下凹式绿地在市政工程中的应用浅析

李源

李源

中国市政工程中南设计研究总院有限公司青岛分院青岛266101

摘要：随着城市化进程的加快，城市下垫面不透水层比例提高使雨水径流增加，导致地表水环境受面源污染日益加重。作为雨水径流源头削减的措施之一，下凹式绿地在国内外已得到初步应用。对国内外下凹式绿地应用现状、主要设计参数、应用效果分析进行了综述，并分析了下凹式绿地雨水集蓄利用技术的发展前景，提出了该技术推广应用所面临的问题及建议。

关键词：低影响开发；下凹式绿地；雨水调蓄；城市内涝

引言

近几年，中国的城市建设迅猛发展和城市高强度开发势必造成下垫面不透水层比例增加，导致雨水径流量增加。地表污染物通过排水管渠或直接进入地表水环境而造成污染。因此，在城市化推进过程中应大力推广低冲击开发模式，采取有效手段缓解减轻对生态环境的负面影响，慢慢恢复重建生态平衡，注重城市建设同生态环境和谐统一。雨水综合管理应按照低影响开发（LID）理念，采用源头削减、过程控制、末端处理的方法进行，控制面源污染，防治内涝灾害，提高雨水利用程度。显然，下凹式绿地可以实现雨水蓄渗利用，可视为低影响开发模式在雨水资源利用领域简单易行、投资少、效果明显的技术手段。

1下凹式绿地的应用现状

1.1国外应用现状

国外对下凹式绿地的研究及实践起步较早，已有四十多个国家其展开深入研究。

早在1980年起，日本开始研究雨水调蓄渗透过程，并将下凹式绿地、渗透井、渗透池、渗透管、透水性铺装及调蓄池等措施应用到工程中[1]，并且，在《第二代城市下水总体规划》（1992年颁布）中规定，新建以及改扩建的大中型公共建筑群应设置雨水渗透设施[2]。北美及欧洲部分国家和地区转变之前仅考虑雨水排放问题的观念，而加强雨水利用意识，在技术和政策方面做出较大努力。在技术方面，例如，美国提出的BMP（最佳管理实践，低影响开发）[3]，英国提出的SUDS[4]，澳大利亚提出的WSUD[5]以及新西兰的LIUDD等一些雨水利用技术。虽然BMP措施能有效控制地表径流，但是该技术成本过高，逐步被LID技术所取代[6]。分析原因，LID措施是小流域内采用天然水文控制措施，包括渗透、过滤、蓄存、挥发、滞留等，对雨水径流采取源头控制[7]。随后，在BMP和LID基础上，各国研究者提出适应本国国情的渗透技术。例如，澳大利亚的WSUD、英国的SUDS和新西兰的LIUDD。其中，WSUD技术是通过天然洼地调蓄雨水、增加地面透水比例等措施来降低下游流量峰值[8]。SUDS技术综合考虑降低洪水风险，改善水质，回灌地下水，满足社区需要等环境和社会影响因素[9]。同样，LIUDD也是通过雨水渗透、挥发两个水文过程实现的。在政策方面，制定相关政策法规，例如限制雨水直接排放，控制雨水径流污染，收取雨水排放费用[10]，要求或者鼓励对雨水进行存储、渗透、利用或回灌地下水等措施来改善城市水环境与生态环境。德国对雨水利用的研究实践处于世界领先地位，已发展到第三代雨水利用技术[11]。德国城市绿地雨水利用技术有两个方面，其一是在城市绿地中建设截留渗透系统，其二是在绿地中建设雨水利用系统[12]。

1.2国内应用现状

国内众多学者也对下凹式绿地的作用进行了深入研究并提出独特的见解。车伍等人提出[13]，采用下凹式绿地这种天然雨水渗透设施，可以补充地下水资源、减少地面沉降的发生、减少城市内涝、海水倒灌等，并具有透水性能好、节省投资、可实施性强等多种优点。周纪明在《建造下凹式城市绿地的建议》一文中指出，下凹式绿地的建设有以下几方面的效果：第一，减少城市内涝，增加地下水资源，减少绿地浇灌水量；第二，减少合乎水质污染，增加绿地土壤肥力；第三，雨水口的变化可避免事故发生[17]。

国内较多学者已通过下凹式绿地工程实例分析了下凹式绿地在滞蓄、减洪、节约水资源等方面的优势。清华大学喻啸研究了下凹式绿地在不同的下凹深度、汇水面积及设计暴雨强度条件下入渗及产流情况，结果表明，对于设计暴雨重现期为10年的降雨，不透水地面与绿化为1：1，与地面等高的绿地，其径流系数为0.59；当设置绿地比地面底5cm、10cm时，其径流系数分别为0.3、0.17；对于设计暴雨重现期为20年的降雨，相应的径流系数由0.6降低为0.38、0.28；对于设计暴雨重现期为5年的降雨，基本上可以不产生径流。在居住区开发中，建设下凹式绿地调蓄降雨在工程上较易实现，不增加工程投资。如果硬化与绿化比例为2：1，下凹5cm、10cm的绿地本身可承担面积2倍于它的屋顶路面径流滞蓄，在10年一遇降雨情况下，径流系数从0.83降至0.44、0.36，也就是说一半以上的径流可以被下凹式绿地消纳，滞蓄的水量可在4h和8h内全部下渗。由此可见，下凹式绿地的滞蓄效果是相当明显的[14]。

叶水根等[15]，分析计算了设计暴雨条件下下凹式绿地蓄渗、消洪效果。结果显示，在一倍汇水面积情况下，对于设计暴雨重现期为10a、50a和100a的暴雨，绿地对降雨的拦截率分别为87.15%、58.48%、50.75%；削减洪峰率分别为71.04%、46.82%和41.52%，可见下凹式绿地对蓄渗减洪作用十分明显。

任树梅等[16]，对北京市区在不同水平年、不同汇水面积和不同下凹深度的绿地蓄渗效果进行了分析计算。结果表明，当下凹深度为15cm、汇水面积比为5时，最长蓄水时间为21h，小于一般植物耐淹时间；当下凹深度为15cm，汇水面积比为2时，若北京市规划面积为1040km2，绿地平均每年有1.55亿m3雨水转变为土壤水，3.66亿m3补给地下水，外溢水量仅有0.11亿m3。因此，城市建设中采用下凹式绿地是利用雨水资源、降低洪水危害的有效措施。

李俊奇等[18]，认为下凹式绿地的蓄水能力随下凹深度增加而增强。当下凹深度为5~15cm时，下凹式绿地面积占汇水面积比例为20%时，可减少30%~90%的外排雨水量。在北京土质条件下，蓄水时间小于24h，不影响植物生长。

李雪转、吴争兵[19]建议将下凹式绿地应用到城市绿化中，将绿地下凹10cm，雨水经过下凹式绿地的蓄渗作用，81%的雨水可以被截留。并且通过实例分析了山西水利职业技术学院内的下凹式绿地面积约3hm2，硬化面积7.5hm2，年降雨量527.96mm，计算得每年节约水资源2万m3。研究提出若运城市区500hm2绿地面积都建成下凹式绿地，每年可节约水资源约300万m3。

此外，陈光吉的《浅谈城市雨水的开发利用》[20]、戚玉丽的《雨水直接排放给嘉兴城市带来的问题》[21]、李少华和周炳臣《控制沧州地质灾害发展的对策和措施》[22]都强调下凹式绿地在城市规划建设中的应用，但都没有进行深入研究。

2下凹式绿地的设计

目前已有不少学者对下凹式绿地设计提出较为深刻的见解。例如，张炜等[23]对下凹式绿地的设计过程、汇水面积划分、计算方法以及设计参数校核进行了深入探讨，研究结论中提出，设计下凹式绿地关键要控制好设计暴雨重现期、土壤稳渗率、绿地面积占汇水面积的比例、下凹深度及低势绿地植物耐淹时间等，其中，下凹深度和绿地面积比例是设计过程中主要控制参数。

首先，下凹深度是决定绿地蓄存雨水量的关键因素之一，但是，受到植物耐淹时间限制而不能无限制降低绿地设计高程。李俊奇等认为绿地植物耐淹时间为1~3天时，北京城区的绿地下凹深度在5~25cm范围内是安全的。任树梅等[16]学者认为，北京地区下凹式绿地下凹深度15cm，绿地面积与汇水面积比为1：5时，在蓄水时间为21h情况下，不影响一般植物生长。除了受到植物限制因素外，有研究发现，下凹深度还受到汇水区径流量的影响[24]。另外，聂发辉等[25]认为，受到人口密度、绿地景观等因素的限制，上海市区绿地下凹5cm比较合理。

其次，绿化覆盖率也是影响绿地发挥效果的因素之一。下凹式绿地运行良好的前提之一是足够大的绿化覆盖率，且最大限度保持绿地均匀分布，即汇水面硬化面积大的地区绿地面积也应较大，一般情况下绿地面积应占汇水面积的10%以上[10]。另外，程江等[26]研究发现，在一定重现期且设定绿地的雨水全部下渗情况下，下凹式绿地面积比f应大于临界面积比f0，可以实现雨水零排放；反之，雨水需要部分外排。同样，张光义[27]等提出，上海地区下凹式绿地下渗率高于1.0×10-6m/s时，上海市的下凹式绿地面积比例应不低于30%。

3下凹式绿地的应用效果分析

目前，国内大力提倡绿色城市和绿色建筑，要求城市、居住区具有较高绿化率，这就给下凹式绿地的雨水利用提供了较好的基础。下凹式绿地具有蓄渗雨水、控制土壤侵蚀的作用，包括降雨截留、雨水入渗、污染物浓度削减、减轻图层固结等功能。城市下凹式绿地是通过一定的措施对绿地功能进行强化，起到保护生态环境作用的一种雨水利用技术。

3.1有效补充地下水源

随着城市化进程，一方面由于水资源紧缺而对地下水过度开采；另一方面城市硬化铺装面积比例增加导致地下水难以得到有效补给，地下水位不断下降，城市水源日趋减少、地面下沉、海水入侵、城市水环境破坏等问题不段出现。以深圳为例，通过四十多年降雨统计资料逐时分析计算，几种代表性的情况下，下凹式绿地雨水入渗量详见表1

表1各种条件下下凹式绿地雨水入渗量统计结果

注：下凹式绿地稳定渗透系数按5×10-6m/s；溢流雨水口比下凹式绿地高50mm；未计集雨下垫面径流系数和蒸发量。

从表1中可以得出，在设计重现期2年、绿地占汇水面积比例20%条件下，年降雨量的80%以上可经下凹式绿地下渗为地下水。按深圳城市建成面积计算，城区平均降雨量约为13.7亿m3/a，在上述条件下，每年有11亿m3的雨水转化为地下水，这样可防止海水入侵，保护区域生态环境，减少绿地养护用水量。

3.2有效减轻城市内涝灾害

在自然状态中，降雨量仅有15%产生径流，85%的降雨量下渗为地下水，而在城市不透水条件下，仅有45%的降雨量入渗和蒸发，地表径流达到55%左右，城市建设前后地表径流量增加近4倍，这也是城市内涝的主要原因。

根据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》（GB50400--2006）要求：“雨水利用系统的规模应满足建设用地外排雨水设计流量不大于开发建设前的水平或规定的值，设计重现期不得小于1年，宜按2年确定。”，按上述下凹式绿地人渗量计算，暴雨设计重现期2年和下凹式绿地占汇水面积比率20％的条件下，年降雨量的80％以上雨水通过下凹式绿地入渗；设计重现期10年和绿地率20％的条件下，也有70％以上雨水通过下凹式绿地入渗。对有一定绿化面积的小区，只需对绿地结构及排水系统进行适当调整，区域建设就基本可到达《建筑与小区雨水利用工程技术规范》的这一要求，可极大地减少城市的防洪压力及城市排水系统的工程投资，可在源头上实现排水的“节能减排”任务。

3.3有效控制面源污染

随着城市经济的迅猛发展，面源污染越来越突显。雨水径流对水体造成的污染就是面源污染。下凹式绿地通过减少雨水径流量，截留初期径流和大部分雨水，能有效切断面源污染的途径，并能极大削减进入水体的面源污染负荷。下凹式绿地可以起到沉砂池及土地处理系统的作用，雨水在流动和入渗的同时，固体污染物经植物和土壤过滤，被截留沉积在绿地中，同时有机污染物被土壤微生物转变成植物可吸收的营养物质，既增加了土壤肥力，又净化了雨水径流水质。

下凹式绿地的调蓄入渗过程，削减面源污染负荷，避免了人工处理雨水增加的土地、能源、资金消耗，有效地防止城市建设对自然生态的冲击和破坏，并创造了良好的城市水景观环境。

3.4其他效果

下凹式绿地将雨水入渗蓄存在土壤中，晴天时土壤水通过植物蒸腾作用，产生较强的上升气流，增加城市空气流动性，起到调节区域气候、遏制城市热岛效应的作用；雨水通过下凹式绿地就地人渗，提到区域地下水水位，增加土壤含水量，可减少绿地养护浇灌次数，达到节约绿地浇洒用水量的目的。

4结论及建议

下凹式绿地是低影响开发模式中的一种雨水利用技术，可有效减轻对生态环境的冲击和破坏，也是城区雨水利用中的一种最成熟的利用技术。与城市和居住区绿化景观有机结合，综合设计，在不增加土地资源、建设资金和运行能源消耗的条件下，可达到增加城市地下水资源、减轻城市面源污染、减少洪涝灾害发生的频率、遏制城市热岛效应、节约绿地用水量的目的。

下凹式绿地集蓄利用技术还应着重从以下几个方面开展更加深入的研究：

（1）随着下凹式绿地雨水集蓄利用模式的推广，在大区域上应用该模式对生态环境尤其是对补充地下水改善城市水循环等方面的作用，需要进行更深入的实测评估。

（2）下凹式绿地长期运行对土壤的物理状况、土壤微生物等产生的影响及程度，有待于深入研究。

（3）目前，下凹式绿地等工程措施不再是单一的，而是越来越多的向多功能化的综合发展，与经济实用、人文景观、生态环境及可持续发展等方面有机结合。

（4）下凹式绿地建成运行以后的管理及后期维护，如根据降雨量制定相应的设计标准，编制相应的绿地养护手册。

总之，通过学者们不断研究创新，加之适当宣传推广，下凹式绿地雨水集蓄利用模式将得到广泛应用。

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