生态海绵城市下的雨水利用规划设计分析

张晨，李少堃

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300181）

1 引言

现如今，关于海绵城市雨水利用的研究，国外主要集中在法律完善、控制排污、水资源管理、生态技术开发等方面，国内更多的是探讨规划设计理念、目标、完善地方规范、海绵设施推广等。本文以生态海绵城市的规划设计为引导，对具体地区项目进行分析，简要分析了控制径流、降水资源化开发等内容，以丰富水源供给渠道，创新性地从技术层面，结合实际项目，分析雨水利用规划设计的问题。

2 生态海绵城市规划设计

生态海绵城市具有时代特点，总结起来包含下述几个方面：（1）水资源储存量下降，在各方面需求规模持续扩大中，生态恶化程度加剧。即使已经向系能源领域投入较多的建设资源，但实际成效还无法弥补消耗速度，更无法从根本上消除威胁。（2）国内水系污染问题突出，特别是重工业，给本就脆弱的水生态打下一记重拳，大量水体变为废水，而且此种恶劣局面还在继续“发展”。（3）水体利用率不足，使诸多水资源在尚未完全使用的情况下变成废水。在该种资源环境下，推动雨水利用规划设计有很明显的现实价值[1]。

建设生态海绵城市，应当有比较健全的设计观念作为基础。简单来说，海绵城市可解决常规雨水利用以及排除方法的缺陷，在保障水体利用率的同时，还能缓解水源短缺的困境。在生态海绵城市的理念导向中，雨水利用规划存在明显目的性，在实地建设之前，相关方会进行试验研究，由此奠定基本的建设条件。另外，在该理念下，设计目标也要反映在利用率方面，切实消除地区水源紧张的问题。此外，规划运用目标还涉及充分使用现代科技资源，辅助雨水利用设计方案能够顺利实施。

3 雨水利用规划设计项目基本条件

3.1 区位条件

天津零能耗岛为当地临海新城整体规划格局中比较关键的一项，是天津升级生态城市以及创新智慧城市的重点示范区。该岛屿倡导“零能耗”，力求建设成低碳、宜居的地区。此岛屿地处临海新城的西北部，有两条主干道贯穿，总用地面积140 hm2。在该区域的南部和北部，分别建设一条生态水系，西部是原有水系，并有滨水绿地环绕，是天津中独立的地区，基础生态环境较好。

3.2 生态条件

该岛屿主要的资源缺陷就是淡水，由于此区域属于填海造陆，水系未和天津市相连，使淡水基本上都是通过从岛外引水的方式获取，而天津市本身也存在水资源短缺的问题，近年来引调水和自有地下水的比例不断提高，存在较重的引水压力。另外，海岛上尚未建成水厂，无法实现自产淡水。天津位于半干旱区域，年降水量仅有数百毫升，而且年际波动明显。在该项目区域内，降水分布明显失衡，存在春旱夏涝的问题，接近78%的雨水集中在6～9月份，特别是7、8月份，更是的多暴雨，甚至短时降水可以导致洪涝。此外，由于该项目场地本质上是填海造陆，在海洋和陆地之间的交界处，岛屿中地下水有限，而且提高了相连陆地原有地下水被海水污染的风险，令沿岸土壤面临盐碱化的问题，威胁原本的水资源体系。

4 雨水利用规划设计的思路和方案

4.1 设计思路

雨水属于自然补水资源，更是城市生态系统中重要的淡水来源。以海绵城市为规划导向，研究雨水利用的合理模式，加强对相应地表径流的管控，强调规划指引、生态首位、安全为重、统筹开发的原则。实际规划设计以及后期现场施工，主动选择合适的新型物料、机械、工艺技术，切实利用好绿地与交通、楼房等构筑物与建筑物容纳、缓释雨水的功能，保障对雨水径流的高效管控，做到自然完成渗透、蓄渗。而因为道路、肥料、垃圾、车辆尾气等对既有水源带来的污染，可以通过技术处理后投入地表水系中[2]。

根据基本的设计思路，可以确定规划设计的最终落脚点。首先，优化降水利用率，逐渐下调外部引水的总量。依托于“海绵”设施保存自然降水，通过排盐净化处理后，形成的再生水能用在景观绿化、冲洗道路等方面，控制由此产生的能耗。其次，下调径流系数，降低洪涝灾害发生率。借助建设绿色屋顶与透水道路，有利于控制雨季留存在地表上的水体，使径流系数下降，尽可能规避内涝。最后，补充地下水，预防海水污染。对此可设置植草沟以及透水铺装等工艺，使雨水快速渗入地下，可直接补充地下水，阻挡海水侵袭，避免造陆场地发生明显沉降。在该项目设计中，为实现零能耗，全面考量径流量、峰值、雨水使用等，从整体上建设、完善雨水系统，在海绵城市观念的指引下，做好径流调节。

4.2 设计方案

4.2.1 调整受水面材料

受水面主要有河流表面、楼顶与地面等。不同类型的受水面对应的径流系数会有差别。综合径流系数的运算公式为：

式中，φz为综合径流系数；Fi为地块i的汇水面积，hm2；φi为地块i的径流系数；F为总面积，hm2。

按照该岛的城市规划对受水面进行划分，共有5种，各类径流参数可按照天津市的相关技术指导确认。在没有施加任何海绵城市手段的受水面径流系数可参考表1。表格中，雨量径流系数就是在特定时间段中，由于降水带来的径流总量和总降水量的比值，这是判断“海绵”建设举措实施质量的关键指标。流量径流系数主要反映降水高峰期的流量，一般用在确定管道系统尺寸中。为实现有效利用雨水，应当改变受水面的材料，以此下调径流系数。根据天津市该项目的实际情况，可选择的建设方法有：扩大绿色屋顶与透水铺装的总面积，使降水能快速下渗，控制雨季的地表径流，预防洪涝灾害。

表1 原始受水面径流系数

4.2.2 增加海绵设施

一方面，根据规划场地内的实际情况，统筹降水配置方案。在该设计环节中，年径流总量的控制率是按照近几年日降水量记录计算出来的，利用自然渗透、人工处理手段，使区域中全年实现有效控制的降水量占年降水总量的份额[3]。在此次规划设计中，要利用有效分配，使该项控制率达到85%。拟降水量是37.8 mm（见表2）。

表2 拟降水量

根据项目总体规划平面，主要选择3类海绵设施，分别是：（1）雨水调蓄池，负责集中收集雨水，待排盐净化处理后，可运输到专门的收集站，拟建11处，滞蓄容积为10 600 m3；（2）生物滞留设施，主要是就近收集，利用湿地植物净化水体，共有8处，滞蓄容积是800 m3；（3）下凹绿地，同样是就近收集，利用植物净化，总面积建设面积是3.26 hm2，滞蓄容积有6 500 m3。

海绵设施的拟调蓄容积参数是通过容积法计算，公式为：

式中，V为拟建设的调蓄容积，m3；H为设计降水量，mm；φ为综合雨量径流系数；F为总汇水面积，m2。本项目中，结合相应85%的控制率要求，海绵设施的实际需求量见表3。

表3 海绵设施需求量

另一方面，不同区域海绵设施的调蓄水平。按照项目规划设计，整个场地共有16处分区，相应调蓄容积以及径流系数可按照上文所述公式计算。结果为：汇水总面积是73.64 hm2，达到85%控制率标准的各个分区，调蓄容积之和超过1.08×104m3，而相应的海绵设施容量大于2.15 m3，完全足够径流控制需要。

4.2.3 有效配置降水

自然降水在收集后，经过排盐净化处理后，能用在市政与景观中，如道路冲洗、绿化浇水、景观用水。把经过专业处理后的水体，用在上述方面，能就近冲洗道路，减少远途运输的能耗；用在绿化浇水中，不仅能控制再生水的消耗，还能作为地下水的补给；把此类水体用在城市造景中，能降低对外的水资源依赖度。该地区的自然降水基本上能满足以上几项用水需要。本次规划项目主要是景观用水，设计水量达到200 m3，涵盖4处地下蓄水池，深度有2.5 m。规划区域内所有高于滞留深度标准的水体，均借助溢流井、市政管网集中起来，年度收集总量的计算可参照上文海绵设施拟调蓄容积参数运算公式。此次规划项目中，雨水收集量相关参数见表4。

表4 雨水收集量

5 结语

综上所述，开发生态海绵城市，就不能忽略雨水利用的问题。在现实规划设计中，就要按照当地情况选择合适的海绵设施，计算出实际的调蓄需求量，比较拟建方案的容量参数，判断规划结果是否满足建设目标以及执行要求，由此发挥出雨水利用的实效性。在零能耗岛的项目中，规划设计是按照其本身的问题，如淡水资源短缺、水生态质量差以及降水分布不均等，从滞、蓄等方面，落实生态海绵规划，改善当地对自然降水的使用率，降低对外的资源依赖度。而该项目的成功建设，可以给其他地区打造海绵城市提供实践参考，发挥出可推广、能执行、可复刻的技术效应。