西北地区基于低影响开发理念的城市雨水花园设计

张亚洲，廖伟彪，李 彬(甘肃农业大学 园艺学院，甘肃 兰州 730070)

西北地区基于低影响开发理念的城市雨水花园设计

张亚洲，廖伟彪，李 彬
(甘肃农业大学 园艺学院，甘肃 兰州 730070)

特殊的气候条件造成了西北地区干旱少雨的现状，雨水花园作为海绵城市建设的内容之一，以低影响开发为理念，有效的控制地表径流、收集并储存雨水。这些新理念新措施在一定程度上缓解了西北地区城市普遍缺水的问题，并起到涵养水源、改善城市生态环境的作用。通过对定西昌林花苑小区的雨水花园从用水结构，降雨特征及雨水利用设计深入剖析，提出雨水花园通过空间和景观营造雨水花园集水体系设计，雨水收集利用等具体措施，以期对我国西北地区景观设计提供理论指导和借鉴。

低影响开发；雨水花园；定西市

改革开放以来，我国经济高速发展，城镇化率也由1978年的17.92%提高到2015年的56.1%。城镇过度开发造成了水资源短缺、水污染严重、内涝灾害频发、环境恶化等生态问题。调查显示，城市地区70%以上的降水形成径流被排放。雨水资源流失、径流污染增加、城市内涝灾害频发，严重影响了人们生活和城市的有序运行[1]。目前，我国正全力构建海绵城市，海绵城市的试点工作已在全国14个城市展开。我国西北地区水资源匮乏气候水文条件独特，许多城市用水主要依赖于地下水资源，而城市中大面积的“灰色”材料和压实土导致大量自然降水不能渗入地下，只能以地表径流的形式从城市地下管网中白白流失，不仅给陈旧的城市排水系统带来了压力，并导致城市内涝等现象频发，严重破坏了城市水资源循环系统的平衡，地下水位逐年下降。西北地区各大中小城市的生态均面临前所未有的考验。研究通过对定西昌林花苑雨水花园设计深入剖析，从项目场地分析、花园面积的确定、集水体系设计、铺装设计及和雨水花园植物配置等方面阐述在西北地区利用LID工程技术的方法，理清雨水花园设计脉络，以期为我国西北地区景观设计提供理论指导和借鉴。

1 低影响开发与雨水花园

1.1低影响开发理念的提出

低影响开发出现在20世纪90年代中期，美国马里兰州乔治王子县(Prince George's County)环境资源部提出解决郊区雨水管理问题的方法——低影响开发(Low Impact Development，LID)[2]。LID旨在通过采用一定的景观与工程技术措施保证场地在开发后其水文功能仍保持开发前的状态，其功能包括地下水补给、渗透、控制径流频率和体积流量。美国住房和城市发展部发展政策研究室将LID定义为，低影响开发(LID)是综合土地规划、设计实践以及工程技术的土地开发方法，同时节约和保护自然资源系统，减少基础设施成本[3]。近年来，低影响开发理念逐渐受到国人的关注，以“海绵城市”的理念出现并为人们所熟知。海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。2014年10月颁布的《海绵城市建设技术指南》中指出，实现海绵城市的建设目标，需要依靠低影响开发理念的雨水系统工程经验[4]。

1.2雨水花园

雨水花园也被称为生物滞留区域(Bioretention Area)，是指在园林绿地中种有树木或灌木的低洼区域，由树皮或地被植物作为覆盖。通过将雨水滞留下渗来补充地下水并降低暴雨地表径流的洪峰，并通过吸附、降解、离子交换和挥发等过程减少污染，是一种生态可持续的雨洪控制与雨水利用设施[5]。

雨水花园最初形成于20世纪90年代美国马里兰州乔治王子县的一名地产开发商建住宅区的时候，希望用一个生态滞留与吸收雨水的场地来代替传统的雨洪最优管理系统(BMPs)。在该郡环境资源部的协助下，该区每栋住宅都配建了30～40 m2的雨水花园。建成后数年的监测结果显示雨水花园平均减少了75%～80%地面雨水径流量，高效而又节能[6]。雨水花园如今作为低影响开发的主要设计手法，已延展出了多种形式。狭义的雨水花园仅为规模有限、结构简单的浅凹绿地，适用于小区或宅院绿化；而广义的雨水花园则可囊括具有调蓄和净化雨水径流能力的下沉式绿化设施[7]。

2 项目概况及区位分析

2.1项目概况

昌林花苑位于定西市安定区，西邻南环路，呈南北走向，定临路将其一分为二(A、B两区)，小区内包括住宅、商业设施、休闲广场、羽毛球场、公共绿地等，交通便捷，基础设施齐备，是一个综合性的中高档小区(图1)。项目总占地面积128 000 m2，其中雨水花园总面积为640 m2，小区景观绿化面积约32 000 m2，人行道路、广场等占地19 310 m2，非机动车道占地约5 737 m2，机动车道占地11 132 m2，绿地率25%，建筑密度24.6%。

图1 区位分析Fig.1 Location analysis

2.2定西用水结构分析

定西市用水结构为农田灌溉用水、林牧渔畜用水、工业用水、城镇公共用水、居民生活用水和生态环境用水。其中，居民用水所占比重最大。定西水资源匮乏，城市用水主要依赖地下水，随着城市化进程加快，逐年增加的地下水开采量已大于天然补给量，匮乏的水资源成为制约定西可持续发展的不利因素。

2.3降水特征及雨水利用潜能

定西市地处西北干旱地区，属典型的大陆性季风气候，年降水量400～600 mm，年均降水量456 mm，全年52%的降水集中在6～8月，并呈西南向东北递减趋势。据统计，定西市全年雨水资源总量约0.85亿m3，相当于定西市居民用水和市政用水总和，利用潜力巨大[8-9]

3 昌林花苑场地设计

3.1场地分析

从竖向看，昌林花苑A区西北低，东南高，高差在7 m；B区南高北低，高差5 m；小区整体场地与西侧道路高差0.5～1.0 m。场地现状为场地内土壤为湿陷性黄土，渗透系数介于3.0×10-4～6.0×10-4m/s。根据《建筑与小区雨水利用工程技术国标(GB50400-2006)》，雨水入渗系统的土壤渗透系数宜为10-6～10-3m/s。场地渗透系数虽然符合要求，由于场地土质为湿陷性黄土，在黄土处于干燥的条件下，土体结构稳定。土体的含水量增加，并达到一定程度后，土体的结构遭到破坏，强度大幅减弱，易造成建筑物的塌陷及道路的沉陷。因此，在定西市采用LID工程技术措施时，必须先对场地地基做湿陷性消除，采用三七灰土垫层法、冲击压实法和强夯法。在建筑小区内采用LID工程技术措施还必须与建筑保持适宜的距离(表1)。

表1 低影响开发设施与建筑物的防护距离

3.2雨水花园类型的选择和面积计算

根据2013年监测数据显示，定西市一年一遇日暴雨量45.3 mm，两年一遇日暴雨量95.8 mm，10年一遇日暴雨量200.4 mm。基于数据和现场分析，首先对场地进行汇水分区，并根据小区节水的要求，将雨水花园定位为收集型雨水花园，共设计6处雨水花园，A区共设5处，B区设1处，分别位于A-5和A-6、A-7和A-8、A-10和A-11、A-13和A-14之间以及B-12北侧的空地内。为达到小区内控制雨水径流和收集雨水的目的，调蓄能力按照两年一遇日暴雨量设计。雨水花园面积按汇水面积进行粗略估算[13]，得出SA5-6=90 m2，SA7-8=90 m2，SA10-11=110 m2，SA13-14=130 m2，SA11=130 m2，SB12=90 m2，雨水花园总面积为640 m2。

3.3雨水花园设计

3.3.1 雨水花园空间和景观的营造 昌林花苑雨水花园应结合置石、石笼、旱溪、木质平台、干池和植物景观进行设计，花园形状根据小区建筑、场地和周边道路灵活布置，形成多种空间组合。

昌林花苑作为居住小区，是小区居民日常生活和闲暇休闲娱乐的场所，设计应保持人的尺度，创造出介于公共和私密之间的半开放空间。以各汇水分区间结合高差，利用道路、挡墙、木质平台和植被等景观元素创造一系列风格统一而形式多样的半开放空间，成为居民进入公共空间或私密空间的过渡地带，同时也成为半开放的活动场所。

3.3.2 雨水花园集水体系设计 雨水花园通过一系列的旱溪、干池、小叠水、串联式水池、下沉式绿地、挡墙以及雨水收集装置的做法，减缓暴雨时地表径流的速度。挡土墙结合绿地的做法减缓了原有的地形高差，作为雨水流入雨水花园的缓冲地带。每个水池边设有溢水口，水池中必须积满水后才能通过水池边设置的溢水口流入下一水池。同时，由暴雨冲刷进入雨水中的杂物可以稳定的沉淀到水池中。这一系列相互联结的水池降低了径流速度，不仅起到蓄水作用，也为雨水下渗提供了充足的时间。干池内设置具有地方文化特色的小品，平时作为居民休闲活动场所，暴雨季节作为临时蓄水设施(图2)。

3.3.3 雨水收集利用 雨水的收集过程包括初期弃流、沉淀过滤、净化储存和回收利用[14-15]，完成这个雨水收集过程的系统便称为雨水收集系统。雨水收集利用的技术流程为：收集管道——初期弃流装置——雨水储存设施——溢流管道——除污净化系统——消毒和升压设备——回收利用[16]。小区内的给水设备与雨水花园相结合，收集的雨水用于小区绿化浇灌等方面(图3)。

图2 昌林花苑雨水花园布局Fig.2 Rain garden layout of Changlin residential area

图3 雨水收集利用工艺流程Fig.3 Process of rainwater collection and utilization

西北地区水资源匮乏，气候水文条件独特，许多城市用水主要依赖于地下水资源，小区内道路和广场的铺装设计充分考虑了保护场地透水地面面积，减少地面径流和积水，减轻市政排水压力，达到保持水土、涵养水源的目的。因此，设计时首先对小区道路结构做了重新设计，由土基、垫层、基层、过滤层、透水面层等五部分组成(图4)。

不同的透水砖根据使用环境的不同有不同的特性，透水砖的种类包括，聚合物纤维混凝土透水砖、彩石复合混凝土透水砖、混凝土透水砖、生态砂基透水砖，其中生态砂基透水砖和彩石复合混凝土透水砖价格较贵，不适合小区大面积使用。因此，小区内大部分道路采用透水混凝土铺装，生态停车场车位均使用植草格进行铺砌，其他通过性场地和小型休闲场地均采用具有较强渗透能力的聚合物纤维混凝土透水砖或者混凝土透水砖作为铺设材料，过滤层铺20厚1∶4干硬性砂浆，基层铺200～250厚级配石。按照绿色建筑评价标准的要求，小区内透水地面面积占室外地面总面积的比例应不低于40%的绿色节能要求[17]。

图4 透水铺装的结构Fig.4 Structure of permeable pavement

3.3.5 雨水花园的植物选择 雨水花园以天然降水为唯一水源，且花园面积有限，花园中的水流速度和水量与自然降水息息相关，雨期花园中雨水充沛，水流速度较快，有较强的冲刷作用；降水过后花园中的水体处于平稳的渗透、蒸发阶段，水体的水平流动停止，随着时间推移局部区域出现干枯现象；干旱季节花园中水体渗透、蒸发殆尽，露出花园地表及种植层。因此，雨水花园中的植物选择了适宜本地生长的花叶水葱[18]、千屈菜、鸢尾、美人蕉、灯心草、黄菖蒲、细叶针茅、蒲苇、花叶燕麦草等。这些花卉植物生长在花园中、水池边、砾石沟的缝隙中，给花园增添了绿色，使其更显生动活泼，也可以防止因雨水冲刷而引起的水土流失。此外，选用的这些植物还可起到过滤雨水残渣、吸收有害污染物的作用，如美人蕉对COD和铵态氮去除效果明显[19]。

4 雨水收集效益分析

4.1生态环境效益

(1)通过对小区应用海绵城市模式前后的雨水径流进行对比，可以反映出小区截流雨水的能力，以分析海绵城市应用的环境效益。

由于不同区域有不同的雨水径流系数，首先计算各区域下垫面的面积(Fi)分别为：

屋顶面积=总占地面积×建筑密度=128 000×24.6%=31 540 m2

下沉绿地=总占地面积×绿地率=128 000×25%=32 000 m2

透水铺装=广场+非机动车道=19 310+5 737=25 047 m2

沥青和混凝土路面=机动车道=11 132 m2。

(2)计算出区域综合径流系数

ψ=∑(Fi×ψi)/F[20]

式中：ψ为综合径流系数；F为建筑小区的总占地面积，hm2；Fi为不同类型的下垫面面积，hm2；ψi为不同类型下垫面的径流系数(表2)。

表2 常用材料径流系数参照表

通过表2可知各种区域的径流系数分别为：ψ下沉绿地=0.1；ψ透水铺装=0.55；ψ硬屋面=0.9；ψ混凝土沥青路面=0.9；ψ传统绿地=0.15。

将各区域径流系数代入公式，得出该区域综合雨量径流系数在传统开发模式下：

综合径流系数=(31540×0.9+32000×0.15+25047×0.9+11132×0.9)÷128000=0.51

在低影响开发模式下：

综合径流系数=(31540×0.9+32000×0.1+25047×0.55+11132×0.9)÷128000=0.43

通过利用雨水花园的技术措施，小区的雨水径流系数变小，说明小区能够保留雨水的能力也大大的增加了。小区内透水铺装的使用减少了雨水的流失，同时集水设备的使用还增加了雨水的使用量，降低了维护小区绿化灌溉所需的成本。小区内土壤含水量的增加让绿色植被的种类和数量增多，对于小区的生态环境有着很大的帮助[21]。

4.2雨水收集效益分析

小区可收集雨水量公式：W=αβψHA

式中：W为小区能够收集的雨水量，m3；α为季节折减系数；β为弃流系数；H为平均降水量，mm；ψ为综合径流系数；A为汇水面积，m2；

式中：季节折减系数采用兰州数值0.83，初期弃流系数俘根据降水和水质资料定为0.84，定西市年平均降水量为465 mm。

表3 北方典型城市季节折减系数

屋顶可收集雨水：

W=0.83×0.84×0.465×0.4×31540=4 090 m3

透水铺装可收集雨水：

W=0.83×0.84×0.465×0.55×2 5047=4 271 m3

道路可收集雨水：

W=0.83×0.84×0.465×0.9×11 132=13 758 m3

共收集雨水：

4 090+4 271+13 758=22 119 m3

按照定西市商业用水价格3.1元/m3计算，将为小区每年节约22 119×3.1=68 570元。

4.3社会效益

项目采用了以雨水花园为具体措施的低影响开发模式，能够很大程度的降低小区对市政管网的雨水排放量，有效减缓降水期间市政管网的压力，降低了城市部分路面积水甚至产生内涝的可能性，收集的雨水还可以净化后进行再利用，不仅节省用水费用，而且可以提高居民节水意识。

定西气候条件较差，人们渴望绿色生态的居住环境，但是高额的植物养护费只能让人望而退步，如果合理利用海绵城市理论来建设小区，有望获得一个绿色高端的居住环境，这将继续推动更多的小区进行海绵城市的改造和修建，随着海绵城市规模的不断扩大，定西不但会恢复原来的自然生态环境，甚至会逐渐成为一个有山有水有景有绿的生态宜居的城市。

5 结语

西北地区的城市建设和新农村建设发展迅速，在快速建设中应该吸收过去城市建设的经验教训，积极探索新的理念和方法，雨水花园无疑为城市生态建设提供了理论依据和实践方向。其低成本、低影响、低技术的景观途径，对我国西北众多城市的老旧城区在解决雨洪内涝问题的策略选择方面颇具启发意义[22]。

在中国城市大规模更新换代的今天，人类历史在不断进步，工程技术也在不断更新，新思潮、新技术的不断涌现必然取代旧的思潮和技术。在城市内涝不断加剧的背景下低影响开发理念应运而生，雨水花园技术可以有效解决当今城市建设和环境之间对立统一关系。人们面对当今城市建设中存在的诸多问题，希望在未来营造出更适合人类居住的具有青山绿水、雨水自然回收利用的城市生活环境，雨水花园的建造方法和技艺将不只在新的城市建设中被理解和应用，也必然使城市中旧的街区、小区、校园、办公场所以及公园重新焕发生机与活力。

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LowimpactdevelopmentdesignofurbanraingardeninnorthwesternChina

ZHANG Ya-zhou，LIAO Wei-biao，LI Bin

(CollegeofHorticulture,GansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070,China)

Special climate condition has caused the drought situation of northwestern China.Rain garden is one of sponge city construction measures.Based on low impact development concept,the rain garden could effectively control surface runoff,collect and store rainwater.To some extent,these measures can alleviate the common problem of water shortage in northwestern China,and play an effective role for water conservation,the urban ecological environment improvement.The water usage,rainfall characteristics and rainwater utilization in the rain garden of Changlin residential area were analyzed in details and put forward the measures of designing rainwater collection system in order to provide the relevant guidence.

low impact development;rain garden;Dingxi City

X 703

A

1009-5500(2017)05-0053-06

2017-02-25；

2017-04-25

国家自然科学基金(31560563)；兰州市科技局科技攻关项目(2011-1-29 )资助

张亚洲(1991-)，男，甘肃武山人，在读硕士。

E-mail：WOAILUO.ZYZ@hotmail.com

李彬为通讯作者。