吳 昊 袁軍營 高 楓
低影響開發(fā)雨洪管理是區(qū)域性生態(tài)水環(huán)境規(guī)劃(圖1)重要的組成部分,鼓勵(lì)城市雨洪實(shí)現(xiàn)由“排”到“蓄”的轉(zhuǎn)變,通過多種綠色手段實(shí)現(xiàn)對雨洪在源頭(“源頭”在本規(guī)劃工程中特指控制性詳細(xì)規(guī)劃確定的城市開發(fā)單元地塊)的水量和水質(zhì)的控制,達(dá)到削減洪峰流量、控制面源污染、提高城市水網(wǎng)的自然調(diào)節(jié)和凈化能力、提高再生水利用率、提高生態(tài)多樣性、節(jié)約水資源的綜合效益。
在此方面,很多國家和地區(qū)都已經(jīng)開展了多年的研究和實(shí)踐,許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化的階段[1]。近年來,我國也越來越重視資源性缺水、水環(huán)境惡化、城市急速洪澇等城市水問題,已在城市雨洪管理方面開展相關(guān)研究,并在城市內(nèi)澇、雨洪利用等方面取得了一定成果[2-6],不過真正開始進(jìn)行技術(shù)體系規(guī)劃和實(shí)施的地區(qū)還比較少。該規(guī)劃借鑒發(fā)達(dá)國家和國內(nèi)一些城市已開展的雨洪利用工程的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),提出城市整體水環(huán)境指標(biāo)體系和雨洪管理定量目標(biāo),制定雨洪管理措施,為我國今后雨洪管理項(xiàng)目從戰(zhàn)略到實(shí)踐提供一定的參考與借鑒。下文將對湖南株洲市清水塘生態(tài)新城核心區(qū)規(guī)劃的背景、概況、雨洪管理目標(biāo)和實(shí)施方法展開研究。
清水塘生態(tài)新城位于清水塘老工業(yè)區(qū),為全國發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)第二批試點(diǎn)地區(qū)和“兩型社會(huì)”示范區(qū)。生態(tài)新城建設(shè)后,硬化面積增加。預(yù)計(jì)十年一遇暴雨期間,自開發(fā)用地匯入城市水系的徑流峰值將從約59m3/s增加至135m3/s,通過有效手段削減雨洪流量勢在必行。而另一方面,該區(qū)域年平均降雨量達(dá)1 400mm,雨水資源豐富,有可能結(jié)合雨洪管理設(shè)施對雨水進(jìn)行綜合處理,實(shí)現(xiàn)對雨洪資源的再利用。較傳統(tǒng)途徑而言,實(shí)施生態(tài)雨洪管理將為城市水務(wù)管理提供一個(gè)更廣闊的視野和更綠色的解決路徑。
圖1 城市整體水環(huán)境流程
清水塘生態(tài)新城核心區(qū)位于湖南省株洲石峰區(qū)南部,規(guī)劃范圍為清水路—建設(shè)北路以南、高鐵路以東、湘江以北、石峰公園以西區(qū)域,規(guī)劃總用地面積15.38km2(圖2),規(guī)劃人口約17萬人口。
圖2 規(guī)劃區(qū)位圖
株 洲 位 于 北 緯26 ° 03’05” —28 ° 01’07”, 東 經(jīng)112 ° 57’30” —114°07’15”間,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,四季分明,雨量充沛,光熱充足。全年平均氣溫在5℃—29℃之間。年平均降雨量達(dá)到1 412mm,多年平均蒸發(fā)量1 370mm,全年月平均降雨主要分布在4—6月,自7月始降雨量驟降。雨季月份3月—7月,凍季月份12月—次年2月(圖3)。年平均相對濕度80%。日照時(shí)數(shù)為1 629h,年均無霜期286d。
規(guī)劃范圍內(nèi)有新橋河(高排)、新霞灣港(低排)、霞灣港(高排)、銅塘港水系(地排)等水系與大小湖泊坑塘面積。其中霞灣港為重度污染河流,生態(tài)破壞嚴(yán)重,斷面水質(zhì)為Ⅴ類,有時(shí)甚至劣于Ⅴ類,是湘江水質(zhì)最差斷面。銅塘港和霞灣港因收納廢水量大、污染物種類多,已失去了天然河港的功能,變成了市區(qū)污染最為嚴(yán)重的納污港。區(qū)域內(nèi)主要水塘中的重金屬鎘、砷、銅、鋅等均已嚴(yán)重超標(biāo)。
圖3 株洲多年平均降水量蒸發(fā)量氣溫圖
規(guī)劃區(qū)屬丘陵地貌,地勢呈北高南低、東西兩側(cè)高、中部低的趨勢;西部以山丘、農(nóng)田、菜地為主;北部及東部以城市建設(shè)用地為主。用地內(nèi)最高高程為98m,位于霞灣村內(nèi)的山體頂部;最低高程為28m左右,位于湘江沿岸區(qū)域。
規(guī)劃范圍內(nèi)現(xiàn)狀城市建設(shè)用地8.11km2,現(xiàn)狀主要為農(nóng)林綠地,占總面積的29.1%,其次是工業(yè)用地約占28.8%,水域面積約為1.14km2。規(guī)劃后城市建設(shè)用地13.4km2,區(qū)域交通設(shè)施用地0.49km2,非建設(shè)用地1.49km2(圖4、圖5)。
圖4 規(guī)劃區(qū)開發(fā)前用地圖
圖5 規(guī)劃區(qū)開發(fā)后用地圖
核心區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)將削減洪峰流量(滯留)和控制面源污染(凈化)確定為生態(tài)新城水環(huán)境控制的核心目標(biāo),并形成以滯留和凈化為主、再利用為輔的規(guī)劃方向。
規(guī)劃在借鑒國內(nèi)外類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,對開發(fā)后的徑流出流峰值、水質(zhì)凈化做出剛性指標(biāo)控制,對回用效率、設(shè)施類型等做出彈性指標(biāo)控制。規(guī)劃將技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化為水量標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)方面。
2.2.1 水量標(biāo)準(zhǔn)
水量標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)至地塊內(nèi)實(shí)施時(shí),選用具有合理滯留容積、回用容積的雨洪管理設(shè)施及出流控制堰實(shí)現(xiàn)雨水限制外排流量,實(shí)現(xiàn)源頭控制、就地減排和雨水回用。全區(qū)范圍內(nèi),規(guī)劃遵循以下水量標(biāo)準(zhǔn):(1)清水塘生態(tài)新城開發(fā)建設(shè)后總綜合徑流系數(shù)不高于現(xiàn)狀水平;(2)各子雨洪分區(qū)(開發(fā)后十年一遇降雨24小時(shí)產(chǎn)生外排徑流峰值不高于開發(fā)后三年一遇降雨10min產(chǎn)生徑流峰值;(3)重點(diǎn)地塊雨水回用實(shí)現(xiàn)的自來水替代率>90%(圖6)。
2.2.2 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
徑流通過建設(shè)地塊內(nèi)雨洪管理設(shè)施得到就地凈化。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)至地塊內(nèi)實(shí)施時(shí),選用具有合理的凈化容積、凈化面積的雨洪管理設(shè)施以保證雨水達(dá)標(biāo)排放,實(shí)現(xiàn)源頭控制、水質(zhì)凈化和雨水回用。
考慮當(dāng)?shù)赜晁畯搅魉|(zhì)和相關(guān)規(guī)范對再生水、雨水利用的要求,全區(qū)范圍內(nèi),規(guī)劃遵循以下水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn):凈化后,固體懸浮物去除率≥80%;總磷去除率≥45%;總氮去除率≥45%;重金屬去除率≥60%。
圖6 排水標(biāo)準(zhǔn)示意圖
圖7 水文過程示意圖
通過徑流系數(shù)值控制雨水徑流的方式已經(jīng)廣泛被相關(guān)實(shí)踐和規(guī)范所采納。根據(jù)生態(tài)新城核心區(qū)用地現(xiàn)狀,確定現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)如表1所示。經(jīng)核算,現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)約為0.43,以此作為開發(fā)建設(shè)后的整體雨洪管理控制目標(biāo)。規(guī)劃過程中按照相同原則制定每類地塊徑流系數(shù)。
表1 生態(tài)新城核心區(qū)現(xiàn)狀用地綜合徑流系數(shù)表
表2 生態(tài)雨洪管理設(shè)施分類表
以雨洪管理控制目標(biāo)為依據(jù),用Storm &Sanitary Analysis(以下簡稱SSA)雨洪管理軟件分別模擬三年一遇、十年一遇降雨條件下各地塊的徑流出流,并根據(jù)削減目標(biāo)值應(yīng)用堰流公式模擬計(jì)算各地塊徑流峰值削減后的出流過程和相應(yīng)所需徑流滯留體積。SSA模型模擬地塊內(nèi)滯留與出流的水文過程如圖7所示。
以地塊開發(fā)后、十年一遇降雨24h過程為輸入條件,以地塊出流流量不大于三年一遇降雨10min產(chǎn)生徑流為限制條件,將出流過程模擬為堰流,模擬研究區(qū)產(chǎn)生的雨水徑流。在地塊內(nèi)、滯留池均無淹沒情況下,調(diào)整各個(gè)地塊滯留池體積參數(shù),使其滯留水深不大于0.5m。當(dāng)滯留水深最接近0.5m時(shí),可得到各地塊所需的最優(yōu)滯留池容積。
在控制徑流系數(shù)目標(biāo)下,SSA模型中各地塊雨洪管理的削減出流量及其需要的滯留體積模擬結(jié)果如圖8所示。某地塊內(nèi)徑流量產(chǎn)流和削減出流量的滯留過程見圖9所示。
根據(jù)水平衡原理,遵循自來水替代率>90%的條件對各地塊的雨水回用容積進(jìn)行優(yōu)選計(jì)算,結(jié)果表明重點(diǎn)地塊的雨水回用容積均小于滯留容積,可將回用容積所需空間與滯留容積所需空間合并實(shí)施。
圖8 城市各地塊(部分)模擬結(jié)果
圖9 滯留過程水文圖
基于規(guī)劃目標(biāo)和確立的量化指標(biāo),雨洪管理措施將圍繞地塊生態(tài)滯留、生態(tài)道路排水和雨水再利用3個(gè)方面展開。按照以滯留和凈化為主、再利用為輔的規(guī)劃方向,實(shí)施力度有所不同。
地塊生態(tài)滯留:通過在街坊和地塊內(nèi)實(shí)施分散的多種形式的滯留設(shè)施,提高城市對大雨、暴雨事件的應(yīng)對能力。可選擇以具有生態(tài)滯留功能為主的生態(tài)洼地、以生態(tài)雨水再利用為目的的混凝土蓄水池、雨水模塊箱,以及透水鋪裝和綠色屋頂?shù)?。其中,生態(tài)洼地是指利用地塊內(nèi)的低洼地表實(shí)現(xiàn)滯留、減排和初步凈化的設(shè)施,廣義的生態(tài)洼地包括下凹草地、生態(tài)滯留溝、生態(tài)滲透池/雨水花園、滯留塘4種類型。其滯留和凈化能力遵守指標(biāo)體系制定的標(biāo)準(zhǔn)。
生態(tài)道路排水:與部分重點(diǎn)市政道路綠化帶相結(jié)合,引入下沉式洼地廊道,提高街道徑流的排放水質(zhì)。
雨水再利用:雨水再利用指在重點(diǎn)地塊收集雨水進(jìn)行非飲用水用途使用,如灌溉、景觀補(bǔ)水、洗車等,以節(jié)約水資源。
共12類生態(tài)雨洪管理設(shè)施將被引入研究區(qū)生態(tài)新城,生態(tài)雨洪管理設(shè)施分類見表2。綠色屋頂、透水鋪裝和生態(tài)工法作為局部的和次要的手段,成為對主要設(shè)施的補(bǔ)充。生態(tài)滯留布局見圖10,生態(tài)道路排水布局見圖11。
圖10 地塊內(nèi)滯留空間平面圖(局部)
圖11 城市道路街道生態(tài)排水平面圖(局部)
圖12 下凹草溝剖面及其圖片
圖13 生態(tài)滯留溝剖面及其圖片
下凹草溝(圖12)是最簡單的一種洼地形式,使徑流得到有限的下滲和凈化,充分利用帶狀綠地下凹的形式,控制調(diào)整好路面高程、綠地高程和雨水口高程的關(guān)系,便可利用柔和的縱向坡度緩慢地輸送徑流,蓄滿綠地后流入雨水口。規(guī)劃和布局原則:下凹草溝在新開發(fā)區(qū)或舊城改建區(qū)均能較好地應(yīng)用,是一種不需增加建設(shè)投入而可一舉多得的措施。應(yīng)用范圍局限在開敞型的公園、河道附近,更多的時(shí)候是作為輸水工具來使用,適用于作為預(yù)處理手段與下游的濕地和生態(tài)滯留系統(tǒng)相銜接。
生態(tài)滯留溝(圖13)是在下凹草地形式的基礎(chǔ)上,結(jié)合額外的生態(tài)滯留功能而產(chǎn)生。它可以對雨水提供有效的凈化處理,并依靠下凹地表和地下礫石層空隙提供的滯留空間對雨水進(jìn)行暫時(shí)性滯留削峰。對設(shè)計(jì)暴雨條件下雨洪蓄滲及減洪效果的模擬計(jì)算結(jié)果表明:生態(tài)滯留洼地的凈化效果和削峰效果都很好。規(guī)劃和布局原則:可與城市空間中的廣場綠地、綠化帶、公共綠地或停車帶整合為一體,布局可延伸至整個(gè)地塊的公共空間下部,發(fā)展成并聯(lián)和串聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)效益最大化。但在實(shí)際處理時(shí)需注意結(jié)合地質(zhì)土壤信息,分析是否需要設(shè)置防滲層,通常在地基土透水性較大且有徑流通過而未徹底治理的污染土壤,需要設(shè)置合適的防滲層,以防止引起地下水的污染。
圖14 生態(tài)下滲池或雨水花園剖面及其圖片
圖15 滯留塘剖面及其圖片
生態(tài)下滲池或雨水花園(圖14)與生態(tài)滯留洼地構(gòu)造基本相同,主要區(qū)別在于其更強(qiáng)調(diào)雨水向周圍土壤的滲透,雨水不會(huì)在若干小時(shí)內(nèi)排空,而是停留在花園里12—48h。雨水花園形態(tài)更加靈活,植物種類更加豐富,雨水內(nèi)所含有的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)被植被和土壤微生物所吸收,污染物去除效率更高。植被在生濾料凈化處理過程中起到了關(guān)鍵作用。另外,根據(jù)底部卵石層和出流井的設(shè)置不同,生態(tài)下滲池或雨水花園可達(dá)到不同程度的控制效果。規(guī)劃和布局原則:生態(tài)下滲池或雨水花園設(shè)置的區(qū)域易在流域的上游地區(qū),并需確保當(dāng)?shù)氐牡貙油寥酪呀?jīng)去除重金屬的污染。且它不適用于地下空間,下滲設(shè)計(jì)要求雨水入滲的土壤滲透系數(shù)為10—6至10—3m/s,且滲透面距離雨季地下水位大于1m(地表徑流實(shí)測水質(zhì)較好時(shí)可小于1m,但應(yīng)大于0.5m)。植被種類的選擇必須為能夠承受干旱和洪澇交替條件變化的本土植物。其須根需有助于保持過濾基質(zhì)的通透性,并需具有良好的營養(yǎng)物固定、吸收能力。
滯留塘(圖15)是用來暫時(shí)或長期儲(chǔ)水的低洼區(qū)域,用來降低洪害和下游侵蝕。滯留塘根據(jù)水的停留時(shí)間分為“干塘”和“濕塘”。“干塘”是暫時(shí)性儲(chǔ)水設(shè)施,利用整個(gè)庫容削峰,雨水在其中停留若干小時(shí)至幾天不等。“濕塘”具有常水位,利用常水位或汛期水位與最高水位之間的庫容來削峰,并且能夠作為社區(qū)或者公園的水景或者中心湖來使用。足夠大的庫容和水深有利于固態(tài)雜質(zhì)在塘中的沉淀,減輕徑流對下游的污染。規(guī)劃和布局原則:滯留塘尤其適用于現(xiàn)狀具有水塘的地段,在減少土方量的同時(shí)保留原來的植被和自然條件。在包含景觀湖或水池的開發(fā)中,盡量預(yù)留相應(yīng)的浮動(dòng)水位作為滯留容積。滯留塘的進(jìn)水區(qū)域一般會(huì)被加固來避免水流對結(jié)構(gòu)的破壞,并根據(jù)需要設(shè)置預(yù)處理前池,預(yù)先對不清潔的徑流進(jìn)行沉淀。
圖16 生態(tài)道路剖面及其圖片
生態(tài)道路(圖16)包括生物保護(hù)、綠色慢行、可再生能源、綠化、管線和生態(tài)排水等各個(gè)方面。其中生態(tài)排水是指通過改變傳統(tǒng)道路斷面,將綠化隔離帶和洼地相結(jié)合構(gòu)成車道表面排水的主要手段。雨水徑流通過密集的植被和特定的濾料層(土壤層)進(jìn)行過濾,并作為一個(gè)“獨(dú)立”的土壤過濾系統(tǒng)與道路景觀融為一體。規(guī)劃和布局原則:將景觀綠化重點(diǎn)區(qū)道路和生態(tài)水系兩側(cè)道路作為重點(diǎn)開發(fā)對象。生態(tài)新城城市道路生態(tài)排水根據(jù)道路的分級(jí)具有3種類型:主干道、次干道和支路對應(yīng)的排水帶。主干道和次干道應(yīng)對主要機(jī)動(dòng)道路和非機(jī)動(dòng)車道之間的3m綠化隔離帶進(jìn)行設(shè)計(jì)。支路則沿步行道上的1.2m寬種植帶進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些道路成功應(yīng)用后可以作為示范,在開發(fā)的后期推廣至更多的城市道路中。
(1)清水塘生態(tài)新城雨洪管理采用徑流系數(shù)和指標(biāo)體系實(shí)現(xiàn)量化控制,合理地確定了排水防澇標(biāo)準(zhǔn),將傳統(tǒng)的直排體系規(guī)劃演變成綜合型的低影響開發(fā)體系規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)了水量和水質(zhì)管理的高標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施將圍繞地塊生態(tài)滯留、生態(tài)道路排水和雨水再利用等方面展開,并按照規(guī)劃方向,實(shí)施力度有所不同。
(2)整個(gè)新城將通過雨洪管理設(shè)施的實(shí)施,提供約49.6萬m3的暴雨滯留容積(兼凈化和回用功能),可實(shí)現(xiàn)規(guī)劃水量標(biāo)準(zhǔn)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)落地,達(dá)到源頭控制、水質(zhì)凈化和雨水回用的目的。雨洪規(guī)劃指標(biāo)約束新城所有新建改建擴(kuò)建工程,含各類建筑物、廣場、停車場、道路、綠地和其他構(gòu)筑物等建設(shè)工程設(shè)施。引入生態(tài)水環(huán)境指標(biāo)體系的目的是為了在所有建設(shè)項(xiàng)目中落實(shí)相關(guān)的指標(biāo)。開發(fā)后最大外排徑流峰值(限制外排流量)、雨水利用率等具體指標(biāo),應(yīng)與容積率、綠地率等常規(guī)指標(biāo)一并作為用地開發(fā)建設(shè)指標(biāo),納入建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃審查審批程序,通過市場管理予以落實(shí)。
(3)雨洪管理指標(biāo)體系適用于城市排水分區(qū)明確、綠化率較高的新型生態(tài)社區(qū)或城市區(qū)域。雨洪管理措施受開發(fā)用地綠化率影響,徑流出流模擬精度受水文模型模擬的影響。本階段的成果用于指導(dǎo)規(guī)劃階段指標(biāo)體系的制定,在工程詳細(xì)設(shè)計(jì)階段需要更精確的水文模型輔助設(shè)計(jì),并應(yīng)重點(diǎn)分析其他地塊因素(如自然與現(xiàn)狀、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件、安全和風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行和維護(hù)等),以便更細(xì)致地確立滯留設(shè)施和凈化設(shè)施的規(guī)格和結(jié)構(gòu)。
References
[1]車伍,呂放放,李俊奇,等. 發(fā)達(dá)國家典型雨洪管理體系及啟示[J]. 中國給水排水,2009,25(20):12-17.CHE Wu, LV Fangfang, LI Junqi, et al. Typical Stormwater and Flood Management Systems in Developed Countries and Their Inspiration[J].China Water & Wastewater, 2009, 25(20):12-17.
[2]張書函,丁躍元,陳建剛,等. 北京城市雨洪控制與利用技術(shù)研究與示范[C]//中國水利學(xué)會(huì)第二屆青年科技論壇論文集. 北京:中國水利學(xué)會(huì),ZHANG Shuhan, DING Yueyuan, CHEN Jiangang,et al. Research and Demonstration of Urban Stormwater and Flood Control and Utilization Technology in Beijing[C]//2nd YOCSEF Conference Proceeding of Chinese Hydraulic Engineering Society. Beijing: Chinese Hydraulic Engineering Society,2005:104-109.
[3]羅紅梅,車伍,李俊奇,等. 雨水花園在雨洪控制與利用中的應(yīng)用[J]. 中國給水排水,2008,24(6):48-52.LUO Hongmei, CHE Wu, LI Junqi, et al.Application of Rainwater Garden to Storm and Flood Control and Utilization[J]. China Water &Wastewater, 2008, 24(6):48-52.
[4]潘安君,張書函,孟慶義,等. 北京城市雨洪管理初步構(gòu)想[J]. 中國給水排水,2009,25(22):9-12.PAN Anjun, ZHANG Shuhan, MENG Qingyi,et al. Initial Concept of Stormwater and Flood Management in Beijing City[J]. China Water &Wastewater, 2009, 25(22):9-12.
[5]俞邵武,任心欣,胡愛兵. 深圳市光明新區(qū)雨洪利用目標(biāo)及實(shí)施方法探討[J]. 城市規(guī)劃學(xué)刊,2010(S1):97-100.YU Shaowu,REN Xinxin,HU Aibing. Discussion on the Goals and Implementation Methods of Urban Stormwater Utilization in Guangming New District in Shenzhen[J]. Urban Planning Forum,2010(S1):97-100.
[6]建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范(GB 50400—2006)[R]. 2006.Engineering Technical Code for Rain Utilization in Building and Sub-district(GB 50400—2006 )[R].2006.
[7]中國城市規(guī)劃院. 清水湖生態(tài)新城核心區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃[R]. 株洲,2013.China Academy of Urban Planning & Design.Controlling Detailed Planning of Core Area in Qingshui Lake Ecological New Town[R]. Zhuzhou,2013.