海绵城市建设在天津某生态城建筑小区的探索与实践

文/王金成、史静娈 中国市政工程华北设计总院有限公司 天津 300381

随着工业化进程加快，每年约有一千多人涌入城区，城市化发展扰乱了原有生态平衡，城市原有地理景观逐渐改变，我国新建建筑约占世界总建筑量的1/2，硬化材料在吸收太阳辐射热后被反射回大气，导致产生温室效应。硬质化面积增加导致地面径流系数增大，降雨径流总量增大，雨水成为城市排水的负担。携带地表污染物的初期雨水及下水道污染物迅速流入河网，对水体造成严重污染，传统的城市地下管道雨水管理方式不能避免洪涝灾害的损失。随着城市化率，城市需水总量不断增长，雨水可利用量不断增加，充分利用雨水资源，构建城市雨水系统，能环节城市雨水带来的水体污染，改善城市生态系统。欧美国家设计师在城市设计中贯彻对雨水的操作管理，深圳等大城市内涝频发推动对城市排水系统设计的探讨，习近平总书记在2013年中央城镇化工作会议中要求建设海绵城市，指出城市发展应遵循顺应自然的低影响开发模式，将初期雨水径流中的污染物削减，缓解目前极端气候引发的城市保安与内涝及水污染现象，2014年住建部颁布《海绵城市建设技术指南》，海绵城市开始在我国各地进行试点工作。

1、海绵城市的研究

海绵城市是指城市像海绵一样，让雨水在城市的利用中更加便利，在降雨中雨水可以通过吸收下渗及处理净化等方式积蓄，需要使用时用以灌溉、补充景观水体等，海绵城市能压缩恢复，应对自然灾害，防洪减灾。海绵体包括小区建筑物的屋顶、园林绿化等相配套设施，及城市各种水系。传统的城市规划未考虑雨水的可持续利用，只是利用雨水口，雨水泵站等设施收集排出雨水，盲目开发使得雨水无法及时下渗利用，海绵城市可以有效解决城市内涝问题，对保持生态平衡具有重要意义【1】。

雨水产生的洪涝灾害等造成经济损失与人员伤害巨大，很多发达国家重视城市雨洪的控制，出台了系列可行的政策，有效理收集利用雨水。美国环保局在70年代提出BMP 的概念，重点利用雨水解决水质的问题，BMP 措施在德国、新西兰等国家地区广泛应用，美国暴雨研究专家进行景观控制的微观探讨，提出低影响开发的观点，日本的管理政策，英国的可持续排水系统等在发达国家雨洪控制管理利用中起到了良好效果。

2、海绵城市技术模式

城市化进程不断发展，对城市环境造成了恶劣影响，雨水管理不力导致多个城市发生涝灾，2013年，习近平总书记提出建设自然净化的海绵城市。建设海绵城市宗旨是使城市充分吸收雨水，传统城市雨水处理造成大量雨水被排走，城市绿地灌溉加剧了水资源短缺问题。雨水是缺水城市中宝贵的资源，如能高效利用雨水可以缓解用水压力，城市雨洪管理理念是雨水消纳，让雨水就地资源化【2】。

传统路面多由沥青混合料铺装成，路面排水要引导雨水流入排水管道，对排水系统造成很大的压力，可渗透路面拥有诸多优点，包括吸收车辆行驶噪音，增加土壤含氧量等。可以避免传统路面对水资源浪费的问题。透水路面分为缝隙与自透水，缝隙透水主要材料为不透水砖，将相邻砖块留出空隙填充砂粒，缝隙透水以较低的造价获得广泛的应用，其路面坑洼的特点导致行人车辆难以通畅，多用于住宅小区边沿绿地铺装。自透水路面包括混凝土及沥青路面，雨水降落在路面后，顺材料孔隙下渗到基层，可以极大程度的补给地下水，改善雨天人行路积水的现状，自透水路面承载能力不强，目前多用于停车场，人行道等。

城市绿地在城市道路旁、广场及公园等很多地方，如果城市内绿地覆盖率降低，通过排水系统排出雨水，我国绿地建植更多为改善空气，提升景观品质，很多绿地每天需要养护浇水，下凹式绿地的特点是高程低于道路，可赋予绿地更多空间雨水。下凹式绿地要求植物有一定耐水淹能力，对当地土壤排水能力有一定要求，雨水积存可能导致植物被淹死，可以种植耐水淹的牛鞭草，枫杨等草木，将道路设计成中间高两边低的形态，设置管道使雨水流入绿地中，保证暴雨时径流排放。

湿地具有很好的接纳雨水能力，当前某些水系发达的城市由于有良好的湿地较少受涝灾影响，城市规划中需保留城市中的河流，池塘等，对受到破坏的城市水体等，使其水文循环特征逐步恢复。可以采用表流与潜流结合方式建设湿地，表流湿地为浅水体与湿地植物结合，可带来更多景观视觉享受，其利用植物根系净化效率较低，表流湿地可建在地势较高的地方，潜流湿地可以充分利用植物根系的微生物吸附作用，无表面水，潜流湿地实用性较强，在净化污染水体中应用广泛【3】。

建设湿地公园中可引入雨水花园设计理念，在地势低的区域设置植物工程设施，纵向由蓄水层，种植土层及砾石组成，砾石层中穿孔管经渗滤净化的雨水浸入，雨水花园需要定期清理内部植物产生的掉落物。

广义上的绿色屋顶指各类建筑物等顶层上种植树木花卉，可以削减屋面雨水径流量，通过屋顶植被层截留部分天然雨水，利用种植基质土壤渗透净化雨水中的污染物。绿色屋顶是将低影响开发理念应用到建筑物上，雨水部分由植物蓄存，部分经简单处理用于建筑内部用水。

3、海绵城市设计原则

海绵城市建设中需要遵循一定的设计原则，才能发挥海绵城市的有效作用。海绵城市设计中应坚持以生态水文条件为场地开发主要设计元素，实行源头生态型微管理手段，促进多专业全方位融合，实行源头控制措施，雨水利用措施多管齐下。

传统城市排水理念是将雨水快速排出场地，海绵城市建设理念是通过规划工具保护原有自然水文功能，从规划到施工管理全方位调控，减少对开发自然生态环境的破坏。首先要全面分析影响区域水文状况的自然条件，如气候特征，地形地貌等。界定保护城市的生态敏感区，雨季易发生泥石流等地质灾害，应注重水土保持，城市建筑系统等各项要素在场地开发布局规划中必须与自然环境协调，推广生态交通网络的实施，如道路等应建设在土壤渗透性较差的区域，必要的不透水区域需分散隔开，将屋面雨水引入植草沟中，阻断城市的不透水面。

微管理手段主要包括控制区域大小，控制暴雨强度，自然水文功能是均匀分布在场地中，场地开发后均衡被打破，通过传统设施发挥场地生态水文功能的较为困难，应从减少影响的源头做起。在小集雨区内设施源头微管理手段，在场地中分散布置小型生态措施达到降雨的雨水滞留目的，减少暴雨对地下排水管网带来的压力。源头生态微管理手段是最经济的暴雨管理策略，采用传统的某段口直策略很不经济，国外传统暴雨控制措施需要与生态管理技术结合，减少工程材料的使用率，使用原生植物对雨水管理时，与场地景观结合【4】。

源头生态控制措施是针对高频率的降雨事件提出，分散式源头微管理技术不能满足强降雨径流量的控制，必须与雨水利用措施配合，如建设行洪通道，多功能景观水池等，加强建筑系统的雨水回用技术应用，才能应对高强度下的雨水管理，减少暴雨对城市带来的危害。传统城市规划中，各子系统之间系统协调性差，海绵城市理念提供更合理的模式，将子系统有机联系对城市暴雨进行管理。将雨水资源利用与城市道路系统、给排水系统等紧密结合，使暴雨径流在源头得到控制，通过大型防涝设施得到有效的调蓄利用，通过多层次的协调配合，使屋顶，停车场，人行道等城市场所能够具备基本功能，具备渗透雨水的附带功能。

4、天津市水资源环境现状

4.1 天津市地理环境概况

海绵城市建设以雨洪控制为出发点，不同地区具有各自的自然社会特征，要想构建城市生态雨水系统，必须充分了解地区的特殊情况，结合天津生态城地处盐碱区的特征来分析相关技术措施的适应性，针对性的规划海绵城市设计。

天津地处华北平原北部，位于海河下游，北部有低山丘陵，地貌总轮廓为西北高东南低。天津地跨海河，大部分地区为冲击平原，海河是华北最大的河流，中游附近汇合永定河、子牙河，在天津金刚桥附近三岔口汇合成海河干流，有独流减河等6 条人工河道，二级河道有79 条，海河水盐碱度较高，不用于饮用。过去天津地下水蕴藏量丰富，北部山区矿化度低，近年来地下水长期超采，导致产生地面沉降，地下水污染等严重的负面效应，天津人均水资源占有量不足全国人均占有量的1/7.

天津地势低洼，容易发生内涝，天津毗邻渤海，经常受海风暴潮的袭击，天津市特殊的地理位置决定必须承担防洪涝海潮的任务，水体系主要由各小区内排水管网，泵站组成，境内沥水主要由小区内雨污水管网系统收集，排入一级河道，部分雨水通过渠道排入蓄水设施，如遇特大暴雨易在市内形成积水，天津年均降水量约542.9mm，继续建立吸纳雨水的城市系统分担排水系统压力【5】。

天津生态城试点位于生态合作区南部，试点年均降雨量为500-600MM，区内原始下垫面层类型主要包括盐碱皇帝，废弃盐田，及少量村庄耕地等，目前杂件区面积近9km2，生态城试点区面临的重要问题是原始地形排水不畅，水体严重恶化，土壤条件不利。生态城地貌地形为海积低平原区，存在部分地市低洼地带，受上游来水，自身地形限制等因素影响，试点区原始条件下排水不畅。生态城土壤类型主要以黏土为主，水平垂直渗透系数在1 ×107cm/s 地下水埋深较浅，矿化度较高，土壤盐碱化程度高，城市绿化建设难度大。

4.2 天津市水资源环境中的问题

天津水资源环境目前存在的主要问题是水资源短缺，河流制排水就雨污水管道混接。天津市人均水资源量为104.49m3/人，为国家北方典型资源缺水型城市，地下水环境脆弱，主要靠地表水补给，地区分布不均，枯水年份与丰水年份差别大，南部地区中心城区是水资源需求大的区域，天津市年引滦水量达5.458 亿m3。

经流天津市内的河道众多，天津境内有19条I 级河道总长度1095.1km，天津持续加大水体环境治理改善工作，通过美丽天津工程项目，河道水体污染得到缓解，但整体污染形势依然严峻。对全市43 条河流进行水质监测，采用《地表水环境质量标准》评价，劣质水河占72.7%，II 类水河占评价河长4.7%，V 类水河占14.4%。检测结果显示主要污染指标为氨氮、高猛酸盐指数。我国《室外排水设计规范》有7 版进行修订，规范历次的修订是在深入总结排水工程建设特点，主要技术设备变化进行，逐步提升雨水管道设计标准，2014 版规范中对雨水重现期P 等作了较大调整，补充规定径流污染控制雨水调蓄池容积计算公式等，增加内涝防治设计重现期规定等。天津市中心城区建水管道1806km，雨水管网普及率84.4%，但多数管网设计标准偏低，一些地区雨水系统设计重现期达不到2016 室外排水规范中的规定，雨水管道排水能力有限，不能满足日益提高的排水要求【6】。

自1958年实现海河清浊分流以来，实现雨污分流是排水设施建设的宗旨，在排水规划修编中确立为基本目标，中心城区范围仍有合流管道386km，市中心城区合流制地区片区面积减少到21.88km2，成片合流制地区分布于市中心城区的和平区，河北区，南开区。雨污水管道混接是城市道路建设雨污水管道，雨污水管道存在连接现象，产生问题的原因复杂，导致城市主干管网建设不同步，为防止雨季积水淹泡产生混接现象，导致有大量污水混同雨水排入附近河道内。天津市排水管理处对城区内市属管网进行调查，雨水系统中服务片区内有雨污水干管网混接185处，居民区支管错接市政干管接入4378 处。造成天津市中心城区河道污染的主要原因是排水管网合流，中心城区每年汛期向一二级河道排放合流水5700 万m3。相当于城区22 天污水排放的COD，水体污染物严重超标项目主要为总磷，BOD5，致使每年汛期河道经常爆发大规模蓝藻。

5、天津市某生态小区海绵城市建设

5.1 项目概况

天津某生态城是住建部在2014年批准推动建立的示范项目，试点面积约2 平方公里，项目总面积47179.4m2，配套公建及地下车库，建筑包括4 栋8 层住宅，6 栋6 层住宅，11 栋2层住宅。生态城位于天津市滨海新区东北部，年均降雨天数为64-73 天，夏季降雨量占全年的80%,降雨总量不大，为体现资源约束下减少生态城市的示范意义，选址于自然条件较差，植被稀少，生态脆弱的地区。

项目设计理念是生态为本，安全为重。天津某生态城以海绵城市理念引领城市建设，构建完善的排水防涝系统，水生态环保系统，低影响开发雨水系统，致力于建设北方滨海地区海绵城市示范区。确定区域年径流量控制率指标。根据城海绵城市规划要求，设计降雨量为24.4mm，别墅区每户设置雨水桶。

根据项目整体情况分析，项目绿化程度高，有大面积绿地，无额外增加屋顶绿化必要性，小区道路两侧路缘石高于路道路，地块道路内多为小型机动车使用，对场地内的人行道等进行透水铺装设计，部分绿地区域设计为下凹式绿地。部分道路周边绿地进行下凹设计，场地内设置雨水花园，调整部分道牙，便于铺装径流流入其中【7】。

建筑屋面雨水排水，采用外排水系统排入市政雨水管网，项目红线范围内地形整体平坦，川博路设置出入口，出入口设计地面标高4.84m,.无市政雨水倒灌危险，出入口设计地面标高高于市政道路标高，雨水可排至市政道路。生态城位于滨海新区北部，近代沉积厚度达1000m 以上，地层以海相层软土地基为主，地质构造孕育以海河断裂带为代表的构造带，土壤为近代河流中积物，土层深厚，结构简单，土壤粘重呈黄色。沼泽主要分布于营城水库周围，岩土主要分布于沿海地区，土壤中小于0.01mm 的物理性粘粒含量在45%以上，土壤结构不良，非毛细管空隙少，根据土壤可熔盐分析结果，土壤含盐量600-2000mg/100g 土样，区域土壤盐渍化作用强烈。场地植物种植前需进行排盐，排水通过软式透水管接入排盐检查井，排入市政雨水管网，周边铺装的地方采用土工布包裹，淋水层间采用无纺布隔离，根据植物确定种植深度。

工程地下水为第四系表层空隙潜水，地下水主要接受大地降水的垂直入渗补给，河水的渗漏补给，主要以向下游径流及少量农业用水等方式排泄，喝水总硬度为极硬，水化学类型为氯-钠钾型，地下水微咸-盐水，中性-弱碱性，局部水样为氯-钠钾·镁型，根据场地地下潜水水位岩土勘察报告，初见水位埋深1.2-2.5m,静止水位埋深0.7-1.7m,表层地下水为潜水类型，主要以蒸发方式排泄，年变幅在0.5-1.0m.

5.2 生态小区海绵城市设计方案

海绵城市是统筹解决城市水安全，水生态的系统工程，是多目标，多手段的复杂体系，生态城建设在滨海盐碱地典型新区，试点坚持以管控为基本原则，确定分区控制的海绵城市规划建设方案，结合主要目标，构建科学合理的城市水系统，将城市集中建设区划分为若干排水分区，开展地块，设施等海绵城市建设。

构建有效的城市排水系统，试点区通过规划保留现状故道河，新开挖慧风溪，作为雨水调蓄空间，静湖以雨水调蓄为主，慧风溪以排水为主。水系总面积为363.5hm2，汛期来临时通过水量外排降低水位，雨水调蓄能力可满足20年一遇暴雨下整体蓄排平衡，城市排水系统通过规划管控纳入蓝线保护范围，严禁城市建设随意侵占。

分区控制雨水径流，通过规划竖向管控，确保排水通畅，规划试点区竖向抬高1m,地块控制高程比道路标高0.2m,使地块雨水顺利排入管网系统。完善雨水管网系统，结合大排水系统分部，划分4 个排水分区，生态岛为自排区，按标准建设雨水管网，重要地区主干管达到3年一遇标准，规划建设合建泵站，中部泵站雨水泵站，确保各排水分区雨水顺利排入城市大排水系统。

设计重点是以控为主，主要控制雨水外排量，结合项目周边用地性质，水域面积率等条件，确定低影响开发设施，将雨水控制与景观结合。项目绿化种植形式丰富，海绵专项设计时，充分利用现有绿地，硬质地面设计以保障工能性为主，采用透水混凝土材质设置人行步道，在道路与绿地接壤处设施植草沟，雨水口作相应挪移，发挥绿地净化作用，采用带有截污功能的渗透性雨水口。

海绵设计以容积法计算，计算公式为v=10HφF，H 为设计降雨量mm，F 为汇水面积，φ为综合雨量径流系数，V 为设计调蓄容积。海绵设施计算，依据计算结果需调蓄容积为665.38m3，地块径流量664.88m3，满足径流总量控制率75%的要求。项目设置低影响开发设施有下凹绿地等，地面径流雨水经过控污雨水口收集进入雨水管网，设置雨水花园收集雨水进行净化处理，设置透水铺装起到雨水径流的截污作用。设施雨水桶收集处理屋面雨水。屋面SS产生浓度约200mg/L，人行路约为180mg/L，排水分区污染物SS 去除率合计为50.73%。

下凹绿地承接雨水就地入渗，透水铺装设计下渗排水设施，雨水用于小院内绿化灌溉，路面冲洗等，过滤净化需满足《城市污水再生利用杂质水水质》中相应要求。每户生活用水量按120L/（人·d）,道路浇洒用水量为0.35L/（m2·次），根据生态城典型年逐日降雨量设计，年雨水用量为546m3，雨水资源利用率1%。项目设计对年径流总量控制目标进行海绵设施设计，采用透水铺装，下凹式绿地等海绵设施，对项目采用海绵设施投资估算。

结语：

本文对天津市某生态城小区的海绵城市建设为例，解决小区内涝灾害，合流排水溢流对河道污染等问题，分析城市居住区，道路等雨水系统设计方法，提出已建区域排水改造技术标准。海绵城市是我国城镇开发建设中倡导的新型模式，政府鼓励房产项目执行绿色建筑标准，海绵城市雨水系统建设让房产项目满足绿色建筑评价标准获得政府支持，增加房产企业的口碑，海绵城市雨水系统为房产项目带来了很好的生态效益，雨水可循环用于园林灌溉，可以节约大量资金，节约建设成本。