基于雨洪管理理念的廢棄砂石坑改造

李丹雄，武亞南，胡 雪

(北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100083)

基于雨洪管理理念的廢棄砂石坑改造

李丹雄，武亞南，胡 雪

(北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100083)

雨洪管理；廢棄砂石坑；坑塘；鷲峰國(guó)家森林公園

對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于雨洪管理的理念及資源化實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了梳理，在此基礎(chǔ)上分析了北京市鷲峰國(guó)家森林公園內(nèi)廢棄砂石坑的水資源現(xiàn)狀及植被景觀特點(diǎn)，并計(jì)算了廢棄砂石坑現(xiàn)狀匯水量及容積?；谟旰楣芾淼南冗M(jìn)理念提出廢棄砂石坑改造設(shè)計(jì)，具體措施有清淤、防滲處理、生態(tài)護(hù)岸、植物配置，將昔日公園廢棄砂石坑改造成坑塘，使其在發(fā)揮蓄水功能的同時(shí)能夠凈化水質(zhì)，而且還具有觀賞價(jià)值。

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)于周邊環(huán)境的要求越來越高，尤其是像北京這種超大型城市在發(fā)生“7·21”暴雨之后，對(duì)雨洪管理和利用的程度越發(fā)重視。隨后，一大批綠地重建、河道修復(fù)、濕地恢復(fù)等生態(tài)環(huán)境工程不斷被納入北京市的城市建設(shè)當(dāng)中，為北京市的生態(tài)安全筑起了一道道屏障。

將廢棄砂石坑改造成坑塘是濕地恢復(fù)的一種形式?？犹潦侵溉斯ら_挖或天然形成的儲(chǔ)水洼地，包括養(yǎng)殖、種植塘及湖泊、河渠形成的支汊水體[1]。相對(duì)于其他雨洪調(diào)蓄工程，坑塘具有較大的存蓄空間，能夠顯著降低流域進(jìn)入臨近地表水體的氮源負(fù)荷?？犹恋念愋陀袕U棄窖坑、廢棄?mèng)~塘、廢棄荷塘等[2]。廢棄砂石坑通過改造設(shè)計(jì)，能夠成為既具有蓄水功能又具有景觀價(jià)值的坑塘。

1 國(guó)內(nèi)外雨洪管理與資源化利用的理論與實(shí)踐

1.1 雨洪管理與資源化利用理論

1.1.1 最佳管理措施

最佳管理措施(Best Management Practices，簡(jiǎn)稱BMPs)由美國(guó)于1972年提出，其主要宗旨是減少地表徑流總量，延長(zhǎng)地表滯留時(shí)間，并對(duì)非點(diǎn)源污染進(jìn)行有效控制，從而形成一個(gè)基于生存環(huán)境保護(hù)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的雨洪管理體系[3]。BMPs的主要內(nèi)容包括工程措施和非工程措施，其中工程措施主要為雨水濕地、植被淺溝、生物滯留池等。但是BMPs在空間相對(duì)狹小、建筑密集的區(qū)域，難以建設(shè)大規(guī)模的調(diào)蓄設(shè)施[4]。

1.1.2 低影響開發(fā)體系

低影響開發(fā)體系(Low Impact Development，簡(jiǎn)稱LID)是美國(guó)馬里蘭州環(huán)境保護(hù)署于1990年提出的一種在BMPs基礎(chǔ)上發(fā)展起來的更為合理全面的新型雨洪管理措施體系，強(qiáng)調(diào)通過對(duì)場(chǎng)地的低強(qiáng)度開發(fā)，以減少不透水鋪裝面積，還原土壤滲透能力，以植物栽植降低地表徑流速度并過濾掉徑流攜帶的污染物，以模擬自然水文過程方式，從源頭上降低開發(fā)所導(dǎo)致的水文變化及雨水徑流對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響。LID不需要大面積的土地就可以實(shí)現(xiàn)雨水的回滲，同時(shí)還能營(yíng)造出豐富而良好的景觀效果，特別適合在城市公園、廣場(chǎng)、居民區(qū)和校園的建設(shè)中進(jìn)行推廣應(yīng)用，具有成本低、適用性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。

1.1.3 可持續(xù)排水系統(tǒng)

1999年英國(guó)政府建立了可持續(xù)排水系統(tǒng)(Sustainable Urban Drainage Systems，簡(jiǎn)稱SUDS)來解決洪澇災(zāi)害和水環(huán)境污染。該體系具體內(nèi)容包括鼓勵(lì)雨水就地下滲，有效補(bǔ)給地下水；控制地表徑流，預(yù)防雨洪災(zāi)害；生物措施過濾雨水，減少非點(diǎn)源污染；將雨洪管理設(shè)施的應(yīng)用融于景觀設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)宜人的景觀效果；為動(dòng)物提供安全適宜的生存環(huán)境。SUDS體系雨洪管理主要特點(diǎn)是通過源頭控制、中端控制、末端控制3種方法來實(shí)現(xiàn)，它更加注重通過雨洪管理來呈現(xiàn)生態(tài)價(jià)值。和美國(guó)的BMPs、LID體系相似，SUDS體系也是通過工程措施和非工程措施的配合來完成整個(gè)雨洪管理鏈條[5-6]。

1.2 國(guó)內(nèi)外雨洪管理實(shí)踐

近20年來，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在應(yīng)對(duì)城市雨洪管理的理念上發(fā)生了根本改變，從傳統(tǒng)的以“排”為主轉(zhuǎn)向了發(fā)展復(fù)合型綠色生態(tài)雨洪管理網(wǎng)絡(luò)的思路，從城市規(guī)劃建設(shè)、建筑設(shè)計(jì)到城市、公園、校園、居住區(qū)等空間的景觀設(shè)計(jì)與營(yíng)造，形成了完整的城市雨洪利用技術(shù)體系，制定了比較完善的城市雨洪利用法律法規(guī)和政策保障措施[5-6]。例如波特蘭會(huì)議中心西南面的“雨水花園”，德國(guó)漢諾威市康斯伯格城區(qū)的道路與場(chǎng)地景觀等[5-6]。

我國(guó)對(duì)雨洪資源化利用研究開展得比較晚?！昂＞d城市”是我國(guó)最新的雨洪管理理念，與美國(guó)的LID和英國(guó)的SUDS相一致，是國(guó)際化城市雨水管理理念在國(guó)內(nèi)的創(chuàng)新和發(fā)展。2014年10月，住建部發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》，2015年1月國(guó)家開始啟動(dòng)建設(shè)嘉興、廈門等16個(gè)海綿城市試點(diǎn)工程[4]。海綿城市的建設(shè)目的是使城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用[7]。除了“海綿城市”的建設(shè)理念外，坑塘也是雨洪管理與利用的一種形式，在我國(guó)實(shí)踐運(yùn)用較為廣泛。坑塘是我國(guó)平原區(qū)農(nóng)村重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施[1]，例如朝陽(yáng)區(qū)黑莊戶鄉(xiāng)萬子營(yíng)村的廢棄藕塘、魚塘等按照濕地設(shè)計(jì)的方法增強(qiáng)了非點(diǎn)源污染物處理效果，使坑塘水質(zhì)得到明顯改善[2]。

2 案例背景及現(xiàn)狀分析

2.1 案例背景

北京鷲峰國(guó)家森林公園位于北京城西大西山風(fēng)景區(qū)中部，是距離京城最近的國(guó)家森林公園，園內(nèi)最高峰海拔1 153 m，鷲峰主峰海拔465 m，森林覆蓋率達(dá)96.4%。公園前身為北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，從1992年開始進(jìn)行教學(xué)實(shí)習(xí)、科普教育等活動(dòng)，集登山健身、休閑度假、會(huì)議培訓(xùn)和科普拓展為一體，2016年公園被水利部認(rèn)定為國(guó)家水土保持科技示范園。為了充分發(fā)揮公園的科技支撐、典型示范、水土保持相關(guān)知識(shí)宣傳教育等功能，在分析、調(diào)查園區(qū)現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行總體規(guī)劃，補(bǔ)充水土保持元素，增強(qiáng)園區(qū)水土保持科普功能。

園區(qū)樹木園旁現(xiàn)有一不規(guī)則廢棄砂石坑(圖1)，深1～2 m，占地920 m2，園區(qū)內(nèi)雨水大部分匯流至此，再通過下游涵洞排出園區(qū)。規(guī)劃設(shè)計(jì)人員通過詳細(xì)勘查廢棄砂石坑及上下游情況，進(jìn)行相關(guān)水文計(jì)算并結(jié)合園區(qū)實(shí)際情況，將此廢棄砂石坑改造成坑塘，使其成為一集雨水收集和游憩相結(jié)合的場(chǎng)地。

圖1 廢棄砂石坑現(xiàn)狀

2.2 現(xiàn)狀分析

(1)水資源現(xiàn)狀。廢棄砂石坑位于鷲峰山腳，匯集上游坡面來水。現(xiàn)狀因上游排水口未做沉沙措施，砂石坑內(nèi)已淤滿泥土和石塊(圖2)?，F(xiàn)狀底部高程72.33 m，出水涵洞高程72.38 m，出水口高于廢棄砂石坑底部，坑內(nèi)淤積相當(dāng)嚴(yán)重，不利于雨水排出。現(xiàn)狀砂石坑不存水，目前不具有雨水調(diào)蓄利用功能。

圖2 上游排水口

(2)植被景觀現(xiàn)狀。廢棄砂石坑周圍散生幾株榆樹，以及禾本科、菊科等草本植物，且長(zhǎng)勢(shì)不良，觀賞性極差，生態(tài)功能低。

(3)休閑設(shè)施現(xiàn)狀。廢棄砂石坑四周無任何休閑設(shè)施，不具備休閑娛樂的功能，達(dá)不到國(guó)家級(jí)森林公園的標(biāo)準(zhǔn)。

3 水文計(jì)算

3.1 坑塘匯水量計(jì)算

根據(jù)土地利用類型及當(dāng)?shù)氐钠骄杲涤炅坑?jì)算坑塘匯水量?？紤]到多場(chǎng)降雨中，降雨量小的不會(huì)形成地面徑流，特別是非雨季的降雨，因此要引入一個(gè)季節(jié)折減系數(shù)。采用以下公式計(jì)算

W=α·β·H·A

(1)

式中：α為季節(jié)折減系數(shù)，取0.85；β為集流面徑流系數(shù)；H為多年平均降雨量，mm；A為匯水面積，m2,W為坑塘匯水量，m3。

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)多年平均降雨量669 mm，由于集流面為土石質(zhì)山地，徑流系數(shù)取0.2。實(shí)測(cè)集雨面積12 000 m2。根據(jù)式(1)，求得匯水量W=0.85×0.2×0.669×12 000=1 365 m3。

3.2 坑塘容積計(jì)算

根據(jù)下面公式計(jì)算坑塘蓄水容積

(2)

式中：V為坑塘蓄水容積，m3；h為坑塘深度，m；S上為坑塘上口面積，m2；S下為坑塘底面積，m2。

根據(jù)當(dāng)?shù)靥峁┑馁Y料及坑塘斷面設(shè)計(jì)圖可知：坑塘深度h= 2 m，有效蓄水面積S上=650 m2、S下=650 m2，則該坑塘蓄水容積V=1 300 m3?？紤]到塘壩處截流所引入的雨水，選取坑塘復(fù)蓄次數(shù)為3次，則坑塘全年可集蓄水量V=3×1 300=3 900 m3。

4 廢棄砂石坑改造設(shè)計(jì)

4.1 清淤、防滲處理

針對(duì)園區(qū)現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)現(xiàn)有廢棄砂石坑進(jìn)行清淤，廢棄砂石坑底部做防滲設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)地踏測(cè)計(jì)算，砂石坑防滲面積約為920 m2。防滲材料選用復(fù)合土工膜，其與基底承力層、保護(hù)層和覆蓋材料基面一起組成復(fù)合土工膜防滲體(圖3)。施工時(shí)先夯實(shí)基礎(chǔ)底層，并將基底整平，然后鋪復(fù)合土工膜，鋪設(shè)時(shí)預(yù)留一定的變形褶皺，土工膜上再鋪5 cm厚細(xì)沙作為保護(hù)層，最后覆黏土50 cm作為覆蓋基面，便于水生植物扎根生長(zhǎng)。

圖3 復(fù)合土工膜防滲體結(jié)構(gòu)

在防滲工程中，土工膜是關(guān)鍵材料。其厚度的控制范圍在0.3～0.6 mm，幅寬為4～6 m。厚度小于0.3 mm 的土工膜在焊接過程中不易控制，容易破壞。從經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)選用0.5 mm 厚的為宜。在本方案設(shè)計(jì)中，選用規(guī)格為一布一膜即0.5 mm的復(fù)合土工膜?；资欠罎B的基礎(chǔ)，將雜物清理干凈后，采用振動(dòng)碾壓實(shí)，一般碾壓2～3遍后具備鋪設(shè)條件。土工膜的鋪設(shè)以人工為主，在鋪設(shè)過程中預(yù)留搭接余量，接頭采用膠粘，接縫寬50 mm。

4.2 生態(tài)護(hù)岸

為了減少施工成本，利用現(xiàn)有砂石坑淤泥，并增加周邊景觀特色，使其與周邊自然和諧一致。砂石坑周邊采用土工石籠袋防護(hù)(圖4)，土工石籠袋尺寸500 cm×700 cm×500 cm，沿溝底錯(cuò)層碼放5層，土工石籠袋內(nèi)裝坑塘清淤土。

4.3 植物選擇

植物選擇要符合“以鄉(xiāng)土植物為主，選擇生長(zhǎng)力強(qiáng)、凈化能力強(qiáng)的物種”等原則?？犹羶?nèi)適宜栽植水生植物。水生植物是營(yíng)造城市雨水景觀的功能性植物，其能夠利用自身光合作用、呼吸作用及根系分泌物給雨水收集凈化系統(tǒng)生境內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)提供能量和載體，豐富水生生態(tài)系統(tǒng)多樣性以達(dá)到雨水凈化目的[8]。

圖4 土工石籠護(hù)岸

案例中，坑塘淺水區(qū)栽植菖蒲(AcoruscalamusL.)、千屈菜(LythrumsalicariaL.)、蘆葦(Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.)等北京市常見野生水生植物，配合生態(tài)護(hù)岸形式,增加景觀效果。菖蒲主要以觀葉為主，葉片柔軟，呈黃褐色至淺綠色；千屈菜以觀花為主，花色呈紫色至紫紅色；蘆葦可觀賞花絮及枝葉，枝干直立柔軟。這3種植物成片狀交替、高低錯(cuò)落有致地分布。此外，這些植物均具有較強(qiáng)的去污能力。其中，當(dāng)雨水停留時(shí)間為6 d時(shí)，菖蒲的COD去除率和TP去除率均在80%以上[9]，TN去除率達(dá)到70%以上[10]；千屈菜的COD去除率在40%以上，TP去除率在70%以上，TN去除率在30%以上[11]；蘆葦?shù)腡P去除率在70%以上，COD去除率和TN去除率均在50%以上[10]。詳見表1。

4.4 旅游休閑

為了給游人提供更多的親水空間，在坑塘周邊沿岸設(shè)置仿木樁汀步，汀步寬1 m，用素土夯實(shí)，鋪50 mm厚沙土作為基層，上鋪60 mm厚圓形仿木樁。圓形汀步間距61～280 mm，不規(guī)則布置，仿木樁半徑250 mm或410 mm，汀步間栽植委陵菜進(jìn)行綠化點(diǎn)綴。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過清淤、防滲、生態(tài)護(hù)岸、植物配置等改造設(shè)計(jì)，將昔日公園廢棄砂石坑改造成坑塘，使其在發(fā)揮蓄水功能的同時(shí)能夠凈化水質(zhì)，而且還具有觀賞價(jià)值，能夠?yàn)槁糜握呒俺鞘芯用裉峁└蟮穆糜涡蓍e空間，是今后同類廢棄砂石坑改造設(shè)計(jì)的工程典范，也為雨洪管理提供成功經(jīng)驗(yàn)。

表1 坑塘淺水區(qū)植物種選擇

[1] 劉乙玄，關(guān)欣.坑塘在土地生態(tài)系統(tǒng)中的功能研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(29):18110-18111，18207.

[2] 張春梅，冒建華，李瑞君，等.朝陽(yáng)區(qū)農(nóng)村坑塘的水資源綜合利用[J].北京水務(wù)，2009(增刊1):34-35.

[3] 王詩(shī)鑫.城市公園中雨洪管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2015：10-20.

[4] 王媛媛，景洪蘭.國(guó)外雨洪管理技術(shù)實(shí)踐對(duì)北方海綿城市建設(shè)啟示——以沈陽(yáng)雨水利用綜合規(guī)劃為例[J].中國(guó)市政工程，2016(4):41-43.

[5] 李玉明，王鈺.基于雨洪管理理念的城市公園雨洪資源化利用規(guī)劃[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014(21):7092-7094，7105.

[6] 劉佳.城市公園雨洪管理可持續(xù)設(shè)計(jì)研究——以北京奧林匹克公園為例[D].西安：陜西科技大學(xué)，2013：20-23.

[7] 李兵.基于“海綿城市”理念的雨水滲蓄試驗(yàn)研究[J].中國(guó)市政工程，2015(6):73-75.

[8] 李鳳儀，湯林子，李雄.城市雨水景觀基礎(chǔ)設(shè)施的功能性植物配置要點(diǎn)——以海淀區(qū)西洼雨水公園為例[J].建筑與文化，2014(7):158-159.

[9] 蘇小紅，湯曉玉，顧新嬌，等.基于去污效果和氣候適應(yīng)性的濕地植物篩選研究[J].環(huán)境污染與防治，2013，35(8):54-58.

[10] 李文英.幾種常見濕地植物及其去污效果[J].濕地科學(xué)與管理，2007，3(2):63-64.

[11] 黃潔慧，梅凱.人工浮島植物的篩選及其去污效果的試驗(yàn)研究[J].污染防治技術(shù)，2015(6):34-39.

(責(zé)任編輯 孫占鋒)

S26

A

1000-0941(2017)07-0037-04

李丹雄(1989—)，女，廣西欽州市人，助理工程師，碩士，主要從事小流域治理、水土保持方案編制等工作。

2017-03-15