4］。國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量研究。劉蘭嵐等通過(guò)計(jì)算分析下凹式綠地和景觀水體調(diào)蓄徑流的可行性［5］。俞紹武等介紹了小區(qū)、道路等幾種下凹式綠地形式，認(rèn)為對(duì)綠地結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整就能實(shí)現(xiàn)雨水利用，不需增加建設(shè)資金和運(yùn)行能源的消耗［6］。王金輝等通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了下凹式草坪雨水利用以及節(jié)約灌溉水量方面的影響因素和效果，結(jié)果表明在匯水面積比為1、2、3，下凹100 mm，下凹式草坪實(shí)際利用雨水量比普通草坪分別增加27.16%、68.84%、89.72%［7］。王立存等在天津?yàn)I海新區(qū)某建筑區(qū)采用下凹式綠地人工濾層過(guò)濾儲(chǔ)水技術(shù)用作綠地灌溉用水和景觀水體補(bǔ)充水，運(yùn)行效果良好［8］。北京市在下凹綠地技術(shù)方面做了嘗試，地方標(biāo)準(zhǔn)《城市雨水利用工程技術(shù)規(guī)程》、《建筑、小區(qū)及市政雨水利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》陸續(xù)實(shí)施，提出住宅小區(qū)的綠地中，至少要有50%作為用于滯留雨水的下凹式綠地，下凹深度一般是50～100 mm。綠地內(nèi)的植物則應(yīng)選擇耐旱耐淹的品種。

由此可見(jiàn)，利用源頭控制措施來(lái)蓄集雨水，達(dá)到雨水就地下滲、消減洪峰、回補(bǔ)地下水等目的是現(xiàn)代雨水利用的理念，下凹式綠地是實(shí)現(xiàn)城市雨水管理可持續(xù)發(fā)展的可選擇措施之一。

2 濟(jì)南市城市開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目下凹式綠地設(shè)計(jì)計(jì)算

關(guān)于城市區(qū)域產(chǎn)流計(jì)算模型，根據(jù)城市的特點(diǎn)，可以將城市分為水面部分(水面產(chǎn)流模型)、城市綠地部分(透水層的產(chǎn)流模型)、建筑物及道路部分(不透水層的產(chǎn)流模型)以及經(jīng)過(guò)處理的廣場(chǎng)和開(kāi)闊地部分(具有填洼的不透水層的產(chǎn)流模型)［9］。張麗等認(rèn)為我國(guó)北方平原地區(qū)城市綠地部分可采用透水層的產(chǎn)流模型，產(chǎn)流計(jì)算時(shí)多采用初損后損法［10］。該方法把損失分為兩部分，產(chǎn)流前的損失稱為初損，產(chǎn)流后的損失稱為后損，后損為產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)平均下滲強(qiáng)度和產(chǎn)流歷時(shí)的乘積與后期不產(chǎn)流的雨量之和。任樹(shù)梅等通過(guò)產(chǎn)流過(guò)程分析，對(duì)北京城區(qū)不同水平年不同集水面積和不同下凹深度的綠地雨水蓄滲效果進(jìn)行了分析和計(jì)算［11］。張煒等基于水量平衡原理建立等式關(guān)系，在滿足實(shí)際應(yīng)用精度的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理假設(shè)和簡(jiǎn)化，運(yùn)用水力計(jì)算得出下凹式綠地的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，以設(shè)計(jì)計(jì)算圖簡(jiǎn)單形式作為下凹式綠地設(shè)計(jì)應(yīng)用界面［12］。劉蘭嵐等對(duì)某場(chǎng)降雨時(shí)段內(nèi)下凹式綠地對(duì)雨水徑流蓄滲率的計(jì)算，反映下凹式綠地對(duì)雨水的蓄滲效應(yīng)［5］。

由以上研究可見(jiàn)，關(guān)于下凹式綠地調(diào)蓄計(jì)算，下凹深度和綠地面積是設(shè)計(jì)過(guò)程中的兩個(gè)主要控制參數(shù)，其取值需綜合綠地服務(wù)匯水面面積、土壤滲透系數(shù)，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期、綠地布置情況、植物的耐淹時(shí)間等多種影響因素。在已建成地區(qū)，綠地面積率、位置均已確定，可根據(jù)其他設(shè)計(jì)因素確定綠地的下凹深度，經(jīng)過(guò)試算，滿足雨水不外排的要求。對(duì)于新建項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，涉及凹式綠地服務(wù)匯水面劃分，應(yīng)考慮綠地面積率相等或相差不大，充分發(fā)揮下凹式綠地的蓄滲能力。

針對(duì)濟(jì)南市玉蘭花園新建小區(qū)項(xiàng)目，采用已有研究中簡(jiǎn)化的計(jì)算方法［12］，以雨水不外排為目標(biāo)，計(jì)算不同綠地面積率，不同暴雨重現(xiàn)期條件下，下凹式綠地的設(shè)計(jì)深度。當(dāng)項(xiàng)目所在地超過(guò)最小設(shè)計(jì)深度時(shí)，設(shè)計(jì)溢流雨水外排或收集回用，為濟(jì)南市新建小區(qū)凹式綠地的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

根據(jù)雨水滲透的水量平衡原理，計(jì)算時(shí)段內(nèi)下凹式綠地的水文要素之間存在如下關(guān)系:

Q+U’=S+Z’+Z+U+P (1)式中，Q為計(jì)算時(shí)段內(nèi)進(jìn)入下凹式綠地的雨水徑流量;U’為計(jì)算時(shí)段開(kāi)始時(shí)下凹式綠地的蓄水量;S為計(jì)算時(shí)段內(nèi)下凹式綠地的雨水下滲量;Z為計(jì)算時(shí)段內(nèi)下凹式綠地的雨水蒸發(fā)量;Z’為計(jì)算時(shí)段內(nèi)下凹式綠地的植物蒸騰量;U為計(jì)算時(shí)段結(jié)束時(shí)下凹式綠地的蓄水量;P為計(jì)算時(shí)段內(nèi)下凹式綠地的雨水溢流外排量。

采取假設(shè)和簡(jiǎn)化:降雨歷時(shí)一般較短，Z’、Z可忽略;由于綠地植物的淹水時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，所以假設(shè)降雨開(kāi)始時(shí)下凹式綠地內(nèi)無(wú)蓄水，即U’=0，同時(shí)忽略植物截流、土壤含水率等影響雨水下滲的因素，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下的雨水徑流全部滲透利用，不產(chǎn)生外排，即P=0。

因此，式(1)可簡(jiǎn)化為:

式中，F(xiàn)為實(shí)際匯水面積;F’為綠地面積;q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度;φ為匯水面綜合徑流系數(shù);Z’為土壤滲透系數(shù)，即穩(wěn)滲率;h為綠地下凹深度;J為計(jì)水力坡度，垂直下滲取1;T為計(jì)算時(shí)段。

濟(jì)南市設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式為:

式中，P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期;t為降雨歷時(shí)。

把式(3)～(6)代入式(2)，可計(jì)算出h。

按照設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式，在不同土壤滲穩(wěn)滲率、重現(xiàn)期、綠地面積比條件下，計(jì)算出綠地最小下凹深度h的結(jié)果。由表1可知，同等土壤入滲率、降雨強(qiáng)度條件下，下凹綠地面積比的增加，設(shè)計(jì)下凹深度減小;在較大入滲率為5×10－6m/s，較大綠地面積比為40%以上時(shí)，即便不采用下凹蓄水，也可以實(shí)現(xiàn)雨水全部利用。隨著降雨強(qiáng)度越大，下凹綠地面積不變，設(shè)計(jì)下凹深度要求也越大。根據(jù)我國(guó)城市規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)，一般要求綠地率不小于30%，新建城區(qū)或舊區(qū)改造綠地率不小于35%，國(guó)家園林城市標(biāo)準(zhǔn)對(duì)綠地率的要求是38%。通過(guò)計(jì)算可知，該小區(qū)在最小綠地率30%，在較小入滲率1×10－6m/s情況下，該小區(qū)采用75 mm以上深度的下凹式綠地(P=5a)，就可以實(shí)現(xiàn)雨水不外排。在75 mm深度時(shí)，植物的耐淹時(shí)間為20.8 h，也小于北方植物的耐淹程度，不影響植物的生長(zhǎng)［13］。濟(jì)南城區(qū)土質(zhì)入滲能力一般較好，植物的耐淹程度為1～3 d，所以綠地下凹深度50～100 mm就能對(duì)暴雨起到削峰、攔蓄作用。

表1 不同設(shè)計(jì)條件下的綠地下凹深度

根據(jù)《濟(jì)南市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃(2010～2020年)》，至2020年，中心城內(nèi)公園綠地規(guī)劃面積達(dá)到4 757 hm2;生產(chǎn)綠地面積達(dá)到1 000.5 hm2;防護(hù)綠地面積達(dá)1 380 hm2;附屬綠地面積達(dá)到8 535 hm2。若濟(jì)南市上述面積中，有一半采用下凹綠地，即采用本計(jì)算中75 mm以上深度的下凹式綠地(P=5a，綠地面積率30%，土壤穩(wěn)滲濾1×10－6m/s)，次降雨過(guò)程就可以增加補(bǔ)給地下水588萬(wàn)m3。這對(duì)于恢復(fù)泉水長(zhǎng)年噴涌、保護(hù)城市水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3 濟(jì)南城市綠地建設(shè)存在問(wèn)題及對(duì)策

(1)現(xiàn)有小區(qū)依舊按照傳統(tǒng)的方式，將路面修得較低，道路兩側(cè)綠化用地內(nèi)的雨水在路面上匯集后流入雨水口再排至區(qū)外。不僅減少了綠地水分的入滲量，還會(huì)使綠地的土壤養(yǎng)分隨徑流流失。所以因地制宜將城市公園、草坪、苗圃、公路綠化帶等現(xiàn)有綠地改造成良好的入滲場(chǎng)地，是城市綠地建設(shè)急需解決的問(wèn)題。

(2)下凹式綠地是一種新型雨水利用技術(shù)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》中，對(duì)下凹式綠地工程設(shè)計(jì)算法作出簡(jiǎn)化和應(yīng)用，只是將下凹式綠地視為一種削減雨水徑流量的措施。而對(duì)大部分項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，只需對(duì)綠地采取下凹式整理，并對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，區(qū)域就基本可達(dá)到雨水不外排的要求。在設(shè)計(jì)及運(yùn)行后的管理上缺少依據(jù)。所以，作為對(duì)城市規(guī)劃改革的一種探索，迫切需要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范、專項(xiàng)規(guī)劃等。

(3)下凹綠地的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，多受景觀規(guī)劃等限制，綠地面積往往是預(yù)留好的，在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法最大限度保持相對(duì)均勻的綠地分布，進(jìn)而無(wú)法達(dá)到最好的蓄水效果。所以，經(jīng)深入調(diào)查，科學(xué)制定綠地指標(biāo)，合理安排空間布局，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有城市綠地規(guī)劃方法的創(chuàng)新。

(4)已有措施主要局限在小區(qū)域范圍，對(duì)較大區(qū)域，如機(jī)場(chǎng)、碼頭等，在節(jié)省水源，改善城市水循環(huán)等方面的研究和實(shí)踐還不夠，應(yīng)加強(qiáng)該方面的理論研究，從而提供技術(shù)支撐。

(5)城區(qū)垃圾太多也是影響下凹式綠地措施實(shí)施的原因，降雨使垃圾很容易被沖進(jìn)綠地中，讓綠地變成垃圾帶。所以，增加環(huán)保宣傳，提高居民素質(zhì)，增強(qiáng)居民的文明意識(shí)對(duì)于城市健康穩(wěn)定發(fā)展也十分必要。

4 結(jié)語(yǔ)

下凹式綠地具有補(bǔ)水、滯洪、減污的作用，作為一種簡(jiǎn)單的雨水利用措施，對(duì)節(jié)約水資源、保護(hù)水環(huán)境及促進(jìn)水資源可持續(xù)利用有積極作用。目前濟(jì)南市下凹式綠地措施采用率還很低，建設(shè)潛力很大。經(jīng)計(jì)算，到2020年，濟(jì)南市綠地中假使一半面積采用75 mm以上深度下凹綠地，次降雨過(guò)程就可以增加補(bǔ)給地下水588萬(wàn)m3。事實(shí)證明實(shí)施下凹式綠地在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、實(shí)踐等多方面都是可行的，應(yīng)盡快編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及專項(xiàng)規(guī)劃，在以后的小區(qū)建設(shè)和道路改造中加大下凹綠地建設(shè)力度，取代傳統(tǒng)的路沿石;同時(shí)加強(qiáng)宣傳，提高居民愛(ài)護(hù)環(huán)境的積極性，把濟(jì)南建設(shè)成綠草如茵的花園城市。

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