半湿润地区外源径流型海绵绿地设计方法研究—以迁安市滨湖东路绿地为例

康嘉奇 戈晓宇

随着海绵城市建设理念的提出，城市绿地开始承担“城市海绵”的功能。绿地除了要满足游憩、生态、景观、防灾避险等基本功能外，还须具备消纳雨水径流的能力。由此，海绵绿地的概念应运而生[1]。风景园林视角下的海绵绿地指在保证绿地基本功能的前提下，因地制宜地安排雨水利用设施及技术，确保绿地在一定的降雨重现期条件下能基本消纳自身的径流，并能收集外部一定范围雨水径流的绿地类型。根据雨水收集的来源可以分为内源径流型海绵绿地和外源径流型海绵绿地。内源径流型海绵绿地指在一定的降雨重现期条件下，收集绿地范围内的雨水并对其进行利用的绿地类型；外源径流型海绵绿地强调：绿地除了消纳内部的雨水径流外，还能适当接纳周边一定范围内的雨水径流，起到调蓄城市雨洪的作用[2]7-8。

目前，城市绿色基础设施作为海绵城市建设的重要载体，能够发挥出强大的集雨功能[3]，但是选择有效的方法研究土地利用变化对暴雨径流产生的影响仍然是一个重大的问题，最近的研究主要是将经验模型与模拟模型相结合，以计算不同土地覆盖类型下的雨水径流量[4]，利用径流曲线法评估北京市中心城市绿地地表径流潜在减少量，结果表明城市绿地具有明显的减缓径流的潜力[5]。公园绿地本身就是天然海绵体，应以年径流总量控制率为首要控制目标，在规划设计阶段全面、定量地把控设计、实施质量，最大程度发挥公园绿地的海绵作用[6]。但是海绵城市概念内涵仍在发展之中，创建具有中国特色的海绵城市设计方法仍任重而道远[7]。

在海绵绿地营建过程中，风景园林设计师如何统筹考虑低影响开发（LID）设施功能类型、空间布局和景观效果以及如何在设计中平衡海绵城市建设与绿地基本功能的关系成为海绵绿地设计的难点，特别是在占国土面积15%、年降雨量在400～800 mm之间，同时降雨量年际变化大，冬春干旱少雨，夏季雨量集中且短时降雨量大的半湿润地区，如何保证绿地基本功能的同时最大程度发挥绿地的调蓄作用也成为本研究探讨的重点。

1 研究背景

1.1 研究区域区位情况

2014年12月，住建部、财政部、水利部三部委联合启动了全国首批海绵城市建设试点城市申报工作[8]，河北省迁安市成功入选，成为河北省乃至京津冀地区唯一首批入选的城市。研究区域（包括26.745 hm2的设计场地和242.100 hm2的外部汇水面）位于迁安市中心城区，属于典型的半湿润地区气候，总面积为268.845 hm2。设计场地（以下称滨湖东路绿地）位于惠民大街与惠昌大街之间的带状空间，南北长约2 500 m，东西宽50～60 m，面积为26.745 hm2。

1 内、外部汇水面范围及雨水径流方向Inner and outer source catchment range and rainwater runoff direction

1.2 研究区域上位规划解读

根据《迁安市城乡总体规划（2011—2030）》的要求，滨湖东路绿地用地性质为G1类公园绿地，是迁安市绿地系统规划中重要的绿道、城市功能区联系主轴，同时也是“滦河生态景观区”中至关重要的一环①，需要满足周边居民户外休闲、游憩的需求。

在海绵城市建设方面，滨湖东路绿地不仅要解决内部汇水面（26.745 hm2）的雨水径流，还要消减来自滨湖东路、阜安大街、惠兴大街以及周边各类城市用地，共计242.100 hm2的外部汇水面雨水径流（图1）。按照《迁安市城市建设项目雨水收集和径流控制管理办法》对研究区域年径流总量控制率目标（设计降雨量）所提出的要求，外部汇水面径流控制率目标为85%（设计降雨量为42.6 mm），内部汇水面（滨湖东路绿地）为76%（设计降雨量为29.6 mm）②。

2 总体设计

2.1 设计定位

滨湖东路绿地是在满足绿地基本功能上的、以消纳内部径流和外部径流为目的的、兼具雨洪调蓄和水资源利用的海绵绿地。

2.2 总体设计策略

首先，滨湖东路绿地东西两侧的阜安大街和滨湖东路缺少绿化隔离带，人行道狭窄，民众步行和骑行缺乏安全感和舒适感，设计师通过构建并行、分行、存在高低变化的人行道和自行车道构建占据全园面积11.556%的慢行体系来缓解此类问题。其次，慢行体系也用于连接堤、岛形态的景观游憩空间，充分满足周边居民游憩、娱乐的需求。最后，基于《海绵城市建设技术指南：低影响开发雨水系统构建（试行）》（建城函〔2014〕275号，以下简称《海绵城市建设技术指南》）和迁安市年径流总量控制率要求，利用绿地和景观游憩节点中的边缘空间布置点、线、面结构的LID设施，形成占据全园面积17.516%的LID体系，以充分发挥绿地的调蓄功能（表1）。

表1 滨湖东路绿地各类型用地面积及用地比例Tab.1 Area and proportion of green open space in Binhu East Road

2 雨水径流流程图及LID设施功能类型和设计策略Rainwater runoff flow chart and LID facility function type and design strategy

3 LID体系设计

迁安市滨湖东路绿地的LID体系设计在总体规划设计中占据主要地位。在设计时经过多次方案推演，最后确定LID体系设计需经过计算绿地调蓄水量—确定LID设施功能类型—确定LID设施调蓄水量—景观化处理LID设施—运用XPdrainage情景模拟的循证优化设计流程。

3.1 建立LID体系

3.1.1 确定LID体系的功能类型

首先，根据《海绵城市建设技术指南》中所指出的，海绵城市建设应采用源头消减、中途传输、末端调蓄等手段，结合渗、滞、蓄、净、用、排等技术实现城市水文的良性循环[9]6。在设计标准确定的情况下场地所需要解决的径流量是恒定的，径流的下渗滞留和储存利用之间存在一定的重合关系。分析场地所面临的雨洪问题，研究场地的土壤条件对判断LID设施的功能类型、规模容量以及LID体系的空间布局至关重要。根据地勘显示滨湖东路绿地下层的土壤表层是层厚约为0.5 m的素填土；第二层是层厚约为0.6 m中砂；第三层是层厚约为0.7 m的稍密卵石；第四层为密实卵石。表层耕土呈现松散状态，下层土壤渗透性能较好，因此下渗是LID设施的主导功能。

其次，滨湖东路绿地东西两侧用地的条件大不相同，东侧的用地性质复杂且面积较大，因此东侧的大量径流采用错峰调蓄的方法。东侧的雨水径流通过管网进入绿地内的调蓄池进行暂时储存，在无雨天气时将储存的径流通过工程措施重新导入LID设施进行净化下渗和储蓄利用，这样可以避免东侧大量径流瞬时冲入绿地而产生的冲击与影响；而西侧携带着大量污染物的径流主要来自滨湖东路，需经过生物滞留池、净化台层等LID设施净化后再与内部径流一起进行滞留下渗和储蓄利用的过程，因此净化、储蓄和利用是LID设施所具备的附属功能（图2）。

最后，根据径流污染特点和滨湖东路绿地土壤特性，确定绿地内的LID设施应以下渗为主导功能，兼具下渗、滞留、储蓄、净化、利用的功能。

3.1.2 确定绿地设计调蓄容积和LID设施规模容量

根据《海绵城市建设技术指南》要求，LID设施以径流总量和径流污染为控制目标进行设计时，其设计调蓄容积须满足“单位面积控制容积”的指标要求[9]49。设计调蓄容积一般采用容积法，如公式（1）所示[10]。

式中，V为设计调蓄容积，单位m3；H为设计降雨量，单位mm；φ为综合雨量径流系数；F为汇水面积，单位hm2。

根据《海绵城市建设技术指南》中提供的各汇水面雨量径流系数φ的取值范围，绿地取值为0.15，非铺砌的土路面取值为0.30、混凝土或沥青路面及广场取值为0.80。计算得出在设计降雨条件下（滨湖东路绿地设计降雨量为29.6 mm，外部汇水面设计降雨量为42.6 mm），内部汇水面（滨湖东路绿地）径流量为1 185.480 m3，外部汇水面径流量为38 885.340 m3，滨湖东路绿地共需要调蓄40 070.820 m3的径流量（表2）。

绿地内的下沉式绿地、生物滞留池、碎石植被床等各项LID设施通过以上计算过程确定规模容量（表3），其中绿地内雨水储存设施以植物单次灌溉量作为其容量标准，下沉式绿地对径流起到集中下渗的作用，生物滞留池对径流起到缓速和沉淀的作用，碎石植被床用于净化外部径流。

3.1.3 确立LID体系的空间布局

LID体系的空间布局与绿地空间尺度、竖向条件以及“源头—过程—末端”的雨洪控制理论[2]134密不可分。依据竖向设计，在绿地源头利用线形卵石沟渠、植草沟串联点状下沉式绿地及生物滞留池，对雨水进行净化，形成源头消减面状结构；中途通过线性植草沟串接下沉式绿地，滞留并减缓径流流速，形成中途传输线状结构；末端为竖向条件最低处，承接所有径流并进行储存利用，形成末端调蓄。LID设施的布局最大限度地利用绿地内的边缘空间，而优质中心空间则用于游憩、休闲等功能，在空间上平衡了LID体系和绿地基本功能的关系（图3）。

表2 滨湖东路绿地设计调蓄容积Tab.2 Binhu East Road green open space designed regulation and storage volume

表3 LID设施规模容量Tab.3 LID facility storage capacity

3 滨湖东路绿地平面图和LID设施平面图Binhu East Road green open space plan and LID facility plan

4 石笼花田实景图Stone cage flower field reality images

5 耐候钢板实景图Weathering steel plate reality images

6 废弃钢材雕塑实景图Abandoned steel sculpture reality images

7 雨水花境景观Rainwater flower scene

3.2 LID设施的景观化策略

滨湖东路绿地在设计中通过挖填的方式平衡场地内土方量，形成自然集雨地形，结合LID设施进行雨水收集。

场地内利用以废料填充的石笼和能体现迁安钢城特色的耐候钢板来勾勒LID设施的边界，保证设施侧面渗透的前提下为游人提供停坐休憩的空间，实现打造低成本风景园林的目的（图4～6）。

在海绵绿地设计过程中，植物是LID设施生态功能表达和景观展示的主要承担者[11]，对LID设施的景观化起着至关重要的作用。在进行植物选择时，由于下沉式绿地的强渗透性，研究区域选用了既耐旱又耐短期水淹，夏季生长旺盛的植物营造雨水花境景观[12]，如千屈菜（Lythrum salicaria）、蒲苇（Cortaderia selloana）和大花萱草（Hemerocallis hybrida）等。在净化湿地内选用具有净化作用的水生植物，如金鱼藻（Ceratophyllum demersum）、菹草（Potamogeton crispus）、黑藻（Hydrilla verticillata）等（图7）。

3.3 XPdrainage软件情景模拟

利用XPdrainage软件对LID设施调蓄雨洪的能力进行情景模拟验证，分析滨湖东路绿地设置低影响开发设施前后24 h降雨时间下LID设施对径流总量，峰值流量，峰现时间的控制、消减、延迟效果，为建设可持续管护运营的风景园林提供参考。

XPdrainage软件构建模型进行情景模拟时需要对汇水区进行信息的提取和概化，对LID设施需进行布置及参数设置；而进行模拟时则需要地区降雨数据作为支撑。

3.3.1 模型构建

3.3.1.1 降雨数据分析

模拟降雨采用短时间系列。短时间系列即根据迁安暴雨强度公式得到1、2、3、5、10年一遇历时6 h的降雨量③，通过芝加哥雨型④对其进行拆解。

表4 LID设施参数Tab.4 LID facility parameter

表5 生物滞留池模型参数设置Tab.5 Bioretention pool model parameter settings

表6 重现期出口径流模拟结果Tab.6 Simulation results of outlet runoff in recurrence period

8 不同重现期降雨条件下24 h降雨出水口径流曲线Runoff curve of 24-hour rainfall outlet under the condition of rainfall in different recurrence periods8-1 1年一遇Once-in-a-year8-2 2年一遇Once-in-two-years8-3 3年一遇Once-in-three-years8-4 5年一遇Once-in-five-years8-5 10年一遇Once-in-ten-years

3.3.1.2 汇水区及LID设施概化

根据绿地自身特征及周边市政管网分布情况，将研究区域概化为45个汇水区和15个子汇水分区，4段排水网管段，1个末端出水口。根据施工方案，将LID设施在已划分的汇水区域内进一步概化。

3.3.1.3 参数设置

结合迁安地区土壤特性及XPdrainage模型原理，外部汇水面中的硬质、裸地和绿地下垫面采用Time of Concentration径流模型来计算径流下渗及进入系统流动的时间，各表面粗糙系数采用XPdrainage模型中的恒定数值，铺面、裸露土壤为0.015，绿地为0.060，LID设施各项系数设置根据《室外排水设计规范》和《建筑与小区雨水利用工程技术规范》中的要求进行设置（表4、5）。

3.3.2 模型结果分析

1）在年径流总量控制率目标及1、2、3、5、10年一遇的降雨条件下，滨湖东路绿地内部通过利用45 359.500 m3LID设施和1 000.000 m3蓄水设施解决了40 070.820 m3的径流量。

2）海绵城市试点建设在1、2、3、5、10年一遇的降雨条件下，滨湖东路绿地在开发前（传统开发模式）、后（低影响开发模式）的径流消减量对比显著（表6）。

根据研究区域地勘文件测量得到场地下层基层土壤为卵石层，场地内径流下渗量较大，10年一遇（133.95 mm）的部分雨水径流通过LID设施的下渗作用进行了消纳。根据《雨水控制与利用工程设计规范》中对渗透设施渗透量的计算要求，如公式（2）：

式中，Ws为渗透量，单位m3；α为综合安全系数，一般可取0.5～0.8；K为土壤渗透系数，单位m/s；J为水力坡降，一般可取J=1.0；As为有效渗透面积，单位m2；ts为渗透时间，单位s。

据公式（2）计算可得，LID设施在10年一遇的降雨条件下可下渗7 200.000 m3的雨水径流。

在添加LID设施后，研究区域出水口在1、2、3、5、10年一遇的降雨强度下径流总量分别 消 减93.71%、80.68%、68.85%、65.63%、60.96%。

3）对比LID模式和传统开发模式数据，研究区域在不同重现期降雨强度下，峰值流量分别消减95.24%、82.37%、64.23%、60.2%、49.74%；峰现时间分别推迟92、76、54、47、32 min（图8）。

4 结论

笔者依据迁安市上位规划提出的雨洪调蓄要求，结合半湿润地区的降雨特征和滨湖东路绿地的土壤特征，按照年径流总量控制率目标所提出的要求，利用XPdrainage作为工具辅助，对滨湖东路绿地进行开发前、后的情景模拟，根据定量数据进行分析对比，总结半湿润地区外源径流型海绵绿地的设计方法，为海绵城市建设提供理论支持及实践经验。

4.1 设计方法总结

在设计半湿润地区的海绵绿地时首先要对半湿润地区的降雨特征以及其所带来的雨洪问题，绿地内的土壤特性和周边的用地性质、下垫面性质进行研究分析，以此来确定半湿润地区和LID体系的功能类型。其次，要根据《海绵城市建设技术指南》中对LID设施调蓄容积的要求，计算得到绿地需要调蓄的径流总量以此确定LID设施的规模容量。再次，经过以上研究分析和计算后，LID设施须结合绿地内的竖向设计、植物景观和景观节点进行空间布局和景观化的处理。最后，为了验证LID设施所发挥的调蓄功能，需要利用XPdrainage对场地开发前、后LID设施所能消减的径流量和所能推迟的洪峰时间进行量化及可视化的情景模拟验证。

4.2 分析情景模拟结果

通过XPdrainage进行情景模拟所得的数据结果分析可知，位于半湿润地区的滨湖东路绿地在消减径流总量和峰值流量以及推迟峰现时间方面具有一定的作用，LID设施在不同降雨条件下可分别消减93.71%、80.68%、68.85%、65.63%、60.96%的径流量，可分别推迟92、76、54、47、32 min的峰现时间。但是随着降雨强度的增大，后期地表径流在超过LID设施承载能力后，消减径流总量逐渐减少。消减峰值流量曲线渐趋平缓，LID设施调蓄作用开始逐渐减弱。

5 结语

风景园林视角下的海绵绿地需要融合园林形式的艺术美与内涵的科学性，其设计的过程是科学性与艺术性高度统一的过程。绿地的艺术美是内在科学性的表达形式，而内在的科学性则是表现形式艺术美的内涵。 在设计过程中，设计人员通过XPdrainage软件对LID设施进行情景模拟所得结果还须与后期径流检测结果相校核，才能保证模拟结果的精确程度，但是由于当前设备条件所限，本研究未能进行数据校核，希望在未来的研究中能够逐渐深入和完善。

注释(Notes)：

① “G1类公园绿地”及“滦河生态景观区”为《迁安市城乡总体规划（2011—2030）》中规划图CQ-G-09和规划图CQ-G-02对滨湖东路绿地的定位。

② 滨湖东路绿地内径流控制率目标依据《迁安市城市建设项目雨水收集和径流控制管理办法》规定。

③ 短时间系列降雨历时为《迁安市城市排水（雨水）防涝综合规划（2013—2030）》规定。

④ 芝加哥降雨雨型是由Keifer和Chu提出的基于暴雨强度公式和雨峰系数的非恒定降雨情景合成方法。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1～3由IFLA-AAPME报奖项目组成员葛韵宇、康嘉奇、卢靖、李婷绘制；图4～7由戈晓宇拍摄并提供；图8由康嘉奇利用XPdrainage软件进行情景模拟得出的结果；表1、3为康嘉奇利用滨湖东绿地文件测绘数据进行计算整理所得；表2为康嘉奇根据《海绵城市建设技术指南：低影响开发雨水系统构建（试行）建城函[2014]275号》要求进行计算整理所得；表4、5为康嘉奇根据《室外排水设计规范》和《建筑与小区雨水利用工程技术规范》中的要求进行整理所设置；表6为康嘉奇根据XPdrainage模拟结果整理所得。