基于海绵城市理念下的生态广场建设研究

2017-03-21李一凡刘福胜李昀腾

节水灌溉 2017年9期

李一凡，刘福胜，李昀腾

(1.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018；2. 江西理工大学电气工程与自动化学院，江西赣州 341000)

改革开放以来，我国经济发展迅速，工业化程度不断提高，城市像海绵吸水一样，吸引了大量的人口和资金，以致城市规模持续扩大，而城市抵抗由于气候变化、环境污染等引起的灾害的能力却不断削弱。近年来，国内很多城市都出现了由于降雨而引发的城市内涝，并且有愈演愈烈的趋势，产生的不利影响日益严重。从表面上看，城市内涝问题，是由于城市发展过快，排水体系建设滞后，排水设施供应不足，降水不能够及时排出，基础设施建设跟不上城市发展的步伐[1,2]。而实际上，这只是表象，根本的原因却是由于城市发展过程中，城市建设者未注意到人与自然的和谐共处，对自然环境干预过大，破坏了原始的地形地貌，使降水不能够像以前一样自然下渗和滞留，地表径流量增加过大，超过了城市排水系统的处理能力，使我国的受灾城市，从数量上、规模上、经济损失程度上，都显著增大[3]。

1 海绵城市概念

海绵城市，是指当环境发生变化和自然灾害发生时，整个城市就像一个巨大的海绵体，利用自身具有的良好“弹性”，吸收自然灾害对城市产生的冲击。在下雨时，整个城市就像一块巨大的海绵，大部分的降水都被吸收、贮存在它的内部，无需外排，大大减轻了市政排水系统的工作压力。随着雨水自然流动和在土壤中的渗透，夹带的污染物会逐渐沉积，被植物吸收，被土壤中的微生物分解，雨水得到了净化，被贮存了起来，当需要用水时，蓄存的雨水可以再被“释放”出来，加以利用。海绵城市建设应遵循生态优先原则，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护[4]。

2 建设项目场地概况

生态广场属于山东某高校新校区二期工程建设项目之一，工程地址位于山东省泰安市泰山区，地处平原。本地春天气候干燥、多风；夏天温度较高，多降雨；秋天凉爽、晴和；冬天温度较低，较少降雪。

据统计，7月份是每年气温最高的月份，平均可达26.4 ℃，1月份最低，平均为-2.6 ℃。根据历年来的气象资料可知，历史最高气温为41 ℃，历史最低气温为-27.5 ℃。在地域分布上，同时间内各地气温也稍有差异，一般情况下，南部、西部气温较高，东部、北部气温偏低。

泰安地区降水偏少。根据多年来统计，全市的平均降水量仅为697mm，在半湿润气候地带也仅属于中游。由于受到季风气候的影响，年度内降水量相差较大。降水量最大的年份，可达1 498mm，但降水量最小的年份，只有199mm，差距很大，可达7.5倍。在地形地貌的影响下，本地东部比西部降水量大，山区比平原降水量大。在东部山区的降水量最大，年平均700～750mm，而在西部平原的降水量最小，仅为600～650mm。从总体上看，从东北向西南方向，降水量呈逐步减少趋势。降水不仅在地域分布上有差别，在时间分布上差别更加显著，更不匀衡。每年夏季是降水最多的时间段，仅夏季一季的降水就可占到年降水量的65.2%，而冬季仅占到3.6%，为全年最少；一年当中，7月是降水量最大的月份，可占到整年的32.1%，而1月则是降水量最小的月份，仅占到全年的0.96%[5]。

由于降水的时空分布极不均匀，只有夏季时，降雨量较大，能够进行资源化利用的水量较大，春季、秋季等其他季节，很难收集到足够的雨水。因此，雨水和市政供水综合利用，尽量提高雨水的利用效率，减少对市政供水的依赖，是一个经济可行的办法。

3 生态广场设计原理

海绵型生态广场使降雨一部分依次经过多孔透水混凝土面层、碎石垫层(疏水层)的孔隙渗透净化，渗入盲管并汇入集水模块储存回用。一部分来不及下渗的雨水汇入下凹式绿地或生态草沟，通过绿地或草沟进行净化下渗，进入集水模块储存回用。当雨量过大时，地面雨水积聚过多，不能及时下渗，多余的雨水可通过溢流设施排入市政管网中。按照《技术指南》的规定，海绵城市的外排率，只要控制在年径流总量的40%以内即可。本项目中的海绵型生态广场工程主要由两大结构系统组成：①雨水净化下渗系统；②雨水收集存储系统。

雨水净化下渗系统主要由透水混凝土面层、碎石垫层、下凹式绿地或生态草沟和生态树池等设施组成。下渗的雨水先渗入面层，再渗过垫层，通过多重的过滤和净化，大量的污染物能够得到有效去除，水质得到了净化。在透水铺装的边缘，可根据地形地貌以及空间大小，分别设置下凹式绿地、生态草沟，利用这类生态设施，能够净化和入渗部分雨水。由于面层、垫层中存在一定的空隙，这些空隙在利于雨水下渗的同时，还可以对雨水进行储存和疏导，能够为雨水的存贮提供大量的地下空间，为雨水的流动提供通道，有效地延长了雨水下渗的时间，达到了滞蓄雨水、缓慢入渗的效果，有效地减缓了地表径流的形成，推迟甚至避免了洪峰在下游出口的出现时间。即使下游洪峰出现，也可以对洪量进行有效地缩减，对涵养本地水资源、提高区域内涝的防治能力、提高城市的防洪排水能力，都具有十分重要的意义。

雨水收集存储系统主要由透水毛细管、透水盲管、下凹式绿地或生态草沟、雨水收集池等设施组成。雨水首先从透水面层渗入后，再渗入到透水垫层中，经过密布在透水垫层中的丰富的透水毛细管，汇集到透水盲管之中，再经由透水盲管排入雨水收集池。透水铺装边缘设置的下凹式绿地或生态草沟收集来不及下渗的地面径流，然后汇入雨水收集池中。通过回用泵，存储在收集池内的雨水可流入灌溉系统，或注入水体补水系统，为绿地浇灌和水体补水提供水源[6]。海绵城市如图1所示。

图1 海绵城市示意图

4 生态广场技术措施

4.1 透水混凝土地面

广场地面采用透水混凝土浇筑而成。在工程实践中，透水混凝土名称还未统一，也有称为无砂混凝土或透水地坪的，但作法相似，都是由骨料、水泥和水拌制而成，硬化后，形成多孔、轻质的混凝土。此种混凝土内，不含细骨料，仅由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆彼此黏结而构成，孔穴均匀分布，内部呈蜂窝状布局，透气，透水，重量轻，散热快。由于内部孔隙多，呈蜂窝状，因此它能让雨水通过内部的孔隙迅速流入地下，有效地补充了地下水源，能够缓解城市由于过度抽取地下水而造成的地下水位急剧下降等等的一些生态环境问题，并能通过雨水的下渗，带走积聚于地面上的油类化合物等，在缓慢的下渗过程中，自然界中各类繁多的微生物可对很多化合物进行分解，降低其对生态环境的危害，有效地对环境进行了保护。因此，透水混凝土地面的使用，能够对地下水进行涵养和保护，促进地表水循环，维护生态平衡；生态广场地面孔隙的存在，能够使靠近地面的热空气和地面以下的孔隙内的凉爽空气对流，降低地面的温度，缓解城市热岛效应，有利于人类生存环境的良性发展及城市雨水管理与水污染防治[7]。

透水混凝土地面作法，共分为3层，上层是20cm透水混凝土层，中层是30cm碎石垫层，下层是素土夯实。土方夯实时，不能过于密实，只要达到90%～95%的密实度即可，否则雨水难于渗透[4]。

垫层中碎石分3层摊铺，每层厚度100mm，铺完最下一层后铺盲管，盲管铺设完毕后再摊铺中层和上层碎石。

盲管，既可以采用定型产品，也可以采用管径为100mm的PVC波纹管现场制作而成。采用手持式切割机，在波纹管的顶面和侧面，沿波纹方向均匀地切割出条形孔，孔长约10mm。盲管按设计要求铺设，当设计无要求时，可按5m间距排布，盲管末端应伸至集水模块处，便于将雨水引入蓄水池中。铺设时，管道坡度要平顺，盲管与承接管道要顺接。盲管接口处，要用透水土工布严密包裹[8]。

生态广场采用的透水混凝土地面如图2所示。

图2 透水混凝土地面

4.2 下凹式绿地

下凹式绿地应符合《建设技术指南》要求：①下凹深度。下凹式绿地应低于相邻地面，根据绿地上种植植物的耐淹性能以及绿地内土壤的渗透性，确定下凹式绿地的具体的下凹深度，通常为100～200mm。②溢流口设置。暴雨时，由于单位时间内水量积聚过多，雨水不能及时下渗，需要溢流排放。下凹式绿地内通常设置有溢流口，其顶部标高应高于绿地地面标高，具体尺寸可根据需要的蓄水深度而定，通常为50～100mm。下凹式绿地如图3所示。

图3 下凹式绿地构造

4.3 植草沟

植草沟，是指表面有植被覆盖的地表沟渠，雨水可通过它进行蓄积、输送和排放，雨水在沟中蓄积和流动时，可被沟中的植被净化。

植草沟应符合《建设技术指南》要求：①断面形式。植草沟深度较浅，断面可采用多种形式，梯形、三角形或倒抛物线形均可。②边坡坡度。植草沟的边坡，坡度不宜过大，(垂直：水平)不应超过 1∶3，为减缓雨水的流动速度，增大雨水滞留时间，纵坡坡度较缓，应不超过 4%。如因客观条件限制，纵坡较大，不能按要求坡度设置时，可将植草沟沿长度方向设置为阶梯形，或在中途每隔一定距离，设置消能台坎，以减缓雨水流速。③流速。植草沟中汇集的雨水流速不应过大，应小于0.8m/s，曼宁系数宜为 0.2～0.3。④植被高度。沟内应种植低矮植物，高度不宜过大，在100～200mm之间为宜。植草沟如图4所示。

图4 植草沟构造

4.4 生态树池

生态树池，树池内表面用透水混凝土铺装而成，树池表面虽有混凝土，但水分能够透过，空气也能够自由流动，很好地避免了泥土的板结，保证了池内泥土的透水透气性，当树池内采用彩色透水混凝土铺设时，不但树坑美观，而且容易保持干净和整洁。

生态树池的优点：①具有较高的透水性、透气性，可以锁住水分，增加水的利用率，同时可缓解城市热岛效应。②承载力较高。树池内的透水混凝土，整体浇筑而成，与小块透水砖拼铺而成的透水地面相比，其抗沉降性能较强。③高透水率：15%～25%的空隙率，透水率达到270L/(m2·min)，可充分满足树木的呼吸要求并使地面具有优良的降噪性能。④降低噪声。由于透水混凝土内部具有较多的孔隙，当行驶的车辆通过时，大量的路面噪声能够传入孔隙内，被其吸收，为整个城市创造了安宁、舒适的交通环境。⑤不积水，不结冰。下雨时，降水能够迅速下渗，不存在积水现象。冬天下雪时，透水混凝土由于内部存在孔隙，不易积雪，表面又不存水，不易结冰。⑥美化环境。它能够根据周围的自然环境，设计恰当的图案，并且可以采用多种色彩方案，与周围的景色融为一体，又由于它自身具有的混凝土材质，能够体现出天然石材的质感。

生态树池，由于采用了彩色透水混凝土，具有透气、透水、环保等特点，既起到了美化城市环境的作用，又能够保证植物摄取水分和健康成长的需要。生态树池如图5所示。

图5 生态树池

4.5 集水模块

集水模块，经过恰当的组合形成蓄水池(见图6)，能够将回渗的雨水收集起来，过滤和净化后，再进行利用。在满足蓄水功能要求的同时，蓄水池内部空间结构独特，承压能力较强，可设置于广场、绿化带等各种场地之下，无需占用地面。因为采用了模块化单元，组合便利，装配简单，使用寿命长。雨水储存在模块内部的腔体内，需要用水时，通过水泵抽取储存在内部的雨水进行使用。