廖 楷
(成都市建筑設計研究院,四川成都610015)
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城市建筑小區(qū)內(nèi)土壤積蓄雨水能力的研究
廖 楷
(成都市建筑設計研究院,四川成都610015)
針對城市大底盤開挖小區(qū)綠化土壤的雨水蓄水可能性進行了研究,并提出了相對合理的大底盤頂板上的土壤厚度參考值,以期在微觀上尋找出“海綿城市”發(fā)展的一個技術(shù)方向。
建筑小區(qū); 降雨入滲; 回填土壤厚度; 雨水積蓄
中國城市化的迅速發(fā)展,使得有限的土地資源顯得非常稀缺,逼使建筑小區(qū)的建設朝著高大上方向發(fā)展,小區(qū)的土地利用率幾乎到達了極限。很多小區(qū)地面幾乎被建筑整體占用完了,沒能留下一點點的空隙。最常見的情況是地下建筑空間將小區(qū)用地全部占盡。
近年來,每年到了雨季,城市內(nèi)澇的現(xiàn)象比比皆是。城市內(nèi)澇除了自然氣候條件逐年變壞、暴雨更加集中的情況以外,城市雨水的出路是最大的問題。我們知道,雨水的出路不外乎是排和蓄的問題。城市越大,其匯水區(qū)域越大,匯水量必然增加,排放量也會大大增加。再加上底面硬化區(qū)域增大,雨水徑流系數(shù)增加,雨水排水峰值形成更快。
海綿城市概念的提出,就是充分利用現(xiàn)有資源,用時間換空間來解決雨水蓄和排的問題。雨水入滲地下,利用大地來存蓄雨水是一個有效的解決方案,只是城市提供雨水自然入滲地下的通道是越來越少。建設城市綠地、下凹場所、地下雨水調(diào)蓄池、地下蓄水池等等,是城市規(guī)劃建設要解決的問題。作為小區(qū)建筑,如何充分利用有限資源來解決雨水蓄留問題,是本篇文章討論的重點。
現(xiàn)今的建筑小區(qū)為了爭取最大的建筑面積,一般情況下是將整個小區(qū)的用地面積全部開挖后建成地下室。地面雨水除了按規(guī)劃要求設置的雨水調(diào)節(jié)池能接收部分調(diào)節(jié)雨水量外,其余大部分是由雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排入市政雨水管網(wǎng),雨水入滲地下,幾乎沒有條件。為了減輕小區(qū)排入市政雨水管網(wǎng)的雨水排水量,還有沒有其他可供儲蓄雨水的地方呢?筆者將目光投向到小區(qū)的綠化區(qū)域。
對于建筑小區(qū)綠地率(居住區(qū)用地范圍內(nèi)各類綠地面積的總和占居住區(qū)用地面積的比率)的規(guī)定,《城市居住區(qū)規(guī)劃設計規(guī)范》要求為:新區(qū)建設綠地率不應低于30 %,舊區(qū)改建綠地率不宜低于25 %;《成都市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定(2014)》對住宅用地、住宅兼容商業(yè)服務業(yè)設施用地的綠地率規(guī)劃控制指標按為:第一分區(qū)≥25 %,第二分區(qū)≥25 %,第三分區(qū)≥30 %,第四分區(qū)≥30 %。
以成都市建筑設計研究院的三個實際工程為例,印證小區(qū)的綠地情況:
案例一,位于成都市金牛區(qū)金牛鄉(xiāng)金牛村的成都頤園項目,規(guī)劃建設凈用地面積73 573.26 m2,項目總?cè)莘e率約0.719,建筑密度約22.79%,總規(guī)劃建筑面積約為88 274.9 m2,綠地率30.21 %。
案例二,成都正基一期項目,地上建筑面積58 779.39 m2,建筑層數(shù)為14~18層,建筑高度為54.3~78.7 m,綠地率35.2 %。
案例三,位于成都市雙流縣的成都新鴻洋公司星空花園,規(guī)劃建設凈用地約56 667.1 m2。綠地率35 %。
對以上設計的典型建筑小區(qū)進行分析后,發(fā)現(xiàn)綠地率通常在30 %~35 %左右。
建筑小區(qū)既然有一定比例的綠地,但它們有沒有蓄存雨水的能力呢?為此做進一步的研討分析。
成都地區(qū)建筑小區(qū)內(nèi)綠地土壤主要用于小區(qū)內(nèi)花卉、草坪、地被、灌木、喬木等植物的種植。其綠地土壤多采用自然土,主要為酸性紫色土,母質(zhì)為石灰性紫色砂頁巖,全剖面呈均一的紫色或紫紅色,結(jié)構(gòu)較為松散,總孔隙度在40 %左右。
建筑小區(qū)綠地根據(jù)植被類型不同,對土壤厚度要求是不一樣的。對本文案例三個小區(qū)的調(diào)查結(jié)果如表1所示。
表1 不同植被的覆土深度 m
根據(jù)表1結(jié)果,建筑小區(qū)土壤厚度通常在0.2~1.0 m之間。小區(qū)中土壤的含水率隨季節(jié)是變化的,而且變化很大。調(diào)查結(jié)果顯示,成都建筑小區(qū)內(nèi),降雨間隙期內(nèi)的土壤含水率通常在15 %~20 %左右。
另外,有一個問題值得引起重視,就是在建筑小區(qū)內(nèi)覆土層中,實際的下層回填土并沒有按設計要求進行回填,回填土中含有大量的建筑垃圾。因此,小區(qū)內(nèi)綠地回填土的孔隙率和含水率還值得作進一步的探討和研究。
降雨入滲是降雨滲入土體形成土壤水的基本水文過程。降雨經(jīng)植被層的截流損失后降落入土壤表面,在土壤界面發(fā)生水分的分配和轉(zhuǎn)化,部分水分通過土壤孔隙入滲,部分水分在土壤表面蒸發(fā),其余水分將沿坡面流動匯集形成地表徑流。
對于一次降雨過程來說,降雨期間地表水汽含量近于飽和,土壤表面蒸發(fā)量可以忽略不計,而地表徑流是在降雨強度超出土壤下滲容量時產(chǎn)生的,故土壤積蓄雨水的能力決定了降雨雨量的分配。
通常情況下,土壤含水率沿深度方向變化。1943年,貝德曼(Bedman)和科爾曼(Colman)在考察均質(zhì)土層下滲過程中土壤水分剖面變化情況時發(fā)現(xiàn),不同的土壤,盡管它們在下滲過程中,土壤水分剖面的具體變化不完全相同,但都可以劃分為四個有明顯區(qū)別的水分帶(圖1)[2]。
圖1 降雨入滲過程
最上層為飽和帶,這一帶厚度不大,一般不到1.5 cm,而且隨著降水時間的增長,這一厚度變化緩慢。飽和帶以下為水分傳遞帶,這是一個土壤含水量沿深度分布比較均勻、厚度較大的非飽和土層,其厚度隨供水時間的增長不斷增加,土壤含水量介于田間持水量和飽和含水量之間,約為飽和含水量的60 %~80 %。水分傳遞帶以下為濕潤帶,它是連接水分傳遞帶和濕潤鋒的水分帶。在這一帶中,土壤含水量沿深度迅速減小,并且在下滲過程中不斷下移。這一帶的平均厚度也大體保持不變。濕潤帶與下滲水尚未涉及到的土壤的交界面稱為濕潤鋒。在濕潤鋒處,土壤含水量梯度很大,因此在該處將有很大的土壤水分作用力來驅(qū)使?jié)駶欎h繼續(xù)下移。濕潤鋒是一個土壤間的接觸面,故又稱為濕潤鋒面或下滲鋒面。降雨入滲的過程就是土壤中含水率動態(tài)變化的過程。
由于氣候條件的影響,土壤中的含水量是不一樣的。那么,初始含水量不同的土壤,其蓄水狀況又是如何的呢?
依據(jù)周春華等研究的理論模型[3],對深度在0.60~1.80 m,初始含水率在12 %~24 %范圍內(nèi)的土壤積蓄能力進行了理論計算,結(jié)果如表2所示。
從表2可以看出,土壤積蓄雨水的能力與土壤厚度成正比,土壤厚度越大,其積蓄雨水的能力越強;土壤積蓄雨水的能力與土壤初始含水率成反比,土壤初始含水率越高,其積蓄雨水的能力越弱。
表2 不同初始含水率、土壤厚度與積蓄雨水量 mm
以覆土厚度1.20 m為例,在初始含水率為15 %時,其土壤積水量可達177.8 mm;而在初始含水率為21 %時,其土壤積水量則減少到106.7 mm。
以草地植被為例,參照劉目興等建立的計算模型[4],按成都市降雨雨型對不同重現(xiàn)期暴雨過程的累計入滲量進行理論計算,結(jié)果如表3所示。
表3 不同初始含水率、重現(xiàn)期的累積入滲量 mm
根據(jù)以上數(shù)據(jù)的分析,可以得出以下結(jié)論:
(1)隨初始含水率的增大,累計入滲量增大。這主要是由于初始含水率由土壤結(jié)構(gòu)決定,初始含水率越大,土壤的孔隙度和孔隙率越大,入滲速度越大。
(2)暴雨重現(xiàn)期增大,累計入滲量也增大,但增幅變小。這主要是由于土壤積蓄雨水的能力受降雨強度影響,隨暴雨強度的增大,土壤積蓄能力受限。
根據(jù)以上結(jié)果,可見當初始含水率為15 %的草地,在3 a重現(xiàn)期的成都暴雨雨型下,可以入滲量233.86 mm的雨水量。
由于用地緊張,建筑小區(qū)地上部分主要用于居住建筑、道路,通過地下車庫的建設來滿足車位要求,并在地下室頂板覆土層實施景觀、綠化。在這樣的條件下,設計建筑小區(qū)土壤厚度時,應結(jié)合地下室頂板結(jié)構(gòu)條件進行經(jīng)濟性分析。
以標準柱網(wǎng)為例(8 m×8 m,柱截面600 mm×600 mm),頂板板厚180 mm,主梁截面400 mm×800 mm、450 mm×900 mm,次梁采用井字梁250 mm×600 mm、250 mm×700 mm;頂板上覆土厚度分別取0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m;活荷載考慮景觀取8 kN/m2(因消防車道分部范圍有限,不具代表性,本次研究未作考慮)。根據(jù)PKPM計算結(jié)果,對不同覆土厚度的混凝土、鋼筋用量統(tǒng)計見表4。
表4 不同覆土厚度下的頂板結(jié)構(gòu)混凝土、鋼筋用量
指標土壤厚度0.6m0.8m1.0m1.1m1.2m1.4m1.6m1.8m混凝土用量/(m3·m-2)0.370.370.370.370.410.410.410.41板鋼筋用量/(kg·m-2)14.3514.3514.3514.3514.3514.3514.3514.35梁鋼筋用量/(kg·m-2)31.9335.7039.4140.7942.2045.9450.6455.60柱鋼筋用量/(kg·m-2)3.533.764.024.134.284.464.745.12鋼筋總用量/(kg·m-2)49.8153.8157.7859.2760.8364.7569.7375.07鋼筋增量A1.08A1.16A1.19A1.22A1.30A1.40A1.51A
注:①覆土厚度為0.6~1.1 m時,主梁截面400 mm×800 mm,次梁采用井字梁250 mm×600 mm;
②覆土厚度為1.2~1.8 m時,主梁截面450 mm×900 mm,次梁采用井字梁250 mm×700 mm;
③所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用C30混凝土,主筋采用HRB400,箍筋采用HPB300。
由表4可知,土壤厚度從0.9 m增加到1.2 m時,鋼筋增量為8 %;而土壤厚度從1.2 m增加到1.5 m時,鋼筋增量為13 %。土壤厚度變大,經(jīng)濟性變差。地下室頂板覆土厚度控制在0.9~1.2 m的厚度較為合適。
城市建筑小區(qū)內(nèi)土壤具有一定的積蓄雨水能力。通過以上的探討,可以認為在城市建筑小區(qū)內(nèi),土壤厚度越大,其蓄水能力越強。
但是,城市建筑小區(qū)由于受工程建設特定性質(zhì)的約束,土壤厚度是有一定的限制的。經(jīng)粗略研究,認為城市建筑小區(qū)內(nèi)土壤厚度設置在1.0~1.2 m,基本滿足常用的雨水設計重現(xiàn)期要求,而且,對于土壤中的積水排放也是合理的。
影響土壤積蓄雨水能力的外界條件太多,還有很多的問題值得更加深入地進行研究探討。
[1] 芮孝芳.水文學原理[M].北京:中國水利水電出版社, 2004.
[2] 周春華.大埋深條件下降雨入滲補給過程分析[D].長安大學, 2007.
[3] 劉目興,聶艷,于婧.不同初始含水率下粘質(zhì)土壤的入滲過程[J].生態(tài)學報, 2012(2):871-878.
TU-14
A
[定稿日期]2016-08-29