济南市城市下凹式绿地建设研究

赵 莹，周士勇，耿灵生 (山东省水利科学研究院山东省水资源与水环境重点实验室，山东济南250013)

随着城市建设的飞速发展，城市地面不透水面积快速增加，排水管网取代了绿地、沟道、池塘等天然的雨洪调蓄系统。济南市多年平均降雨量为654 mm，年际变化大，在丰水年和枯水年所形成的水资源量可相差2～4倍;年内降雨分布不均，近75%的降雨量集中在夏季，且多为短历时暴雨，不适合建设大的雨水蓄积池直接利用;大部分雨水直接形成地面径流流出市境;部分地区地下水严重超采。由于雨水资源的大量流失，造成地下水位下降，泉水无法喷涌;由于地势南高北低，造成雨水径流顺流泻在市区北部并积蓄，水涝灾害频发，市政排水系统遭受前所未有的考验。因此，以“泉城”闻名于世的济南，加快雨水利用既是当务之急，又是贯彻可持续发展战略、创造良好生存空间的长远之计。

下凹式绿地是一种高程低于周围路面的公共绿地，也称低势绿地。与“花坛”相反，其理念是利用开放空间承接和贮存雨水，下雨时就能形成一个天然的“蓄水池”，从而达到补充地下水、调节径流、滞洪及削减径流污染物的作用［1］。该技术十分适合解决济南地下水位下降、坡度大难以蓄水、排水系统压力大、水质差等实际问题，在实现排水减压的同时，也使城市的自然生态循环重新“复活”。

1 下凹式绿地研究进展

雨水利用已成为国际上普遍重视的课题，如果能将流失的雨水进行有效收集和利用，必将成为解决城市水资源短缺的有效措施之一［2］。德国的MR系统(又称水洼渗透渠组合系统)是近十年发展起来的流行雨水处理技术，该措施是通过雨水在低洼草地中短期储存和在渗渠中长期储存，以保证尽可能多的雨水得以下渗［3］。美国的LID系统应用在小流域内，将径流控制在源头的措施包括渗透、过滤、蓄存、挥发和滞留等。澳大利亚的WSUD是通过天然的洼地蓄水和减少不透水地表比例来降低下游流量峰值［4］。国内学者也进行了大量研究。刘兰岚等通过计算分析下凹式绿地和景观水体调蓄径流的可行性［5］。俞绍武等介绍了小区、道路等几种下凹式绿地形式，认为对绿地结构进行调整就能实现雨水利用，不需增加建设资金和运行能源的消耗［6］。王金辉等通过试验测试了下凹式草坪雨水利用以及节约灌溉水量方面的影响因素和效果，结果表明在汇水面积比为1、2、3，下凹100 mm，下凹式草坪实际利用雨水量比普通草坪分别增加27.16%、68.84%、89.72%［7］。王立存等在天津滨海新区某建筑区采用下凹式绿地人工滤层过滤储水技术用作绿地灌溉用水和景观水体补充水，运行效果良好［8］。北京市在下凹绿地技术方面做了尝试，地方标准《城市雨水利用工程技术规程》、《建筑、小区及市政雨水利用工程设计规范》陆续实施，提出住宅小区的绿地中，至少要有50%作为用于滞留雨水的下凹式绿地，下凹深度一般是50～100 mm。绿地内的植物则应选择耐旱耐淹的品种。

由此可见，利用源头控制措施来蓄集雨水，达到雨水就地下渗、消减洪峰、回补地下水等目的是现代雨水利用的理念，下凹式绿地是实现城市雨水管理可持续发展的可选择措施之一。

2 济南市城市开发建设项目下凹式绿地设计计算

关于城市区域产流计算模型，根据城市的特点，可以将城市分为水面部分(水面产流模型)、城市绿地部分(透水层的产流模型)、建筑物及道路部分(不透水层的产流模型)以及经过处理的广场和开阔地部分(具有填洼的不透水层的产流模型)［9］。张丽等认为我国北方平原地区城市绿地部分可采用透水层的产流模型，产流计算时多采用初损后损法［10］。该方法把损失分为两部分，产流前的损失称为初损，产流后的损失称为后损，后损为产流历时内平均下渗强度和产流历时的乘积与后期不产流的雨量之和。任树梅等通过产流过程分析，对北京城区不同水平年不同集水面积和不同下凹深度的绿地雨水蓄渗效果进行了分析和计算［11］。张炜等基于水量平衡原理建立等式关系，在满足实际应用精度的基础上进行合理假设和简化，运用水力计算得出下凹式绿地的设计计算公式，以设计计算图简单形式作为下凹式绿地设计应用界面［12］。刘兰岚等对某场降雨时段内下凹式绿地对雨水径流蓄渗率的计算，反映下凹式绿地对雨水的蓄渗效应［5］。

由以上研究可见，关于下凹式绿地调蓄计算，下凹深度和绿地面积是设计过程中的两个主要控制参数，其取值需综合绿地服务汇水面面积、土壤渗透系数，设计暴雨重现期、绿地布置情况、植物的耐淹时间等多种影响因素。在已建成地区，绿地面积率、位置均已确定，可根据其他设计因素确定绿地的下凹深度，经过试算，满足雨水不外排的要求。对于新建项目来说，涉及凹式绿地服务汇水面划分，应考虑绿地面积率相等或相差不大，充分发挥下凹式绿地的蓄渗能力。

针对济南市玉兰花园新建小区项目，采用已有研究中简化的计算方法［12］，以雨水不外排为目标，计算不同绿地面积率，不同暴雨重现期条件下，下凹式绿地的设计深度。当项目所在地超过最小设计深度时，设计溢流雨水外排或收集回用，为济南市新建小区凹式绿地的设计提供依据。

根据雨水渗透的水量平衡原理，计算时段内下凹式绿地的水文要素之间存在如下关系:

Q+U’=S+Z’+Z+U+P (1)式中，Q为计算时段内进入下凹式绿地的雨水径流量;U’为计算时段开始时下凹式绿地的蓄水量;S为计算时段内下凹式绿地的雨水下渗量;Z为计算时段内下凹式绿地的雨水蒸发量;Z’为计算时段内下凹式绿地的植物蒸腾量;U为计算时段结束时下凹式绿地的蓄水量;P为计算时段内下凹式绿地的雨水溢流外排量。

采取假设和简化:降雨历时一般较短，Z’、Z可忽略;由于绿地植物的淹水时间不宜过长，所以假设降雨开始时下凹式绿地内无蓄水，即U’=0，同时忽略植物截流、土壤含水率等影响雨水下渗的因素，设计暴雨重现期下的雨水径流全部渗透利用，不产生外排，即P=0。

因此，式(1)可简化为:

式中，F为实际汇水面积;F’为绿地面积;q为设计暴雨强度;φ为汇水面综合径流系数;Z’为土壤渗透系数，即稳渗率;h为绿地下凹深度;J为计水力坡度，垂直下渗取1;T为计算时段。

济南市设计暴雨强度公式为:

式中，P为设计重现期;t为降雨历时。

把式(3)～(6)代入式(2)，可计算出h。

按照设计暴雨强度公式，在不同土壤渗稳渗率、重现期、绿地面积比条件下，计算出绿地最小下凹深度h的结果。由表1可知，同等土壤入渗率、降雨强度条件下，下凹绿地面积比的增加，设计下凹深度减小;在较大入渗率为5×10－6m/s，较大绿地面积比为40%以上时，即便不采用下凹蓄水，也可以实现雨水全部利用。随着降雨强度越大，下凹绿地面积不变，设计下凹深度要求也越大。根据我国城市规划的标准，一般要求绿地率不小于30%，新建城区或旧区改造绿地率不小于35%，国家园林城市标准对绿地率的要求是38%。通过计算可知，该小区在最小绿地率30%，在较小入渗率1×10－6m/s情况下，该小区采用75 mm以上深度的下凹式绿地(P=5a)，就可以实现雨水不外排。在75 mm深度时，植物的耐淹时间为20.8 h，也小于北方植物的耐淹程度，不影响植物的生长［13］。济南城区土质入渗能力一般较好，植物的耐淹程度为1～3 d，所以绿地下凹深度50～100 mm就能对暴雨起到削峰、拦蓄作用。

表1 不同设计条件下的绿地下凹深度

根据《济南市城市绿地系统规划(2010～2020年)》，至2020年，中心城内公园绿地规划面积达到4 757 hm2;生产绿地面积达到1 000.5 hm2;防护绿地面积达1 380 hm2;附属绿地面积达到8 535 hm2。若济南市上述面积中，有一半采用下凹绿地，即采用本计算中75 mm以上深度的下凹式绿地(P=5a，绿地面积率30%，土壤稳渗滤1×10－6m/s)，次降雨过程就可以增加补给地下水588万m3。这对于恢复泉水长年喷涌、保护城市水环境，实现可持续发展具有重要意义。

3 济南城市绿地建设存在问题及对策

(1)现有小区依旧按照传统的方式，将路面修得较低，道路两侧绿化用地内的雨水在路面上汇集后流入雨水口再排至区外。不仅减少了绿地水分的入渗量，还会使绿地的土壤养分随径流流失。所以因地制宜将城市公园、草坪、苗圃、公路绿化带等现有绿地改造成良好的入渗场地，是城市绿地建设急需解决的问题。

(2)下凹式绿地是一种新型雨水利用技术，国内还没有统一的设计标准。《建筑与小区雨水利用工程技术规范》中，对下凹式绿地工程设计算法作出简化和应用，只是将下凹式绿地视为一种削减雨水径流量的措施。而对大部分项目来说，只需对绿地采取下凹式整理，并对排水系统进行适当调整，区域就基本可达到雨水不外排的要求。在设计及运行后的管理上缺少依据。所以，作为对城市规划改革的一种探索，迫切需要制定相关标准、技术规范、专项规划等。

(3)下凹绿地的实际设计过程中，多受景观规划等限制，绿地面积往往是预留好的，在设计时无法最大限度保持相对均匀的绿地分布，进而无法达到最好的蓄水效果。所以，经深入调查，科学制定绿地指标，合理安排空间布局，促进城市可持续发展，实现对现有城市绿地规划方法的创新。

(4)已有措施主要局限在小区域范围，对较大区域，如机场、码头等，在节省水源，改善城市水循环等方面的研究和实践还不够，应加强该方面的理论研究，从而提供技术支撑。

(5)城区垃圾太多也是影响下凹式绿地措施实施的原因，降雨使垃圾很容易被冲进绿地中，让绿地变成垃圾带。所以，增加环保宣传，提高居民素质，增强居民的文明意识对于城市健康稳定发展也十分必要。

4 结语

下凹式绿地具有补水、滞洪、减污的作用，作为一种简单的雨水利用措施，对节约水资源、保护水环境及促进水资源可持续利用有积极作用。目前济南市下凹式绿地措施采用率还很低，建设潜力很大。经计算，到2020年，济南市绿地中假使一半面积采用75 mm以上深度下凹绿地，次降雨过程就可以增加补给地下水588万m3。事实证明实施下凹式绿地在经济、技术、实践等多方面都是可行的，应尽快编制相关标准及专项规划，在以后的小区建设和道路改造中加大下凹绿地建设力度，取代传统的路沿石;同时加强宣传，提高居民爱护环境的积极性，把济南建设成绿草如茵的花园城市。

［1］程江，徐启新，杨凯，等.下凹式绿地雨水渗蓄效应及其影响因素［J］.给水排水，2007，33(5):45 －49.

［2］张玉婷，刘雪松.利用雨水收集回用系统实现城市小区雨水资源化［J］.南水北调与水利科技，2009，7(3):91 －93.

［3］王紫雯，张向荣.新型雨水排放系统——健全城市水文生态系统的新领域［J］.给水排水，2003，33(5):17 －20.

［4］李永福，王冬梅.下凹式绿地对城市雨水集蓄利用作用研究进展［J］.南水北调与水利科技，2003，9(1):160 －165.

［5］刘兰岚，杨凯，程江，等.雨水调蓄工程与城市绿地建设结合途径初探［J］.沈阳农业大学学报，2006，37(4):631 －634.

［6］俞绍武，丁年，任心欣，等.城市下凹式绿地雨水蓄渗利用技术的探讨［J］.给水排水，2010，36(Zl):116 －118.

［7］王金辉，叶水根，王晓亮，等.下凹式草坪耗水量试验研究［J］.灌溉排水学报，2007，26(1):59 －62.

［8］王立存，张文杰，牛俊怡.天津滨海新区某建筑区雨水利用实例［J］.中国给水排水，2013，29(4):43 －46.

［9］张丽，宋士强，张艳红.平原地区城市产汇流计算方法的改进及验证［J］.人民黄河，2008，30(2):33 －34.

［10］张丽，彭小金.从产流过程分析下凹式绿地对城市雨水径流和汇流的影响［J］.水科学与工程技术，2007(5):16－18.

［11］任树梅，周纪明，刘红，等.利用下凹式绿地增加雨水蓄渗效果的分析与计算［J］.中国农业大学学报，2000，5(2):50 －54.

［12］张炜，车伍，李俊奇.图解法用于雨水渗透下凹式绿地的设计［J］.中国给水排水，2008，24(20):35 －39.

［13］崔万晶，祝小明，王延秀，等.房地产类建设项目雨洪集蓄利用技术［J］.中国水土保持，2012(2):65 －67.