城市新建住宅小区基于水土保持的雨洪利用工程设计

靳新红

(北京市水利规划设计研究院，北京100048)

城市新建住宅小区基于水土保持的雨洪利用工程设计

靳新红

(北京市水利规划设计研究院，北京100048)

雨洪利用；水土保持；设计；城市新建住宅小区

充分利用雨水资源是城市水土保持的必要要求，同时雨水利用是缓解城市用水紧张状况的一个重要解决途径，城市雨水利用规划已成为城市规划的主要内容之一。以北京市顺义区某新建小区的雨水利用方案为例，分析了新建住宅区雨水利用的影响因素，结合城市水土保持的要求，探讨了雨洪利用的技术设计，并对其效益进行了评价。建议政府在城市住宅小区水资源可持续利用方面加大宣传力度，利用经济手段，激励建筑企业和小区居民对雨洪资源进行收集利用，最终达到优化城市水资源的目的。

在城市化进程中，雨水问题是严重制约经济发展的重要因素之一，具体表现在雨水资源的浪费、城市水污染严重、城市洪涝灾害风险加大和对生态环境的破坏等方面[1]。居住区是城市水资源利用最集中的区域，开展居住区雨水利用是缓解城市水资源紧张状况和防止内涝的重要途径[2]。雨洪利用工程是将自然或人工集雨面的雨水进行收集、储存和再利用，不仅可以增加水资源量，而且可以缓解排水压力，解决城市“内涝”[3]。中国多数城市面临缺水问题，水资源短缺已成为制约城市发展的主要瓶颈。随着城市化进程的加快，城市地表硬化面积不断增加，2008年的研究结果表明，北京市五环内建设覆盖密度已经很高，尤其是四环内，中等(硬化度50%～70%)和较高密度的建设覆盖(硬化度大于70%)占绝对优势比例[4]。不透水地面的增加，使降雨不能顺利入渗，由此产生了一系列的问题。首先，北京是一个严重缺水的城市，水资源缺口为15亿m3/a，一方面北京市需要通过南水北调工程调水来解决缺水问题，另一方面北京市每年又有大量的雨水不能得到有效收集利用，造成了水资源的极大浪费。从水资源利用方面看，地表硬化导致北京市每年流失5亿～6亿t的雨水，这些流失的水资源足以供北京1 200万人饮用50年[5]。其次，从城市防洪方面来看，地表硬化后，地面径流系数增大，降雨在短时间内可迅速汇集，导致城市防洪压力增大。再次，从生态角度看，地表硬化以后，雨水下渗通道被切断，城市地下水难以得到补充，植被根系水分来源减少，可能出现倒伏或死亡，植被退化后，降雨过程中植物对雨水的截流量减少，植被保水能力下降，进而加剧水土流失。同时地下水得不到补充还可能加剧地表干旱、地表土壤含水率降低，从而导致大风天气风蚀加重并对区域环境产生不利影响。因此，加强城市雨水利用势在必行。

雨水是一种优质的淡水资源，不仅可作为饮用水来源，还可用于喷洒道路、灌溉绿地等。德国、美国、日本等许多发达国家从20世纪初就开始了雨水收集利用，其方式主要有利用屋面进行雨水积蓄、修建蓄水池、安装集水槽等[6-8]。城市雨水利用将与城市防涝、城市非点源污染控制、生态环境保护相结合[9]。我国从20世纪90年代开始对城市雨水利用进行研究，建设了一批示范工程，如2008年在奥运村和奥运会场馆修建的各式雨水收集和回用系统。北京是我国较早开展雨水利用研究与示范的城市，《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》和《北京城市总体规划》(2004—2020年)要求居住区广泛实施透水砖地面代替普通硬化地面，修建集雨池、建设下凹式绿地等措施。典型小区的雨洪利用案例见表1[1,10]。

建筑区绿地是非常重要的渗透设施，渗透能力强，植物根系可对雨水径流中的悬浮物、杂质起到净化作用，因此应尽量通过地面排除雨水，以减少雨水管道的建设量[11]。城市雨水利用的途径大致可以分为雨水收集和雨水渗透两个方面，根据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》的要求，地面雨水宜采用土壤入渗方式进行利用；屋面雨水则可采用土壤入渗、收集回用、土壤入渗与收集回用相结合的方式进行利用。实际工程设计中，雨水利用的具体措施包括透水地面、集雨池、景观水面和下凹式绿地等。本文以北京市顺义区某新建小区为例，阐述新建住宅区基于水土保持的雨洪利用工程设计，按照《北京市房地产建设项目水土保持方案技术导则》雨洪利用率相关要求，通过对各项措施雨水利用情况进行量化计算，确保工程规模合理，雨水利用率满足相关规范标准要求，同时还可为同类项目雨洪利用工程设计提供借鉴。

表1 典型小区雨洪利用措施

1 新建小区概况

1.1 项目区自然概况

该新建小区位于北京市顺义区中部，工程所在地属暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均气温11～12 ℃、≥10 ℃积温为4 161 ℃；年平均相对湿度为57%、风速为3～5 m/s；年均日照时数2 745 h、无霜期190 d左右，最大冻土深度0.80 m；多年平均降水量约为637 mm，降水年际、年内不均，汛期(6—9月)集中了全年降水量的85%，而60%以上集中在7月和8月，且多以暴雨形式出现；多年平均水面蒸发量约为1 100 mm。

1.2 小区建设规模

项目属新建房地产开发项目，占地面积38.32 hm2，其中硬化面积25.07 hm2、绿化面积13.25 hm2。土石方利用率达到100%，表土利用率达100%，施工过程中无临时占地，雨洪利用率达到99.89%，施工降水利用率大于80%，硬化地面控制率为20.85%，满足北京市房地产建设项目水土流失防治标准要求。

1.3 水土流失分析

根据该工程建设中水土流失成因、类型、分布的分析结果，测算发生水土流失的面积及强度，确定该项目在不采取任何水土保持措施的前提下，可能造成的土壤流失总量为2 811.61 t，其中新增2 636.25 t。在工程建设过程中，主体建筑物区、道路广场区、景观绿化区是水土流失发生的重点区域，新增水土流失量最大的是主体建筑物区和景观绿化区，其新增水土流失量为1 315.93和1 200.05 t，分别占新增水土流失总量的49.92%和45.52%。因此，主体建筑物区和景观绿化区是本项目水土流失防治和水土保持监测的重点区域。

2 雨洪利用工程目标和措施

小区雨洪利用工程主要包括屋顶雨水收集系统、地下雨水收集池、渗透式或非渗透式下凹绿地。通过分析主体工程设计资料，结合《北京市房地产建设项目水土保持方案技术导则》等相关规范的要求，在该新建小区实施雨洪利用工程的预期目标和措施设计如下：

2.1 铺设透水砖

若按照以往的做法铺设不透水砖，工程施工结束后项目区建筑物、道路广场等的硬化措施可减少地表的土壤侵蚀，却增加了小区内的地表径流，雨水无法下渗，只能通过排水管道排走，导致了水资源的浪费，而地表径流携带的大量污染物，又造成自然水系的污染。因此，基于城市水土保持工作的要求，为达到减少地表径流、增加水分入渗、提高小区雨洪利用率的目的，在停车场、主干道和次干道两侧的人行道及广场等硬化区铺设透水砖，透水砖规格为厚80 mm、底面480 mm×240 mm，下层铺设无砂细石砼结合层40 mm，C20无砂大孔砼和天然级配砂砾料垫层各200 mm，基础夯实(图1)。

图1 透水砖铺装大样(单位：mm)

2.2 下凹式绿地设计

下凹式绿地可用来滞留、净化雨水，利用入渗的方式补充地下水，因此在进行水土保持雨洪利用工程设计时将小区内的绿地调整为下凹式绿地，绿地地表低于周边地面约10 cm，下凹式绿地面积为13.25 hm2。

为进一步增加项目区雨水利用率，水土保持雨洪利用工程对建筑物周边硬质散水进行调整设计，将硬质散水调整为碎石散水。具体措施设计为：在原散水处开挖矩形断面的沟槽，断面规格为50 cm×50 cm，沟槽内回填碎石，碎石粒径为5～8 cm(图2)。碎石散水与下凹式绿地相结合，降雨过程中，屋顶汇流经碎石散水初次截留后再引入附近的下凹式绿地，从而实现充分利用天然降水、提高雨水利用率的目的。

图2 项目区屋顶汇流收集典型设计(单位：mm)

2.3 修建集雨池

小区雨水来源可分为屋面雨水、路面雨水、绿地雨水和其他雨水，雨水收集后通过输水、弃流与截污系统和调蓄系统、净化处理系统、配水系统可实现雨水的再利用[12]，用于居住区绿地灌溉、道路喷洒、冲厕、洗车、景观用水等。在该新建小区景观绿化区内设置集雨池，收集屋顶雨水，作为绿化灌溉的补充水源。

2.3.1 设计依据

设计依据主要有《北京市房地产建设项目水土保持方案技术导则》《开发建设项目水土保持技术规范》《城市雨水利用工程技术规程》和《建筑与小区雨水利用工程技术规范》。

2.3.2 集雨池规格计算

降雨径流总量按下式计算

式中：W为降雨径流总量，m3；Ψc为雨量径流系数；hy为设计日降雨量，mm；F为汇水面积，hm2。

根据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》中设计重现期的有关规定，本项目建成后属一般性建筑物，设计重现期取2年，降雨历时取360 min，由于项目区缺乏雨量及雨强资料，雨强与雨量根据《城市雨水利用工程技术规程》(DB11/T685—2009)中相关规定取值，雨量取75.6 mm。

经计算，工程结束后，屋顶集雨面积约17.09 hm2，雨量径流系数取0.7；道路广场面积为7.99 hm2，雨量径流系数取0.6；绿地面积为13.25 hm2，雨量径流系数取0.15；项目区内的平均径流系数为0.489，降雨径流总量为14 166 m3。

由于降雨前期雨水水质较差，根据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》中的有关规定，初期雨水弃流厚度取3 mm。初期雨水弃流量为752 m3。

项目区内的绿地均为下凹式绿地，绿地低于地面5～15 cm，降雨期间下凹式绿地可拦蓄部分雨水，拦蓄量为13 250 m3。

经计算，经过植物截流、入渗、蒸发及绿地拦蓄后，可以收集利用的雨水径流总量为164 m3。

结合项目区内的绿地及其他设施的布置情况，景观绿化区共布置集雨池3座，每个集雨池容积为50 m3，共需铺设雨水收集管道400 m，管道采用DN150PVC管。集雨池为全地下钢筋砼结构，3座集水池共可收集雨水150 m3(图3)。

根据文献[13]中的研究结果，在确保达到植物预期的灌溉效果时，草坪的二级养护标准为3.81 kg/m2。按二级养护进行计算，项目区内绿地一次绿化用水量为：13.25×10 000×3.81=504 825 kg，合计约500 m3。集雨池收集的雨水在一次绿化养护中可以全部用完，集雨池规模设计合理。

3 结论与讨论

3.1 效益分析

(1)水土保持生态效益。经过水土保持雨洪利用设计，项目区共蓄滞降雨径流1.42万m3，可有效减轻降雨汇流对项目区及下游河道的冲刷，下凹式绿地拦蓄径流后可保障绿地区域有较好的水分条件，有利于绿化区植物生长，从而更好地发挥保持水土的作用。

(2)雨洪利用经济效益。下凹式绿地蓄滞降雨径流，可减少绿化养护次数，集雨池蓄水作为绿化养护补充水源也可有效节约水资源，降低养护成本。

(3)城市生态效益。透水地面改造、下凹式绿地等措施可有效增加降雨径流入渗，表层土壤含水率增加可满足地表植被生态需水，地表径流入渗还可有效补充地下水，使项目区及附近地表植被能够抵御干旱，从而实现生态良性发展。

3.2 房地产开发项目雨洪利用发展方向

(1)从城市水土保持的角度出发，根据小区的场地环境、功能需求等将城市住宅小区雨洪利用工程设计的先进理念引入到小区景观设计中，实现雨水利用与环境维护的有机结合。

(2)新建小区雨洪利用蓄水池的修建规模应结合小区的地面硬化面积确定。若小区地面硬化较多，则降雨时会产生较大的地表径流，这就需要修建较大的蓄水池；若绿地较多则不用修筑规模过大的蓄水池。

(3)建议在老旧小区修建雨洪回收系统，有效地回收并进行二次利用。如可修建蓄水池、渗水井，铺设透水砖等，既可以提高小区雨水资源的利用效率，又有利于减轻市政排水管网的排洪压力。

(4)北京市住宅小区雨洪利用事业发展较快，但将雨水作为重要水资源的观念尚未深入人心，很多人缺乏雨水利用的意识。因此，有必要加大雨洪利用设施的宣传力度，同时动员广大小区居民参与到这项工程建设中来，大家参与、共同受益。

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(责任编辑 孙占锋)

TU201

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靳新红(1977—)，男，山西霍州市人，工程师，硕士，主要从事水土保持、河道生态治理研究工作。

2014-07-20