靳新紅

(北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京100048)

城市新建住宅小區(qū)基于水土保持的雨洪利用工程設計

靳新紅

(北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京100048)

雨洪利用；水土保持；設計；城市新建住宅小區(qū)

充分利用雨水資源是城市水土保持的必要要求，同時雨水利用是緩解城市用水緊張狀況的一個重要解決途徑，城市雨水利用規(guī)劃已成為城市規(guī)劃的主要內容之一。以北京市順義區(qū)某新建小區(qū)的雨水利用方案為例，分析了新建住宅區(qū)雨水利用的影響因素，結合城市水土保持的要求，探討了雨洪利用的技術設計，并對其效益進行了評價。建議政府在城市住宅小區(qū)水資源可持續(xù)利用方面加大宣傳力度，利用經濟手段，激勵建筑企業(yè)和小區(qū)居民對雨洪資源進行收集利用，最終達到優(yōu)化城市水資源的目的。

在城市化進程中，雨水問題是嚴重制約經濟發(fā)展的重要因素之一，具體表現(xiàn)在雨水資源的浪費、城市水污染嚴重、城市洪澇災害風險加大和對生態(tài)環(huán)境的破壞等方面[1]。居住區(qū)是城市水資源利用最集中的區(qū)域，開展居住區(qū)雨水利用是緩解城市水資源緊張狀況和防止內澇的重要途徑[2]。雨洪利用工程是將自然或人工集雨面的雨水進行收集、儲存和再利用，不僅可以增加水資源量，而且可以緩解排水壓力，解決城市“內澇”[3]。中國多數城市面臨缺水問題，水資源短缺已成為制約城市發(fā)展的主要瓶頸。隨著城市化進程的加快，城市地表硬化面積不斷增加，2008年的研究結果表明，北京市五環(huán)內建設覆蓋密度已經很高，尤其是四環(huán)內，中等(硬化度50%～70%)和較高密度的建設覆蓋(硬化度大于70%)占絕對優(yōu)勢比例[4]。不透水地面的增加，使降雨不能順利入滲，由此產生了一系列的問題。首先，北京是一個嚴重缺水的城市，水資源缺口為15億m3/a，一方面北京市需要通過南水北調工程調水來解決缺水問題，另一方面北京市每年又有大量的雨水不能得到有效收集利用，造成了水資源的極大浪費。從水資源利用方面看，地表硬化導致北京市每年流失5億～6億t的雨水，這些流失的水資源足以供北京1 200萬人飲用50年[5]。其次，從城市防洪方面來看，地表硬化后，地面徑流系數增大，降雨在短時間內可迅速匯集，導致城市防洪壓力增大。再次，從生態(tài)角度看，地表硬化以后，雨水下滲通道被切斷，城市地下水難以得到補充，植被根系水分來源減少，可能出現(xiàn)倒伏或死亡，植被退化后，降雨過程中植物對雨水的截流量減少，植被保水能力下降，進而加劇水土流失。同時地下水得不到補充還可能加劇地表干旱、地表土壤含水率降低，從而導致大風天氣風蝕加重并對區(qū)域環(huán)境產生不利影響。因此，加強城市雨水利用勢在必行。

雨水是一種優(yōu)質的淡水資源，不僅可作為飲用水來源，還可用于噴灑道路、灌溉綠地等。德國、美國、日本等許多發(fā)達國家從20世紀初就開始了雨水收集利用，其方式主要有利用屋面進行雨水積蓄、修建蓄水池、安裝集水槽等[6-8]。城市雨水利用將與城市防澇、城市非點源污染控制、生態(tài)環(huán)境保護相結合[9]。我國從20世紀90年代開始對城市雨水利用進行研究，建設了一批示范工程，如2008年在奧運村和奧運會場館修建的各式雨水收集和回用系統(tǒng)。北京是我國較早開展雨水利用研究與示范的城市，《21世紀初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》和《北京城市總體規(guī)劃》(2004—2020年)要求居住區(qū)廣泛實施透水磚地面代替普通硬化地面，修建集雨池、建設下凹式綠地等措施。典型小區(qū)的雨洪利用案例見表1[1,10]。

建筑區(qū)綠地是非常重要的滲透設施，滲透能力強，植物根系可對雨水徑流中的懸浮物、雜質起到凈化作用，因此應盡量通過地面排除雨水，以減少雨水管道的建設量[11]。城市雨水利用的途徑大致可以分為雨水收集和雨水滲透兩個方面，根據《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范》的要求，地面雨水宜采用土壤入滲方式進行利用；屋面雨水則可采用土壤入滲、收集回用、土壤入滲與收集回用相結合的方式進行利用。實際工程設計中，雨水利用的具體措施包括透水地面、集雨池、景觀水面和下凹式綠地等。本文以北京市順義區(qū)某新建小區(qū)為例，闡述新建住宅區(qū)基于水土保持的雨洪利用工程設計，按照《北京市房地產建設項目水土保持方案技術導則》雨洪利用率相關要求，通過對各項措施雨水利用情況進行量化計算，確保工程規(guī)模合理，雨水利用率滿足相關規(guī)范標準要求，同時還可為同類項目雨洪利用工程設計提供借鑒。

表1 典型小區(qū)雨洪利用措施

1 新建小區(qū)概況

1.1 項目區(qū)自然概況

該新建小區(qū)位于北京市順義區(qū)中部，工程所在地屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，多年平均氣溫11～12 ℃、≥10 ℃積溫為4 161 ℃；年平均相對濕度為57%、風速為3～5 m/s；年均日照時數2 745 h、無霜期190 d左右，最大凍土深度0.80 m；多年平均降水量約為637 mm，降水年際、年內不均，汛期(6—9月)集中了全年降水量的85%，而60%以上集中在7月和8月，且多以暴雨形式出現(xiàn)；多年平均水面蒸發(fā)量約為1 100 mm。

1.2 小區(qū)建設規(guī)模

項目屬新建房地產開發(fā)項目，占地面積38.32 hm2，其中硬化面積25.07 hm2、綠化面積13.25 hm2。土石方利用率達到100%，表土利用率達100%，施工過程中無臨時占地，雨洪利用率達到99.89%，施工降水利用率大于80%，硬化地面控制率為20.85%，滿足北京市房地產建設項目水土流失防治標準要求。

1.3 水土流失分析

根據該工程建設中水土流失成因、類型、分布的分析結果，測算發(fā)生水土流失的面積及強度，確定該項目在不采取任何水土保持措施的前提下，可能造成的土壤流失總量為2 811.61 t，其中新增2 636.25 t。在工程建設過程中，主體建筑物區(qū)、道路廣場區(qū)、景觀綠化區(qū)是水土流失發(fā)生的重點區(qū)域，新增水土流失量最大的是主體建筑物區(qū)和景觀綠化區(qū)，其新增水土流失量為1 315.93和1 200.05 t，分別占新增水土流失總量的49.92%和45.52%。因此，主體建筑物區(qū)和景觀綠化區(qū)是本項目水土流失防治和水土保持監(jiān)測的重點區(qū)域。

2 雨洪利用工程目標和措施

小區(qū)雨洪利用工程主要包括屋頂雨水收集系統(tǒng)、地下雨水收集池、滲透式或非滲透式下凹綠地。通過分析主體工程設計資料，結合《北京市房地產建設項目水土保持方案技術導則》等相關規(guī)范的要求，在該新建小區(qū)實施雨洪利用工程的預期目標和措施設計如下：

2.1 鋪設透水磚

若按照以往的做法鋪設不透水磚，工程施工結束后項目區(qū)建筑物、道路廣場等的硬化措施可減少地表的土壤侵蝕，卻增加了小區(qū)內的地表徑流，雨水無法下滲，只能通過排水管道排走，導致了水資源的浪費，而地表徑流攜帶的大量污染物，又造成自然水系的污染。因此，基于城市水土保持工作的要求，為達到減少地表徑流、增加水分入滲、提高小區(qū)雨洪利用率的目的，在停車場、主干道和次干道兩側的人行道及廣場等硬化區(qū)鋪設透水磚，透水磚規(guī)格為厚80 mm、底面480 mm×240 mm，下層鋪設無砂細石砼結合層40 mm，C20無砂大孔砼和天然級配砂礫料墊層各200 mm，基礎夯實(圖1)。

圖1 透水磚鋪裝大樣(單位：mm)

2.2 下凹式綠地設計

下凹式綠地可用來滯留、凈化雨水，利用入滲的方式補充地下水，因此在進行水土保持雨洪利用工程設計時將小區(qū)內的綠地調整為下凹式綠地，綠地地表低于周邊地面約10 cm，下凹式綠地面積為13.25 hm2。

為進一步增加項目區(qū)雨水利用率，水土保持雨洪利用工程對建筑物周邊硬質散水進行調整設計，將硬質散水調整為碎石散水。具體措施設計為：在原散水處開挖矩形斷面的溝槽，斷面規(guī)格為50 cm×50 cm，溝槽內回填碎石，碎石粒徑為5～8 cm(圖2)。碎石散水與下凹式綠地相結合，降雨過程中，屋頂匯流經碎石散水初次截留后再引入附近的下凹式綠地，從而實現(xiàn)充分利用天然降水、提高雨水利用率的目的。

圖2 項目區(qū)屋頂匯流收集典型設計(單位：mm)

2.3 修建集雨池

小區(qū)雨水來源可分為屋面雨水、路面雨水、綠地雨水和其他雨水，雨水收集后通過輸水、棄流與截污系統(tǒng)和調蓄系統(tǒng)、凈化處理系統(tǒng)、配水系統(tǒng)可實現(xiàn)雨水的再利用[12]，用于居住區(qū)綠地灌溉、道路噴灑、沖廁、洗車、景觀用水等。在該新建小區(qū)景觀綠化區(qū)內設置集雨池，收集屋頂雨水，作為綠化灌溉的補充水源。

2.3.1 設計依據

設計依據主要有《北京市房地產建設項目水土保持方案技術導則》《開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范》《城市雨水利用工程技術規(guī)程》和《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范》。

2.3.2 集雨池規(guī)格計算

降雨徑流總量按下式計算

式中：W為降雨徑流總量，m3；Ψc為雨量徑流系數；hy為設計日降雨量，mm；F為匯水面積，hm2。

根據《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范》中設計重現(xiàn)期的有關規(guī)定，本項目建成后屬一般性建筑物，設計重現(xiàn)期取2年，降雨歷時取360 min，由于項目區(qū)缺乏雨量及雨強資料，雨強與雨量根據《城市雨水利用工程技術規(guī)程》(DB11/T685—2009)中相關規(guī)定取值，雨量取75.6 mm。

經計算，工程結束后，屋頂集雨面積約17.09 hm2，雨量徑流系數取0.7；道路廣場面積為7.99 hm2，雨量徑流系數取0.6；綠地面積為13.25 hm2，雨量徑流系數取0.15；項目區(qū)內的平均徑流系數為0.489，降雨徑流總量為14 166 m3。

由于降雨前期雨水水質較差，根據《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術規(guī)范》中的有關規(guī)定，初期雨水棄流厚度取3 mm。初期雨水棄流量為752 m3。

項目區(qū)內的綠地均為下凹式綠地，綠地低于地面5～15 cm，降雨期間下凹式綠地可攔蓄部分雨水，攔蓄量為13 250 m3。

經計算，經過植物截流、入滲、蒸發(fā)及綠地攔蓄后，可以收集利用的雨水徑流總量為164 m3。

結合項目區(qū)內的綠地及其他設施的布置情況，景觀綠化區(qū)共布置集雨池3座，每個集雨池容積為50 m3，共需鋪設雨水收集管道400 m，管道采用DN150PVC管。集雨池為全地下鋼筋砼結構，3座集水池共可收集雨水150 m3(圖3)。

根據文獻[13]中的研究結果，在確保達到植物預期的灌溉效果時，草坪的二級養(yǎng)護標準為3.81 kg/m2。按二級養(yǎng)護進行計算，項目區(qū)內綠地一次綠化用水量為：13.25×10 000×3.81=504 825 kg，合計約500 m3。集雨池收集的雨水在一次綠化養(yǎng)護中可以全部用完，集雨池規(guī)模設計合理。

3 結論與討論

3.1 效益分析

(1)水土保持生態(tài)效益。經過水土保持雨洪利用設計，項目區(qū)共蓄滯降雨徑流1.42萬m3，可有效減輕降雨匯流對項目區(qū)及下游河道的沖刷，下凹式綠地攔蓄徑流后可保障綠地區(qū)域有較好的水分條件，有利于綠化區(qū)植物生長，從而更好地發(fā)揮保持水土的作用。

(2)雨洪利用經濟效益。下凹式綠地蓄滯降雨徑流，可減少綠化養(yǎng)護次數，集雨池蓄水作為綠化養(yǎng)護補充水源也可有效節(jié)約水資源，降低養(yǎng)護成本。

(3)城市生態(tài)效益。透水地面改造、下凹式綠地等措施可有效增加降雨徑流入滲，表層土壤含水率增加可滿足地表植被生態(tài)需水，地表徑流入滲還可有效補充地下水，使項目區(qū)及附近地表植被能夠抵御干旱，從而實現(xiàn)生態(tài)良性發(fā)展。

3.2 房地產開發(fā)項目雨洪利用發(fā)展方向

(1)從城市水土保持的角度出發(fā)，根據小區(qū)的場地環(huán)境、功能需求等將城市住宅小區(qū)雨洪利用工程設計的先進理念引入到小區(qū)景觀設計中，實現(xiàn)雨水利用與環(huán)境維護的有機結合。

(2)新建小區(qū)雨洪利用蓄水池的修建規(guī)模應結合小區(qū)的地面硬化面積確定。若小區(qū)地面硬化較多，則降雨時會產生較大的地表徑流，這就需要修建較大的蓄水池；若綠地較多則不用修筑規(guī)模過大的蓄水池。

(3)建議在老舊小區(qū)修建雨洪回收系統(tǒng)，有效地回收并進行二次利用。如可修建蓄水池、滲水井，鋪設透水磚等，既可以提高小區(qū)雨水資源的利用效率，又有利于減輕市政排水管網的排洪壓力。

(4)北京市住宅小區(qū)雨洪利用事業(yè)發(fā)展較快，但將雨水作為重要水資源的觀念尚未深入人心，很多人缺乏雨水利用的意識。因此，有必要加大雨洪利用設施的宣傳力度，同時動員廣大小區(qū)居民參與到這項工程建設中來，大家參與、共同受益。

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(責任編輯 孫占鋒)

TU201

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靳新紅(1977—)，男，山西霍州市人，工程師，碩士，主要從事水土保持、河道生態(tài)治理研究工作。

2014-07-20