既有城市社区海绵化升级改造设计方法

卢兴超，尹文超,*，刘永旺，刘浚泉，张 卫

(1.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044；2.北京工业大学城市建设学部，北京 100124)

2015年，国务院办公厅《关于推进海绵城市建设的指导意见》(国办发〔2015〕75号)中提出，到2030年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求,通过开展系统化全域推进海绵城市示范城市建设和加强城市内涝治理实施工作，将海绵城市建设推向一个新的高度[1-2]。既有城市社区的涉水问题关系着居民的生活福祉，但因历史建造原因影响，受空间、场地、管网、建筑等限制，加上每个既有社区的问题和需求不同，现有的标准规范无法一一标定覆盖[3]，需要在一些关键要点上给出设计方法和图示。与此同时，不同的既有社区建设风格有所不同，居民需求也存在差异性，既要实现海绵化改造目标，又要获得居民的满意度，需要将技术手段和景观系统有机融合，营造出具有地域特色强、景观效果好、建设效果明显的社区环境。

1 既有城市社区室外涉水问题分析

1.1 渗透能力低、排水不通畅

既有社区存在绿化率低、硬化比例高、排水系统不完善等缺点，产生雨水径流可渗透量低、汇流路径长、径流峰值高、径流总量大的问题，加之部分既有社区缺乏物业管理，缺少定期清理维护，造成排水管道淤积严重，使原本排水能力不足的管道排水能力大大折损。当场地自身消纳能力低时，暴雨天气极易形成道路积水和建筑底层进水，给既有社区居民的日常出行、人身安全和财产造成一定损失。

1.2 面源污染突出、水体污染风险高

既有社区土壤裸露严重，地面扬尘较多，在缺乏定期清理的情况下，道路易积存车辆磨损物、油渍、生活垃圾，这些污染物会随着降雨冲刷初期雨水通过路面散排和管道集中排入景观水体或低洼场地。水体中的淤泥不断沉积造成内源污染的持续释放，加剧水体环境恶化，同时，既有社区的补水系统缺失或老化破损造成清洁水源的补入缺失，在长期的渗漏和蒸发条件下，损害或丧失水体自身修复的功能，综合多种因素加剧了既有社区水体环境的恶化。

1.3 用水需求大、雨水利用率低

雨水作为非传统水源，具有污染小、易收集、可回用的特点。既有社区硬化率和雨水径流产流率高，部分下垫面雨水径流污染相对较小，但未得到有效利用，导致大量的雨水资源浪费。既有社区日常的道路清洗、植物浇洒的用水水源多以市政中水或自来水为主，需求量较大，产生的费用也较高。在问题与需求之间形成相互对立，提高雨水的回用率，对降低传统水源的使用具有重要意义。

2 既有城市社区海绵化改造设计方法

2.1 整体设计思路

从既有城市社区室外涉水问题紧迫程度出发，对常见海绵技术措施进行归类划分为蓄排、渗滞、净用三大核心单元(图1)。其中，蓄排单元侧重于社区水安全问题，采用调蓄和排放相结合的方式，降低内涝积水风险；渗滞单元侧重于社区水环境和水生态问题，采用雨水就地渗透和滞留相结合的方式，削减面源污染；净用单元侧重于社区水资源问题，采用雨水直接净化和回用相结合的方式，提高雨水回用效率。借助数学模型手段对每类设施的设计规模、关键参数以及进出水方式进行评估优化，提高设计的精准性和科学性。

图1 整体设计思路Fig.1 Overall Design Idea

2.2 增大蓄排空间、应对超标雨水

2.2.1 设计策略

采用源头减排、过程控制、系统治理的思路，开展既有城市社区雨水径流调控(图2)。首先，优先将普通绿地改造为下凹式绿地，消纳自身与周边雨水径流，通过抬升低洼路面、新增缺失道路雨水口、改造排水能力不足管道，可消除小雨积水点；其次，调整地面坡向坡度，增设雨水调蓄池，腾出既有水体的调节空间，降低大雨内涝风险；最后，恢复道路、排涝渠、泄洪沟的行泄通道，有效应对超标雨水，针对邻近山体的社区，沿山腰修建截洪沟，避免山洪暴发冲击。

图2 蓄排单元设计策略Fig.2 Design Strategy of Storage and Discharge Unit

2.2.2 设计要点

(1)植草沟

植草沟通常作为建筑落水管段接口与生物滞留池、湿地或高位花坛等海绵设施之间的雨水径流传输渠道。一般纵坡设计坡度不应大于4%，宽度宜为500～1 500 mm，深度在300～450 mm为宜，边坡坡度不大于1∶3，可根据场地实际条件采用倒抛物线、三角形或梯形，受气候条件影响较小，适用性较广。植草沟的设计流速计算如式(1)～式(2)[4]。

(1)

Rs=As/Ps

(2)

其中：v——平均流速，m/s；

Rs——植草沟横断面水力半径，m；

i——植草沟纵向坡度；

n——曼宁系数。

As——植草沟横断面面积，m2；

Ps——湿周，m。

(2)下凹绿地

具有下凹形式的绿地均可称为下凹绿地，通常置于硬化垫面旁，用来收集道路及周边径流雨水。下凹深度根据土壤渗透性能、植物耐淹度等因素确定，一般为100～200 mm，雨水溢流口高于绿地50～100 mm。下凹绿地受气候条件影响较小，可根据场地坡度设置为梯田式、阶梯式，不适用于径流污染严重、设施底部距渗透面最高水位小于1 m的区域。当邻近建筑距离2 m时，需做好防渗措施或增加1.5倍回填土深度外加0.5 m保护距离，或距离建筑安全距离不小于6 m[5]。下凹绿地的渗透量和蓄水量计算如式(3)～式(4)[6]。

S=60KJFg(t2-t1)

(3)

ΔU=HFg×104

(4)

其中：S——下凹绿地下渗量，m3；

K——土壤稳定下渗速率，m/s；

J——水力坡度；

Fg——下凹面积，m2；

t1——前期暴雨径流量等于绿地渗透量的时刻，min；

t2——后期暴雨径流量等于绿地渗透量的时刻，min；

ΔU——下凹绿地蓄水量, m3；

H——溢流高差，m。

(3)雨水调蓄池

雨水调蓄池多采用埋地式蓄水池。每1 000 m2硬化屋面面积需配建调蓄容积不小于30 m3的雨水调蓄设施。雨水调蓄池可兼顾回用功能，当有效容积大于雨水回用系统最高日用水量的3倍时，应设置能在12 h内排空雨水的装置，重力溢流管排水能力应大于50年一遇设计重现期的设计流量。雨水调蓄池的调蓄容积计算如式(5)[7]。

(5)

其中：V——调蓄排放系统雨水储存设施的储水量，m3；

Q——调蓄池进水流量，L/s；

Q′——出水管设计流量，L/s；

tm——调蓄池设计蓄水历时，min，不大于120 min。

(4)雨水管渠

雨水管选用硬聚氯乙烯(UPVC)、混凝土等材质，雨水渠选用高密度聚乙烯(HDPE)、树脂等材质。管径或渠高不小于200 mm，最大设计充满度不小于0.55，水力坡度不低于0.1%。根据位置不同设计重现期有所不同，一般不低于3年。雨水管顶上部最小覆土深度宜为人行道下0.6 m、车行道下0.7 m，且位于冰冻线以下0.2 m。

(5)行泄通道

受场地空间限制，既有城市社区应对超标雨水时除了恢复原有天然调蓄空间、新建雨水调蓄池外，还可以修建行泄通道，恢复既有道路行洪路径。道路作为行泄通道，与路缘石高差为100～200 mm，道路纵坡不应小于0.3%，道路横坡应采用1.5%～2.0%，路肩横坡可比路面横坡加大1.0%。其设计流量和道路漫幅计算如式(6)～式(7)[8]。

(6)

(7)

其中：Q1——偏沟设计流量，m3/s；

λ——路面粗糙系数；

SX——道路横坡，m/m；

SL——道路纵坡，m/m；

T——道路漫幅，m。

(6)截洪沟

既有城市社区应对上游山洪雨水时，一般修建排洪沟、截洪沟等拦截洪水并引入下游河道中。截洪沟采用梯形或矩形断面，沟纵坡不小于1%，坡度很大时设置跌水井或陡槽消能，跌水高度为0.2～0.6 m。截洪沟设计流速按照沟底沟壁材质不同而设置，最小流速为0.4 m/s，最大流速为4.0 m/s。洪水径流流量计算如式(8)[9]。

Qm=16.67φqF

(8)

其中：Qm——设计洪峰流量，m3/s；

φ——径流系数；

q——设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，mm/min；

F——山坡集水面积，km2。

2.3 增强渗滞能力、削减径流污染

2.3.1 设计策略

根据既有城市社区的屋面、道路、广场、停车场，以及其他硬化垫面的使用特征、污染程度、可改造性等基础条件，结合蓄排技术措施，采用绿色屋顶、硬性透水铺装、柔性透水铺装等海绵技术进行合理布设，可增强下垫面的渗透能力、增大渗透面积、延长径流滞留时间，实现削减雨水径流污染目标(图3)。

图3 渗滞单元设计策略Fig.3 Design Strategy of Infiltration and Retention Unit

2.3.2 设计要点

(1)透水铺装

透水铺装结构包括面层、找平层、基层、底基层，其中面层的渗透系数应大于1×10-4m/s。入渗土壤渗透系数应为1×10-6～1×10-3m/s，且渗透面距离地下水位应大于1.0 m。透水铺装不适用于自重湿陷黄土、膨胀土和高含盐土等特殊土壤地质场所，同时，严寒和寒冷地区要满足抗冻要求。其透水系数和蓄滞容积计算如式(9)～式(10)[10]。

k≥imax

(9)

V透≥10A(iave-kn)t

(10)

其中：k——表层透水系数，mm/s；

imax——设计重现期下最大降雨强度，mm/s；

V透——透水铺装滞蓄容积，m3；

A——透水铺装面积，hm2(1 hm2=1×104m2)；

iave——平均降雨强度，mm/s；

kn——土壤平均透水系数或铺装底部排水流量系数，mm/s；

t——降雨持续时间，s。

(2)绿色屋顶

绿色屋顶分为简易式和花园式，其中简易式屋面承载力不低于1.0 kPa，种植深度在100～300 mm，花园式屋面承载力不低于3.0 kPa，种植深度在300～600 mm。绿色屋顶的绿化种植应选择耐晒、耐寒、不需要过多水分、根系不深的植物，且绿色屋顶不适用于坡度大于15°、荷载能力不明、防水性能差的屋面。绿色屋顶的径流总量控制率计算如式(11)[11]。

η=1-(VQue/Vre)

(11)

其中：η——径流控制率；

VQue——溢流量，m3/a；

Vre——径流总量，m3/a。

(3)生物滞留设施

生物滞留设施分为简易型和复杂型，自上而下敷设种植土壤层、砂层、砾石层，其中，种植土壤层渗透系数应不小于1×10-5m/s，砂层厚度为100 mm，砾石层厚度不小于100 mm。设施面积与汇水面面积之比一般为5%～10%，蓄水层高度一般为200～300 mm，并应设100 mm的超高。生物滞留设施不适用于径流污染严重、设施底部渗透面距离最高水位小于1 m的区域。当邻近建筑距离2 m时，需做好防渗措施或增加1.5倍回填土深度外加0.5 m保护距离，或距离建筑安全距离不小于6 m。其调蓄容量和面积计算如式(12)～式(13)[12]。

V蓄=γA1H降

(12)

(13)

其中：V蓄——控制调蓄容积，m3；

γ——综合径流系数；

A1——汇水面积，hm2；

H降——年降雨总量控制率所对应的设计降雨量，mm；

Af——生物滞留设施面积，m2；

K1——种植土渗透系数，m/s；

t3——降雨时间，min，通常取120 min；

df——土壤层和填料层厚度，m；

h——蓄水层设计平均深度，m；

hm——最大水深，m；

f——淹没在水中的植物平均体积率，通常取20%；

θ——空隙率，通常取0.3。

(4)渗井和渗管

渗管和渗井的渗透层采用砾石，渗透层外用透水土工布包覆。塑料渗管直径不应小于200 mm，开孔率在1.0%～3.0%，坡度在1%～2%。塑料渗井直径不大于渗透管管径的150倍，井内设0.3 m沉砂室。不适用于地下水位较高、径流污染严重及易出现结构塌陷等不宜进行雨水渗透的区域。

另外，雨水花园和雨水渗透塘也是增强渗滞能力、削减径流污染的有效措施，其相关参数计算分别如式(14)～式(15)[13]和式(16)～式(17)[14]。

S1=[K雨(d′f+have)A′ft4]/d′f

(14)

Vw=A′f×h′m×(1-fv)×10-3

(15)

其中：S1——雨水花园下渗量，m3；

t4——计算时间，常按120 min计；

K雨——土壤渗透系数，m/s；

have——蓄水层设计平均水深，m；

d′f——雨水花园的深度，一般包括种植土层和填料层，m；

Vw——雨水花园蓄水量，m3；

A′f——雨水花园表面积，m2；

fv——植物横截面积占蓄水层表面积的百分比；

h′m——最大蓄水高度，m。

Q雨=V雨A雨

(16)

V雨=k1(H1-H2)/L

(17)

其中：Q雨——雨水下渗量，m3/s；

A雨——雨水塘下渗接触面积，m2；

V雨——雨水塘下渗速率，m/s；

k1——土壤介质的渗透系数，m/s；

H1——雨水塘水位，m；

H2——某一监测地下水水位，m；

L——雨水渗透塘与地下水水位监测点之间的距离，m。

2.4 提高净用效率、提升使用频次

2.4.1 设计策略

结合既有城市社区的用水类型、用水总量和用水点位等实际需求，合理布设分散式雨水回用设施(图4)。针对屋面雨水径流，宜选用雨水桶、雨水箱进行就地净化；针对雨水管道内径流雨水，宜采用“分流-弃流-沉淀-调蓄-过滤-消毒-回用”方式，用于集中式和分散式的非传统水源用水。

图4 净用单元设计策略Fig.4 Design Strategy of Purification and Reuse Unit

2.4.2 设计要点

(1)雨水桶

建筑雨落管断接后的雨水，一般引至下凹绿地进行收集回用。当采用雨水桶时，需要根据收集量和使用量合理确定大小，同时做好净化、消毒，需定期使用，防止变臭滋生蚊虫。

(2)雨水回用系统

根据雨水管网布局选择雨水分流设施，对高污染雨水径流直接弃流，低污染收集后经沉淀、贮存、净化、消毒后进行回用，传染病区域雨水不回用。雨水回用系统中的清水池大小可按最高日设计用水量的25%～35%计算。当雨水进行绿地浇洒或用作补充景观水体时，宜采用石英砂过滤器净化和紫外线消毒。

表1总结了目前常见的集中海绵城市改造设施的示意图。

表1 常见海绵化改造设施设计图示Tab.1 Diagrams of Normal Sponge Retrofitting Facilities

2.5 模型辅助海绵化改造设计方法

2.5.1 方法构建

目前，国内多数学者已经开展基于排水模型软件辅助社区海绵化改造设计的研究[15-16]，根据海绵化改造前后水质水量的变化情况，反馈并优化海绵化设计方案。数学模型可模拟海绵设施对集水区内径流量和污染物的削减[17-18]。一般采用“基础数据整理与筛选-初始模型搭建-海绵改造方案设计与比选-海绵改造模型搭建与模拟-结果比较分析-海绵改造方案优化与确定”流程(图5)。

图5 模型辅助海绵化改造设计流程Fig.5 Flow Chart of Sponge Retrofitting Design by Mathematical Model Aided

2.5.2 设计要点

(1)改造边界确定。明确海绵化改造对象，考虑研究对象与上下游的水系统相关性，划定研究边界线。

(2)基础数据收集与筛选。收集边界范围内的下垫面类型、土壤渗透系数、坡向坡度、雨水管网设计资料、典型年降雨数据、水量水质监测数据等，并按照数据的优先使用次序进行筛选。

(3)初始模型数据库建立。降雨数据模块包括典型年降雨实测数据、高重现期长历时雨型、低重现期短历时雨型;“面”数据模块为各排水分区属性参数；“线”数据模块为雨水管段、泵等属性数据；“点”数据模块为检查井、排水口、调蓄池等属性数据。另外，还需设置模型运行时间步长、下渗模型、管网计算模型、污染物冲刷模型等属性。

(4)改造方案设计与比选。设计多个改造方案，从经济性、技术可实施性、居民接受度、目标可达性等方面，对方案进行综合考量，筛选出最优方案。

(5)改造模型构建与评估。在初始模型基础上，加入“海绵化改造模块”，设置相同的运行条件，分别对初始模型和改造模型进行模拟分析，从水质与水量角度，对改造方案进行评估。

(6)改造设计方案优化。结合监测数据对模型参数进行校核，优化海绵设施的设计方案并进行最终确定。

3 既有社区海绵化改造与景观品质提升融合

3.1 与绿地系统提升融合

绿地系统对雨水具有调蓄、渗透、滞留和净化作用[19]，绿地系统中的植被应具有适应性、抗逆性、观赏性和功能性。首先，对已建乔木进行保护性规划，避免破坏损伤，新建植物以乔木、灌木、水生植物和地被植物等本土化植物为主；其次，植物应具有耐旱、耐淹、抗病虫、抗污染性强的特性，具有不招蚊虫、景观效果好、视觉效果好的明显优势；最后，水生植物具有吸附能力强、水质净化好的优点，地被植物应选择根系发达、松土性好、净化能力强、耐阴性突出的多年生植被群落。

3.2 与道路系统提升融合

相对机动车道,人行道荷载要求较低,且与人体接触较多，宜优先选择透水铺砖、彩色透水混凝土、彩色透水塑胶路面等，颜色与道路两边的建筑本体和景观植物的色彩相匹配。机动车道承载力要求较大，可选择透水沥青路面和透水混凝土路面。

社区广场是居民休闲活动重要场所，因与人接触较多，硬化面宜优先选择舒适性较好、形式各异、视觉效果丰富的彩色透水塑胶路面[20]。道路系统两侧的下凹绿地具有消纳道路雨水的功能,考虑道路雨水径流污染较大,植被应选择具有耐淹、抗污染能力强的多年生植物,且具备可观赏性强和不易滋生蚊虫的优势。

停车场荷载要求跟机动车道相似，考虑既有社区本身的绿化率较低，可在非承压位置选用多年生矮小草本植株[21]，承压面选择嵌草砖或透水混凝土路面，可提高社区的绿化率、增加雨水的就地渗透、减少雨水的外排、降低雨水管网的压力。

3.3 与建筑屋面提升融合

绿色屋顶对降低楼本体的热量吸收、消纳雨水径流、减少城市热岛效应方面具有重要意义。在进行海绵化改造时，选择的种植土具有质量轻、养分适度、安全环保等特点，改良土有机材料不宜超过30%，植物多选择自重较轻、喜阳、耐热、耐旱、耐寒、抗风性强、抗涝且生长缓慢的浅根性植物为主[22]。

4 结论

本文综合统筹既有城市社区的关键问题、重点需求、基础条件等因素，以问题为导向、需求为目标，提出了既有城市社区海绵化升级改造设计思路搭建，按问题紧迫程度将设计方法划分为蓄排、渗滞、净用三个核心单元，三者之间相辅相成、层层递进。针对每种核心单元给出了具体设计策略、设计参数和图示，为有效降低社区洪涝风险、削减初雨径流污染、提高雨水利用效率提供重要设计依据。为提高海绵化改造设计的科学性，提出基于模型的既有城市社区海绵化改造规划设计方法、流程和要点。为提高社区环境品质，结合社区整体布局、空间风貌、设施用途等特点，给出了海绵化与景观化相融合的设计方法。通过开展既有城市社区海绵化升级改造设计研究，以期为新时期系统化全域推进海绵城市建设提供参考与借鉴。