基于生态海绵城市构建的雨水利用规划研究.docx

基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究董淑秋韩志刚( 北京清华城市规划设计研究院 市政规划研究所，北京，100085 )【摘要】针对我国面临的洪涝灾害和水资源短缺问题，融合最新雨洪利用与管理理念，提出“生态海绵”地区的雨水利用规划理念，从城市规划层面前瞻性提出雨水资源化的途径。 研究优化探讨“生态海绵”的构建技术方案和评价 指 标 体 系，通 过“生 态 海绵”对雨水的渗透及滞留利用，实现水资源保护、城市防洪、水景观及水污染控制的综合效益。【关键词】雨水利用; 城市规划; 水系统规划【中图分类号】TU992 / TU991【文献标识码】A近年来很多地区频发干旱和内涝等灾害，引发我们对城 市 水 危 机 的 深 刻 思 考。 水资源短缺和洪 涝灾害并发 的 一 个 重 要 原 因 是 雨水资源没有得到 合理利用，而 是 通 过 排 水 系 统 排 走，但 排 水 设 施 的 设计标准较 低 且 城 市 排 涝 标 准 体系的缺失造成了 暴雨时节严 重 积 水，产 生 洪 涝 灾 害，加 剧 了 城 市 缺 水，水污染以及生态环境恶化等问题。 通过雨水资 源化解决水 危 机 及 洪 灾 问 题 一 直是很多学者关注 的重点1 3，它对于缓解水资源危机，补偿城市生态 环境及防洪减灾等方面具有重大社会、经济和环境 效益。现有关于雨 水 资源化的研究大多从工程设计 方面入手，但实际上应整体和多目标的解决雨水问 题，而非单一 工 程 的 解 决 方 式，在城市发展的规划 层面需前瞻性的分析雨水资源化的方向，构建雨水 利用及生态安全格局，发达国家已从单纯的工程技 术层面走向与景观生态设计紧密结合4 7。 城市规 划及城市景 观 规 划 设 计 理 应 为 解决环境问题提供 可操作的平 台，而 传 统 的 城 市 规 划，主 要 是 将 雨 水 通过管网排 除 或 收 集 至 污 水 厂 进行处理解决点源 污染，却导致 排 水 设 施 压 力 增 加，且雨水径流的面 源污染得不到控制，威胁城市的安全。 目前城市雨 水利用尚未纳入城市规划的考虑范围，造成雨水利 用设施建设随意性较大; 未来城市规划需充分认识 雨水资源的价值，在规划中积极引入雨水资源化的理念，通过雨洪利用和景观生态设计等手段解决城市水危机。本文针对 北 京 首 钢 工 业 改 造 区 进 行 雨 水 利 用 规划研究，将 雨 水 作 为 地 区 景 观 设 计 的 重 要 元 素， 将雨水 利 用 纳 入 城 市 规 划 体 系 中，构 建 雨 水 利 用 “生态海绵”地区。 初步优化探讨“生态海 绵 ”地 区 雨水利用的综合效益，并在此基础上提出雨水利用构建技术和 评 价 指 标 体 系，以 期 为 后 续 土 地 一、二 级开发及雨水利用工程设计提供参考。1项目概述2007 年，北 京 市 城 市 规 划 设 计 研 究 院 完 成 了首钢工业区改造规划，根据区域发展要求并落实 北京城市总体规划，首钢主厂区及其协作发展区应 作为北京城市西部的综合服务中心; 作为中国钢铁 工业改造转型的典范，应走出一条特色工业资源与 现代科技文化相结合的发展之路，成为后工业文化 创意产业 区。 根 据 区 域 发 展 要 求 并 落 实 北 京 城 市 总体规 划，按 照 总 规 要 求 创 新 规 划 理 念 和 方 式 方 法，在该规划中探索低碳生态的规划设计指标体系。工业区 地 形 坡 度 大，现 状 雨 水 通 过 人 民 渠 排 除，但是河道断面狭窄，过水能力低; 现状月季园和 晾水池两处水域都采用自来水补水，因无雨水收集 设施及地势 等 影 响，雨 水 无 法 流 入 湖 内 补 充 水 体， 现状雨水利用几乎处于空白。根据工业区改造建设低碳生态城市的目标，对 雨水利用提出一些要求: 第一，必须保障防洪安全; 第二，以节约 利 用 水 资 源 为 目 标，构 建 以 雨 水 利 用基金项 目: 国家水体污染控制与治 理科技重大专项课题 ( 2009 ZX07317 -006 )37城市发展研究 18 卷 2011 年 12 期 Urban Studies Vol 18 No 12 2011生态城市董淑秋等: 基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究表 1“生态海绵”地区雨水利用评价指标指标类别具体指标雨水年利用率、综 合 径 流 系 数、改造前后综合径流 系数降低率、雨水排放率、零排放重现期、零排放降 雨量、雨水利用设施比例强度类总净增造价、年折旧费用、单位面积净增造价、吨水投资折旧费、年维护费用、吨水维护费用、吨水利用 综合成本水资源节约量、COD 减排量、生态效益、景观效益经济类资源环境类雨水利用强度类指标反映雨水利用的程度，其中年雨水排放率指该地区进行雨水利用改造后排入市 政管网的雨水量占全年总降雨量的比例，零排放降雨 量和零排放重现期指可被规划区滞留的降雨量和该 降雨量对应的重现期。经济类指标反映雨水利用设 施的建设及管理成本，资源环境类指标反映雨水资源 化程度及环境污染的控制情况。根据规划区的实际 情况制定各类指标的限制值，可控制和指导土地开发 利用过程中雨水设施用地的预留和建设，指标体系也 可用来预测及验证规划方案实施后的实际效果。 本 文构建的指标体系主要为本规划效益评价服务，期望 后续继续完善雨水利用指标体系，为雨水利用相关管 理控制措施及法规的制定提供帮助。图 1 首钢工业改造区总体规划为主的景观; 第 三，通 过 雨水 利用恢复规划区水生 态系统，保障规划区生态安全格局; 第四，雨水利用 规划与土地 开 发、景 观 设 计、竖向规划及其他涉水 专项规划协同编制，确保规划能够实施。“生态海绵”规划理念22. 1理念概述本规划结合“生 态 排 水 + 管 网 排 水”雨 水 排 除新模式，融合雨水开发应用领域最新的可持续发展及低影响开发等理念，构建“生态海绵”雨水利用地 区的规划理念。“生态海绵”地 区 要 求 改变 传统雨水排放的模 式，它要求采 用 与 自然相近 的雨水管理方法，尽 可 能不让雨水外排，而是分散的蓄留和初步净化。 整 个规划区应该像海绵一样，将进入的雨水短暂的存 储起来，再利 用 或 缓 慢 下 渗，构建生态海绵地区规 划理念，强调雨水可持续利用，把雨水“排水量零增 长”的概念 形 象 表 达 出 来，这种 理念符合生态环境 保护及低碳生态城市发展的要求。技术体系构建“生态 海 绵”地区的技术体系由雨水净化 系统、雨水渗透系统和雨水蓄集利用系统组成。 规 划方案以绿地改造利用技术为核心技术，联合其他 以绿地为主要空间的雨水综合利用技术，进而实现 雨水的生态海绵吸收渗透方式。屋顶: 以屋顶绿化和屋顶花园改造为主，综合径流 系数设计为 0. 2。广场道路: 采取透水铺装改造。绿 地: 地块内绿地主要以低势绿地、雨水花园等生物滞留 系统为主，并结合渗透沟和植物沟渠渗透系统，整个系 统以细粉砂的渗透系数为标准( 取 1 10 5 m / s) ，蓄水 深 100 200mm; 公共绿地以生态湿地、景观池等雨水 集中利用设施改造为主，并配套相应蓄水池，蓄水深200 500mm; 道路绿化带采取绿色街道的改造建设，蓄 水深 200mm。后续详细规划设计计算，都将按照相关 技术的设计标准进行计算分析。2. 4综合目标本规划兼顾城市用地和空间开发宏观指引，制 定雨水综合 利 用 的 空 间 分 布、分类及技术措施等; 微观上进行雨水利用规划设计的要点控制，确定具 体利用技术，控制指标及相关配套政策等。 期望能 够从宏观和 微 观 相 结 合 的 层 面 上进行雨水利用综 合规划，进 而 实 现 调 蓄 减 排、水 资 源 保 护、雨 水 利 用、水污染控制、水景观及微气候改善等综合效益。2. 3 评价指标针对规划构建的“生态海绵”地区从经济、资源 环境等角度出发提出三类指标，具体见表 1 。2. 2方案设计计算3综合方案( 图 2 )研究针对 规 划 区 的 地 质、环 境、水 文 和 气 象 等 条件进行分 析，论 证 了 雨 水 利 用 的 可 行 性，确 定 雨3. 138城市发展研究 18 卷 2011 年 12 期 Urban Studies Vol 18 No 12 2011董淑秋等: 基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究生态城市水利用的主要途径为下渗补充地下水，部分补充景观水系。中建设生态湿地 景 观，构 造 亲 水 空 间，起 到 美 化 环境和净化水质的 双 重 功 效。 发 生 暴 雨 时 溢 流 雨 水 通过防洪渠排除。微观上，将 位 于 长 安 街 两侧的地块作 为 示范 区，对其进行雨水利用详细规划设计，其中示范区 1 为综合商业用地，示范区 2 为商业和公共绿地组合 用地( 该区域内含有景观水体) ，通过对典型地块的 优化设 计，探 讨 全 区 雨 水 利 用 的 技 术 体 系 及 控 制 指标。设计计算3. 23. 2. 1 综合渗透系统示范区 1 为 综 合 商 业 用 地，汇 水 面 由 屋 面、绿 地、道路和广场组成，区域内无大面积水域，无景观 补水需求，因 此 本 区 雨水利用系统设计 为“屋 顶 绿 化 + 高位花坛 + 透水铺装 + 低势绿地 + 植被浅沟、 渗透沟”的雨水综合渗透利用系统。 屋面径流经屋 面绿化截留净化后再流经高位花坛( 内填渗透性能 好、净化能 力 强 的 人 工 混 合 土 ) 进 行 渗 透 净 化。 道 路雨水一部分经透水铺装直接渗透，一部分与屋面 雨水一起通 过 低 势 绿 地，流 入 渗 透 浅 沟; 雨 量 较 大 时，雨水沿着 浅 沟 进 入 渗 透 沟 下 渗; 超 过 渗 透 能 力 的雨水排入市政雨水管网。为确定雨水利用措施的最佳方案，综合北京市 已有的工程 设 计 经 验，分 析 屋 顶 绿 化 改 造 比 例、绿 地改造比例、渗透铺装比例以及设计零排放降雨量 对经济成本的影响。 具体优化分析计算如下。( 1 ) 固定绿地改造和铺装改造比例分别为 20 % 和 30 % 、考察屋顶绿化和设计零排放降雨量对经济 成本的影响，结果见表 2 。图 2 雨水利用综合方案示意图宏观上，将 整 个 规 划 区 按 照 现 有 水 域 和 绿 地分布分为 南 北 两 区，不 同 汇 水 面 雨 水 经 初 期 截 污 措施后优 先 下渗补充地下水源，多 余 雨 水 以 重 力 流方式汇集至南 北 两 区 的 水 系 中。 其 中 北 区 以 现 有晾水池 为 调蓄池接纳未渗透的 雨 水，南 区 以 现 有景观湖 泊 为 调 蓄 池，并 在 水 系 周 边 的 公 共 绿 地表 2屋顶绿化改造对经济成本的影响屋顶绿化比例( % )设计零排放降雨量( mm)年折旧费( 万元)单位面积净增造价( 元 / m2 )投资折旧( 元 / m3 )年维护费用( 万元)维护费用( 元 / m3 )利用综合成本( 元 / m3 )510152030. 2030. 6031. 1031. 60913510710122851386013. 0015. 3017. 5019. 801. 251. 461. 651. 8675601008012600151201. 031. 371. 692. 032. 282. 843. 343. 89由表 2 可见，屋顶绿化改造比例的提高，对提高地块零排放降雨量的作用较小，且随改造比例增加 所有经济指标都相应增加，因此需适当降低屋顶绿 化比例以节省成本。( 2) 固定绿地改造和屋顶绿化比例分别为 20%和 10% 、考察透水铺装和设计零排放降雨量对经济成本的影响。结果表明，与屋顶绿化相似，透水铺装改造比例的提高，对提高地块零排放降雨量的作用不 明显，且随改造比例增加所有经济指标都相应增加。( 3 ) 固定透水铺装和屋顶绿化比例分别为 30 % 和 10 % 、考察绿地改造和设计零排放降雨量对经济 成本的影响，结果见表 3 。39城市发展研究 18 卷 2011 年 12 期 Urban Studies Vol 18 No 12 2011生态城市董淑秋等: 基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究表 3绿地改造对经济成本的影响单位面积净增造价( 元 / m2 )投资折旧( 元 / m3 )维护费用( 元 / m3 )利用综合成本( 元 / m3 )绿地改造比例( % )设计零排放降雨量( mm)年折旧费( 万元)年维护费用( 万元)5152025307. 6022. 9030. 6038. 3045. 9088201008010710113401197012. 6014. 4015. 3016. 2017. 104. 661. 811. 461. 421. 18724591351008011025119703. 831. 641. 371. 381. 188. 503. 462. 842. 812. 37由表 3 可见，与屋顶绿化和透水铺装不同，绿地改造比例的提高，对提高地块设计零排放降雨量的 作用明显，且 随 改 造 强 度 增 加，吨水综合利用和吨 水维护成本有所降低，表明提高绿地改造比例可提 高零排放 降 雨 量 和 降 低 经 济 成 本。 本 结 论 从 蓄 水 量及经济最 优 方 面 验 证 了 学 界 关于绿地是城市雨 水利用最佳效益获取场所的论述8 10。通过对三种 影 响因素及各种经济指标的综合 分析，针对示 范 区 的雨水利 用综合渗透系统，绿 地 改造 25 % 左右、设计零排放降雨量 35 mm 左右是最 佳雨水利用改造措施方案。3. 2. 2 以景观水体为核心的综合利用系统示范区 2 是公共绿地和商业综合用地，区内有 景观水体，因 此 规 划 构 建“以景 观水体为核心的综 合利用系统”。 屋面雨水先经屋顶绿化截留净化后 再流经建筑物周边雨水花坛等设施进行渗透净化。 净化后的雨 水 再 流 经 设 置 于 景 观水池中的人工湿 地，出水水质 可 符 合 景 观 水 体 的 水 质 要 求，经 湿 地 处理后排 入 景 观 水 池。 多余 雨水通过绿地渗透系 统进行下渗补充地下水。与综合渗透系统一样，采取同样方式优化分析 最佳方案，结 论 与 综 合 渗 透 系 统 一 致: 屋 顶 绿 化 和 透水铺装改 造 比 例 的 提 高 不 能 提高零排放降雨量 且增加经济成本，绿地是最经济的雨水利用场所。经济性分析表明: 总净增造价、年折旧费用、单位 面积净增造价、吨水投资折旧和年维护费用都按照改 造比例增加而增加，但吨水维护费用和吨水利用综合 成本随改造比例的提高变化曲线如图 3 和图 4 所示。 综上分析，针 对“以 景 观 水 体为核心的综合利 用系 统 ”，绿 地 改 造 11 % 左 右、设计零排放降雨量 40 mm 左右是最佳雨水利用改造方案。图 3维护费用变化曲线图 4 利用综合成本变化曲线规划区综合方案计算3. 2. 3以示范区的设计计算结论为依据，规划全区雨水利用方案，按 照 雨 水 利 用 强 度 等 级，提 出 4 种 方 案，具体见表 4 。 针 对 4 种 方 案 进 行经济性及滞留 雨水量分析，结果见表 5 。按照 4 种方案考察不同利用方案情况下，全区 可滞留 的 降 雨 量、零 排 放 标 准 及 雨 水 利 用 率 等 指 标，方案 3 为最佳方案。 后期土地一级和二级开发 利用需以此改造比例为标准进 行 不 同 性 质 地 块 雨 水利用设施建设。表 4不同雨水利用方案绿地道路绿化带屋面绿化( % )广场道路铺装 ( % )方案改造比例( % )蓄水深( mm)改造比例( % )蓄水深( mm)12345101525200300300500551020305050803050508020020020020040城市发展研究 18 卷 2011 年 12 期 Urban Studies Vol 18 No 12 2011董淑秋等: 基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究生态城市表 5不同规划方案改造经济成本单位面积净增造价( 元 / m2 )投资折旧( 元 / m3 )维护费用( 元 / m3 )利用综合成本( 元 / m3 )年维护费( 万元)零排放降雨量( mm)方案12347. 4612. 1214. 9625. 270. 550. 810. 871. 41152. 60238. 60359. 40632. 800. 410. 580. 761. 290. 961. 391. 632. 71376298125政策、尽可能将雨水利用规划由非传统规划改变为法定规划，引导社会认识雨水利用的重要性，加大相关研 究和实践的投入，从法律、经济和教育等方面提供保 障，创造适合我国雨水利用的技术和艺术。【参考文献】1 曹秀芹，车武 城市屋面雨水收集利用系统方案设计分析J给水排水，2002 ( 1 ) : 13 15 2 Barraud S， Gautier A， Bardin J P， Riou V The impact of intentional stormwater infiltration on soil and groundwater J Water Science and Technology，1999 ( 2 ) : 185 192 3 张元勋 城市雨水资源化技术J 污染防治技术，2005( 1) : 28 314 冯峰，孙五继 洪水资源化的实现途径及手段探讨J 中 国 水 土保持，2005 ( 9 ) : 4 5 5 车武，李俊奇 从第十届国际雨水利用大会看城市雨水利用的 现状与趋势J，给水排水，2002 ，28 ( 3 ) : 12 14 6 宋云，俞孔坚 构建城市雨洪管理系统的景观规划途径 以 威海市为例J 城市问题，2007 ( 8 ) : 64 69 7 俞孔坚 以 土 地 的 名 义: 对景观设计的理 解J 建 筑 创 作，2003 ( 7 ) : 28 29 8 王沛永，张媛 城市绿地中雨水资源利用的途径与方法J 中 国园林，2005 : 75 81 9 赵广川 济 南 市 市 区 雨 洪 水 蓄 排 研 究D 南 京: 河 海 大 学，2006 ( 6 ) 10 田国行 城市绿地系统生态规划的理论分 析J 中 国 园 林，2006 ( 9 ) : 88 91 4 “生态海绵”效益分析上文已构建了“生态海绵”地区评价指标，利用这 一指标体系进行规划方案的综合效益分析，4 种规划方 案的经济性分析见表 5，最佳方案 3 时，规划区可滞留98mm 降雨量，相当于规划区 3 年重现期以上的降雨量 都可被“海绵”吸收，雨水利用率可达 90% ( 表 6) 。表 6方案 3 雨水利用强度指标值年雨水利用率( % )零排放降雨量( mm)综合径流系统雨水年排放率( % )90980. 26 5结合全区水域的调蓄和渗透补充地下水，方案3 实施后可节约水资源量 202. 47 万 m3 ，雨水经绿地 渗透和生态湿地等雨水利用设施净化，大大减轻了 雨水中污染物对环境的污染，根据北京市雨水污染 物浓度的监测值和净化设施净化能力，预计方案 3 实施后可减少 COD 外排量 101 万 t，这对生态环境 的保护具有重大意义。结语长期以来，城市涉水规划中雨水排除与利用规划 均未被以单项规划进行，且雨水利用规划与其他专项 规划之间缺少有机联系。将雨水资源化思想融入城市 规划、水系统规划、环境规划及