基于区域雨洪调控的中央公园海绵系统设计方法研究——以沣西新城大西安中央公园为例

达周才让

牛 萌

何俊超

白伟岚*

邹 舟

1 中央公园的解读

1.1 中央公园的起源

19世纪中期，美国纽约中央公园为解决人地矛盾、环境污染、公共空间不足等一系列城市病而建设，在其建成后的一个多世纪，以其设计理念的创新性和前瞻性，被尊为现代公共空间的典范，深刻影响了城市规划思想的发展[1]。

中央公园通常位于城市核心区域，功能综合，具有一定规模，以绿色开放空间为基础，是城市中重要的绿色基础设施，对于优化城市空间结构、促进城市发展、保障城市生态安全起到积极作用。

1.2 中央公园设计理念的演变

有别于纽约中央公园建设的时代背景，中国城市的主要问题除了人地矛盾、环境污染外，还有复杂宏观的区域性矛盾，城市生态环境、城市安全格局面临严峻挑战[2]。为了应对这些变化，在满足公园景观、游览、生态、教育功能的前提下，保障城市安全成为大型中央公园的新职责[3]，随着海绵城市、韧性城市等城市发展理念的提出，多专业融合的规划设计成为指导城市可持续发展的重要手段。当今的中央公园应当从生态系统重塑、城市功能耦合、区域雨洪调蓄及水资源系统构建等多角度着手，构建蓝绿灰协同的城市基础设施。

1.3 中国中央公园海绵系统设计概况

自20世纪90年代初设立国家级新区开始，我国开启了大规模的造城运动，目前90%的地级市营建了新城新区，众多大型公园应运而生[4]。随着生态文明建设思想的不断丰富和完善，“绿地先行、公园先建”成为新城新区建设的新理念[5]。据不完全统计，“十四五”规划期间我国将新建50余个百公顷以上的大型中央公园，如上海浦东中央公园、深圳光明新区中央公园、济南中央公园和昆明巫家坝片区中央公园等[6]。大型公园的优先落地，为构建城市安全体系和生态安全格局打下了坚实基础。

1.4 公园绿地海绵系统设计方法概述

目前我国对于海绵系统设计的研究大多集中于市政道路、住宅小区和城市区域规划等方面，针对公园绿地的定性研究较多，涉及定量化设计雨洪调控型绿地的研究较少。康嘉奇等[7]以迁安市滨湖东路绿地为研究对象，提出了半湿润地区外源径流型海绵绿地的低影响开发体系设计及效能量化模拟等；李铮等[8]以宿迁市桥头公园为研究对象，系统总结径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制和雨水资源化利用等措施对绿地的贡献；李舟雅等[9]以晋中市社火公园为研究对象，提出基于自身雨水消纳能力展开设施类型选择、径流控制计算、空间布局设计和效能量化模拟的技术路线。基于已有研究和国家海绵城市试点建设实践，笔者结合大西安中央公园的设计经验，总结了基于区域雨洪调控的中央公园海绵系统设计方法。

2 中央公园的区域雨洪调蓄功能

城市雨洪调控的根本目的是通过雨水设施截留、储存地表径流，减少进入城市排水管道系统的雨水径流量，起到错峰排洪、缓解城市内涝、降低下游洪水峰值流量的作用。绿地是市政公用设施的重要组成部分，根据绿地规模、位置的不同，其承担的海绵功能主要分为“源头减排、中途传输、末端调蓄”3个层面。相较于传统绿地，中央公园具有透水下垫面大、绿色空间比例高、与城市水系统关系紧密等优势，将其作为区域调蓄空间，消纳不同设计降雨条件下的雨水径流，与城市其他排水防涝设施共同构成城市雨洪调控系统，应是更好发挥中央公园综合功能的重点。

3 中央公园海绵系统设计

3.1 中央公园海绵系统目标

中央公园所承担的区域雨洪调控职能是通过构建公园海绵系统完成水安全、水生态、水环境、水资源4个目标而实现的。

3.1.1 水安全目标

中央公园的设计应与排水防涝规划、海绵城市专项规划相协调，采用灰绿结合的调蓄系统，承接周边汇水区域内的雨水径流，充分发挥其区域雨洪调蓄功能。

3.1.2 水生态目标

中央公园要充分发挥下垫面优势，降低雨水径流的流速及流量[10]，明确海绵城市相关规划提出的区域径流总量控制指标，实现绿地对中小型降雨控制的同时，最大限度地收纳公园外部径流。

3.1.3 水环境目标

中央公园应对收纳的周边区域客水进行预处理，保证进入公园的雨水径流水质；充分发挥绿色雨水设施的净化功能，有必要的应增加人工湿地，保证公园排入下游管渠或河流的水质达标。

3.1.4 水资源目标

中央公园的海绵系统设计应最大限度地收集和利用公园自身径流、外部客水，以及利用中水等非常规水资源，减少外调用水。依托公园调蓄水体，结合湿地等净化设施，实现水系循环净化，保障公园的持续性水源。

3.2 中央公园海绵系统设计内容

3.2.1 雨水径流控制设计

中央公园的雨水径流控制应抓住竖向设计这一关键手段，通过地形和水景营造，控制自身雨水径流，保证中小型降雨条件下公园内的雨水不外排。以汇水分区为单元，采用容积法或模型计算法分解径流控制指标[11]，通过设置与景观相结合的绿色基础设施，实现雨水径流消纳。

3.2.2 雨水径流传输设计

中央公园的竖向设计要与周边场地竖向条件衔接，保证公园周边雨水管渠和外部场地的雨水有效汇入。将公园潜在的集水区设置成具备蓄滞功能的景观水体，结合竖向设计布局传输型雨水设施，利用自然汇流导入集水区，最大限度地减少雨水管网的使用。

3.2.3 雨水径流调蓄设计

中央公园的调蓄空间一般与主要景观水体结合，核心在于水量核算与水位设计：根据上位规划给出的溢流管网标高确定调蓄水体的极限水位；通过公园承接的最大极限蓄水量计算调蓄深度和丰水位；通过模拟管渠设计重现期下的降雨量计算汇入公园的调蓄水量，最终得出公园调蓄水量和水系常水位。

3.2.4 水系净化系统设计

中央公园的水系净化系统旨在保障入园和园区的水质，包括外部客水、地表雨水径流和园区水系循环净化处理：通过预处理设施，净化公园收纳的外部客水；通过生态传输设施，净化公园自身产流；设置人工湿地，净化用于水系补水的再生水。

4 中央公园海绵系统设计——以大西安中央公园为例

4.1 区域条件分析

4.1.1 建设背景

2015年西咸新区被确立为国家首批海绵试点城市，沣西新城是海绵城市建设试点区。西咸新区总体规划和海绵城市专项规划中明确提出，中央绿廊为沣西新城最大的城市绿核和雨洪调蓄空间，要围绕中央绿廊打造世界级城市的中央生态区。大西安中央公园位于沣西新城中央绿廊的中心位置，占地面积达148hm2。

4.1.2 场地条件

沣西新城属西北干旱半干旱气候区，年均降雨量520mm，年均蒸发量1 289mm，雨量集中在7—9月，月均蒸发量明显大于降水量。土壤基层以风积黄土为主，黄土湿陷性等级偏低；土壤渗透性较好，渗透系数在10-6～10-5m/s。区域水资源丰沛，西侧有渭河、东部有沣河，南侧有沙河。公园位于渭河一级阶地强富水区，浅层地下水位平均埋深一般在10～15m。

中央公园周边以高密度的商务区和居住区建设为主，要求中央公园结合排水管网规划发挥雨洪调蓄功能(图1)。

图1 大西安中央公园区位图

4.2 大西安中央公园海绵系统设计目标

4.2.1 水安全目标

对接上位海绵城市建设和城市雨水工程的相关规划，协调消纳接入场地的12处市政雨水排口的客水。海绵系统设计还需满足内涝防治标准，承接周边地块50年一遇内的超标雨水径流。

4.2.2 水生态目标

以《沣西新城中心绿廊海绵城市系统方案》确定的源头减排指标为依据，通过场地竖向设计公园场地内年径流总量控制率达到90%的控制目标。

4.2.3 水环境目标

充分考虑上位水系规划，构建中央公园的水质保障措施，建立径流滞蓄净化、客水预处理、再生水净化和水系循环等水质保障系统，促使水系连通，提高水系自净能力，保障公园水系水质满足地表水Ⅳ类标准。

4.2.4 水资源目标

收集公园自身径流，将客水、再生水作为公园水系生态补水的主要水源。确定中央调蓄湖体作为公园绿地灌溉和道路浇洒的水源，实现雨水资源利用量不低于17万m3/年的目标。

4.3 不同层级雨水控制系统设计

在沣西新城建设初期启动大西安中央公园的设计，使公园建设与新城开发统筹协调。为充分发挥中央公园的雨洪调蓄功能，以中央绿廊汇水分区为单元，结合上位规划统筹区域海绵系统，分别从雨水管网标准(应对3年一遇降雨)、内涝防治标准(应对50年一遇内降雨)和超标雨水溢流标准(大于50年一遇降雨)3个层级，衔接绿廊水系、市政雨水总排口客水、道路行泄通道超标雨水，建立中央绿廊地区雨洪滞蓄系统(图2)，构建区域“大海绵体”。

图2 大西安中央公园客水汇水分区(作者改绘自《沣西新城中心绿廊海绵城市系统方案》)

4.3.1 雨水管网设计条件下的径流控制

在雨水管网标准条件下(3年一遇降雨)，将公园接入新城核心区的12个雨水排口管底标高设计为384.5m，低于公园地面平均标高388.0m。设计方案综合考虑安全与景观效果，将雨水排口通过自流、溢流提升和水泵提升3类衔接方式，引入公园调蓄水体。公园自身雨水径流通过优化场地竖向设计，依地势布置传输型植草沟、旱溪、净化渠等绿色雨水设施替代雨水管网，设施过水能力满足3年一遇降雨标准，最大限度将雨水径流引入中心水体补充水源。

4.3.2 内涝防治目标下的径流控制设计

在内涝防治条件下(50年一遇降雨)，公园将承接216.18hm2汇水区内的20.4万m3超标雨水(图3)。按照过水断面计算旱溪规模，在公园内部设置宽4m、深0.8～1.5m的旱溪，有效对接周边道路的行泄通道，引导超标雨水汇至公园水系。

图3 中央公园行泄通道超标雨水汇水范围

4.3.3 超标雨水溢流条件下的应对设计

在超标雨水溢流条件下(大于50年一遇降雨)，公园将通过天府路、天雄东路的DN1500mm退水管渠，将超过内涝防治条件的超标雨水通过退水管排至东侧沣河，保障城市排涝安全。

4.4 以竖向为主导的雨水传输系统设计

中央公园现状地势平坦，场地南北距离1 200m，最大高差仅为10m，坡度不足1%，竖向设计需打破现有平坦的地势变化，营造关中地区“大山大水”的山水格局。与传统公园地形高于周边场地不同，在环丘地形外部设置一圈低洼地带，以保证公园绿地低于市政路，外部径流可自流进入公园。基于ArcGIS软件对公园内部径流进行分析，识别公园内的集水区和潜在积水点，通过多次修正复核，构建合理的山水空间。

通过竖向核算，将整个公园以环丘山脊线为界，分为直接汇入和间接汇入2个汇水区域：直接汇入区面积为87.42hm2，占整个汇水分区的59.1%，地表径流都可以通过自流汇入公园水系；间接汇入区面积为60.58hm2，占整个汇水分区的40.9%，需要通过传输设施汇入水系，或在区域内解决自身雨水径流。

根据上位规划确定公园自身的源头减排雨水系统下的年径流总量控制率为90%，对应的设计降雨量为24.1mm。在2个大的汇水区框架下，划分出11个子汇水片区，以各个片区为单元，采用容积法分解计算各子汇水片区的径流控制目标(园区可滞蓄径流总容积为7.0万m3)，并设置对应调蓄容积的源头减排设施(图4)：按照地表生态雨水组织路径和径流分布，沿山体道路边侧布置净化渠，对山体雨水径流净化输送；沿公园道路及铺装场地外围设置植草沟对雨水进行汇集、输送和初步净化；在植草沟低点设置下凹绿地，将雨水径流进一步滞留、下渗、净化，削减地表径流污染物；通过溢流管道将下凹绿地内的超标雨水排至公园水系，经过生态驳岸和滨水湿地的过滤净化后，最终汇入河道及中心调蓄湖体。

图4 中央公园竖向设计(4-1)、径流分析(4-2)和汇水分区(4-3)划定

4.5 基于水位计算的雨水径流调蓄系统设计

中央公园作为沣西新城最重要的雨洪调蓄空间，需确定不同雨水控制条件下的水位高程，预留足够的调蓄空间(图5)。

图5 中央公园水位设计

1)极限水位。

根据《沣西新城雨水工程专项规划》设定的50年一遇溢流管道标高386.1m，确定公园调蓄水体的极限水位为386.0m，保证公园50年一遇降雨条件下的雨水不外排。

2)丰水期水位。

通过计算公园50年一遇降雨条件下的超标雨水量，可得出极限水位与丰水位的水位差，进而确定公园的丰水位。超标雨水量包括客水汇入量和场地汇入量，计算公式如下：

式中，V客为汇入公园水系的客水径流量(m3)；H设为50年一遇设计降雨量(127.7mm)；H控为20年一遇设计降雨量(104.9mm)；F客为公园周边地块汇水面积(hm2)。经计算，公园周边地块汇水面积为216.18hm2，通过行泄通道汇入中央公园的超标雨水量为4.93万m3。

式中，V场为场地径流量(m3)；H设为50年一遇设计降雨量(127.7mm)；H控为场地源头的年径流总量控制率88%所对应的设计降雨量(21.8mm)；F汇为公园场地汇水面积(hm2)；F水为公园水系面积(hm2)。经计算，公园汇水面积为109.63hm2，水系面积为31.58hm2，公园内地表径流汇入中央公园水系的径流量为15.64万m3。

在满足50年一遇设计降雨条件时，按照以下公式计算公园水系的调蓄空间：

雨季不考虑公园内绿地灌溉、道路浇洒的雨水利用量和湖底渗漏量。经计算，公园水系在该工况下的蓄水空间为20.41万m3，水位高度为1.4m，因此丰水位为384.6m。

3)常水位。

计算中央公园3年一遇雨水管网条件下的调蓄水量，可得出丰水位和常水位的水位差，进而确定公园的常水位。调蓄水量等于12个雨水排口的客水汇入量与公园自身的径流量之和减去蒸发量和渗漏量，计算公式如下：

式中，V径为公园场地径流汇入量(m3)；H设为3年一遇设计降雨量(45mm)；H控为公园场地源头年径流总量控制率90%对应的设计降雨量(24.1mm)；F场为公园场地汇水面积(hm2)；F水为公园水系面积(hm2)。经计算，公园客水汇入量为9.8万m3，公园自身径流为4.0万m3，蒸发量为1 647m3，湖底渗漏量取1 142m3(按10-7m/s的渗透系数计)，则调蓄水量为13.50万m3，对应公园水系丰水期淹没水深为0.6m，计算得出常水位为384.0m，低于市政雨水总排口384.5m的管底标高，可保证雨水正常汇入。

4)枯水期水位。

根据水量平衡计算，公园一年需要在3和11月进行2次补水。北园从3月集中补水后，直至6月底水体损耗量约16.31万m3；南园从11月集中补水后，直至2月底水体损耗量约2.62万m3，分别为一年2次补水中的最不利条件，由此计算得出最不利枯水条件下的水位下降为1.0m，因此枯水位为383.0m。

5)水底标高。

综合考虑中央公园湖体的景观、生态及海绵功能，设定湖体的基流水深为2.0m，计算得出水底标高为381.0m，高于地勘得出的374.0～380.0m地下水深度，满足建设条件。

4.6 生态科学的水系净化系统设计

根据公园水系设计及场地条件，建立生态科学的水质保障体系，从客水排口净化、湿地净化和水系循环3个层面，系统构建公园水质保障方案，保证公园水体水质。

4.6.1 客水排口净化

针对管渠高程过低的市政雨水总排水口，利用截流井对初期雨水进行弃流处理，设定径流深度5mm的弃流量，弃流部分汇至蓄水设施，利用泵站排至市政污水管网。管渠高程适宜的雨水总排口利用竖向协调方式，分别通过自流、溢流提升和水泵提升，将完成弃流处理的客水汇入地表生态净化渠进一步净化并最终汇入湖体(图6)。

图6 客水净化处理设施设计流程

4.6.2 湿地净化

考虑西北半干旱地区缺水及水污染问题，公园制定了水系补水和湿地净化的保障措施。净化湿地主要用于公园再生水补水水源和公园自身水系循环水的净化。

中央公园远期通过再生水补水，北园日均补水量4 000m3/d，南园日均补水量1 000m3/d。北园为水系核心区，在夏季温度较高时，若维持中心湖体水质满足要求，需通过内部循环过滤措施，15d循环换水一次，最大循环水量2.5万m3/d；南园同样通过内部循环，15d循环换水一次，最大循环水量2 500m3/d。参照北京奥林匹克森林公园补水湿地设计经验，根据人工湿地的速率系数设计计算法，确定南、北园分别布设0.9和4.5hm2的功能型净化湿地(50%垂直潜流湿地和50%水平潜流湿地)(图7)，湿地出水水质达到地表Ⅳ类水标准后可进入公园中心水系。

图7 中央公园雨水排口处理设施分布

4.6.3 水系循环

为了保障水系的流动性，避免富营养化，达到“流水不腐”的要求，在水环境系统设计中，制定了外部循环、内部循环和局部小循环3套循环净化方案(图8)：通过外部再生水补水，衔接公园东西两侧绿廊水源补给，达到绿廊水系整体循环的效果；在水系死角分布位置，设置提升水泵和暗管，利用功能型湿地循环净化措施构建水系内部循环路径。公园将在15d完成一次内部循环换水，维持水系内部自净能力；局部布置曝气装置，保持水系局部水体的自净能力。

图8 中央公园水系循环净化布置

5 结语

本文基于我国新城建设过程中，大型中央公园在城市生态安全格局中作用突显，而风景园林专业在量化设计方法上与水专业协同不足的现实问题，探讨了中央公园雨洪调控的技术路径，将污水厂处理后的中水作为公园水系重要的补水水源，使中水通过公园湿地、绿地再净化，回到自然水系统循环，这也是我国面对水资源短缺而采取的重要举措。以大西安中央公园为例，总结归纳了中央公园海绵系统设计在不同降雨条件下应达到的目标，从径流过程着手提出雨水径流“控制-传输-调蓄-净化”流程设计的通用技术方法，构建以区域雨洪调控为核心，中水再利用回归自然循环为主线，依托基础数据和科学模型的海绵系统，最终实现保障区域水安全、净化水环境、优化水生态、节约水资源的风景园林理水目标(图9)。

图9 中央公园海绵系统结构

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。

致谢：诚挚感谢大西安中央公园项目组全体成员对于本文的支持。