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基于海绵城市建设理念的小区域水系规划实践——以江苏宿迁两河公园为例

作者:陈凌     2016-04-28 14:54     关键词:海绵城市规划,LID技术,水系规划 人气

    1  引言


    随着气候的变化和城市化进程的加快,我国许多城市不断发生严重的洪涝灾害,造成了巨大的经济损失和恶劣的社会影响;“到城里来看海”,已成为一句流行语。传统雨洪管理理念通过加大下水道和河道的尺寸、渠化河道断面等手段来将雨水迅速排入大江大河,加重了下游负担的同时导致本地水资源白白流失得不到利用,引发一系列的径流污染、水源短缺、地下水位下降、水生态环境恶化等问题。有鉴于此,近年来许多专家建议,参考国外先进经验,通过建设海绵城市的办法,来解决或者减轻上述问题。

    “海绵城市”一词是当下最火爆的名词之一,这一概念有着不同但是相近的表述。但无论如何,海绵城市不是简单指蓄水、下渗等雨水排水系统的简单改进,而是一场城市水系统的综合革命。有的研究尝试给出的海绵城市定义是:以城市为集水区,通过水系统的自我调节,最大限度地降低水资源消耗、减少对水环境的污染物排放,最大限度地满足居民的生产和生活、适应气候的变化、服务于生态平衡,实现了水资源健康循环的城市。

    传统的公园、社区的水系规划,为最大限度地提高景观河(湖)的效果,通常以维持常水位为目的,较少考虑水资源的节约利用等问题;然而传统方法设计的景观水体在水源补给和水质保持方面存在很大问题, 到了枯水期水位下降较快, 或要高成本地使用自来水补水, 这不仅费用高而且造成了水资源的浪费。

    通过参与宿迁两河公园的设计的过程中,贯彻海绵城市建设的要求,遵循生态优先等原则,将自然途径与人工措施相结合,利用LID技术减轻城市的内涝危害的同时,最大限度地实现雨水的积存、渗透和净化,并将收集的雨水可作为景观湖的重要补给水源和小区的公共用水,促进雨水资源的利用和生态环境保护。


    2  案例分析


    根据宿迁市政府的初步意向,为更好适应城市协调发展,贯彻“十八大”生态文明建设的要求,规划在宿迁中心城区南部划定一块5.5平方公里的区域,结合两河公园的建设,作为宿迁市的海绵城市建设的先行建设示范区,并通过对两河公园及其周边地区功能、空间、环境的整体设计,打造文化品位、生活情趣与生态文明相得益彰的城市新名片;其中,河湖水系作为城市的生命活力之源,是不可或缺的一环,是城市生态景观系统规划的重中之重。

图1  两河公园位置示意图

    考虑到邻近宿迁高铁枢纽站的建设需要大量的土方,因此在整合两河公园用地的基础上,结合取土工程,开挖水体,平整地形,并对两河公园及其周边地块的水系进行优化调整,以提高城市的土地利用效率,优化的城市功能布局。

    2.1  现状水系情况

    场地位于宿迁市经济开发区环城南路南侧、发展大道西侧、华夏大道东侧、开发区大道北侧,总面积约5.5平方公里,其中两河公园用地约1.7平方公里。场地横跨古黄河,穿越不同地貌单元,有高岗地、有低洼农田,地势起伏较大,中间河汊、沟塘较多,总体来说北高南低(场地标高由26.0左右降低至19.0左右,黄海高程,以下同)、中间高两侧低(古黄河沿岸两侧高程反而较高,周边场地雨水无法直接排入古黄河)。两河公园用地范围内主要水体是西民便河,根据《宿迁经济开发区防洪排涝规划》,西民便河河道底宽23-28米,河底坡降1/15000,河底高程16.20-14.50米,主河槽内坡比为1:3,20年一遇排涝流量为103立方米/秒,20年一遇水位为19.6米。现状水系存在以下几个特点:一是规划范围内农田水网密布;二是树仁河河口以上地面工程涝水可以自排,基本不存在内涝问题,但树仁河河口以下地面较低,存在一定内涝威胁;三是西民便河作为骨干河道,需要承泄上游来水。

图2  工程范围和水系现状示意图           图3  原水系规划方案示意图

    2.2  原设计方案介绍及主要问题分析

    基于传统的设计思路,提出了第一轮设计方案,设计要点如下:(1)公园主要水体为从北到南、自高而低的四个湖及其连接的水系,其中面积最大的两个湖和西民便河串联;(2)为了维持公园湖体平时较高的水面,也为了将西民便河上游受城区污水污染的河水(一般情况下水体水质为劣五类)挡在区外,避免污染公园,规划在入湖口和出湖口分别设置节制闸,并在区外沿富康大道西侧新敷设一条暗渠连通西民便河上游和树仁河;平时不排涝时西民便河少且脏的上游来水可通过改道暗渠流至下游树仁河,避免直接进入公园水体,排涝时开闸,让涝水通过公园水体进入下游。(3)规划范围内地形高差变化较大,规划通过节制闸、拦水坝等方式,对不同水体的水位进行控制;各湖平时水位保持恒定,不足时自古黄河通过自然高差引水至A湖,然后自北向南通过高差自然引水至公园水体。

    原设计方案主要有以下几个问题;(1)公园水体基本没有起到雨水调蓄的作用,不能减轻城市内涝危害;(2)水体的补给依赖于古黄河,但古黄河也是通过泵站从骆马湖引水,引水措施不经济节约,可实施性较差;同时完全没有考虑雨水补给的可行性。(3)在作为主要排涝通道上的西民便河主河道上建设节制闸,不但导致河道流动变缓、变成污水沟,而且影响汛期排涝,开启节制闸不及时将导致城区内涝问题加重。(4)应结合自然生态的景观设计方法,尝试考虑在不同的情况下采用不同的控制水位。总而言之,新一轮的调整方案,应结合海绵城市的建设要求,用尽可能自然生态的办法,解决“水多了怎么办?”、“水少了怎么办?”、“水脏了怎么办”这三个核心问题。

    2.3  方案优化及关键问题研究

    根据以上修改要求,经过多方案比对,提出了优化后的方案,要点如下:(1)通过调整民便河的河道走向,以及合理设计地形和设置闸站,将民便河与公园主要水体(A、B、C湖)隔离开来,在公园内部形成一条民便河的专用河道,这样既不影响民便河排涝,又可避免民便河上游污染水体对公园主要水体的影响,同时还能尽量扩大湖体的面积,增加调蓄容积,提升景观效果。(2)公园水体补给以雨水补给为主;在雨水补给不足的情况下,优先采用民便河水进行补充,补水量应控制在湖体自净能力范围,并通过人工湿地、雨水花园等生态措施进行预处理后再补充水体(在无法利用雨水的极端情况下,才考虑河道和再生水补水等途径)。考虑平时蒸发造成的水量损失和汛期的水量调蓄,允许水体水位有一定程度的变化;为了保证水位变化后岸线的景观效果,可对驳岸和滨水植物带进行针对性的设计。关键问题的具体解决详见下文。

图4  优化水系规划方案示意图

    2.3.1  雨水排放和调蓄设计

    优化方案将民便河的排水与公园场地的排水分开考虑,互不干扰:(1)在公园内部为民便河预留了专用河道,河道断面符合上位规划的要求;主河道上避免设置影响过水的构筑物或岛屿。(2)公园场地的雨水先排入A、B 、 C 、 D等内部水体,再排入民便河; 除A湖水位远高于民便河、D湖直接和民便河连通外,B 、 C 湖均是达到蓄水的高水位后,再溢流至民便河。

图5 雨水排放通道示意图               图6 水位控制方案示意图

    园及周边水体水位控制详见下表。

表1  本次规划范围内水位控制一览表

名称

西便民河

古黄河

A

B

C

D

常水位(米)

18

21.5

21.5

18.5

18.5

18

水位变化范围(米)

17.5-19.6

21.5-22.2

21.5-22.2

17.7-19.6

17.7-19.6

17.5-19.6

河底高程(米)

14.5-15.5

19.5

20

16

15.5

15

    在非雨季,公园水体(主要是B、C湖)维持常水位或者较低的水位,在水位以上的区域可以建造绿地、公园、停车场等;发生暴雨时,则利用这些场所作为调蓄空间;暴雨过后,雨水继续下渗或外排,公园水体回到常水位。

图7  降雨过程中雨水调蓄示意图(一)

图8  降雨过程中雨水调蓄示意图(二)

    两河公园水体最大能提供55.1万立方米的调蓄量;宿迁市20年一遇最大两小时设计暴雨强度为120.3L/hm2·s。城市开发建设径流系数按0.45计算,根据计算,两河公园水体可以补偿28.27平方公里城市建设开发建设导致增加的雨水径流量,西民便河20年一遇排涝峰值流量由103立方米/秒降至96立方米/秒,20年一遇水位由19.60米降低至19.46米。可以看出,公园水体作为城市新增水面,不但可以增加调蓄面积,补偿城市开发建设导致增加的径流量;而且可以消减洪峰流量和洪峰水位,降低城市内涝的危害。

    2.3.2  雨水利用和补充水体设计

    2.3.2.1  公园水体补水分析

    规划两河公园景观湖的水面面积约为37公顷(其中A、B、C三个湖共32公顷,因为D湖5公顷);综合考虑景观湖的水面规模、安全保护、补水成本、水质保持等多方面因素, 确定湖体平均水深为1.5米,则水容量为55.5万立方米。

    下表为宿迁多年平均降雨量和蒸发量情况。

表2  宿迁多年平均降雨量和蒸发量一览表

    从上表可以看出,宿迁全年降水量是大于蒸发量的,而且1、6、7、8月降水量是大于蒸发量的,但是多余的雨水很难蓄住(因为缺乏必要的调蓄空间),特别是汛期雨水,除了补充和维持高水位,很难用来补充其余月份流失的水量;因此在其余各月蒸发量均大于降雨量的情况下,在不考虑公园绿地雨水地面径流补充和地下渗透流失的情况下,如需维持常水位,以32公顷水面考虑(即只考虑A、B、C三个湖,因为D湖直接与民便河相连,无法控制水位),月最大补水量为约1.2万立方米,月最小补水量约为0.2万立方米,全年总补水量为4.8万立方米,还不到公园总水体容量的10%。

    但是如果换个思路,如果湖体不需要维持常水位了,即湖体在景观设计的时候,就考虑到水体的经常性波动了,还需要再定期的补水吗?

    如果不从外部补充水源,理论上在最不利情况下(当年9月至来年5月),因蒸发量大于降雨量,在不考虑公园绿地雨水地面径流补充和地下渗透流失的情况下,水面平均降低约0.15米,这对于1.5米的常水位水深,是完全可以接受;因此一般情况下平时不需要补水,可以容许水位有一处程度波动,即最低水位容许低于常水位0.3米、最高水位容许高于常水位0.5米。除非出现1-2个月不降雨的极端情况,加上地下水水位下降导致下渗严重,才可能需要从外部补充水源(具体补充量根据实际情况确定),否则一般情况下不需进行补水。

图9  一般年份公园水体(B、C湖)涨落示意图

    两河公园水体具体的补水路径详见下图。

图10  补水路径示意图

    2.3.2.2  LID技术和雨水收集利用

    (1)对周边地块的要求

    两河公园的景观湖规模较大, 可作为所在片区最重要的中转库。景观湖承接降雨和地表径流,高水位的时候甚至可为周边社区提供绿地浇灌用水、道路冲洗用水及其他用水。因此, 两河公园及其周边地区的雨水收集利用系统设计以景观湖为中心, 补水具体流程见下图。根据下垫面类型, 将可收集的雨水分为四大类: 屋面雨水、路面雨水、绿地雨水、场地( 广场、停车场等) 雨水, 针对不同雨水类型采用相应的LID技术进行雨水收集利用, 包括集蓄池、暴雨塘、碎石沟渠系统、植草浅沟系统以及砂床过滤系统。将各收集措施进行组合构成一个高效率的有机整体。蓄积的雨水经过沉淀、过滤、吸附、消毒等, 水质基本能达到景观水质要求, 结合周边社区内建筑物、道路、绿地和用水点的空间分布特点, 并综合考虑各雨水类型的受污染程度及雨水利用点对水质的要求。

    结合水系分隔和地势高程,结合用地布局,对两河公园周边地块进行雨水分区,设置雨水集中排放口和雨水排放方向;根据各个雨水分区的水力特征进行雨水径流的模拟计算,计算各片区雨水径流的消减要求和参数设置。

    对两河公园周边地块提出以下设计要求:下沉式绿地率不小于60%,绿色屋顶率不小于30%,透水铺装率不小于80%;小区普遍设置初期雨水弃流设施,并对初期雨水进行处理,避免城市面源污染对水体的影响;集中式雨水排放口均应设置雨水调蓄池和生物滞留设施,雨水排放至水体前进行调蓄和处理;市政道路均采用透水沥青,小区道路推广植草沟;积极建设、利用市政绿地和小区绿地,在绿地中敷设渗管,提高雨水下渗速度。以上要求特别是质保要求在编制宿迁“海绵城市先行示范区”相关规划时应作为强制性内容纳入,并作为地块出让的明确指标和市政建设的强制性要求。

图11  雨水分区和排放方案示意图           图12  地下雨水调蓄池布置方案示意图

    地下雨水调蓄池主要是针对小区屋面和路面的雨水屋面,可建在社区空地、城市广场、绿地、停车场下面等公共区域的下方,将雨水径流的高峰流量暂存其内。雨水调蓄池上面覆土种植植被, 既能作为集雨设施, 又不妨碍地上功能的实现。地下集雨池主要为钢筋混凝土结构, 并设有过滤池、沉淀池、水泵等装置,收集的雨水主要用于景观湖补水和水景喷泉等。既能规避雨水洪峰,实现雨水循环利用,又能避免初期雨水对承受水体的污染,还能对排水区域间的排水调度起到积极作用。雨水调蓄池可建造于目前的产品已经实现模块化,容积可以根据现场情况自由调整,自带雨水净化设施,施工简单,维护方便,基本没有能耗。

图13  地下雨水调蓄池示意图

    雨水补给的难点在于,一是如何利用高差进行自流补给以节省能量,二是如何在雨期对雨水进行蓄积。根据地形判断,能够对公园内部水体进行补给的仅有图11所示的三个地块,总面积约143公顷。能够进行有效补充的雨水量不是由降雨量决定,还是由蓄积量决定。规划在以上小区建设雨水调蓄池,总容积不小于2000立方米。当需要补水时,雨水调蓄池的雨水通过管道先流至公园内的雨水渗透塘,经过滤后再流入湖体。

    (2)对公园内部的要求 公园低影响开发雨水利用设施包括生态链塘、雨水花园、植被浅沟、下沉式绿地、绿道、透水铺装、绿色屋顶和湿地系统等,这些要素组成一个相互联系、有机统一的网络系统,可为野生动物迁徙和生态过程提供载体。

    例如,在A湖到B湖存在地形高差的基础上,通过小型泵将B湖提升回A湖,在A湖到B湖之间形成连续水流;同时在连接A湖和B湖的小水系上设置生态链塘和雨水湿地,对流动水体进行持续的循环处理。又例如,对公园容积积水的道路、广场、停车场设置透水沥青和透水铺装;对道路、广场边缘处于未完全下渗的地表,设置植草沟和雨水树池蓄积雨水并进行处理和下渗。又例如,在湖泊和河流的边缘地带,设置由三种植物带成的植被缓冲,对入湖(河)水进行净化:第一个植被带是由禾本科植物组成的,用来降低雨水径流速度;第二个植被带是乔木和灌木组成的,用来拦截第一个植被带未拦截的泥沙;地三个植被带由速生耐水乔木和水生植物组成,完善对雨水中有机物的吸收和降解,最后才排入水体。

图14  公园LID设施布置方案示意图

    2.3.3  水质改善

    除了对周边地块进行严格的雨污分离,并对污水进行收集和处理外,还需要此案去措施:

    2.3.3.1  初期雨水弃流

    由于周边地块为高密度建筑区,人类活动频繁,城市街道、住宅和大型建筑使景观湖周边地区的非透水面积高。由于初雨水淋洗空气和冲刷地面,含有大量污染物,是水环境的重要污染源之一。根据相关研究报告,初雨COD高度160~250mg/L。因此周边地块必须采取初期雨水弃流设施将初期雨水排入污水管网,或者通过草地及其他处理设施进行处理。

    2.3.3.2  生态系统的建设

    除了定期清理水面杂物外,通过建设生态系统,加强水体的自净能力,特别是西民便河的水质短期内不可能得到根本性改善,更需要通过生态措施进行改善。

    两河公园生态系统的建设包括建设生态护岸、培育滨水湿地、种植挺水植被以及设置生态浮床等。生态护岸主要采用自嵌式植生挡土墙,其内孔造型为水生植物提供了良好的生长空间,不但为净化水质创造了条件,而且避免了传统挡墙对水体和护岸的隔离,促进水体生态环境的平衡。另外生态浮床的大范围应用也是本设计的特点之一。生态浮床具有多种机理可以降解水中的污染物质和净化水质,例如:附着在接触材料上的微生物可分解有机物、吸附浮游藻类;浮岛上种植植物,吸收分解氮磷;提供可供鱼类捕食的微生物;固定和促进浮游物质沉降;遮挡阳光,抑制藻类生长等。

图15  两河公园生态系统建设示意图

图16-1  生态砌块护岸示意图             图16-2  滨水湿地示意图

图16-3  挺水植被示意图                 图16-4  生态浮床示意图

    2.3.3.3  投资分析和效益比较

    根据初步估算,宿迁两河公园在低影响开发设施和水质生态改善设施方面共需要投资437万元(不包括后期的维护投入)。

表3  宿迁两河公园低影响开发设施和水质生态改善设施投资一览

    低影响开发设施和水质生态改善设施的投资增加不多,但是效益缺非常明显:一是由于低影响雨水综合利用的实施,通过增加透水面积、绿化植草面积、渗透管沟、洼地、渗水井等设施,增加了雨水入渗量,有效回补地下水;二是消除污染而减少的社会损失。美国环保署研究结果表明,每投入1元环保费用,可减少3元的环境资源损失,即投入产出比为 1:3。LID资金投入虽然不是完全意义上的环保费,但其减少的环境资源损失也会接近3元。三是减少城市洪涝带来的的损失。LID把以往人们对降雨防备或敌视的态度转变为“区别对待”、“化敌为友”的策略,转变被动地防御雨水为主动迎接雨洪、控制和利用雨水。在保障安全的前提下,尽可能地多留住雨水。四是LID的雨洪管理技术由于采用了生态化、低能化、可持续运行的设施,不仅能保护开发区域水环境、改善建筑设施外部生态环境、提高建筑物内部的环境质量,还可以减少城市热岛效应,为居民提供舒适的居住和工作环境,并改善城市的生态环境。五是LID通过城市污水再生回用和雨水资源开发利用,可节约优质水资源,缓解水资源供需矛盾,为城市提供大量环境景观用水,重建水生态环境,进一步削减污染物排放量、改善水体环境。


    3  结论和建议


    随着城市化的快速发展和生态问题的日益突出,尤其是近年来城市水困境日益严峻,人们已经逐渐认识到雨洪利用的重要性和带来的社会、经济、环境效益。海绵城市建设作为新兴的雨洪管理理论,不仅能够有效的雨水利用效率、从径流源头上控制雨水污染,缓解城市洪涝灾害,从项目生命周期角度看,其费用—效益比更佳,其推广和发展大幅度节约城市给水排水系统投资,改善城市水环境,提高城市建设的环境效益、生态效益和社会效益,有效推动我国城市可持续发展。笔者在参与两河公园的设计过程中,主动贯彻海绵城市的建设理念,充分发挥两河公园水体在调蓄和削峰方面的作用,把雨水工程和城市生态环境及其他社会功能良好地结合在一起,希望能给类似的新城水系规划设计提供一些启发和参考。

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