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        從“泄洪溝”到“海綿園”的濱水綠地適用性設計

        2018-07-19 03:09:04費文君丁佳穎
        中國園林 2018年2期
        關鍵詞:綠地海綿雨水

        費文君 丁佳穎 曹 穎

        1 海綿城市背景

        水是城市可持續(xù)發(fā)展最為重要和復雜的制約因素,水系統(tǒng)的破壞也是中國城鄉(xiāng)環(huán)境破壞中最突出的問題[1]。在快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的大背景下,灰色基礎設施及不透水面迅速增加,使得原本可以自然停滯的70%~80%的降水成為地表徑流,僅有20%~30%的降水能夠滲入地下,自然生態(tài)基底的破壞導致了城市水資源短缺、水污染、水災和水文化服務功能喪失等復雜的水問題[2]。為解決此類問題,以最佳管理措施(BMPs)、低影響開發(fā)(LID)和綠色基礎設施(GI)為理論基礎,以問題導向和目標導向出發(fā),從價值觀到方法論,提出解決水生態(tài)和水問題技術體系的“海綿城市”建設理念應運而生[3-6]。其旨在減輕城市排水負擔的同時,緩慢恢復城市地表自然入滲能力,重新構建城市“綠色海綿”,且在陜西灃西新城試點區(qū)域和北京下凹式立交橋區(qū)改造中均取得了良好的成效[7]?;诮陙淼睦碚撗芯亢鸵?guī)劃實踐,今后“海綿城市”發(fā)展方向應由系統(tǒng)到個體,從廣泛性到適用性,充分發(fā)揮各類城市“海綿體”的作用,因類制宜地構建“綠色海綿園”,在不同區(qū)域和尺度上高效化地解決城市眾多水問題。

        2 必要性與可行性

        文章以山東臨沂為例,從城市、區(qū)域到基地3個層面,分析水環(huán)境,梳理水格局,總結水問題,明確研究目的,探討“海綿城市”技術在李公河濱水綠地的適用性,并從以下2個方面分析建設“海綿城市”的必要性及可行性。

        2.1 城市水環(huán)境

        臨沂市位于山東省東南部,地近黃海,有沂河、沭河、中運河、濱海四大水系,是中華文明的重要發(fā)祥地之一,也是具有濱水特色的現代工貿城市和商貿物流中心。臨沂屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū),四季變化明顯,多年平均降水量818.8mm,具有“時空分布不均且年際、年內變化大”的特點,汛期降水量約占年降水量的80%,暴雨則集中在7—8月,約占年降水量的50%,導致夏季成為“逢雨必澇、旱澇急轉”的高發(fā)時期[8]。境內河流均屬山洪河道,上游支流眾多,源短流急,雨季洪水暴漲。土壤以棕壤、褐土為主,暴雨時期濕陷、淤積問題嚴重,城市開發(fā)后,大面積自然基底向城市建成區(qū)轉化所帶來的水系統(tǒng)結構變化和下墊面變化給雨洪調蓄帶來更大的壓力。

        根據臨沂市水利局2016年統(tǒng)計,全市水土流失綜合治理面積約為44.6萬hm2,新增水土流失9350hm2?;诔鞘械慕涤晏卣骱退燎闆r,以及地下水資源開發(fā)利用程度加劇、土壤濕陷等問題,與之相適應的城市基礎設施建設和雨洪管理措施對城市水生態(tài)系統(tǒng)起到了動態(tài)平衡的作用,因此,富有水彈性的“海綿城市”理念具有可行性。

        2.2 區(qū)域水環(huán)境

        2.2.1 水格局

        臨沂經濟技術開發(fā)區(qū)屬沂沭河下游沖積平原的中上部,整體地勢西北高東南低,地勢自然坡度為1‰左右,地形以平原為主,在東西中部形成一道分水嶺,西側李公河屬沂河水系,東部玉白河及其支流解白河屬沭河水系[9](圖1)。沂、沭河流域多年地表水資源為51.6億m3,控制流域面積1.6萬km2, 占山東境內的93.43%,水資源需求量大,污水、廢水排放量多,水系環(huán)境遭到挑戰(zhàn)[10]。

        2.2.2 水問題

        受季風性氣候影響,區(qū)域內地表水系年徑流量變化幅度大,豐枯交替,旱澇不均,經常出現連續(xù)豐水年或連續(xù)枯水年。隨著李公河及其周邊區(qū)域的不斷開發(fā)建設,城市用水由以地下水為主逐漸轉變?yōu)橐缘乇硭疄橹鳎乇砹髁繙p少,甚至在枯水期時斷流,影響河道生態(tài)水量[11]。區(qū)域內工業(yè)生產污水和居民生活廢水通過城市污水管網輸送到開發(fā)區(qū)內的污水處理廠統(tǒng)一處理排放,解白河、玉白河等是主要納污河流并匯入沭河,河流污染范圍從支流發(fā)展到干流,從區(qū)域擴展到流域[12]。目前沂河水質為Ⅲ~Ⅳ類,受河流自身水動力限制,自凈能力不足,呈輕度污染狀態(tài)。

        2.2.3 水系周邊介質問題

        濱水綠地作為該區(qū)域實施“海綿體”建設的重要載體,存在以下問題:1)據統(tǒng)計,沂河臨沂站多年平均含沙量1.15kg/m3, 多年平均輸沙率127kg/s,多年平均輸沙量400萬t,河流下游河道寬度的增加、河流流速的降低使得水流中的泥沙沉積,導致河道上的橡膠壩周圍、河岸邊形成大量淤積;2)水閘等水利工程老化失修,影響了防洪、蓄水、灌溉的綜合功能;3)岸坡形式單一,均為自然式土坡駁岸且坡度較陡,土壤大面積裸露,喬、灌植物稀少,無法對雨水進行截流和緩沖滯流,濕地系統(tǒng)變得越發(fā)脆弱。

        從整體格局到單一介質,由宏觀解析到微觀分析,將李公河及其周邊區(qū)域的水環(huán)境問題分為三大類:水質問題、水岸問題、水患問題(表1)。文章針對李公河濱水綠地的三大問題,對水質進行凈化,對水患進行調控,對水岸進行保護,用3項適用技術進行修復治理。

        表1 區(qū)域問題分析表

        3 理念、策略及方法

        為解決水質、水岸和水患三大水環(huán)境問題,以“細水長流”為設計理念,使暴雨化細流,細流且長流,以“建立生態(tài)基礎設施”為1項策略導向,以水域凈化工程、河岸修復工程和雨水滯蓄工程為3種技術方法,維護良性雨水循環(huán),增強當地以水生態(tài)為主的生態(tài)系統(tǒng)的自適應性。

        圖1 經濟開發(fā)區(qū)水系格局

        3.1 一項主導策略——建立生態(tài)基礎設施

        首先立足于區(qū)域尺度,在宏觀層面上將自然要素、生物要素和鄉(xiāng)土游憩要素串聯起來形成1個最佳生態(tài)網絡。針對濱水區(qū)域構建水安全格局、生物安全格局和游憩安全格局三者疊加的區(qū)域生態(tài)基礎設施,為項目所在區(qū)域提供持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(圖2)。

        3.1.1 水安全格局

        水安全格局的建立是區(qū)域生態(tài)基礎設施的核心。通過模擬徑流過程和淹沒分析找出潛在的匯水廊道和易受淹地區(qū),在規(guī)劃過程中盡量預留這些區(qū)域,降低內澇風險,并將分析疊加得到水安全格局。最后針對不同功能片區(qū)的主要水問題,提出相應“海綿體”模式予以對應。

        圖2 區(qū)域綜合生態(tài)格局

        3.1.2 生物安全格局

        區(qū)域內主要以林木、草本為主,植被覆蓋狀況及生態(tài)環(huán)境條件較差,自然生態(tài)系統(tǒng)的削弱和河流生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定影響該區(qū)域的生物多樣性。以鳥類為指示物種,分析其現狀及分布狀況,遵循保護生物學的基本原則,建立生物安全格局。

        3.1.3 游憩安全格局

        沂河被臨沂人民譽為“母親河”,自然旅游資源豐富,沿河流兩側的文化游憩資源尤為集中[13]。通過系統(tǒng)分析文化遺產與游憩資源分布,結合現有游覽路線,建立各文化遺產、鄉(xiāng)土景觀及旅游資源的空間聯系,構建游憩安全格局。

        3.2 三種適用技術——打造海綿示范工程

        微觀層面的重點是“海綿體”在工程上的落實,用水域凈化工程改善水質問題,用河岸修復工程解決水岸問題,用雨水滯蓄工程緩解水患問題,打造一條“綠色海綿生態(tài)廊道”(圖3)。

        圖3 設計思路

        3.2.1 水域凈化工程

        為改善水質,首先對李公河進行河底淤泥清除和沿河垃圾清除。由于李公河并非主要納污河流,其由污水引發(fā)的面源污染程度較低,因此水域凈化工程主要采用植物生態(tài)技術,以自然生態(tài)系統(tǒng)修復河水水質污染。具體措施主要包括以下幾個方面(圖4)。

        圖4 水域凈化圖

        1)在濱河的主要雨污排放點源布置濕地斑塊生態(tài)設施,對雨水、污水進行收集和處理,避免其直接排入地表水與河流,實現就近凈化水質。

        2)在洪水位以上區(qū)域種植層次豐富的水杉等中生植物和風箱果、連翹等旱生植物;常水位和洪水位之間是最為脆弱的生態(tài)邊界,在此邊界上種植蘆葦、蒲草等耐水濕的植物;在常水位以下區(qū)域種植荷花、金魚藻等水生植物,利用根系保持水土。降水經岸線層級凈化后進入河流,在河流中設置生態(tài)浮島以穩(wěn)定水質[14]。

        3.2.2 河岸修復工程

        河岸是水陸生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)交接帶,為解決河岸的各類問題,構建良性循環(huán)的河岸生態(tài)系統(tǒng),在進行河岸修復時根據坡度將其分為臺地區(qū)和坡地區(qū)。臺地區(qū)呈現多層階梯效果,鋪設生態(tài)磚、蜂巢等新材料起到護坡的作用,最下層的梯田和最上層的梯田分別對應5年一遇和20年一遇的洪水高度,防洪線采用可淹沒的不同安全級別的柔性防汛堤(圖5);坡地區(qū)采用植物緩沖帶,通過土壤下滲作用、植被攔截作用減緩地表徑流流速,保持水土并產生一定的凈化水質的作用(圖6)。

        圖5 臺地式駁岸

        圖6 坡地式駁岸

        3.2.3 雨水滯蓄工程

        雨水滯蓄工程與短距離的市政管網相配合,使暴雨期雨水滯蓄、枯水期地下水回補,增強旱澇調蓄功能,形成良性雨水循環(huán)系統(tǒng)[15],在一定程度上解決水患問題,具體措施主要包括以下幾個方面。

        1)道路改造。

        道路作為不透水下墊面,其水環(huán)境問題是李公河兩岸下墊面中水環(huán)境問題最為突出的一類[16-17]。在改造中旨在將道路上的雨水徑流進行有組織的匯流與傳輸,通過人工措施讓硬化地面“海綿化”。在道路景觀設計中,運用植草溝、植物緩沖帶和下沉式綠地,形成“植草溝-人行道-下沉式綠地-機動車道-下沉式綠地”的模式[18],當設施中雨水飽和時,可通過溢流口排入雨水管道(圖7)。

        圖7 道路改造圖解

        圖8 典型濕塘構造(南京匠森建筑景觀規(guī)劃設計有限公司提供)

        根據不同道路等級,人行道采用10cm厚的透水混凝土路面,空隙大,傳熱性低,可以起到良性透水的作用。雨水滲透到達約15cm厚的碎石墊層,該層由駁岸裸露廢棄塊石填充,在其中進行過濾,并在墊層中埋設與兩側的卵石滲水槽相通的排水管,進行雨水消化。由于車行道對道路路基強度和穩(wěn)定性要求較高,而透水瀝青路面的潛在風險較大,因此采用半透水路面。

        2)濕塘。

        濕塘是一種既擁有休閑娛樂和景觀功能,又能發(fā)揮調蓄功能的多功能水體,一般由6個部分組成:進水口、前置塘、主塘、溢流出水口、護坡及駁岸、維護通道[19]。在李公河濱水綠地上利用原有地形高差設置濕塘,在進水口和溢流出水口設置碎石和消能坎以防止水流沖刷綠地、侵蝕駁岸;前置塘坡度為1:5,作為濕塘的預處理措施,將雨水徑流中的大顆粒懸浮物沉淀;在前置塘和主塘之間設置雨水濕地凈化水質;初步凈化后的雨水進入主塘,主塘駁岸采用坡度1:6的生態(tài)型駁岸,達到有效削減徑流總量的作用(圖8)。

        3)蓄水池。

        蓄水池是具有雨水調節(jié)和雨水儲存功能的設施,在暴雨期間暫存雨水和地表徑流,蓄排結合[20],暴雨過后,通過出水管將雨水回用于李公河濱水綠地的綠化灌溉、道路噴灑等,維持良好的雨水循環(huán)利用。

        4 實踐應用及效果

        4.1 數據測算

        臨沂市屬于年徑流總量控制區(qū)的第IV區(qū),即年徑流總量控制率為70%~85%。根據《臨沂市排水防澇綜合規(guī)劃》所規(guī)定的臨沂市中心城區(qū)海綿城市總體規(guī)劃的年徑流總量控制率為75%。綜合考慮設計區(qū)域環(huán)境狀況,本次設計區(qū)域的年徑流總量控制率設定為75%,對應的設計降雨量為取值30.7mm[21]。根據公式V=10HψF,設計降雨量H=30.7mm,綜合徑流系數ψ=0.20,F=20hm2,計算出設計調蓄容積為12280m3。在實際建設中,通過海綿設施的綜合應用,確保了園內雨水徑流的消納[22-23](表2)。

        表2 李公河濱水綠地低影響開發(fā)數據統(tǒng)計表

        表3 李公河濱水綠地建設前后效果對比圖

        4.2 建設成果

        針對水質問題,通過點源濕地凈化水體;針對水岸問題,通過河岸修復保持水土、增強堤防,提升景觀;針對水患問題,通過道路改造、濕塘、蓄水池等生物滯蓄技術,廣泛地増加了匯水點,有效分流,并順應自然水流循環(huán)梳理水文,降低徑流水量,達到了雨水管控、防治災害的作用(表3)。

        4.3 辯證思考

        從上文數據分析可知,下沉式綠地和植物緩沖帶效果最佳,且下沉式綠地與植草溝的綜合應用、道路改造均取得了極其可觀的效益,雨水的定量消納已初步實現“細水長流”的目標。同時,針對設計中仍然存在的不足之處,例如在土壤方面欠缺考慮,在后續(xù)研究中可嘗試通過改良土壤結構提高下墊面滲水率;在植物方面由于地理環(huán)境因素,選擇范圍較為狹窄,尤其是水生植物運用有限,水體自凈效果不理想,反映出我國北方城市“海綿城市”建設的一些局限性問題,針對這些問題,提出以下建議:1)加強“海綿”技術研發(fā),解決功能多、跨度大的城市水生態(tài)和水環(huán)境問題;2)關注雨洪動態(tài)發(fā)展,根據不斷更新的城市水環(huán)境問題,加強針對性研究;3)完善城市水系管理,在生態(tài)安全大格局上實現體系完善、法規(guī)健全和管理到位的目標。

        5 結語

        與傳統(tǒng)規(guī)劃設計方法相比,將“海綿城市”應用于濱水綠地設計中,更強調低影響開發(fā)技術體系與景觀規(guī)劃設計的多層次復合關系,更突顯水與綠地的相互依存關系。本規(guī)劃從城市水環(huán)境大視角出發(fā),將濱水景觀納入城市生態(tài)環(huán)境整體中考慮,并針對李公河濱水綠地的水質、水岸和水患特性,初步解決了城市小環(huán)境濱水綠地雨水沖刷、道路積澇、駁岸水土流失等問題,以期從“海綿園”點狀改造形成“海綿城市”區(qū)域性體系,統(tǒng)籌解決城市水問題。同時,“海綿城市”建設不可盲目模仿、急于求成,更應該在生態(tài)環(huán)境保護及低碳城市發(fā)展的基礎上綜合衡量、多方協調、理性取舍,針對地域特征、水域特色對海綿元素及其應用技術進行思考:如何以適用性帶動實用性,因地制宜建設海綿城市。

        注:文中圖片除注明外,均由作者繪制。

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