我国南方城市建设项目雨水集蓄利用措施及其配置模式

孔东莲，田 露，袁普金，王梦瑶，侯 琨

(1.水利部 水土保持监测中心，北京 100053；2.北京师范大学 环境学院，北京 100875)

随着我国经济结构改革的不断深入，我国正处在城镇化快速发展的关键阶段，城市人口快速增长，特别是长三角、珠三角、京津冀和长江中游城市群等大型城市群落不断扩张。伴随城市化进程的加快，大量的地面硬化和生产建设项目使得城市不透水下垫面面积不断增加，城市缺水与内涝的矛盾日益凸显。如何将雨水有效集蓄利用，最大限度地恢复城市水文自然进程已成为当今研究热点。目前，国外发达国家的雨水集蓄与利用措施体系已逐渐完善并趋近成熟，而我国城市水土保持中雨水集蓄与利用方面的经验仍存在明显不足。我国于21 世纪初提出了建设具有中国特色的海绵城市的思路，2015—2016年住建部共选取30个城市开展海绵城市试点建设，对推动我国城市建设项目的雨水集蓄与利用、规范技术应用和工程实践起到了积极的推动作用[1-3]。

城市雨水径流控制工程建设目标受雨水量、地形、城市水环境等条件影响[4]。我国幅员辽阔，南方城市与北方城市对城市雨水管理控制工程的建设需求和目标不同：南方城市天气温暖潮湿，雨水量大而持续时间长，下雨频率高，其海绵城市规划建设重点是防洪排涝和提升城市水环境品质；北方城市通常天气寒冷干燥，雨水量小而持续时间短，下雨频率低，城市雨洪管理重点偏重缓解城市缺水和提升城市水环境[5]。笔者以武汉、苏州、杭州等为研究对象，将雨水集蓄利用措施分为雨水径流集蓄、入渗利用、集蓄入渗结合和净化四大类，阐述南方典型城市建设项目各类雨水集蓄利用措施的构成及特点，分析其不同的雨水集蓄利用措施体系功能，并提出南方典型城市建设项目雨水集蓄利用措施配置模式。

1 南方城市雨水集蓄利用措施的分类与特点

一般来说，以雨水集蓄、入渗、集蓄入渗结合和净化四种方式对城市天然雨水进行收集、利用。雨水集蓄措施有雨水罐和调节塘；雨水入渗措施有透水铺装、绿色屋顶、生态树池、渗透塘；入渗集蓄结合措施主要有下沉式绿地、植草浅沟、生物滞留设施、雨水湿地四种；雨水净化主要有植被缓冲带、初期雨水弃流设施两种。以下分别简述这12种雨水集蓄利用措施的构成、特点、作用及适用性。

1.1 雨水径流集蓄措施

(1)雨水罐。雨水罐为地上或地下封闭式的简易雨水集蓄利用设施。可用塑料、玻璃钢或金属等材料制成，雨水罐多为成型产品，施工安装方便，便于维护，但容积较小，雨水净化能力有限。雨水罐适用于城市建设中市政、住宅及多功能类项目(适用于单体建筑屋面雨水的收集利用)。雨水罐典型设计见图1。

图1 雨水罐典型设计断面示意

(2)调节塘。调节塘也称干塘，以削减峰值流量功能为主，一般由进水口、调节区、出口设施、护坡及堤岸构成，也可通过合理设计使其具有渗透功能，起到一定的补充地下水和净化雨水的作用。进水口多设置碎石、消能坎等消能设施，防止水流冲刷和侵蚀。塘深一般0.6～3 m。塘底设计成可渗透时，塘底渗透面距离季节性最高地下水位或岩石层不应小于1 m，距离建筑物基础不应小于3 m(水平距离)。调节塘一般设计成多级出水口形式，以控制调节塘水位。调节塘典型设计见图2。

图2 调节塘典型设计断面示意

1.2 雨水径流入渗措施

(1)透水铺装。透水铺装是目前城市建设中常用的一种铺装构件，其形式分为表面有孔和无孔两种。有孔的透水铺装雨水下渗作用和美化景观作用大，无孔的透水铺装由断级配的水泥砂浆组成，雨水下渗作用较小。该措施主要用于城市建设类项目、平原地区公路项目等。透水铺装典型设计见图3。

图3 透水铺装典型设计断面示意

(2)绿色屋顶。绿色屋顶一般由排水层、过滤层、土壤基质层和植被层构成。目前，国际上通行的绿色屋顶分类方法是依据其基质厚度分为拓展型绿色屋顶和密集型绿色屋顶。①拓展型绿色屋顶基质层较薄，施工方便，造价低廉，养护简单，主要栽植草坪、地被、小型灌木和攀缘植物。②密集型绿色屋顶基质层较厚，造价较高，养护要求高，可以支持大灌木和小乔木生长。此外，绿色屋顶对绿化面积有一定要求，如加拿大多伦多绿色屋顶建设规定绿化面积占屋顶面积的20%～60%，而美国要求绿化面积占50%。

绿色屋顶具有延缓达到径流峰值所需时间、削减径流峰值、延迟产流时间和削减雨水径流污染物浓度等作用。其调控方式主要有以下几种：①雨水可以被基质的空隙吸纳或者被基质中的吸收剂吸纳；②绿色屋顶通过拦截雨水削减屋顶径流；③一些水分可以滞留在植物表面，通过植物蒸腾或者基质蒸发回到大气中。绿色屋顶典型设计见图4。

图4 绿色屋顶典型设计断面示意

(3)生态树池。生态树池包括通过隔板隔开的种植区和集水区，集水区的上部设有无缝隙的盖板，隔板的底部设有底孔，集水区的外壁设有外溢流孔，隔板上设有内溢流孔。种植区中的树池填料从下至上依次为砾石层、给水厂污泥与炉渣的混合层、种植土层、陶粒层。内溢流孔和外溢流孔的高度与所述种植土层底部的高度平齐。

生态树池可以将雨水净化，并收集净化后的雨水，可以通过树木自吸达到浇灌的效果。适用于道路两旁绿化带，并以乔木为主。典型设计见图5。

图5 生态树池典型设计断面示意

(4)渗透塘。渗透塘是一种用于雨水下渗补充地下水的洼地，具有一定的净化雨水和削减峰值流量的作用。该措施在南方城市雨水控制工程中较为常见。渗透塘多设置沉沙池、前置塘等预处理设施，去除大颗粒的污染物并减缓流速；有降雪的城市，应采取弃流、排盐等措施防止融雪剂侵害植物。边坡坡度一般不大于1∶3，塘底至溢流口水位一般不小于0.6 m。底部构造一般为200～300 mm 的种植土、透水土工布及300～500 mm 的过滤介质层。排空时间不大于24 h。设溢流设施，并与城市雨水管渠系统和超标雨水径流排水系统衔接，外围应设安全防护措施和警示牌。渗透塘典型构造如图6所示。

图6 渗透塘典型设计断面示意

渗透塘可有效补充地下水、削减峰值流量，建设费用较低，但对场地条件要求较严格，对后期维护管理要求较高。渗透塘适用于汇水面积较大且具有一定空间的区域。该措施在南方多雨城市较为常见。

1.3 入渗集蓄结合措施

入渗集蓄结合措施主要包括下沉式绿地、植草浅沟、生物滞留设施、雨水湿地。

(1)下沉式绿地。下沉式绿地是指具有滞留、蓄存及下渗雨水功能的、低于周边道牙地表5～10 cm的低洼绿地。既可使雨水直接下渗补给土壤持留水和地下水，也能将部分雨水汇集到集雨式绿地内短暂滞留或蓄存，并缓慢入渗补充地下水。在城市开发建设中，下沉式绿地作为一种十分有效的雨水集蓄利用措施被广泛应用。下沉式绿地典型设计见图7。

图7 下沉式绿地典型设计断面示意

(2)植草浅沟。植草浅沟实为在绿地内设置的为加快绿地内雨水下渗的排水沟，主要由反滤织物和透水性材料(级配砂石)组成。在城市水土保持措施中，大多植草浅沟布设在集雨式绿地内，与集雨式绿地配合共同对雨水进行蓄存与入渗。植草浅沟作为城市雨水收集及利用雨水的一种新型措施，既可有效地增加绿地的雨水入渗效率，使绿地内雨水得到充分入渗，有着较强的入渗能力，又可短暂蓄存雨水，是一种较好的雨水蓄存及加速入渗措施。植草浅沟是在集雨式绿地的基础上进行改进形成的，在集雨式绿地的基础上继续下凹，并在壤土层下铺设砂石及粗砂等透水性材料，以加速雨水入渗。植草浅沟典型设计见图8。

(3)生物滞留设施。生物滞留设施是在地势较低的区域种植植物，通过植物截流、土壤过滤滞留雨水，并可对处理后的雨水加以收集利用的措施。生物滞留系统是由表面雨水滞留层、种植土壤覆盖层、植被及种植土层、砂滤层和雨水收集等部分组成。生物滞留设施适用于道路两侧的绿化隔离带，用于收集市政道路雨水。生物滞留设施典型设计见图9。

图8 植草浅沟典型设计断面示意

图9 生物滞留设施典型设计断面示意

(4)雨水湿地。雨水湿地，也称人工湿地，是一种人工浅沼泽系统，用来处理城市雨水并控制径流水量。雨水湿地一般设计成防渗型以便维持雨水湿地植物所需要的水量，雨水湿地与湿塘的构造相似，一般由进水口、前置塘、沼泽区、出水池、溢流出水口、护坡与驳岸、维护通道等构成，主要作用是沉淀雨水中大颗粒污染物。主塘一般包括常水位以下的永久容积和储存容积，永久容积水深一般为0.8～2.5 m，储存容积一般根据所在区域相关规划提出的“单位面积控制容积”确定。雨水湿地应满足以下要求：①进水口和溢流出水口应设置碎石、消能坎等消能设施，防止水流冲刷和侵蚀。②雨水湿地应设置前置塘对雨水进行预处理。③沼泽区包括浅沼泽区和深沼泽区，是雨水湿地主要的净化区，其中浅沼泽区水深一般为0～0.3 m，深沼泽区水深一般为0.3～0.5 m，根据水深不同种植不同类型的水生植物。④雨水湿地调节容积内的水应在24 h内排空。⑤出水池主要起防止沉淀物的再悬浮和降低温度的作用，水深一般为0.8～1.2 m，出水池容积约为总容积(不含调节容积)的10%。雨水湿地典型构造见图10。

图10 雨水湿地典型设计断面示意

雨水湿地适用于城市建设中公建、住宅、多功能及厂房类项目，适用于具有一定空间条件的建筑与小区、城市道路、城市绿地、滨水带等区域。

1.4 雨水净化措施

(1)植被缓冲带。植被缓冲带位于坡度较缓的植被区，通过植被拦截及土壤下渗作用可减缓地表径流流速，并去除径流中的部分污染物。植被缓冲带规划要点：①坡度一般2%～6%，宽度不宜小于 2 m。②不宜布置在坡度较大的区域，以免降低其雨水净化效果。宜建造在池塘边、湖滨带，也可设于城市道路两侧，可作为生物滞留设施等低影响开发设施的预处理设施，与市政排水系统构成一个整体。植被缓冲带典型设计见图11。

图11 植被缓冲带典型设计断面示意

(2)初期雨水弃流设施。初期雨水弃流指通过一定方法或装置将存在初期冲刷效应、污染物浓度较高的雨水初期径流予以弃除，以降低雨水的后续处理难度。弃流雨水应进行处理，如排入市政污水管网(或雨污合流管网)由污水处理厂进行集中处理等。

雨水弃流装置按照安装方式可分为管道安装式和埋地式，按控制方式又可分为自控弃流装置和非自控弃流装置，按照弃流技术原理可分为容积式、半容积式、切换式、流量式、雨量式初期雨水弃流装置和其他形式的弃流装置。弃流形式包括自控弃流、渗透弃流、弃流池、雨落管弃流等。初期雨水弃流设施典型设计见图12。

图12 雨水弃流装置典型设计示意

2 南方城市建设项目雨水集蓄利用措施配置模式及应用

南方城市建设项目雨水集蓄利用措施的截流降污作用主要体现在雨季。北方地区雨水较少，较强雨水相对集中，南方地区的雨季长，雨水量大，雨水破坏力强，城市排水压力较大。南方城市雨水资源丰富，水环境容量大，具备规模利用的潜力，但雨水回收利用项目产生的环境效益低于北方。与北方资源性缺水相比，南方城市水环境呈现水质性缺水和结构性缺水交互的特点。所以南方雨水集蓄措施主要是以排为主，以净为辅，以滞渗蓄共用的方式完成城市雨水的控制管理。

在这里将南方城市建设项目分为市政配套设施、公建设施类、居民住宅类、商业办公类、工业厂房类五种类型[6-7]，并对前面三种建设项目典型雨水集蓄措施模式进行分析。

2.1 市政配套工程

市政配套工程主要包括城市道路、市政管网、公园等市政工程。南方地区城市雨水控制主要以排为主。雨水集蓄措施布设应根据道路与周边绿地场地条件，将车行道雨水排入两侧下沉式绿地，超标雨水通过溢流口排入雨水管网。人行横道设置透水铺装。主要雨水集蓄措施包括路缘石开口、下沉式绿地、植草沟、透水铺装等。常见的市政配置工程雨水径流管理流程见图13。

图13 市政配套工程雨水径流管理流程

南方城市市区内水系复杂，考虑临湖、临港道路的特殊性，雨水径流经过下沉式绿地等具有净化措施的雨水集蓄措施后，部分会被直接排入城市水系和市政管网。A项目位于武汉市汉阳区，改造区有较多道路直接临湖、 临港。雨水集蓄利用工程采用如下的处理方式：维持现状机动车道不动，对于人行道(部分含非机动车道)的横坡进行反向调整，人行道结构改造为透水砖铺装结构，同时在路侧设置LID下沉式绿地及生态护坡，收集经由人行道侧汇入的雨水(见图14)。

图14 临湖、临港道路改造后断面示意

2.2 公建设施类

公建设施类项目多利用其场地条件，将单体建筑屋面汇水、道路径流引入周围绿地下渗，利用植草沟或下沉式绿地对超渗雨水进行转输、滞留；并设置雨水花园、生物滞留带等措施对雨水进行净化、调蓄。南方城市水系纵横交错，部分地面径流会直接排放至城市河流中。

该类项目的雨水集蓄措施以集蓄与入渗结合措施和雨水入渗措施为主。常见的雨水措施配置模式见图15。

图15 公建设施工程雨水措施配置模式

2.3 房屋建筑类

房屋建筑类多以居民住宅为主。首先，采用以雨水罐、蓄水池为主的径流集蓄措施和以植被缓冲带、初期雨水弃流为主的截污净化技术；其次，由于目前居民小区景观需求较高，经过初期弃流设施的雨水径流多汇入雨水花园；再次，辅助以透水砖铺装、下沉式绿地、生物滞留设施为主的入渗措施和集蓄措施；最后，居民小区建筑密度大，屋顶面积占比较大，绿色屋顶也是建筑小区常用的雨水集蓄利用措施之一。常见的居民住宅工程雨水处理措施配置模式见图16。

图16 居民住宅工程雨水处理措施配置模式

3 结论与讨论

(1)结合南方城市降雨径流和水环境特点，将雨水集蓄利用单项措施分为径流集蓄措施、雨水入渗措施、雨水径流净化措施、雨水径流集蓄结合措施四种类型。以渗透塘等为代表的雨水集蓄措施和以初期雨水弃流装置等为代表的净化措施为南方主要典型雨水集蓄措施。

(2)通过实地调研和资料分析，对市政配套设施、公建设施类、居民住宅类三种城市建设项目对应的典型雨水处理措施配置模式进行的特点分析表明，公建设施类、居民住宅类等人口密度较大、环境要求较高的建设类型多具有“强排为主、净化并重”的特点。市政配套工程等建设项目因汇水面积较大，多具有“自排为主，强排为辅，调蓄并重”的特点。

(3)我国幅员辽阔，气候、地形和城市水环境特征差距较大，未来有必要将城市雨水控制工程措施布设与城市实际的地质水文条件结合起来，进一步优化城市雨水配置模式，加强雨水集蓄净化效果的动态监测工作，提高城市洪涝灾害防治能力和雨水资源高效利用，进一步促进城市水系良性循环和可持续发展。

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