基于LID和雨水链的海绵城市微观细胞设计

冯峰 马志坤 靳晓颖

摘 要：针对海绵城市微观尺度的高校校园海绵细胞的设计问题，基于LID（低影响开发）理念，确保海绵细胞设计前后场地的洪峰出现时间、径流峰值、径流时间等城市水文要素不发生改变，原场地地质、地形不发生大的改变，植被尽量使用本土植物;引入英国雨水链理念，确保雨水从降落后到被利用整个管理链条科学合理，在关键措施选配中优先使用预防控制和源头控制措施，优先使用生态入渗措施，确保其中的每个环节设计得当。根据黄河水利职业技术学院海绵细胞模型计算结果，降雨历时在120 min时渗透设施的积水量达到峰值34.97 m3，结合校园场地、建筑物的分布及特点，设计了包含“渗、滞、蓄、净、用、排”等21种关键措施的“水之川”海绵细胞，并对该设计方案进行雨水控制效果检验，场地雨水控制及利用率为88%，满足开封市所在全国年径流总量控制率区域划分图中Ⅲ区的要求。

关键词：海绵城市;低影响开发;雨水链;微观尺度;海绵校园

中图分类号：TV213.9 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.013

Abstract： Aiming at the design of sponge cells in campus at the micro-scale of sponge cities， this paper based on the concept of LID （low impact development） ensured proper design of each link. The concept of LID is that the occurrence time of flood peak， runoff peak， runoff time and other urban hydrological factors of the site before and after sponge cell design do not change and the geology and topography of the original site do not change significantly. The concept of rain water chain in Britain is that the whole management chain of rain water from falling to being used is scientific and reasonable. In the selection of key measures， preventive control and source control measures were given priority， while ecological infiltration measures were given priority. According to the results of the sponge cell model， the water volume of infiltration facilities reached a peak of 34.97 m3 after 120 min of rainfall. In combination with the distribution and characteristics of campus sites and buildings， 21 key measures including “infiltration， stagnation， storage， purification， utilization and drainage” were designed. In this paper， the design scheme of rainwater control effect test， get the result is the ground water control and utilization rate of 88% and satisfy the requirements of Kaifeng situated in the zoning map of national total annual runoff control zone III.

Key words： sponge city; Low Impact Development （LID）; rain chain; micro-scale; sponge campus

隨着我国城市水生态问题日益凸显，越来越多的学者、专业人士开始在实践中探寻解决城市雨水可持续利用问题的方法。2003 年，北京大学俞孔坚教授和李迪华教授共同出版的《城市景观之路：与市长交流》一书中最早用“海绵”的概念比喻自然湿地、河流等对城市旱涝灾害的调蓄能力[1]。俞孔坚教授及其土人景观规划设计团队创造了许多雨洪管理实践的成功范例。深圳市在2004 年开始率先引进 LID（低影响开发）理念，创建光明新区为全国低影响开发雨水综合利用示范区。董淑秋等[2]结合首钢工业区改造规划实践，于2011年首次明确提出了构建“生态海绵城市”的规划概念。国际著名水文气象专家林炳章教授[3]在 2013 年10月厦门召开的极端暴雨事件和防洪减灾国际学术研讨会上建议，可借鉴美国经验，建设一座“海绵城市”。习近平总书记在2013年12月召开的中央城镇化工作会议上发表讲话，提出建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”[4]。2014年2月，住房和城乡建设部明确提出建设海绵型城市设想[5]，10月正式发布《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》[6]。2014年12月，财政部、住房和城乡建设部、水利部联合印发了《关于开展中央财政支持海绵城市建设试点工作的通知》（财建 [2014]838号），组织开展海绵城市建设试点工作。

海绵细胞是指微观尺度的海绵城市，是国土宏观尺度水生态基础设施在社区微观尺度的延伸，例如社区绿地、写字楼绿色屋顶、校园建筑集雨区等[1]。笔者在总结目前海绵城市设计方法的基础上，基于美国低影响开发（LID）和英国雨水链的理念，构建海绵细胞的计算和评估模型，并以开封市黄河水利职业技术学院校园海绵细胞为研究实例进行验证，完善计算方法和评估雨水利用效果，提高其适用性，以期为相关微观尺度的海绵细胞设计提供参考。

1 LID和雨水链理念

1.1 LID理念

低影响开发（LID）是在开发的全过程中，从设计、施工到管理的每个环节，对周边环境的不利影响最小化，特别是对雨洪资源和分布格局的影响最小化。从某种意义上说，低影响开发与海绵城市建设是同一个含义，无论是从宏观、中观层面的海绵城市规划，还是流域的海绵城市规划设计和建设，或是微观层面的小区、雨水花园的设计和施工，都要充分实现低影响开发，尽量使用原周边环境的有利地形、原生物种、原有设施等，减小对周边水土资源、植被资源等影响和破坏，也尽量保持原有区域或场地的降雨水文产汇流特征不改变。低影响开发包含水资源、土地资源、地形、植被等方面的低影响开发[7]。在海绵城市的设计过程中引入和利用LID理念，确保微观尺度的海绵细胞设计前后场地的峰现时间、径流峰值、径流时间等水文要素不发生改变（见图1），原场地地质、地形不发生大的改变，并尽量考虑使用本土植物作场地植被。

1.2 雨水链理念

英国雨水链理念包含由预防措施、源头控制、场地控制和区域控制4个等级构成的管理链条[8]。其中：預防措施和源头控制处于最低等级，也就是在规划中尽量先通过预防手段在源头和小范围进行雨水的截流处理。只有当在源头或小范围不能处理时，才将雨水排放至更高一级的系统中，采取其他控制处理手段。该管理链条将各项具体措施组成一个有等级次序的一体化方案，是规划的重要基础。按照对雨水就地处理的原则，利用沉淀、过滤、吸附和生物降解等自然过程，对地表水进行不同程度的处理。在海绵城市的设计过程中引入和利用雨水链理念，优先使用预防控制和源头控制措施以及生态入渗措施，确保雨水从降落到被利用整个管理链条科学合理，其中的每个环节设计得当，环环相扣，清晰规范。

2 海绵细胞相关措施计算模型

2.1 源头减排系统计算模型[9]

式中：Wz为雨水资源化利用量，m3;α为综合安全系数，一般取0.5～0.8;K为土壤渗透系数，m/s;J为水力坡降，一般取1.0;As为有效渗透面积，m2;ts为渗透时间，s，一般按1 d计，渗透池和渗透井宜按3 d计;qi为第i种用户的最高日用水定额，m3/d;ni为第i种雨水用户的数量（雨水用户种类包括景观、绿化、循环冷却、路面和地面冲洗、冲厕、汽车冲洗、消防用水等）;m为雨水用户种类数;ty为用水时间，s，一般取2.5 d。

（3）需配置的入渗面积按式（3）计算。当场地条件有限、入渗面积小，无法满足式（3）要求时，应增设收集回用系统或调蓄排水系统。对于下沉式绿地入渗，可以简化计算为每平方米下沉式绿地承担1 m3的硬化面雨水。

2.2 源头减排雨水系统的效果评估[10]

3 海绵细胞设计案例

3.1 基本概况

黄河水利职业技术学院位于河南省开封市东京大道1号。开封属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，光照充足，气候温和，雨量适中，年平均气温14 ℃，年均降水量670 mm，林木覆盖率高于全国平均水平。在全国的年径流总量控制率区域划分图中，开封属于Ⅲ区，控制率为75%～85%，对应的径流污染控制率也应为75%～85%。根据开封市52 a的统计资料，年平均降雨次数76.5次，1 a一遇日降雨量44.7 mm，2 a一遇日降雨量71.2 mm。海绵细胞位置选择在校园西北区域鲲鹏山实训场西侧，占地面积约450 m2，主要收集周边实训楼约1 000 m2楼顶雨水和场地降雨。

3.2 设计理念

校园海绵细胞设计成在空中俯瞰时，整体形状呈现草书“水”和“川”字的变形，因此将其命名为“水之川”。该设计不仅要达到为专业和教学服务的目的，满足海绵城市课程教学和实训教学的需求，而且要有科研功能，可以开展海绵城市关键措施、植被对比等研究，同时也要打造校园的精品水文化，营造智慧水利的职业氛围，另外还是校园的一处美景。

“水之川”海绵细胞主要收集利用2号、3号实训楼楼顶及施工实训大棚顶的雨水和区域降水（见图2）。利用原赤道几内亚模型场地，该区域南侧有4根向2号实训楼水利馆供水用的大型管道，地下有向水利馆供水的地下水库。4根管道的上方设计成绿色屋顶，两侧做成透视面。利用原赤道几内亚模型的废沙，做成中间地下水库上面的流动雨水花园。根据雨水链的理念，合理规划和设计从雨水降落到利用的全过程链，3号实训楼楼顶、绿色屋顶的雨水通过雨水花园汇集、净化、下渗，进入下沉式绿地，净化后进入蜂窝状地下蓄水模块，沉淀后可用于绿化浇灌、生态景观用水等。

3.3 海绵城市关键措施设计

利用式（6）、式（5）计算不同降雨历时的雨强qc、渗透设施进水量Wc和渗水量，结果见表1。

从表1可知，在降雨历时为120 min时，渗透设施的积水量达到峰值34.97 m3。渗透设施的有效容积应大于积水峰值。根据开封市相关参数，利用式（1）～式（5）计算相关水量和参数，结果见表2。由表2可知，对该海绵细胞的场地雨水控制利用率为88%，满足开封市所在全国年径流总量控制率区域划分图中Ⅲ区的要求。

4 结 语

海绵城市的理念已被越来越多的人所接受，无论是宏观尺度、中观尺度的海绵城市，还是微观尺度的海绵细胞建设，都需要将各种措施科学合理地配置使用，充分发挥自然的力量，“化整为零”地解决城市内涝的风险。以校园海绵细胞设计为例，基于LID和雨水链理念，结合校园场地、建筑物的分布及特点，重点发挥源头控制作用，在有限的空间展现了21种海绵城市措施，将教学、实训、科研、科普、展示等多重功能融为一体。通过海绵细胞计算模型验证，海绵细胞的场地雨水控制利用率为88%，满足开封市所在全国年径流总量控制率区域划分图中Ⅲ区的要求。此案例可为国内其他海绵细胞设计提供新思路。

参考文献：

[1] 俞孔坚，李迪华.城市景观之路：与市长们的交流[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：144-153.

[2] 董淑秋，韩志刚.基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究[J].城市发展研究，2011，18（12）：37-41.

[3] SLANEY Scott.海绵城市基础设施雨洪管理手册[M]. 潘潇潇，译.桂林：广西师范大学出版社，2017：56-68.

[4] 新华社.中央城镇化工作会议举行[EB/OL].（2013-12-14） [2019-04-03]. http：//www.gov.cn/ldhd/2013-12/14/content_2547880.htm.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部城市建设司.关于印发《住房和城乡建设部城市建设司2014年工作要点》的通知[EB/OL].（2014-02-11） [2019-04-03].http：//www.mohurd.gov.cn/wjfb/201402/t20140214_217084.html.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 海绵城市建设技术指南：低影响开发雨水系统构建（试行）[M].北京：中国建筑工业出版社，2014：10-15.

[7] 伍业钢.海绵城市设计：理念、技术、案例[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2016：112-125.

[8] 奈杰尔·邓尼特，安迪·克莱登.雨水园：园林景观设计中雨水资源的可持续利用与管理[M].周湛曦，孔晓强，译. 北京：中国建筑工业出版社，2013：78-86.

[9] 中国建筑标准设计研究院.海绵型建筑与小区雨水控制及利用： GB/T 17S705—2017[S].北京：中国计划出版社，2019：15-25.

[10] 中华人民共和国住房和城市建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.雨水集蓄利用工程技术规范：GB/T 50596—2010[S].北京：中国计划出版社，2010：18-26.

【责任编辑 张华兴】